水煤浆制备与燃烧 1

水煤浆的制备与燃烧目录绪论水煤浆的质量要求和制浆技术概要影响水煤浆成浆性的因素水煤浆流变性水煤浆制浆工艺精细水煤浆的制备水煤浆的燃烧第一章绪论1.1水煤浆发展历程什么是水煤浆（CWM，CWS，CWF）（CoalWaterMixture,CoalWaterSlurry,CoalWaterFuel）？～70％煤、～30％水，～1％添加剂，常温下粘度1000～1500mPa.s，象油一样储存、泵送和雾化燃烧。水煤浆的优点：a、具有良好的流动性、稳定性、易运输，可减少运输途中的损失，节省储煤场地，特别是可以液体燃烧方式用泵和管道输送；b、水煤浆加工简单，并易储存；c、燃烧供给系统和控制系统远较煤粉简单；d、不存在自然着火、粉尘飞扬等问题；e、可以实现100%代油，且与油一样雾化燃烧，因此，原有的锅炉只要简单地改造即可燃用水煤浆，燃烧效率高，电厂锅炉能达到98%~99%以上，与煤粉接近；f、水煤浆储运和燃烧方式与油接近，运行操作规程相似，个运行人员带来极大的方便，提高了可操作性，同时锅炉能做到既可烧水煤浆又可烧油；g、在水煤浆加工过程中，可以进行不同程度的脱灰脱硫处理，燃烧温度又比一般煤粉温度低200℃左右，因此燃烧时排放的SO2、NOx可以大大减少。水煤浆技术的起因：70年代石油危机，煤代油的流体燃料，煤炭直接燃烧，储存、运输以及对环境的污染不如石油和天然气，还涉及到燃油设备无法直接燃煤，煤炭的液化和气化投资大、成本高，水煤浆是一种低成本、见效快技术相对简单的经物理方法加工的煤基流体燃料。水煤浆发展过程：油煤浆（COM，CoalOilMixture）－49％煤（200目占85％），70℃粘度为1700～2200厘泊，65％的热值来自油，研究国家有美国（1973～1974）、日本（1976）、中国（1979）、韩国（1984），日本已经商业化，1984年建成两条70t/h生产线，每年供60～70吨用于横须贺电厂。油煤浆中煤含量最高只能大50％，只能代油35％。1979～1981年，瑞典的胶体碳（Cargboel）公司，美国的太西洋公司（ARC），煤浆技术集团及西方石油公司（ORC）开发水煤浆技术，1986年后,意大利50万t/年浆厂；1989年世界最大的400万t/年；日本COM公司两条15t/h水煤浆生产线，除水煤浆CWS外，还出现过甲醇煤浆CCS，油水煤浆COW，CCS：甲醇的水溶液与煤的混合物，（水和甲醇的比例：1.5：1）COW：油在水中的乳化液和煤的混合物1.2我国发展水煤浆的重要性及历程1.2.1我国发展水煤浆的重要性我国能源结构:富煤贫油，我国石油产量约为2亿多吨，04年进口石油约8000万吨，石油在各类工业锅炉、工业窑炉、电站锅炉上作为燃料烧掉的每年仍有大约3000万吨，约占我国石油产量的25%左右。我国能源特征与挑战12020040060080010001200储量/亿吨矿物能源/2000年煤炭1145石油33储采比116年储采比20.2年煤炭的利用7.4%2.8%22.7%67.1%煤石油天然气水电和核能2003年能源消费率能源安全是涉及到我国国防和经济建设。煤炭产量已达16亿吨，消耗量占我国一次能源消耗量的75%左右。环境保护：散煤燃烧的缺点，除大型电站效率较高外，一般的燃煤锅炉效率很低，其中包括燃尽率和锅炉效率；水煤浆储运是全密封；水煤浆燃烧温度较低，NOx产生量少；1.2.2我国发展水煤浆的历程始于1982年。1983年，“六五”攻关，中国矿业大学北京研究生部：水煤浆制备技术；浙江大学：锅炉燃烧技术；北京科技大学：窑炉燃烧技术。“七五”攻关，组建“华煤水煤浆技术中心”，吸收了煤炭部所属两个工程设计院，唐山分院管道所，两个制浆厂，两个添加剂厂，有关燃烧试验厂。任务是扩大水煤浆工业应用试烧的规模和应用范围。“八五”攻关，成立“国家水煤浆工程技术研究中心”，在中国矿业大学北京研究生部成立“制浆技术研究所”。2000年11月，广东茂名热电厂1#油炉（220t/h）改烧水煤浆成功，2001年8月，2#油炉（220t/h）改烧成功；2001年6月，广东汕头热电有限公司2#燃油设计锅炉（220t/h）改烧水煤浆成功；1.3水煤浆的质量要求和制浆技术概要a、细度；b、浓度；c、流变特性；d、稳定性。1.3.1水煤浆的质量要求1.3.2制浆技术概要a、煤炭成浆性规律；b、级配技术；c、制浆工艺与设备；d、添加剂技术。第二章影响水煤浆成浆性的因素2.1煤质特征煤质特征对成浆性的影响，有的煤可以制备出浓度高、流变性和稳定性好的水煤浆就称为成浆性好的煤，否则称为成浆性差的煤，煤的成浆性与下列因素有关：1）内在水分。内在水分高低有时会有几倍至几十倍之差，这些水分分布在煤粒的内表面。当煤浆的重量浓度相同时，势必要减少流动介质作用的水量，造成水煤浆的粘度高或难于获得高浓度的浆。2）比表面积大，孔隙发达。比表面积的差异也有几倍到一二十倍，比表面积能间接地反映煤的孔隙程度。发达的孔隙度是造成内在水分高的重要原因之一。此外，高比表面积还会导致消耗更多的添加剂。