CN103911195A - 一种用低阶煤制备高浓度水煤浆的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用低阶煤制备高浓度水煤浆的方法，所述方法包括以下步骤：（1）将低阶煤破碎至煤粒粒径≤6mm，然后将破碎后的煤粒送入磨煤机中加水研磨，制得预处理煤浆；其中，所述预处理煤浆的水煤比为1.5～5:1，预处理煤浆中煤粉的平均粒径D50≤50μm，粒径分布为6～1000μm；（2）将所述预处理煤浆送入水热反应器中进行水热处理，得到改质煤浆；其中，所述水热反应器包括多个并联设置且交替运行的反应釜，水热处理的条件如下：温度为200～350℃，压力为1.5～16.5MPa；（3）使所述改质煤浆脱除部分水分，制得高浓度水煤浆。本发明方法为连续式的生产工艺，工艺简单，容易操作，节能，利于工业化生产。

Description

一种用低阶煤制备高浓度水煤浆的方法

技术领域

本发明属于煤炭处理技术领域，特别涉及一种用低阶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的清洁煤基流体燃料。水煤浆具有石油一样的流动性，可以像重油一样泵送、雾化、储存和稳定着火燃烧。水煤浆还具有浓度高，粒度细，流变性好和能长期储存不沉淀等特点，且由于燃点高，储、装、运安全性比较高。水煤浆在我国经历了多年的研发和应用，现已进入全面推广阶段。

中国能源结构的特点是缺油、富煤、少气，而在中国的能源消费结构中，煤约占70%，另外两种化石能源即石油和天然气则分别约占20%和3.5%。因此，在较长的时间内，煤炭都是中国不可或缺的主要能源，无论在比例还是数量上，中国以煤炭为主的能源结构和化工原料结构都很难改变。

虽然中国的煤炭储量丰富，但主要是变质程度较低的低阶煤，且集中分布在内蒙古、新疆及云南等地。由于其煤化度低，水分含量大，致密度低，孔隙度大，挥发分高，热值低，低阶煤在空气中极易风化，低阶煤还含有不同数量的腐植酸。因而，低阶煤主要用作动力煤和气化用煤。这些自身特点导致很难将低阶煤直接制备成高浓度水煤浆，或需要采用复杂的制备工艺和付出较高成本才能制成高浓度的水煤浆。而从气化和燃烧效率的角度来看，水煤浆的浓度应该越高越好。因此，开发稳定的高浓度水煤浆势在必行。

发明内容

因此，本发明的目的是针对低阶煤制浆领域的技术局限性，提供一种用低阶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低阶煤制备高浓度水煤浆的方法，所述方法包括以下步骤：

（1）将低阶煤破碎至煤粒粒径≤6mm，然后将破碎后的煤粒送入磨煤机中加水研磨，制得预处理煤浆；其中，所述预处理煤浆的水煤比为1.5～5:1，预处理煤浆中煤粉的平均粒径D50≤50μm，粒径分布为6～1000μm；

（2）将所述预处理煤浆送入水热反应器中进行水热处理，得到改质煤浆；

其中，所述水热反应器包括多个并联设置且交替运行的反应釜，水热处理的条件如下：温度为200～350℃，压力为1.5～16.5MPa；

（3）使所述改质煤浆脱除部分水分，制得高浓度水煤浆。

本发明中，水煤比=（外加水重量＋低阶煤所含水的重量）/干基煤重量。

本发明中，术语“平均粒径”又叫中位径，其以D50来表示。

本发明中，由于低阶煤的内水含量高，步骤（1）中制得的预处理煤浆的浓度一般为30～50%。步骤（2）中对预处理煤浆进行水热处理，使改质煤浆中低阶煤的品质得到改善。此时，改质煤浆中低阶煤的内水含量减少，产生多余水分，步骤（3）通过部分脱水的方式将改质煤浆中多余水分脱除，从而实现提高低阶煤水煤浆浓度的目的。

根据本发明提供的方法，其中，所述低阶煤为褐煤、长焰煤或不粘煤，优选为长焰煤或褐煤，更优选为褐煤。

根据本发明提供的方法，其中，步骤（1）中所述预处理煤浆的水煤比为2～4:1。

根据本发明提供的方法，其中，步骤（1）中所述预处理煤浆中煤粉的平均粒径D50≤50μm。但是平均粒径过小，会增加水煤浆的粘度，同时也会增加磨矿功耗。因此，煤粉的平均粒径D50优选为30～50μm。

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）中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（2）中采用多个并联设置的反应釜，通过反应釜之间的切换（即，反应釜交替运行）实现水煤浆制备过程的连续进行。

