第29卷第2期煤炭學(xué)報(bào)Vol 29 No. 22004年4月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYA文章編號(hào)253-9993(2004)2-0226-04精細(xì)水煤漿制備與應(yīng)用技術(shù)的研究付曉恒,王祖訥,柴保明,李紅楓,劉萬(wàn)峰,萬(wàn)玲娟〔中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化工與環(huán)境工程學(xué)院,北京100083)摘要:論述了精細(xì)水煤漿的特點(diǎn)、制備的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用前景,介紹了精細(xì)水煤漿在小容量燃燒器和柴油機(jī)中的試驗(yàn)結(jié)果.初步試驗(yàn)表明,精細(xì)水煤漿在該燃燒器中的燃燒熱強(qiáng)度接近柴油;摻有一定量柴油的精細(xì)水煤漿在柴油機(jī)中可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒.關(guān)鍵詞∶精細(xì)水煤漿;潔凈煤;燃燒器;柴油機(jī)中圖分類號(hào):TD923.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AResearch on preparation and application of ultra-cleanmicronized coal water slurryFU Xiao-heng, WANG Zu-ne, CHAI Bao-ming, LI Hong-feng, LIU Wan-feng, WAN Ling-juanSchool of Chemical and Environment Engineering, China Unitersity of Mining and Technology( Beijing ) Beying 100083, ChinaAbstract: Characteristics and key techniques of a ultra-clean micronized coal water slurry( UCMCWS and itsprospects were described. Experiment results in a small capacity combustor and a diesel engine were introducedThe preliminary experiments indicated that the specific thermal intensity of UCMCWS in the combustor is close tothat of diesel and the combustion of uCMcws mixed with diesel is stabileKey words: ultra-clean micronized coal water slurry i clean coal combustor i diesel engine我國(guó)的煤炭資源豐富,是世界上少數(shù)以煤為主要能源的國(guó)家之一.但我國(guó)的石油資源相對(duì)短缺,2000年我國(guó)石油進(jìn)口依存度已達(dá)到約30%,在未來(lái)的20a內(nèi)有可能達(dá)到40%以上,石油安全已涉及到我國(guó)的能源安全.因此,充分利用我國(guó)豐富的煤炭資源,開(kāi)發(fā)煤代油技術(shù),對(duì)于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和能源安全具有重要意義水煤漿是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來(lái)的低污染、高效率的煤基流體燃料,具有類似于油的流動(dòng)性和穩(wěn)定性,可以方便的泵送、儲(chǔ)運(yùn)和霧化燃燒.水煤漿燃燒時(shí)火焰溫度比油低,產(chǎn)生的NO比油少.水煤漿技術(shù)是一種投資省、成本低、見(jiàn)效快、簡(jiǎn)單易行和成熟度高的代油技術(shù),用普通洗精煤(制漿煤的灰分約為10%)制備的水煤漿已經(jīng)商業(yè)化,為企業(yè)帶來(lái)了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益.但是,這種普通水煤漿的粒度較粗(平均粒度約為45μm,粒度上限一般小于0.3mm),灰分較高(制漿煤的灰分一般約為10%),如果應(yīng)用于對(duì)噴咀精度要求比較髙和燃燒空間比較小的燃用柴油的熱工設(shè)備,容易造成噴咀的堵塞、曆損和在燃燒空間積灰、結(jié)渣,無(wú)法或很難替代柴油.這種水煤漿替代重油應(yīng)用于電站旳大型鍋爐取得了很好的效果.