水煤浆提浓技术开发与研究实施方案0617.docx

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水煤浆提浓技术开发与研究实施方案0617

兖州煤业榆林甲醇厂2010年科技项目

水煤浆提浓技术开发与应用

实

施

方

案

兖州煤业榆林能化有限公司甲醇厂

煤炭科学研究总院

二〇一〇年五月

水煤浆提浓技术开发与应用

一、项目的必要性

1.项目提出的背景

煤炭是我国的基础能源和重要原料，在国民经济和社会发展中具有重要的战略地位。

煤气化技术是煤炭清洁转化的核心技术之一，是发展煤基化学品、煤基液体燃料等过程工业的基础。

在众多煤气化技术中，水煤浆气化技术因煤种适应范围较广、气化温度、压力高、易于大型化，成为煤气化技术发展的主流方向。

水煤浆是一种煤基流体燃料，由煤、水和少量添加剂经过物理加工过程制成的具有一定细度、能流动的浆体。

我厂采用榆神矿区煤炭属低灰、低硫、低磷、高发热量的不粘煤和长焰煤，灰分6.65-8.07%，硫分0.3-0.6%，挥发分35.53-39.43%，发热量26.09-26.92MJ/kg，成浆性较差，制成煤浆浓度较低，在59～61％（wt）之间。

实际运行过程中，由于原料煤种的区别，煤浆浓度基本上保持在59～61％（wt）之间，极少能够达到61％。

2.国内外超细磨机研究现状

超细（搅拌）磨机最早是由联合工艺公司（UnionProcessInc.）于1928年发明的，该公司80年代开发的Attritor搅拌磨机仍是国际著名产品，国内曾有一些仿制产品。

1939年美国矿山局设计制造了一种新的搅拌磨机，用于浮选之前清理矿物表面，使用中发现该设备是一种很有效的细磨设备。

50年代末至60年代初，美国矿山局对该设备进行了深入研究，并用来大规模加工高岭土和氧化铋。

1948年美国杜邦公司（DuPont）开发了高速搅拌磨机——砂磨机，主要用于生产油漆工业颜料，使搅拌磨机获得了重大发展。

20世纪50年代日本科波塔磨机（KopperTowerMill）公司开发了新型的搅拌磨机——塔磨机，在超细磨和化学处理领域获得了广泛的应用。

20世纪60至70年代改进了搅拌磨的排矿装置并使搅拌器转速不断提高。

20世纪70至80年代，国外出现了采用盘式搅拌器的搅拌磨机，特点是磨腔容积较小，搅拌器为多片圆盘组成，转速较高，圆周速度可达8～10m/s。

介质填充磨腔的60～80％。

由于磨腔容积较小，介质量也少。

因此其搅拌器不仅起搅拌作用，还起研磨作用。

目前国际上有三种有代表性的先进搅拌磨机，即盘式搅拌元件的Isa磨机、螺旋型搅拌器的立式磨机（VertiMill）和棒形搅拌元件的Detritor磨机。

立式磨机是日本Kubota塔磨机公司于1950年发明的，原名塔磨机，1979年美国MPSI公司购买了日本的塔磨机专利，称之为立式搅拌球磨机，并应用于铅锌矿、金矿等工业部门。

20世纪90年代初该公司并入瑞典斯维达拉（Svedala）公司。

90年代末又被芬兰Metso集团兼并。

该磨机螺旋外缘圆周速度为3m/s左右，介质为12～30mm的钢球，允许的给料粒度较粗，产品粒度常在10～20μm，多用于选矿再磨，目前应用的最大规格设备装机功率为1100kW。

Detritor磨机也是芬兰Metso矿物公司制造的立式搅拌磨机，搅拌棒端部线速度为11m/s左右，介质为1～2mm左右的陶瓷微珠或砂子，最佳给料粒度为50μm左右，产品粒度可达10μm以下。

目前应用的最大规格设备安装功率为355kW，用于澳大利亚ZinifexCenturyZinc矿山，共21台，其中6台用于再磨，15台用于超细磨。

中国搅拌磨的研制始于20世纪60年代末，重庆化工机械厂研制中国第一台砂磨机，也是中国早期的搅拌磨。

80年代初原冶金部秦皇岛黑色冶金设计研究院和地质矿产部南昌化验制样机厂联合开发出MQL—500型立式搅拌磨（塔磨机），用于金厂峪金矿选厂代替第二段球磨机效果良好。

