CN103865598B - 一种用褐煤制备高浓度水煤浆的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用褐煤制备高浓度水煤浆的方法，该方法包括以下步骤：（1）将褐煤破碎和研磨后，制成预处理水煤浆，所述预处理水煤浆中煤粉的平均粒径D50≤75μm，粒径分布为6~1000μm；（2）将预处理水煤浆预热至200~350℃，然后送入水热反应器中进行水热处理，得到改质水煤浆，其中，所述水热处理在温度为200~350℃、压力为1.5~16.5MPa的条件下进行，并且，在进行水热处理的同时，从水热反应器底部通入温度为210~375℃的水蒸气和/或惰性气体对水热反应器中的物料进行反吹；（3）将改质水煤浆降温和泄压后脱除部分水分，制得高浓度水煤浆。本发明方法为单釜连续式的生产工艺，使利用褐煤大规模工业化生产高浓度水煤浆成为可能。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭处理技术领域，特别是涉及一种用褐煤制备高浓度水煤浆的方法。
背景技术
水煤浆是一种由一定比例的煤粉、水和添加剂混合加工而成清洁煤基流体燃料，水煤浆具有一定的流动性，便于输送。目前国内已经投产的大型煤气化装置中，采用水煤浆作为原材料进行气化的装置普遍具有较高的运转率和稳定性，因此水煤浆气化技术的可靠性无可争议。
煤炭是我国目前最主要的能源之一。在较长的时间内，中国以煤炭为主的能源结构和化工原料结构都不会大幅度改变。
中国虽然煤炭储量丰富，但由于成煤时间较短，导致其主要是煤化度低、水分含量大、致密度低、孔隙度大且热值低的褐煤。褐煤的这些特点使其很难制备高浓度的水煤浆。而从煤炭气化和燃烧效率的角度来讲，水煤浆的浓度越高越好。开发稳定的高浓度褐煤水煤浆是褐煤利用的一种优选途径。
发明内容
因此，本发明的目的是针对褐煤制备水煤浆领域的技术局限性，提供一种用褐煤制备高浓度水煤浆的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明提供了一种用褐煤制备高浓度水煤浆的方法，该方法包括以下步骤：
（1）将褐煤破碎和研磨后，制成预处理水煤浆，所述预处理水煤浆中煤粉的平均粒径D50≤75μm，粒径分布为6~1000μm；
（2）将步骤（1）制得的预处理水煤浆预热至200~350℃，然后送入水热反应器中进行水热处理，得到改质水煤浆，其中，所述水热处理在温度为200~350℃、压力为1.5~16.5MPa的条件下进行，并且，在进行水热处理的同时，从水热反应器底部通入温度为210~375℃的水蒸气和/或惰性气体对水热反应器中的物料进行反吹；
（3）将步骤（2）制得的改质水煤浆降温和泄压后脱除部分水分，制得高浓度水煤浆。
本发明中，术语“平均粒径”又叫中位径，其以D50表示。
根据本发明提供的方法，由于褐煤的内水含量高，步骤（1）制得的预处理水煤浆的浓度一般为20~50%。步骤（2）中对预处理水煤浆进行水热处理，使改质水煤浆中褐煤的品质得到改善。此时，改质水煤浆中褐煤的内水含量减少，产生多余水分，步骤（3）通过部分脱水的方式将改质水煤浆中多余水分脱除，从而实现提高褐煤水煤浆浓度的目的。
根据本发明提供的方法，其中，步骤（1）中是将褐煤破碎至煤粒粒径≤6mm后，送入磨煤机中加水研磨制备预处理水煤浆的。
根据本发明提供的方法，其中，所述磨煤机为棒磨机或球磨机。
根据本发明提供的方法，其中，步骤（1）可以采用传统水煤浆制浆工艺或分级细磨级配制浆工艺制备预处理水煤浆。
一些实施方案中，采用传统水煤浆制浆工艺，其包括以下步骤：将破碎后的煤粒送入棒磨机或球磨机中加水研磨后直接制浆。
一些实施方案中，采用分级细磨级配制浆工艺，其包括以下步骤：将破碎后的煤粒送入棒磨机或球磨机中加水研磨制备粗浆，将一定比例的粗浆送入细磨机进一步磨细后返回棒磨机或球磨机中混合制浆。
根据本发明提供的方法，其中，步骤（1）中所述预处理水煤浆中煤粉的平均粒径D50≤75μm。但是平均粒径过小，会增加水煤浆的粘度，同时会增加磨矿功耗，因此，煤粉的平均粒径D50优选为30~75μm。
根据本发明提供的方法，其中，步骤（2）中水热处理时间的长短可以影响低阶煤中含氧官能团的脱除效果，时间越长，含氧官能团的脱除效果越好，但是水热处理的时间过长会影响水煤浆的经济性。
其中，步骤（2）中所述水热处理的时间优选为15~60min，更优选为15~30min。
根据本发明提供的方法，其中，所述水热反应器的液位控制在40~80%。
根据本发明提供的方法，其中，步骤（2）中所述改质水煤浆是从水热反应器的底部排出的。