精細(xì)水煤漿是常規(guī)水煤漿的延伸,具有像普通水煤漿一樣的流動(dòng)性、穩(wěn)定性和可霧化性.但其制漿煤的粒度特別細(xì)(一般小于10μm),灰分特別低(一般在1%~2%,對(duì)有些煤種可小于1%),濃度可達(dá)到50%~55%.美國(guó)在20世紀(jì)80年代為應(yīng)付石油價(jià)格危機(jī),著手開(kāi)發(fā)精細(xì)水煤漿技術(shù)第2期付曉恒等:精細(xì)水煤漿制備與應(yīng)用技術(shù)的研究并在內(nèi)燃機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn),但由于其制備的精細(xì)水煤漿的成本接近于柴油,加上石油價(jià)格的下跌,該技術(shù)停止了商業(yè)化,作為儲(chǔ)備技術(shù)保留.目前,我國(guó)的精細(xì)水煤漿技術(shù)已達(dá)到中試水平,由于開(kāi)發(fā)了一種低成本、高效的超凈煤分選技術(shù),使等熱值的精細(xì)水煤漿的價(jià)格約為柴油的60%.精細(xì)水煤漿的特點(diǎn):①制備精細(xì)水煤漿的原料煤是經(jīng)過(guò)超細(xì)粉碎并經(jīng)過(guò)深度分選的超凈煤,在此過(guò)程中煤中的無(wú)機(jī)礦物和有杋可燃體被充分解離并得到分選,故對(duì)同一種制漿原料煤而言,精細(xì)水煤漿的灰分和硫分遠(yuǎn)低于普通水煤漿.由于精細(xì)水煤漿粒度細(xì),灰分很低,故燃燒速度快,效率高,可以提高燃燒強(qiáng)度.③精細(xì)水煤漿可作為柴油的替代燃料用于中小型燃油鍋爐、中央空調(diào)等,并有望用于柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī),代油范圍遠(yuǎn)大于普通水煤漿.④燃燒精細(xì)水煤漿時(shí)可配用簡(jiǎn)單、小體積和低成本的靜電除塵器,而普通水煤漿燃燒時(shí)需配置大體積、高投資的靜電除塵器另外,由超凈煤分選工藝分選的超凈煤不僅可以用于制備精細(xì)水煤漿,還可作為碳素材料的原料,由此分選岀的尾煤灰分不是很高,是制備普通水煤漿旳原料,根據(jù)該技術(shù)設(shè)計(jì)的精細(xì)水煤漿廠,既有可能生產(chǎn)超凈煤粉,作為碳素材料的原料,又可聯(lián)產(chǎn)普通水煤漿.因此,超凈煤旳分選和精細(xì)水煤漿的制備是技術(shù)含量更高的煤炭深度加工技術(shù),比普通水煤漿有更廣闊的應(yīng)用前景,使煤代油技術(shù)向前邁出一大步1精細(xì)水煤漿的制備1.1超凈煤的分選超凈煤是指灰分特別低的煤,依煤種而異,其灰分可低于3%甚至低于1%.要獲得超凈煤,主要有物理方法和化學(xué)方法,化學(xué)方法是通過(guò)藥劑和煤中無(wú)機(jī)礦物反應(yīng),生成可溶性物質(zhì),達(dá)到脫除煤中灰分的目的,其特點(diǎn)是脫灰效率高,對(duì)大部分煤都可使其灰分降到1%以下,但工藝復(fù)雜,成本高,對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重.另一種方法是物理法,脫灰時(shí)煤中組分沒(méi)有發(fā)生化學(xué)變化,該類方法中脫灰效果較好的是美國(guó)OTSSCA公司在20世紀(jì)80年代初開(kāi)發(fā)的油團(tuán)聚法,其團(tuán)聚劑為短鏈、低沸點(diǎn)的正戊烷,通過(guò)正清水、抑制劑絮凝劑戊烷有選擇地使低灰分煤粒團(tuán)聚成較磁實(shí)的團(tuán)粒,「原料煤}粗碎調(diào)漿超細(xì)磨絮團(tuán)發(fā)生器再用篩分的方法把低灰的超凈煤分離出來(lái),為了分散劑原料煤回收?qǐng)F(tuán)聚劑,降低成本,再用加熱的方法回收?qǐng)F(tuán)聚劑,這一方法達(dá)到了降低團(tuán)聚劑用量的目的精細(xì)水煤漿多次精選但正戊烷揮發(fā)性強(qiáng),易著火和爆炸,安全是一大「超凈煤分散劑濃縮問(wèn)題絮團(tuán)-浮選是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一種低成本、高普通水煤漿漿壓濾效分選微細(xì)粒煤的選煤方法(圖1).原料煤經(jīng)過(guò)粗碎后加水調(diào)成濃度為30%的煤漿,送入超細(xì)圖1超凈煤分選和精細(xì)水煤漿制備原則工藝流程攪拌磨曆機(jī)粉碎到煤中的無(wú)機(jī)礦物質(zhì)和有機(jī)可燃體Fig. 1 Process flowsheet of ultra-clean coal充分解離,如果原料煤中含有較高的黃鐵礦或泥eparation and UCMCWS preparation質(zhì)物,可在超細(xì)磨中加入抑制劑,超細(xì)磨后的煤漿進(jìn)入絮團(tuán)發(fā)生器,在高剪切率和絮凝劑的作用下,煤漿中的有機(jī)可燃體結(jié)成常規(guī)泡沫浮選可有效分選旳絮團(tuán),而尾煤分散懸浮在煤漿中,為獲得灰分盡可能低的超凈煤,一般要進(jìn)行多次精選.