另有郑州东方机器制造厂、苏州非金属矿工业设计研究院、长沙矿冶研究院等开发了各类型搅拌磨，在金属矿、黄金、非金属矿、化工、涂料和粉末冶金行业得到应用。

90年代末，清华大学研制的GJM1000型干式连续搅拌磨，徐州采掘机械厂制造的SJM1500型湿法搅拌磨，使国产的搅拌磨在生产能力上有了较大程度的提高。

2002年，武汉理工大学非金属矿研究设计所研制出LQM300型干式离心自磨机产品细度可磨至0.1～3μm。

与上述搅拌磨机相比，本项目使用的超细磨入料与出料粒度更加适用于水煤浆的生产工艺，另外单磨机容积大，生产能力强，操作维护方便，具有很大的优越性。

3.项目研究的必要性、目的和意义

在水煤浆气化生产中，如果能提高煤浆浓度将会带来较大的效益，如果有能够在煤浆浓度上有所突破，使得煤浆浓度维持在64％或者再稍高一些，即能够满足气化过程用水需要，又能够满足煤浆输送系统运行需要，则将是气化技术的一个大的飞跃，将会使得整体的各种消耗大幅度降低，并使得同类型装置生产能力明显提高，带来巨大经济效益。

煤浆浓度提高很重要的一点是寻找优质的煤浆添加剂，使得高浓度煤浆的均匀性、流动性、稳定性达到生产的要求。

兖州煤业榆林能化有限公司甲醇厂采用水煤浆气化工艺，年设计生产60万吨甲醇，拥有三套气化水煤浆制备系统，二开一备，目前，每天消耗原煤3000吨，采用榆林煤（低变质度的长焰煤）为制浆原料煤和一磨机棒磨制浆工艺，生产的水煤浆浓度偏低（仅为59％～61%）。

大颗粒偏多，以2009年10月份各台磨煤机的磨煤粒度最低通过率数据为例：

磨煤机通过率

40目通过率

325目通过率

-设计指标

90～95%

25～35%

A#磨煤机

87.39

20.95

B#磨煤机

84.32

26.32

C#磨煤机

83.77

21.22

从上表可见各台磨煤机煤浆粒度通过率偏低，说明煤浆粒度偏大，且流动性和雾化性能均较差，造成气化炉气化效率低，煤耗、氧耗和炉渣残炭量偏高。

另外，煤浆粒度偏粗致使输送煤浆泵和气化喷嘴磨损严重。

针对水煤浆浓度偏低和颗粒偏大的生产现状，煤炭科学研究总院（国家水煤浆工程技术研究中心）在研究低变质长焰煤成浆特性的基础上，根据堆积效率理论，采用双峰或多峰级配技术，提出并研发了高效分级研磨制备高浓度水煤浆的工艺技术和相应的专用设备，使低变质长焰煤和不粘煤的制浆浓度可提高3-5个百分点，且煤浆流动性好、煤浆中煤粒度较小。

强化剪切

图1：

典型的低阶煤生产高浓度水煤浆工艺流程

目前该工艺技术与专用设备已成功地在沿海经济发达地区推广，包括广东，福建，浙江和江苏省，现已形成300万吨/年燃料水煤浆的生产规模，预计2010年将达到1000万吨/年的规模。

所用生产原料煤均为“神府煤”，水煤浆浓度可达到65±1％。

在气化煤浆制备领域，大唐呼伦贝尔褐煤制浆气化和山西丰喜无烟煤为主的制浆气化项目均采用该工艺技术和设备，并已完成初步设计和部分施工图设计，2010年中期将投产运行。

二、研究开发内容

1.原料煤性质分析

原料煤性质是影响水煤浆成浆性的重要因素之一。

榆林煤具有内水高、可磨性差、灰熔点低，难制取高浓度水煤浆的煤质特点。

因此，本研究必须对原料煤性质进行系统分析和研究，其中包括工业分析、元素分析、发热量、硫分、灰成分、煤岩组分、可磨性和煤的表面物理化学性质等。

通过原料煤性质分析，为下一阶段研磨特性试验、添加剂研究和气化试验研究提供基础数据和数据支持具有重要意义。

2.原料煤研磨特性分析

粒度分布是影响水煤浆成浆性和质量的三大要素之一，而磨况则决定粒度分布，因此，在水煤浆制备技术中，磨况是其中关键技术环节。

通过实验分别考察原料煤在入料粒度、装填率、研磨介质配比和磨况时间等不同磨况条件下的成浆特性，以寻求合理的粒度级配，研究高性能的复合型添加剂以改善煤的表面性质，以及优化设计最佳工艺和磨况设备将是完成课题任务的技术关键。