为了稳定反应系统的压力以及便于预处理水煤浆的输送，所述步骤（2）还包括：使步骤（1）制得的预处理水煤浆在预热前与惰性气体混合。
根据本发明提供的方法，其中，所述惰性气体为选自氮气、氦气、氖气和氪气中一种或多种，优选为氮气。
本发明中步骤（2）中通入水热反应器的惰性气体和在预热前与预处理水煤浆混合的惰性气体可以相同，也可不同。
根据本发明提供的方法，其中，步骤（2）中所述预热是在套管换热器、环管换热器或立式加热器进行的。
根据本发明提供的方法，其中，步骤（2）中所述水热反应器的上部设有定压阀，所述定压阀连接有分离器，水热反应器中混合气体经定压阀进入分离器进行分离，回收水分。
优选地，使步骤（2）中回收的水分返回步骤（1）中制备预处理水煤浆。
优选地，所述分离器的出口温度为80℃。
根据本发明提供的方法，其中，步骤（3）中改质水煤浆脱除部分水分的方式为选自离心、闪蒸和过滤中的一种或多种。所述脱水的方式优选为过滤，但是其他任何固液分离方式都不限制本发明的范围。
根据本发明提供的方法，其中，所述离心包括差速离心、速率区带离心或等密度离心。
根据本发明提供的方法，其中，所述过滤包括常压过滤、加压过滤、减压过滤、沉降过滤、膜过滤或热过滤。
根据本发明提供的方法，其中，所述步骤（3）中可以将改质水煤浆中脱除的水分回收，并将其返回步骤（1）中制备预处理水煤浆。
根据本发明提供的方法，其中，步骤（3）中降温后的改质水煤浆的温度为50~80℃。
根据本发明提供的方法，其中，所述步骤（3）还包括：向脱水后的改质煤浆脱水中加入添加剂，搅拌制得高浓度水煤浆。
根据本发明提供的方法，其中，所述添加剂为选自分散剂、稳定剂、消泡剂、pH调整剂、表面改性剂和促进剂中的一种或多种。
作为本发明的优选实施方案，其中，所述添加剂为萘磺酸盐、木质素磺酸盐、聚烯烃、腐植酸和磺化腐植酸中的一种或多种。
优选地，所述添加剂为萘磺酸盐和/或木质素磺酸盐，例如，萘磺酸钠和/或木质素磺酸钠。
根据本发明提供的方法，其中，所述添加剂的用量为干基煤重量的0.1~1%，优选为干基煤重量的0.2~0.7%。
作为本发明的一个优选实施方案，用褐煤制备高浓度水煤浆的制备方法包括以下步骤：
（1）采用破碎机将褐煤破碎至煤粒粒径≤6mm后，送入棒磨机或球磨机中加水研磨至煤粉的平均粒径D50≤75μm，粒径分布为6~1000μm，制成浓度为20~50%的预处理水煤浆；
（2）将步骤（1）得到的预处理水煤浆与氮气混合后，预热至200~350℃，然后将其从顶部送入水热反应器中进行水热处理，从水热反应器的底部得到改质水煤浆，其中，
所述水热处理的温度为200~350℃，压力为1.5~16.5MPa，时间为15~30min，水热处理过程中水热反应器的液位控制在40~80%，并且，在进行水热处理的同时，从水热反应器底部通入温度为210~375℃的水蒸气对水热反应器中物料进行反吹；
所述水热反应器的上部设有定压阀，所述定压阀连接有分离器，水热反应器中混合气体经定压阀进入分离器进行分离，回收水分，回收的水分返回步骤（1）制备预处理水煤浆；
（3）将步骤（2）制得的改质水煤浆降温至80℃以下后泄压，采用过滤的方式脱除降温泄压后的改质水煤浆中多余水分，然后加入添加剂，搅拌制得高浓度水煤浆；其中，将改质水煤浆中脱除的水分回收，并将其返回步骤（1）中制备预处理水煤浆。
根据本发明提供的方法，其中，步骤（3）中改质水煤浆脱水的程度最高可至该水煤浆的可制浆浓度，也可低于可制浆浓度。
根据本发明提供的方法，其中，步骤（3）制得的高浓度水煤浆的浓度为54~65%，优选为58~62%。
根据本发明提供的方法，其中，本发明方法中所采用的装置根据其功能主要由备煤单元、制浆单元、输送单元、反应单元和产品接收单元等几个部分构成。各部分均为本领域常规设备，其中备煤单元包括上煤皮带、煤仓和破碎机，制浆单元包括磨煤机（例如，棒磨机或球磨机）和煤浆槽，输送单元包括煤浆泵（例如，高压煤浆泵）、煤浆预热器和煤浆管线，反应单元包括水热反应器、泄压系统和过滤装置（例如，板框式压滤机），产品接收单元包括制浆罐（或产品接收罐）、低压煤浆泵和产品浆储罐。
根据本发明提供的方法，其中，水热处理过程中的进料流量，水热反应器底部的排料，系统压力，反应温度等条件均可以通过现场仪表灯和传感器与控制系统间的通讯，由控制系统完成控制参数的自动化监测和控制，以确保装置在实验条件下进行数据的准确采集和参数的稳定控制。例如，通过调整进料流量和水热反应器中液位控制物料的停留时间（即，水热处理的时间），通过分离器上定压阀调节水热反应器内压力。