其中，本发明对并联设置的反应釜的具体数量无特殊要求，可以根据处理规模确认，其数量对处理结果无明显影响。

本发明中，水热处理的压力可以根据温度确定，一般为其水处理温度下的饱和蒸汽压值。其中，水热处理的温度过低会使煤中含氧官能团未能脱除，从而起不到脱羧降内水的作用，而温度过高会使煤中挥发分丢失过多，影响煤有效成分的保留。因此，本发明步骤（2）中水热处理的温度为200～350℃，优选为250～300℃，其压力为1.5～16.5MPa，优选为3.8～9MPa。

根据本发明提供的方法，其中，水热处理的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。

因此，步骤（2）中所述水热处理的时间优选为10～60min，更优选为15～30min。

根据本发明提供的方法，其中，步骤（2）中在将所述预处理煤浆送入水热反应器前，对所述预处理煤浆进行预热处理。

优选地，预热后的预处理煤浆的温度为200～260℃。

优选地，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。

根据本发明提供的方法，其中，步骤（3）中改质煤浆脱水后含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，所述步骤（3）还包括：向脱除部分水分后的改质煤浆中加入添加剂，搅拌制得高浓度水煤浆。

本发明对添加剂的种类和用量无特殊要求，可根据低阶煤煤种和具体工况，灵活选择水煤浆领域中的常用添加剂，不以任何方式限制本发明的范围。

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。

作为本发明的一个优选实施方案，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%。

根据本发明提供的方法，其中，步骤（3）中改质煤浆脱除水分的方式为选自闪蒸、离心和过滤中的一种或多种。

本发明采用闪蒸、离心或过滤的脱水方式，有利于实现水煤浆的工业化大规模生产。

其中，所述闪蒸包括常压闪蒸或减压闪蒸。当使用闪蒸方式脱水时，可以根据实际需要采取多级闪蒸。

所述离心包括差速离心、速率区带离心或等密度离心。

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。

本发明可以根据实际需要对上述脱水方式进行单个选择或多种组合选择，但本发明不以任何方式受其限制。

一些实施方案中，步骤（3）中采用闪蒸的方式对改质煤浆进行部分脱水，并将其降温泄压于制浆釜内制得高浓度水煤浆。

一些实施方案中，步骤（3）中将所述改质煤浆降温并减压后，采用离心或过滤的方式对改质煤浆进行脱水，然后将其送入制浆釜内制得高浓度水煤浆。

根据本发明提供的方法，其中，步骤（3）中可以将改质煤浆单独制成高浓度水煤浆，也可根据实际需要将改质煤浆按比例掺入预处理煤浆后制成高浓度水煤浆。

作为本发明的一个优选实施方案，用低阶煤制备高浓度水煤浆的方法包括以下步骤：

（1）采用破碎机将低阶煤破碎至煤粒粒径为≤6mm，然后将破碎后的煤粒送入棒磨机或球磨机中加水研磨，制得预处理煤浆；其中，所述预处理煤浆的水煤比为1.5～5:1，预处理煤浆中煤粉的平均粒径D50≤50μm，粒径分布为6～1000μm；

（2）将所述预处理煤浆预热至200～260℃，然后送入水热反应器中进行水热处理，得到改质煤浆；

其中，所述水热反应器包括多个并联设置且交替运行的反应釜，水热处理的条件为：温度为250～300℃；压力为3.8～9MPa；

（3）采用闪蒸、离心或过滤的方式脱除所述改质煤浆中的部分水分后，送入制浆釜中，并加入干基煤重量0.1～1%的添加剂，搅拌制得高浓度水煤浆；回收改质煤浆中脱除的废水，并将其返回步骤（1）中制备预处理煤浆。

根据本发明提供的方法，其中，本发明还可以将制得的高浓度水煤浆送至水煤浆储罐储存。

根据本发明提供的方法，其中，步骤（3）中制得的高浓度水煤浆的浓度为58～62%。

本发明中采用可制浆浓度评价水煤浆的成浆性。其中，水煤浆的可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）本发明方法为连续式的生产工艺，使得利用低阶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≤50μm，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，有利于实现利用低阶煤大规模工业化生产高浓度水煤浆。

（3）本发明方法将低阶煤破碎至煤粒粒径≤6mm后再进行研磨，操作步骤少，节能；预处理煤浆中煤粉的平均粒径D50≤50μm，提高了低阶煤的水热处理效果好，制得的水煤浆浓度高，可达58～62%，并且，制得的水煤浆能够连续流动，稳定性好。

（4）本发明方法中，改质煤浆无需再磨，也无需干燥，通过部分脱水后可直接制成水煤浆，步骤少，能耗低；同时，将由改质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。

（5）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是以闪蒸方式脱水的高浓度水煤浆制备方法的工艺流程图；

