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1、第一章 绪论1 .1水煤浆的背景1.1.1 我国富煤贫油的能源结构我国煤炭储量约占石化能源总储量的90，而石油和天然气储量约占10，煤炭的消耗约占能源消耗的72左右，因此说，煤炭是我国最可靠、最有保障的能源。专家预言，人类将面临一个能源时代的变革，未来的能源是一个以太阳能、核能、生物质能等可再生能源为主。但进入下一个能源时代之前，能源消耗需经过一个过渡时期，由于煤的蕴藏量超过石油甚多，这个过渡时期应是一个以煤为主的混合型能源结构阶段。但该阶段不是直接燃烧煤炭的用煤方式的重复，而是在高效、洁净、优质化基础上的高层次利用。1.1.2环保对燃料的约束一方面随着人们生活水平的提高，人们对自己生活质量的
2、要求越来越高；另一方面随着社会的发展，人们生活的环境却不断的恶化，其中由散煤低层次利用造成的环境污染是其中重要的原因。这主要表现为由原煤直接燃烧造成的烟尘污染和高硫煤直接燃烧造成的$02污染。因此，洁净度成为人们选择燃料主要指标之一。山西煤正是由于硫份过高，而被请出北京市场。1.1.3 国家能源供应安全随着国民经济的发展，我国对石油进口的需求急剧增加。我国1994年成为石油纯进口国。2000年进口石油达7 000多万“随着轿车进入家庭步伐的加快，我国石油需求将进一步加大，据估计，2010年供需缺口将达到13-15亿to长期依赖国际市场补充国内燃料的不足，必将对国家液体燃料供应的安全形成问题。1
3、.2 水煤浆发展现状1.2.1 生产能力我国从80年代初开始水煤浆技术的研究工作。在制浆工艺与装备、添加剂、贮存、运输、燃烧技术等方面均取得了多项成果。目前已建成能力从3万25万ta的制浆厂8座，总生产能力为15 mta，其中：白杨河电厂制浆能力为60万ta，八一、北京、兖州均为25万ta，东北15万ta，且开发了具有我国自己特色的浮选精煤制浆技术，取得了良好的效果。我国近20a来，针对煤质的特点，开发了价格低廉、效果好的添加剂，已形成了一定的生产能力，可以替代进口并能满足制浆和燃烧的需要。在工业锅炉、窑炉加热炉和电站锅炉进行了燃烧试验，一些厂投入正式的应用。我国的制浆和燃烧技术等方面已达到了
4、国际先进水平。1.2.2 应用情况水煤浆的用途主要有两个方面：燃料。多年来，水煤浆已先后成功地在电厂锅炉、工业窑炉和锅炉上进行燃烧取得了成功。如：山东的白杨河电厂锅炉(320th)是燃煤改燃油后又改烧水煤浆的锅炉，已稳定燃烧4a多，燃烧效率达到98以上。化工原料。我国80年代引进了德士古气化技术，该技术属第2代气化技术已经实现工业化，目前在国际上是先进的技术。德士古气化炉是以水煤浆为进料的。采用该技术生产的煤气CO+H2含量高，CH4为01左右，无焦油等高级烟类，是比较理想的合成气。该技术最先在山东鲁南化肥厂得到应用，以后又在上海焦化厂、首钢等单位得到应用。目前我国自主开发的新型水煤浆气化炉已
5、完成日处理煤15t的中试考核。1.2.3 应用状况分析从前面的情况可以看出，水煤浆生存环境比较良好，技术水平国际先进，但生产能力却仅为15mta。水煤浆技术是一个包括制备、运输、应用、环境处理等技术的跨行业多学科的系统工程技术。启用水煤浆这一技术，仅仅掌握水煤浆的制备技术，生产出合格的水煤浆，是远远不够的，必须是生产者和用户共同启用这一新技术，并且双方都有利可图，才能把这一技术付诸实施。从水煤浆的性能来看，水煤浆是适合长途运输的，但是，由于水煤浆中含30左右的水份，因此长途运输会给用户增加很大的经济负担。水煤浆的经济性是相对于燃油用户。目前，国内的水煤浆的价格为320-350元to重油的价格1