本发明中采用制浆浓度评价水煤浆的成浆性。其中，水煤浆的制浆浓度的测试方法参见GB/T18856.2-2002。
本发明提供的用低阶煤制备高浓度水煤浆的方法的有益效果包括：
（1）本发明方法为单釜连续式的生产工艺，使得利用褐煤大规模工业化生产高浓度水煤浆成为可能。
（2）本发明方法中煤粉的平均粒径小，其D50≤75μm，因此，可采用泵送方式输送物料，操作简单，且输送过程中不易发生沉降、结垢和堵塞管道阀门等现象；煤粉对水热反应器的泄料阀磨损小，可以降低成本，简化操作，有利于实现利用褐煤大规模工业化生产高浓度水煤浆。
（3）本发明方法将褐煤破碎后进行研磨，操作步骤少，节能；预处理水煤浆中煤粉的平均粒径D50≤75μm，提高了褐煤的水热处理效果好，制得的水煤浆浓度高，可达54~65%，并且，水煤浆能够连续流动，稳定性好。
（4）本发明方法步骤（2）中通过鼓入高温水蒸汽和/或惰性气体的方式对物料反吹，一方面补充水热反应器中热损，控制其反应温度，水蒸气和/或惰性气体直接与物料接触，热效率高，能耗低；另一方面，鼓入的高温水蒸汽和/或惰性气体是物料返混均匀，热处理效果好，且水热处理过程中无需搅拌，水热反应器的密封效果好，设备成本低。
（5）本发明方法中，改质水煤浆无需再磨，也无需干燥，通过部分脱水后可直接制成水煤浆，能耗低；同时，将由改质水煤浆中脱除的废水进行回收，并可用于制备预处理水煤浆，绿色环保，且由回脱除水分制得的水煤浆的制浆效果好。
（6）本发明方法的工艺简单，容易操作，节能，利于工业化生产。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1是本发明用褐煤制备高浓度水煤浆的工艺流程图；
其中，A为破碎机，B为磨煤机，C为煤浆槽，D为煤浆泵，E为煤浆预热器，F为水热反应器，G为冷却器，H为泄压系统，I为板框式压滤机，J为产品接收罐，K为分离器，L为水蒸气接收罐，M为氮气预热器，N为压缩机，O为氮气装置。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
本发明的实施例和对比例中使用的褐煤为内蒙古东明褐煤，其含水量为30%。
本发明中表观粘度是采用水煤浆粘度计NXS-4C测定的，测量温度为20±0.1℃。
实施例1
参照图1，用褐煤制备高浓度水煤浆的方法包括以下步骤：
（1）采用破碎机A将褐煤破碎至煤粒粒径≤6mm，送入磨煤机B中加水研磨至煤粉的平均粒径D50为75μm，粒径分布为6~1000μm，然后送入煤浆槽C中，制成浓度为30%的预处理水煤浆，备用；
（2）将煤浆槽C中的预处理水煤浆经煤浆泵D加压，然后与氮气混合，经环管换热器E预热至200℃；
接着，将预热后的预处理水煤浆和氮气的混合物从顶部加入水热反应器F中进行水热处理，并从水热反应器底部通入210℃的氮气对水热反应器中物料进行反吹；其中，水热处理的温度为200℃，压力为1.5MPa，水热反应器F的液位控制在50%，水热处理的时间为60min；其中，
水热反应器F底部的排料阀程序定时排料，得到改质水煤浆；
所述水热反应器F的上部连接由分离器K，通过定压阀控制水热反应器中压力，排出的氮气和水蒸气混合气体进入分离器K进行冷却分离，分离得到的水储存于水蒸气接收罐L中备用，其中，分离器K出口的温度为80℃；
（3）将步骤（2）中从水热反应器F底部得到的改质水煤浆经冷却器G冷却降温至80℃后，进入泄压系统H进行泄压，然后送入板框式压滤机I进行脱水处理，脱水后的水煤浆送至产品接收罐J中，加入干基煤重量0.4%的萘磺酸钠作为添加剂，强力搅拌制得高浓度水煤浆。
此外，实施例1中使用的氮气由氮气装置O经压缩机N压缩后输送至各氮气入口。
实施例1制备的水煤浆的浓度为55.3%，表观粘度为1245mPa·s，且能够连续流动，该水煤浆室温放置24小时无硬沉淀，无析水。
对比例1
采用破碎机A将褐煤破碎至煤粒粒径≤6mm，送入磨煤机B中加水研磨至煤粉的平均粒径为75μm，粒径分布为6~1000μm，然后送入煤浆槽C中，加入干基煤重量0.4%的萘磺酸钠，制得的水煤浆的浓度为47%，表观粘度为1089mPa·s，能够连续流动。
实施例2
参照图1，用褐煤制备高浓度水煤浆的方法包括以下步骤：
（1）采用破碎机A将褐煤破碎至煤粒粒径≤6mm，送入磨煤机B中加水研磨至煤粉的平均粒径D50为75μm，粒径分布为6~1000μm，然后送入煤浆槽C中，制成浓度为30％的预处理水煤浆，备用；
（2）将煤浆槽C中的预处理水煤浆经煤浆泵D加压，然后与氮气混合，经环管换热器E预热至310℃；