图2是以过滤方式脱水的高浓度水煤浆制备方法的工艺流程图；

图3是以离心方式脱水的高浓度水煤浆制备方法的工艺流程图；

其中，A为破碎机，B为煤储罐，C为磨煤机，D为煤浆泵，E为环管换热器，F-1、F-2和F-3为反应釜，G为制浆釜，H为闪蒸罐，I为减压系统，J为过滤器，K为离心过滤装置。

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原煤为内蒙古东胜利褐煤，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

如图1所示，用低阶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将原煤破碎至煤粒粒径≤6mm，储存在煤储罐B中；

将破碎后的煤粒由煤储罐B送入磨煤机C中，加水进行研磨，制成预处理煤浆；其中，预处理煤浆中煤粉的平均粒径D50为50μm，粒径分布为6～1000μm，预处理煤浆的水煤比为3.5:1；

（2）采用煤浆泵D将步骤（1）制得的预处理煤浆加压，并经环管换热器E预热后送入水热反应器中进行水热处理，制得改质煤浆；其中，预热后的预处理煤浆的温度为260℃，水热反应器包括三个并列设置的反应釜F-1、F-2和F-3，每个反应釜的容积为500mL，通过切换反应釜F-1、F-2和F-3实现水煤浆制备过程的连续进行，水热处理的条件如下：温度为250℃，压力为3.8MPa，处理时间为60min；

（3）将步骤（2）制得的改质煤浆送入制浆釜G中，并加入干基煤重量0.5%的萘磺酸钠制得水煤浆，送入水煤浆储罐；其中，多余的水分通过闪蒸罐H脱除，并返回磨煤机C循环利用。

实施例1制备的水煤浆的浓度为59%，表观粘度为1189mPa·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将原煤破碎至煤粒粒径≤6mm，储存在煤储罐B中；将破碎后的煤粒由煤储罐B送入磨煤机C中，加水进行研磨，加入干基煤重量0.5%的萘磺酸钠，制得水煤浆。水煤浆中煤粉的平均粒径D50为50μm，粒径分布为6～1000μm，水煤浆的浓度为48%，表观粘度为1089mPa·s，能够连续流动。

实施例2

如图2所示，用低阶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将原煤破碎至煤粒粒径≤6mm，储存在煤储罐B中；

将破碎后的煤粒由煤储罐B送入磨煤机C中，加水进行研磨，制成预处理煤浆；其中，预处理煤浆中煤粉的平均粒径D50为50μm，粒径分布为6～1000μm，预处理煤浆的水煤比为2:1；

（2）采用煤浆泵D将步骤（1）制得的预处理煤浆加压，并经环管换热器E预热后送入水热反应器中进行水热处理，制得改质煤浆；其中，预热后的预处理煤浆的温度为260℃，水热反应器包括三个并列设置的反应釜F-1、F-2和F-3，每个反应釜的容积为10L，通过切换反应釜F-1、F-2和F-3实现水煤浆制备过程的连续进行，水热处理的条件如下：温度为350℃，压力为16.5MPa，处理时间为15min；

（3）步骤（2）制得的改质煤浆经环管换热器E换热降温至80℃及经减压系统I减压至0.7MPa后进入过滤器J进行过滤脱除多余水分，然后送入制浆釜G中，并加入干基煤重量0.5%的木质素磺酸钠，搅拌制得水煤浆，送入水煤浆储罐储存。

实施例2制备的水煤浆的浓度为54.4%，表观粘度为1195mPa·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将原煤破碎至煤粒粒径≤6mm后，储存在煤储罐B中；将破碎后的煤粒由煤储罐B送入磨煤机C中，加水进行研磨，加入干基煤重量0.5%的木质素磺酸钠，制得水煤浆。水煤浆中煤粉的平均粒径D50为50μm，粒径分布为6～1000μm，水煤浆的浓度为47.5%，表观粘度为1175mPa·s，能够连续流动。

实施例3

如图3所示，用低阶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将原煤破碎至煤粒粒径≤6mm，储存在煤储罐B中；

将破碎后的煤粒由煤储罐B送入磨煤机C中，加水进行研磨，制成预处理煤浆；其中，预处理煤浆中煤粉的平均粒径D50为50μm，粒径分布为6～1000μm，预处理煤浆的水煤比为3:1；

（2）采用煤浆泵D将步骤（1）制得的预处理煤浆加压，并经环管换热器E预热后送入水热反应器中进行水热处理，制得改质煤浆；其中，预热后的预处理煤浆的温度为260℃，水热反应器包括三个并列设置的反应釜F-1、F-2和F-3，每个反应釜的容积为10L，通过切换反应釜F-1、F-2和F-3实现水煤浆制备过程的连续进行，水热处理的条件如下：温度为250℃，压力为3.8MPa，处理时间为30min；