6、 500元t以上，按2t浆代替1t重油算，则可节约800多元。水煤浆的经济性对燃煤用户而言，则很差。以精煤的价格220元t计算，将同样的煤加工成的水煤浆按320元t计算，水煤浆的浓度按70计算，则相当于所用精煤的价格为32070：457元t因此，对于燃煤用户而言，使用水煤浆的积极性不会高。虽然以上因素限制了水煤浆的发展，但是从长远来看，随着国民经济的发展，我国液体燃料供需矛盾的进一步加大；随着环境对燃料的约束进一步加强；随着水煤浆技术的进一步提高，成本的下降，水煤浆的应用将突破这些障碍。特别是将水煤浆同治理工业废水结合起来，将会使水煤浆的社会效益更加明显，经济效益得到改善。因此，水煤浆的应用前
7、景是广阔的，只是有待时日而已。第二章 制浆用煤的选择2.1 燃烧用户对煤质的要求所选用的制浆用煤首先应该满足用户对煤炭质量的要求。这些要求主要包括煤炭的灰分、硫分、热值、挥发分及灰熔点等几个方面。用户不同，要求也有所区别，其中应特别注意的是挥发分与灰熔点。挥发分影响到水煤浆在炉膛中是否能稳定着火燃烧。根据经验，通常用于锅炉燃烧时要求制浆用煤的挥发含量大于25%，用于炉窑燃烧时则要求大于15%。对灰熔点的要求取决于燃烧炉的排渣方式，固态排渣要求灰熔点中的半球温度高于1300，液态排渣则要求灰熔点中的半球温度低于1200.至于对煤炭灰分、硫分及热值的要求，则主要由用户来选择。燃用低灰煤浆固然热值高
8、、环境效益好，但也必须考虑价格因素。煤炭灰分每增高1%，可燃质则相应降低1%，热值也大体只降低1%，但是精煤的产率则可能降低3%以上。这就是说，从单位热值的价格来看，灰分低是不利的。不管煤炭的灰分高、低，水煤浆燃烧炉除尘、排灰及炉内清灰措施是必不可少的。因此我们认为，只要环境条件许可，适当提高制浆用煤的灰分是合算的。2.2煤炭成浆性及判别指标 众所周知，煤种不同，制浆的难易程度有很大的差异。对此中外学者一致认为：煤阶越低，内在水分越高，煤中O和C比值越高，亲水官能团越多，孔隙越发达，可磨性指数HGI值越小，煤中所含可溶性高价金属离子越多，煤的制浆难度越大。这些也为我们的研究工作所证实。由上可知
9、，煤炭性质对成浆性的影响是多方面的，而且诸因子间又密切相关。对O来讲，除了极性基很强的含氧官能团对制浆有直接影响外，对煤炭的成浆性有影响的其他一些因子如煤的孔隙度、V%、A%等，又和因子Mad与HGI相关。煤浆成浆性判别指标D与可制浆浓度C之间的关系式是 C=77-1.2D（%）这个经验模型多年来一直是国内指导选择制浆用煤的依据。1986年在“煤炭综合有效利用第一次技术交流会”上发表以后受到日本同行的重视。日本九保田株式会社来访时称这个公式与他们的实验数据也很符合。根据上述关系，我们建议烟煤成浆性难易可按成浆性难易指标D分为四个等级，如表2.2所列表2.2 煤炭成浆性分类成浆性难易指标D可制浆
10、浓度（%）易472中等4772-68难71068-65很难1065这个经验公式虽然有很好的实用性，但毕竟试验数据少，纳入分析的因子也少，所以国家水煤浆工程技术研究中心又组织了部门进行了更详细的研究。在这就不详细叙述了，有兴趣的可以去查阅相关资料。第三章 水煤浆的级配技术掌握好水煤浆的粒度分布是制备水煤浆燃料的关键技术之一，所以讨论粒度分析方法是十分必要的。粒度分析的方法很多，常用的粒度分析方法有筛分，激光粒度分析及Andreason沉积分析等法。由于水煤浆有较宽的粒度分布，其粒度上限为300微米，实际可达500微米，而粒度下限往往比微米级还细，很难用一种方法有效进行粒度分析。因此水煤浆的粒度分