低灰的精煤經(jīng)壓濾脫水后制備成精細(xì)水煤漿,也可直接作為超凈煤產(chǎn)品.低濃度的尾煤經(jīng)濃縮機(jī)濃縮后送壓濾機(jī)脫水,濾餅作為制備普通水煤漿的原料.大量分選試驗(yàn)表明,對(duì)一般的煤種,都可使其灰分降到3%以下,部分煤種可降到1%以下(表1).1.2精細(xì)水煤漿的制備采用大同煤分選的超凈煤制備的精細(xì)水煤漿的質(zhì)量濃度為51.0%,粒度為90%的小于15.6μm,低228煤炭學(xué)報(bào)2004年第29卷率對(duì)應(yīng)的黏度為225mPa·s,不出現(xiàn)硬沉淀的時(shí)間為1個(gè)月左右表1部分煤樣絮團(tuán)-浮選分選結(jié)果Table 1 Partial results of coagulation- flotation黏度/mPas煤種精煤灰分/%精煤產(chǎn)率/%尾煤灰分/%入料灰分/陜西神木焦作精煤8658.72太西精煤48.4大同精煤河北東龐8.14汶精煤剪切率D/s密魯煤2.921851圖2精細(xì)水煤漿的流變特性Fig 2 Rheology of UCMCWS2精細(xì)水煤漿的應(yīng)用2.1精細(xì)水煤漿燃燒器為了將精細(xì)水煤漿應(yīng)用于中小型燃油鍋爐或中央空調(diào),筆者結(jié)合精細(xì)水煤漿的熱值比柴油低的特點(diǎn),開(kāi)發(fā)了專門用于精細(xì)水煤漿燃燒的燃燒器2.該燃燒器由噴槍和預(yù)燃室組成,采用壓縮空氣霧化精細(xì)水煤漿,預(yù)燃室如圖3所示.霧0穩(wěn)9問(wèn)化的精細(xì)水煤漿從預(yù)燃室的割線方向噴入,在切線方向給入精細(xì)漿+二次助燃風(fēng)試驗(yàn)表明,因?yàn)椴捎酶咚傩魅紵绞?我次配風(fēng)延長(zhǎng)了漿滴的燃燒時(shí)間;在預(yù)燃器的不同旋轉(zhuǎn)半徑之間存在速度差,使?jié){滴很快脫離惰性氣體的包裹,及時(shí)與空氣中的氧接觸,提高了氧的反應(yīng)強(qiáng)度;高強(qiáng)度旋流造成大量高溫?zé)焾D3燃燒精細(xì)水煤漿的小容量燃燒器氣的回流,從而使燃燒穩(wěn)定,燃燒熱強(qiáng)度與柴油接近,高達(dá)Fig 3 Combustion of UCMCwS in a8.12×10°kJ/(m3:h),遠(yuǎn)高于普通水煤漿的燃燒熱強(qiáng)度.small capacity combustor由于漿體的灰分特別低,燃盡后少量旳飛灰隨煙氣排岀,在燃燒室中沒(méi)有積灰和結(jié)渣的情況.對(duì)于水煙氣排除的少量飛灰,正在研制一種低成本、低能耗的小型靜電除塵器來(lái)脫除.該燃燒器的開(kāi)發(fā),為精細(xì)水煤漿代替柴油應(yīng)用于中小型燃油鍋爐和中央空調(diào)打下了基礎(chǔ).2.2精細(xì)水煤漿在柴油機(jī)中的應(yīng)用1892年狄塞爾提岀柴油機(jī)的專利中,就把柴油機(jī)稱為多種燃料發(fā)動(dòng)機(jī).美國(guó)、瑞士、澳大利亞、日本等對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃用精細(xì)水煤漿進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室規(guī)?；蚬I(yè)示范研究,美囯在低速大功率柴油機(jī)上燃用精細(xì)水煤漿,在燃燒與曆損方面取得了重要進(jìn)展,如美國(guó)摩根能源技術(shù)中心近年來(lái)由能源國(guó)際公司和￠Q公司組成旳科硏小組致力于燃煤內(nèi)燃機(jī)的研究.他們的研究表明,煤和柴油混合物在柴油杋上燃燒技術(shù)上可行.本試驗(yàn)采用一臺(tái)S195-1型單缸高速農(nóng)用柴油機(jī),對(duì)現(xiàn)有的供油泵和噴咀進(jìn)行改造,通過(guò)另設(shè)高壓油封解決了油泵和噴咀的偶件磨損和卡死問(wèn)題.試驗(yàn)燃料為精細(xì)水煤漿和柴油旳混合物,即油-水-煤精細(xì)漿,其中煤的灰分為1.25%,揮發(fā)分為31.79%,固定碳為64.84%,全硫?yàn)?.265%,粒度小于24.5pm的占90%,小于10.0μm的占50%,平均直徑D[4.3]為12.2μm.油水煤漿中煤:柴油:水為28.7:53.8:17.5,熱值為30.72MJ/kg,剪切率第2期付曉恒等:精細(xì)水煤漿制備與應(yīng)用技術(shù)的研究229步試驗(yàn)結(jié)果3.由試驗(yàn)結(jié)果可知,在輸出功率和轉(zhuǎn)速相同的條件下,燃用油水煤漿的熱效率稍低于柴油№O的排放量卻遠(yuǎn)低于柴油,原因是油-水-煤精細(xì)漿的燃燒溫度低于柴油.