接着将预热后的预处理水煤浆和氮气的混合物从顶部加入水热反应器F中进行水热处理，并从水热反应器底部通入325℃的氮气对水热反应器中物料进行反吹；其中，水热处理的温度为300℃，压力为8.7MPa，水热反应器F的液位控制在60%，水热处理的时间为30min；其中，
水热反应器F底部的排料阀程序定时排料，得到改质水煤浆；
所述水热反应器F的上部连接由分离器K，通过定压阀控制水热反应器中压力，排出的氮气和水蒸气混合气体进入分离器K进行冷却分离，分离得到的水储存于水蒸气接收罐L中备用，其中，分离器K出口的温度为80℃；
（3）将步骤（2）中从水热反应器F底部得到的改质水煤浆经冷却器G冷却降温至80℃后，进入泄压系统H进行泄压，然后送入板框式压滤机I进行脱水处理，脱水后的水煤浆送至产品接收罐J中，加入干基煤重量0.7%的木质素磺酸钠作为添加剂，强力搅拌制得高浓度水煤浆。
此外，实施例2中使用的氮气由氮气装置O经压缩机N压缩后输送至各氮气入口。
实施例2制备的水煤浆的浓度为58.3%，表观粘度为1245mPa·s，且能够连续流动，该水煤浆室温放置24小时无硬沉淀，无析水。
对比例2
采用破碎机A将褐煤破碎至煤粒粒径为≤6mm，送入磨煤机B中加水研磨至煤粉的平均粒径为75μm，粒径分布为6~1000μm，然后送入煤浆槽C中，加入干基煤重量0.7%的木质素磺酸钠，制得的水煤浆的浓度为47.5%，表观粘度为1268mPa·s，能够连续流动。
实施例3
参照图1，用褐煤制备高浓度水煤浆的方法包括以下步骤：
（1）采用破碎机A将褐煤破碎至煤粒粒径≤6mm，送入磨煤机B中加水研磨至煤粉的平均粒径D50为75μm，粒径分布为6~1000μm，然后送入煤浆槽C中，制成浓度为30％的预处理水煤浆，备用；
（2）将煤浆槽C中的预处理水煤浆经煤浆泵D加压，然后与氮气混合，经环管换热器E预热至350℃；
接着，将预热后的预处理水煤浆和氮气的混合物从顶部加入水热反应器F中进行水热处理，并从水热反应器底部通入375℃的氮气对水热反应器中物料进行反吹；其中，水热处理的温度为350℃，压力为16.5MPa，水热反应器F的液位控制在80%，水热处理的时间为15min；其中，
水热反应器F底部的排料阀程序定时排料，得到改质水煤浆；
所述水热反应器F的上部连接由分离器K，通过定压阀控制水热反应器中压力，排出的氮气和水蒸气混合气体进入分离器进行冷却分离，分离得到的水储存于水蒸气接收罐L中备用，其中，分离器K出口的温度为80℃；
（3）将步骤（2）中从水热反应器F底部得到的改质水煤浆经冷却器G冷却降温至80℃后，进入泄压系统H进行泄压，然后送入板框式压滤机I进行脱水处理，脱水后的水煤浆送至产品接收罐J中，加入干基煤重量0.7%的木质素磺酸钠作为添加剂，强力搅拌制得高浓度水煤浆。
此外，实施例3中使用的氮气由氮气装置O经压缩机N压缩后输送至各氮气入口。
实施例3制备的水煤浆的浓度为60.5%，表观粘度为1128mPa·s，且能够连续流动，该水煤浆室温放置24小时无硬沉淀，无析水。
Claims (29)
1.一种用褐煤制备高浓度水煤浆的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将褐煤破碎和研磨后，制成预处理水煤浆，所述预处理水煤浆中煤粉的平均粒径D50≤75μm，粒径分布为6～1000μm；
(2)将步骤(1)制得的预处理水煤浆预热至200～350℃，然后送入水热反应器中进行水热处理，得到改质水煤浆，其中，所述水热处理在温度为200～350℃、压力为1.5～16.5MPa的条件下进行，并且，在进行水热处理的同时，从水热反应器底部通入温度为210～375℃的水蒸气和/或惰性气体对水热反应器中的物料进行反吹；
(3)将步骤(2)制得的改质水煤浆降温和泄压后脱除部分水分，制得高浓度水煤浆。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(1)制得的预处理水煤浆的浓度为20～50％。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(1)中是将褐煤破碎至煤粒粒径≤6mm，然后将破碎后的煤粒送入磨煤机中加水研磨制得预处理水煤浆的。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述磨煤机为棒磨机或球磨机。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，步骤(1)中所述预处理水煤浆中煤粉的平均粒径D50为30～75μm。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，步骤(2)中所述水热处理的时间为15～60min。