11、析通常都是将粗、细两部分分别进行。大于200网目者用湿法筛分；小于200网目者用沉积分析或激光粒度分析方法，然后将两者综合为完整的粒度分布。3.1标准筛孔径的标定筛分试验用标准筛的孔径必须事先进行标定。因为国内外标准筛的实际孔宽与标称值都有差异。标定方法如下:将水煤浆试样在200网目（75微米）标准筛上用水充分冲洗，脱除其中的细泥。将脱泥后的试样烘干，用干燥、清洁的标准套筛（从48网目至200网目）在振筛机上进行干法筛分。筛分结束后（约20分钟），保留筛上物在筛框中，对每一个标准筛用手拍打筛框，筛出难筛粒。将难筛粒送去用显微镜测定不少于20粒的长度L与宽度B，并计算其几何平均值。取所测各颗粒宽
12、度B的平均值代表该筛网的筛孔直径，取各颗粒几何平均值的平均值代表该筛网的筛分粒度（相当投影直径）。3.2 堆积理论制备高浓度水煤浆的技术关键之一，是要求水煤浆的粒度分布能达到较高的堆积效率，亦即要求煤粒堆积时空隙少，固体容积浓度高。堆积效率与粒度分布的关系，是水煤浆制备技术的基础理论之一。颗粒的堆积性能不只是水煤浆制备中所关心的问题，在建材、化工、粉体工程、涂料等工业及农业中的土壤等学科领域也十分重要。这方面已有的研究成果很多。最简单的是单一粒径颗粒的堆积，其次是多种离散粒径颗粒的堆积，最复杂也是最实用的是连续分布颗粒的堆积，除此之外还有隔层堆积。隔层堆积理论，它既可用于多粒径离散颗粒体系，亦
13、可用于单峰与多峰的连续分布颗粒体系的堆积效率计算。它是将任何一种粒度分布，在计算机上按前述“粒孔比”B的等比级数划分为许多窄粒级，然后隔层进行充填计算堆积效率。之所以按粒孔比B划分成窄粒级，是因为只有这样才可以假定在每个窄粒级内不会相互充填。所以要隔层充填，是因为相邻两层间上层的最小粒度与下层的最大粒度相差无几，无法保证下层粒级都能充填到上层的孔隙中去。第四章 水煤浆的制备工艺4.1制浆工艺的主要环节及功能水煤浆制备工艺通常包括选煤（脱灰、脱硫）、破碎、磨矿、加入添加剂、捏混、搅拌与剪切，以及为剔除最终产品中的超粒与杂物的虑浆等环节。制备工艺取决于原料煤的性质与用户对水煤浆质量的要求。4.1.
14、1选煤当原料煤的质量满足不了用户对水煤浆灰分、硫分与热值的要求时，制浆工艺中应设有选煤环节。除制备超低灰（灰分小于1%）精细水煤浆外，制浆用煤的洗选均采用常规的选煤方法。大多数情况下选煤应设在磨矿前，只有当煤中矿物杂质嵌布很细，需经磨细方可解离杂质选出合格制浆用煤时，才考虑采用磨矿后再选煤的工艺。4.1.2破碎与磨矿在制浆工艺中，破碎与磨矿是为了将煤炭磨碎至水煤浆产品所要求的粒度，并使粒度分布具有较高的堆积效率。她是制浆厂中能耗最高的环节。磨矿可用干法，亦可用湿法。这一切应视具体情况通过技术经济比较后确定。4.1.3捏混与搅拌 捏混只是在干磨与中浓度湿磨工艺中才采用。它的作用是使干磨所产煤粉或
15、中浓度磨矿产品经过滤机脱水所得滤饼能与水和分散剂均匀混合，并初步形成有一定流动性的浆体，以便于在下一步搅拌工序中进一步混匀。这种物料如不先经捏混，直接进入搅拌机是无法把浆体混匀的。搅拌在制浆厂中有多种用途。它不仅仅是为了使煤浆混匀，还具有在搅拌过程中使煤浆经受强力剪切，加强药剂与煤粒表面间作用，改善浆体流变性能的功能。在制浆工艺的不同环节，搅拌所起的作用也不完全相同。所以，虽然都称之为搅拌，但不同环节上所使用的搅拌设备应选择不同的结构和运行参数。4.1.4虑浆制浆过程中必然会产生一部分超粒和混入某些杂物，它将给贮运和燃烧带来困难，所以产品在装入贮罐前应有杂物剔除环节，一般用可连续工作的筛网（条