燃用柴油時(shí)未測(cè)出SO2,而燃燒油-水-煤精細(xì)漿時(shí),SO2的濃度也不高,為(8-27)×10-°,原因是制漿煤的硫分很低表2柴油機(jī)燃用油-水-煤精細(xì)漿的試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of ultra-clean micronized oil-coal-water slurry in diese輸出功率柴熱效率/%煙氣溫度℃NO2×106SO2×10-6熱效率/%煙氣溫度℃NO,×106SO2×10-61,6820.2163188412.574.215.8927.048初步試驗(yàn)表明,普通柴油杋經(jīng)過(guò)不大的改造,可以穩(wěn)定地燃燒油-水-煤精細(xì)漿.結(jié)論1)采用低成本、高效的絮團(tuán)一浮選深度分選技術(shù)可以分選岀超凈煤,該超凈煤制備的精細(xì)水煤漿可以替代柴油,進(jìn)一步拓寬了水煤漿的代油范圍.〔2)通過(guò)采用旋流燃燒方式,精細(xì)水煤漿在硏發(fā)旳小容量燃燒器中旳燃燒熱強(qiáng)度接近柴油,為精細(xì)水煤漿應(yīng)用于中小型燃油鍋爐和中央空調(diào)奠定了基礎(chǔ)〔3)在對(duì)現(xiàn)有的柴油機(jī)改動(dòng)不大的情況下,柴油機(jī)燃用精細(xì)油水煤漿是可行的,但僅是初步試驗(yàn),有關(guān)燃燒工況的優(yōu)化以及缸體磨損等問(wèn)題尚需做大量的工作參考文獻(xiàn)[]國(guó)家”九五″科技攻關(guān)項(xiàng)目研究報(bào)告(95-215-01-04).煤炭深度物理加工工業(yè)應(yīng)用技術(shù)的研究[R]中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京校區(qū)),1999[2]李紅楓.精細(xì)水煤漿小容量霧化與燃燒的研究[D]北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京校區(qū)),2001[3]劉萬(wàn)峰.精細(xì)煤漿的制備及其在柴油機(jī)上的燃燒特性[D]北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京校區(qū)),2003∷∷∷∷六∷∷∷∷六∷∷∷∷∷;∷∷∵六∷∷∷∷∷∷∷∷∷∷∷∷∷∷204年《煤炭科學(xué)技術(shù)》、《煤炭學(xué)報(bào)》雜志社舉辦貫徹國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)察局′12字方針′學(xué)術(shù)研討會(huì)”征稿啟事為貫徹國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)察局關(guān)于煤礦瓦斯治理”先抽后采、以風(fēng)定產(chǎn)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控”12字方針,促進(jìn)煤礦安全狀況進(jìn)一步好轉(zhuǎn),《煤炭科學(xué)技術(shù)》、《煤炭學(xué)報(bào)》雜志社將于2004年第3季度舉辦“貫徹國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)察局′12字方針′學(xué)術(shù)研討會(huì)”(會(huì)議地址待定)現(xiàn)征集有關(guān)論文,內(nèi)容如下:(1)煤礦瓦斯防治技術(shù)及裝備;(2)煤礦安全監(jiān)控技術(shù)及裝備;(3)煤礦通風(fēng)技術(shù)及裝備;(4)在安全生產(chǎn)中貫徹“12字方針”的體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)論文不超過(guò)6000字,本刊將邀請(qǐng)有關(guān)專家對(duì)論文進(jìn)行評(píng)審,通過(guò)評(píng)審的論文將以?？蚱渌问匠霭?刊出的論文每篇收取版面費(fèi)1000元.征文截止時(shí)間:2004-07-31.投稿可直接寄往編輯部或發(fā)E-mail,請(qǐng)注明“研討會(huì)征文”字樣.投稿時(shí)請(qǐng)附聯(lián)系電話、詳細(xì)通信地址和作者簡(jiǎn)介E-mail:cs410@126.com;ntsb@ⅶip.163.com;傳真:(010)84262926郵寄∶北京市和平里青年溝東路5號(hào)煤炭科學(xué)研究總院《煤炭科掌技術(shù)》編輯部;郵政編碼:1OO3聯(lián)系人:王宗禹(010)84262920;高雪梅(010)84262930;劉軍娥(010)84262926《煤炭科學(xué)技術(shù)》、《煤炭學(xué)報(bào)》雜志社