3.分级研磨和优化级配研究及工艺设备参数的确定

通过原料煤性质和研磨特性分析已获知高堆积效率煤浆的粒度分布，如何通过工艺技术和设备实现是工业试验研究的关键。

通过分析和研究目前国内传统单磨机制浆工艺、常规磨况设备（棒磨机、球磨机），针对榆林煤独特性质，采用分级研磨工艺技术和优化粒度级配研究，并研发专用高效大型超细研磨设备，实现提高水煤浆浓度的最终目标。

此部分研究内容为，确定分级研磨工艺流程、工艺技术参数，设备选型和参数，并进行工业化生产装置设计、选型，确定改造系统设计。

4.专用高效大型超细研磨设备研究

提高煤浆浓度必须满足颗粒分布达到双峰或三峰的要求，如何获得较细颗粒（平均粒径达到15μm以下）是影响本研究成功与否的关键，因此研究专用高效大型超细研磨设备至关重要。

本项目研制的超细研磨设备要求具有填充率高、磨况介质小的优势，适于作为中浓度细磨设备，应该具有高的能量效率和高的处理能力。

本研究内容主要为：

（1）设备整体结构优化研究和设计（包括规格确定和结构形式的确定）；

（2）研磨筒体的研究；（3）搅拌器的优化研究，包括搅拌器的类型、转速以及搅拌器结构的研究；（4）磨介与浆体快速分离装置的研究。

5.专用高效添加剂技术研究

影响水煤浆质量的三大要素是煤质特征、粒度分布以及添加剂。

在工业生产过程中，煤质特征及煤粉粒度分布相对固定，加入浆总量的千分之几到百分之几量的水煤浆添加剂方能制得合格的水煤浆。

因此，添加剂是制备高浓度水煤浆的关键技术之一，它直接影响着水煤浆的各项性能。

榆林煤属于低变质程度煤种，煤表面物理化学性质比较特殊，目前采用的添加剂存在针对性较差的问题。

本研究针对原料煤表面物理化学性质，从添加剂分子结构入手，通过原料选择、合成工艺条件（反应时间、反应温度、原料配比等）优化控制等方面，研究合成或复配专用高效添加剂产品，使添加剂对原料煤有良好的分散和稳定性能。

6.工业生产装置改造

兖州煤业榆林能化有限公司甲醇厂采用水煤浆气化工艺，年设计生产60万吨甲醇，拥有三套气化水煤浆制备系统，二开一备，目前，每天消耗原煤3000吨，采用榆林煤（低变质度的长焰煤）为制浆原料煤和一磨机棒磨制浆工艺，生产的水煤浆浓度偏低（仅为59％～61%）。

根据分级研磨工艺的要求，兖州煤业榆林能化有限公司甲醇厂煤浆制备系统通过改造增加细浆制备环节，调节现有棒磨机的配棒数量及磨机产能，确定最佳的生产线工艺条件及参数，使水煤浆浓度比改造前提高3～5个百分点，改善水煤浆产品质量的目标。

三、主要经济技术指标

1.经济技术指标：

采用分级研磨和优化级配方式，用于实际生产，使以陕北榆神矿区长焰煤为原料的气化水煤浆质量达到如下指标：

（1）水煤浆浓度：

65±1％；（考核值：

≥64％）

（2）水煤浆粘度（25℃，100S-1）≤1200mPa·s；800

（3）水煤浆稳定性：

≥48小时；

（4）水煤浆粒度分布：

40目通过率：

90～95%；

325目通过率：

35～45%；

（5）生产效率：

产能比改造前至少提高10％；

四、关键技术及创新点

1.关键技术：

（1）分级研磨优化级配技术

针对榆林煤的研磨与煤质特性，将选择性粗磨与超细磨相结合，通过分级研磨，优化粒度级配，提高水煤浆的浓度3～5个百分点，并改善水煤浆的流变性，提高后续气化系统效率，降低能耗是至关重要。

（2）专用高效添加剂技术

本研究针对原料煤表面物理化学性质，从添加剂分子结构入手，研究合成或复配专用高效添加剂产品，使添加剂对原料煤有良好的分散和稳定性能。

2.创新点：

（1）针对榆林煤的研磨与煤质特性，将选择性粗磨与超细磨相结合，通过分级研磨，优化粒度级配，提高水煤浆的浓度3～5个百分点。

（2）改造后榆林水煤浆浓度大于64％，为国内同类水煤浆浓度最高值，可显著提高气化系统效率，降低气化能耗（煤耗和氧耗等），提高甲醇生产线现有产量。

五、研究的技术路线，实施方式、方法、步骤

1.技术路线及工艺流程

研究的技术路线框图如下：

改造方案制定、设备选型和施工图设计