16、）虑浆器。为了保证产品质量稳定，制浆过程中还应有煤量、水量、各种添加剂量、煤浆流量、料位与液位的在线检测装置及煤量、水量与添加剂加入量的定量加入与闭路控制系统。4.2各种制浆工艺4.2.1干法制浆工艺制浆原料经破碎、干磨达到所要求的水煤浆产品细度与粒度分布后，加入水和分散剂进行捏混和进一步在搅拌机中调浆。如果需要进一步提高水煤浆的稳定性，还需要加入适量的稳定剂。加入稳定剂后还要经搅拌混匀、剪切，使浆体进一步熟化。进入贮罐前还必须经过虑浆，去除杂物。4.2.2干、湿法联合制浆工艺这种制浆工艺与上述制浆工艺不同的地方，在于从干法磨矿的产品中分出一部分用湿法细磨的工艺。它比干法制浆工艺效果好，可以实
17、现双峰级配，改善最终产品的粒度分布，从而提高制浆效果。4.2.3高浓度磨矿制浆工艺它的特点是煤炭、分散剂和水一起加入磨机，磨矿产品就是高浓度水煤浆。如果需要进一步提高水煤浆的稳定性，还需要加入适量的稳定剂。加入稳定剂后还要经搅拌混匀、剪切，使浆体进一步熟化。进入贮罐前还必须经过虑浆，去除杂物。4.2.4中浓度磨矿制浆工艺所谓中浓度磨矿制浆工艺，是指采用50%左右浓度磨矿的制浆工艺。由于中浓度磨矿产品粒度分布的堆积效率不高，所以很少采用单一磨机中浓度磨矿工艺。该工艺为改善最终产品的粒度分布，先从粗磨产品中分出一部分再进行细磨，然后分别或混合进行过滤、脱水。脱水后的滤饼加入分散剂捏混、搅拌调浆。如
18、果需要进一步提高水煤浆的稳定性，还需要加入适量的稳定剂。加入稳定剂后还要经搅拌混匀、剪切，使浆体进一步熟化。进入贮罐前还必须经过虑浆，去除杂物。4.2.5高、中浓度磨矿级配制浆工艺为了解决高浓度磨矿和中浓度磨矿制浆工艺存在的问题，也可以将二者结合起来实行联合磨矿。这种工艺的优点有很多，但能耗也很大。所以，当其他工艺能制造出符合用户要求的水煤浆时，就没有必要选用这个工艺。第五章 水煤浆的制浆设备及添加剂5.1磨矿设备5.1.1球磨机和棒磨机球磨机和棒磨机实在筒体内装载了一定数量的磨矿介质（磨球或磨棒）、被磨物料及适量的水，并按工艺要求对物料、水及研磨体进行适当的匹配。当筒体在电机的作用下产生回转
19、时，磨矿介质受离心力的作用，贴在筒体内壁与筒体一起回转上升，当磨矿介质被带到一定的高度时，由于受重力作用而被抛出，并以一定的速度降落，在此过程中筒体的物料受到磨矿介质的冲击和研磨的双重作用而被粉碎。所不同的是球磨机磨介为钢球，棒磨机磨介为高碳钢棒。棒磨产品粒度均匀，堆积效率较低。燃料水煤浆制备多用球磨机，而气化用水煤浆多用棒磨机。5.1.2振动磨机振动磨机中磨介的冲击靠振动加速度产生，比重力加速度高很多倍，而且全体磨介都处于弹跳状态，磨矿效率大于球磨机。另外，物料在磨碎过程中还受到强烈的搅拌混匀和高速剪切作用，非常适合高浓度水煤浆的制备。由于磨介间为紧密接触，可以获得比球磨机更细的产品。给料粒
20、度低于球磨机，一般要求控制在3mm以下。因此，振动磨机适合小型自备浆厂或作为产生微细颗粒的辅机和球磨机配套使用。5.2搅拌设备制浆过程中，搅拌的目的是使浆体充分分散和混合，促进添加剂和颗粒的充分接触，同时对浆体进行剪切，促使水煤浆熟化。常见的搅拌方式有射流搅拌、气流搅拌和机械搅拌等。射流搅拌是通过泵使浆体循环达到搅拌的目的，搅拌介质是浆体本身。气流搅拌是将压缩空气压入浆体后，空气鼓泡带动浆体翻滚实现搅拌，搅拌介质是压缩空气。这两种搅拌结构简单，适应性强，但效率不高，能耗大，一般只作为清除管道及罐底沉淀的手段。机械搅拌是应用最广泛的搅拌方式，它是通过搅拌叶轮的转动带动浆体运动达到搅拌目的。搅拌叶