（3）步骤（2）制得的改质煤浆经环管换热器E换热降温至80℃以及经减压系统I减压至常压后进入离心过滤装置K脱除多余水分，然后送入制浆釜G中，加入干基煤重量0.5%的木质素磺酸钠，搅拌制得水煤浆，送入水煤浆储罐储存。

实施例3制备的水煤浆的浓度为55.6％，表观粘度为1200mPa·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3

采用破碎机A将原煤破碎至煤粒粒径≤6mm，储存在煤储罐B中；将破碎后的煤粒由煤储罐B送入磨煤机C中，加水进行研磨，加入干基煤重量0.5%的木质素磺酸钠，制得水煤浆。水煤浆中煤粉的平均粒径D50为50μm，粒径分布为6～1000μm，水煤浆的浓度为47.5％，表观粘度为1175mPa·s，能够连续流动。

实施例4

如图3所示，用低阶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将原煤破碎至煤粒粒径≤6mm，储存在煤储罐B中；

将破碎后的煤粒由煤储罐B送入磨煤机C中，加水进行研磨，制成预处理煤浆；其中，预处理煤浆中煤粉的平均粒径D50为50μm，粒径分布为6～1000μm，预处理煤浆的水煤比为3:1；

（2）采用煤浆泵D将步骤（1）制得的预处理煤浆加压，并经环管换热器E预热后送入水热反应器中进行水热处理，制得改质煤浆；其中，预热后的预处理煤浆的温度为260℃，水热反应器包括三个并列设置的反应釜F-1、F-2和F-3，每个反应釜的容积为10L，通过切换反应釜F-1、F-2和F-3实现水煤浆制备过程的连续进行，水热处理的条件如下：温度为300℃，压力为8.7MPa，处理时间为60min；

（3）步骤（2）制得的改质煤浆经环管换热器E换热降温至80℃及经减压系统I减压至常压后进入离心过滤装置K脱除多余水分，然后送入制浆釜G中，加入干基煤重量0.5%的萘磺酸钠，搅拌制得水煤浆，送入水煤浆储罐储存。

实施例4制备的水煤浆的浓度为59.3%，表观粘度为1280mPa·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4

采用破碎机A将原煤破碎至煤粒粒径≤6mm后，储存在煤储罐B中；将破碎后的原煤由煤储罐B送入磨煤机C中，加水进行研磨，加入干基煤重量0.5%的萘磺酸钠，制得水煤浆。水煤浆中煤粉的平均粒径D50为50μm，粒径分布为6～1000μm，水煤浆的浓度为48%。表观粘度为1089mPa·s，能够连续流动。

Claims (9)

1.一种用低阶煤制备高浓度水煤浆的方法，所述方法包括以下步骤：

（1）将低阶煤破碎至煤粒粒径≤6mm，然后将破碎后的煤粒送入磨煤机中加水研磨，制得预处理煤浆；其中，所述预处理煤浆的水煤比为1.5～5:1，预处理煤浆中煤粉的平均粒径D50≤50μm，粒径分布为6～1000μm；

（2）将所述预处理煤浆送入水热反应器中进行水热处理，得到改质煤浆；

其中，所述水热反应器包括多个并联设置且交替运行的反应釜，水热处理的条件如下：温度为200～350℃，压力为1.5～16.5MPa；

（3）使所述改质煤浆脱除部分水分，制得高浓度水煤浆。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述低阶煤为褐煤、长焰煤或不粘煤，优选为长焰煤或褐煤，更优选为褐煤。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤（1）中所述预处理煤浆的水煤比为2～4:1；

优选地，所述预处理煤浆中煤粉的平均粒径D50为30～50μm。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，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（2）中所述水热处理的条件为：温度为250～300℃，压力为3.8～9MPa；

优选地，步骤（2）中所述水热处理的时间为10～60min；优选为15～30min。

6.根据权利要求1至5所述的方法，其中，步骤（2）中在将所述预处理煤浆送入水热反应器前，对所述预处理煤浆进行预热处理；

优选地，预热后的预处理煤浆的温度为200～260℃；

优选地，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。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述步骤（3）包括：向脱除部分水分后的改质煤浆中加入添加剂，搅拌制得高浓度水煤浆；

优选地，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；

更优选地，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%。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，步骤（3）中改质煤浆脱除水分的方式为选自闪蒸、离心和过滤中的一种或多种；

优选地，所述闪蒸包括常压闪蒸或减压闪蒸；

优选地，所述离心包括差速离心、速率区带离心或等密度离心；

优选地，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。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，步骤（3）中制得的高浓度水煤浆的浓度为58～62%。