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，步骤(2)中所述水热处理的时间为15～30min。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，步骤(2)中所述水热反应器的液位控制在40～80％。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，步骤(2)中所述改质水煤浆是从水热反应器的底部排出的。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述步骤(2)还包括：使步骤(1)制得的预处理水煤浆在预热前与惰性气体混合。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述惰性气体为选自氮气、 氦气、氖气和氪气中一种或多种。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述惰性气体为氮气。
13.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，步骤(2)中所述预热是在套管换热器、环管换热器或立式加热器中进行的。
14.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，步骤(2)中所述水热反应器的上部设有定压阀，所述定压阀连接有分离器，水热反应器中混合气体经定压阀进入分离器进行分离，回收水分。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述方法还包括：使步骤(2)中回收的水分返回步骤(1)中制备预处理水煤浆。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述分离器的出口温度为80℃。
17.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，步骤(3)中改质水煤浆脱除部分水分的方式为选自离心、闪蒸和过滤中的一种或多种。
18.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，步骤(3)中改质水煤浆脱除部分水分的方式为过滤。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述离心包括差速离心、速率区带离心或等密度离心。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述过滤包括常压过滤、加压过滤、减压过滤、沉降过滤、膜过滤或热过滤。
21.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述步骤(3)还包括：将改质水煤浆中脱除的水分回收，并将其返回步骤(1)中制备预处理水煤浆。
22.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，步骤(3)中降温后的改质水煤浆的温度为50～80℃。
23.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述步骤(3)还包括：向脱水后的改质煤浆中加入添加剂，搅拌制得高浓度水煤浆。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述添加剂为选自分散剂、稳定剂、消泡剂、pH调整剂、表面改性剂和促进剂中的一种或多种。
25.根据权利要求23所述的方法，其中，所述添加剂为萘磺酸盐、木质素磺酸盐、聚烯烃、腐植酸和磺化腐植酸中的一种或多种。
26.根据权利要求23所述的方法，其中，所述添加剂的用量为干基煤重量的0.1～1％。
27.根据权利要求23所述的方法，其中，所述添加剂的用量为干基煤重量的0.2～0.7％。
28.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，步骤(3)制得的高浓度水煤浆的浓度为54～65％。
29.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，步骤(3)制得的高浓度水煤浆的浓度为58～62％。
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