21、轮方式有涡轮式、螺旋桨式和叶浆式。通过改变叶片的形状和安装角度，可以调节径向和轴向的搅拌强度。为了改善浆体的流动状态，提高搅拌效果，往往在搅拌桶内壁设置一些挡板，常用的是垂直挡板。设置挡板可以抑制搅拌时的浆体切向流动，将切向流转化为径向流和轴向流，增大湍流和对流循环强度，从而提高搅拌效果。搅拌功率随挡板宽度增加而迅速增加，但增加到某一最大值后不再增加。5.3虑浆设备虑浆设备的作用是将磨矿产品中的大颗粒及异物及时排除。对水煤浆过滤器的要求是过滤阻力小，运行安全可靠；不易堵塞，能自动清除分离元件上的各种杂质；分离元件应有一定的强度，保持较长的寿命；结构简单，分离元件拆装和操作方便。5.4输送设备一
22、般来讲，凡是适合输送含固体浆体的泵，都可以用于水煤浆的输送，如隔膜泵、柱塞泵、曲杆泵、离心泥浆泵、渣浆泵等。对高浓度水煤浆，由于其流变特性对剪切作用非常敏感，应尽量避免使用离心泵。隔膜泵和柱塞泵均为间歇作业，流量不稳定。最理想的水煤浆输送泵应为曲杆泵。曲杆泵依靠安放在圆筒形定子套筒内的一根金属耐磨曲杆的转动来连续输出浆体，流量稳定，剪切作用弱。5.5水煤浆添加剂为了使水煤浆在正常使用中有较低的粘度、较好的流动性，静置时又有较高的粘度，不易产生沉淀，在制浆过程中添加少量的化学添加剂是必不可少的。添加剂的用量通常约占煤量的1%左右。 制浆时所用添加剂，按其功能不同，有分散剂、稳定剂及其他一些辅助化
23、学药剂，如消泡剂、PH调整剂、防霉剂、表面改性剂及促进剂等多种。在这些添加剂中，不可缺少的是分散剂与稳定剂。添加剂的作用发生在煤水界面，因此它的效能与煤炭性质特别是煤炭的表面性质及水的性质都有密切的关系。所以制浆用化学添加剂配方不可能是一成不变的。合理的添加剂配方必需根据制浆用煤的性质和用户对水煤浆产品质量的需求，经过实验研究后方可确定。添加剂费用在制浆成本中是仅次于煤炭费用的主要成分，所以添加剂的配方对水煤浆的成本有重要的影响。为此，我们主张不必盲目追求药剂性能的高效，而要求经济合理，在能满足用户对水煤浆质量要求的前提下，应使所选择的添加剂配方在性能价格比方面为最优。此外，为了降低添加剂的费
24、用，可选择成浆性好的制浆用煤，并力图产生较好的粒度分布，这样可少用添加剂也能制出符合质量要求的水煤浆。第六章总结与展望水煤浆燃料是70年代末出现的煤炭高新技术产品。它具有石油一样的流动性，热值相当于石油的一半，可以代替石油供电站、工业锅炉与工业窑炉燃用。它还是一种煤基洁净燃料，燃用水煤浆比直接燃煤效率高，对环境的污染小，是当今洁净煤技术中的重要组成部分。我国是一个煤多油少的国家，发展水煤浆具有重要的意义。参考文献【1】王庆一等，洁净煤技术综合评价，中国洁净煤技术计划研究，中国能源研究会【2】张荣曾，中国水煤浆技术的研究和发展，煤炭综合有效利用【3】曾凡、胡永平等，矿物加工颗粒学，中国矿业大学出版社【4】刘浩斌，颗粒尺寸分布与堆积理论，硅酸盐学报【5】张荣曾，水煤浆质量指标与测试方法的研究，中国矿业大学北京研究生部【6】陈炳辰，磨矿原理，冶金工业出版社【7】任德树，粉碎筛分原理与设备，冶金工业出版社【8】皇甫京华、张荣曾，球磨机制备水煤浆磨矿过程的研究，硕士论文，中国矿业大学北京研究生部【9】张荣曾、胡坤模，振动磨矿机制备高浓度水煤浆的研究【10】丘继存，选矿学，冶金工业出版社【11】周安宁、黄定国，洁净煤技术，中国矿业大学出版社【12】梁兴，等。水煤浆制备工艺的应用与发展。煤炭加工与综合利用 7