影响水煤浆成浆性的因数很多，其中主要的有：煤质特征、粒度分布和添加剂种类。3）氧碳比（%）。含氧量高及提供的含氧官能团活性氧部分就越多，增加煤表面的极性和与添加剂作用的复杂性，减少了与表面性质相适应的添加剂种类及增加了添加剂的消耗量。4）可磨性。可磨性差对成浆性的影响主要表现在当磨矿条件相同时，难以获得超细的颗粒，从而降低了煤粒的堆积效率。难以制备出高浓度的水煤浆，或者在保证必要的充填效率的条件下，将增大磨矿的能耗和磨制工艺的复杂性。2.2水煤浆的粒度分布2.2.1粒度的表示与测定方法a、筛分；b、激光；c、沉积分析；2.2.2粒度分布1）什么是级配技术？2）现有堆积理论a、等经颗粒的堆积高浓度水煤的重量浓度达到65%~70%，因而要求煤炭的粒度分布能达到较高的堆积效率，这就是通常所谓的煤浆的粒度分布要有良好的级配等经球体的堆积是分析实际颗粒堆积的基础。通常采用固粒物料在堆积空间中占有的体积分数表示堆积效率，有的地方也称容积浓度，用λ表示。等经球体的堆积有两种极端方式：①正六面体堆积，最松散堆积，堆积效率λ=π/6=0.5236,粒孔比（颗粒直径与孔隙直径之比）B=2.44②正四面体堆积，最紧密堆积，堆积效率粒孔比（颗粒直径与孔隙直径之比）B=0.7474.06/2③四种窄粒级煤的堆积效率煤炭粒度（μm）450~280280~180180~125110~98堆积效率λ0.52550.51740.48940.5070b、多种粒径颗粒的堆积多种粒径颗粒的堆积是指具有大小不同直径颗粒组分填充堆积，即大直径颗粒群被次大直径颗粒群充填，次大直径颗粒群又被较小直径颗粒群所充填，较小直径颗粒群又被再小直径的颗粒群充填，余此类推。下面就介绍Furnas等研究的多种粒径颗粒体系堆积理论。颗粒体系紧密堆积时各组分颗粒的体积分数推导如下：当粗细２级颗粒堆积时，设颗粒密度都为ρ，堆积空隙率均为ε，则：一级粗颗粒的重量为：w1＝１×（1-ε）ρ二级细颗粒的重量为：w2＝１×ε（1-ε）ρ一级粗颗粒所占的体积（重量）分数为：11)1()1()1(这是在二级堆积的基础上以颗粒本身为基数求出的粗颗粒所占的分数。当粗细颗粒不同粒径颗粒n级堆积时，设堆积空间的表观体积为vm，则：一级粗颗粒的体积为：v1＝vm（１－ε）二级颗粒的体积为：v2＝vmε（１－ε）三级颗粒的体积为：v3＝vmε2（１－ε）····························································n级颗粒的体积为：vn＝vmεn-1（１－ε）n级颗粒堆积后的总体积为：vst＝v1+v2+v3+···········+vn=vm(1-εn)表观体积：nstm1vv若只有２级堆积，而且一、二级颗粒体积之和为１个单位（为了计算方便）则：2m11v对于n级颗粒的堆积：)f-(11)1(1)1(vv)f1(1)1(1)1(vvf11)1(1)1(vvf11)1(11)1(vv123233m412222m312m212m12n1n)f1(v····························································N级颗粒堆积后总体积：2n2n2st1111111111111111v将各级颗粒的体积v1，v2，v3，··················vn除以vst既可以得到在颗粒体系紧密堆积时各粒级的体积分数（也就是当颗粒体系达到最高的堆积效率时，各粒级应该达到的体积分数）。此处，Furnas认为各粒级具有相同的堆积空隙率，而且当小颗粒充填到大颗粒中时也具有不变的孔隙率，这使问题简化而作的假设。实际上随着粒度的减小，由于比表面积变大，重量减轻，不易克服周围阻力，从而使堆积时的空隙率有增大的趋势。Hudson曾经指出，要使小颗粒能完全充填到大颗粒中，所需要的粒孔比B应高达５。c、连续分布颗粒的堆积这属于实际颗粒物料的堆积。不同与上述的多粒径颗粒群的堆积，上述多粒径颗粒群粒径是间断的，而此处连续分布颗粒的粒径是连续的。要研究连续分布颗粒的堆积效率，其基础是连续分布颗粒的粒度分布模型。这些分布模型主要有Rosin-Rammler,Gauding-Schumann和Afred模型。Rosin-Rammler模型：式中：d－某个粒度；Ｒ－大于粒度ｄ的粒级含量；dM－与Ｒ＝0.368相对应的粒度；n－模型参数。Gauding-Schumann模型：nL)dd(ynM)ddexp(R式中：d－某个粒度；y－小于粒度ｄ的粒级含量；dL－颗粒体系中最大粒度；n－模型参数。Alfred模型：nsnLnsnddddy式中：d－某个粒度；y－小于粒度ｄ的粒级含量；dL－颗粒体系中最大粒度；ds－颗粒体系中最小粒度；n－模型参数。该粒度分布模型是是由Gauding-Schumann模型改进而来，因为在Gauding-Schumann模型中当d＝０时无意义。在上述的粒度分布模型中，控制粒度分布的是模型参数n，一般来说，只要确定一个恰当的n值，可以获得较高的堆积效率。当对于这种连续分布，用解析法很难求得堆积效率，多采用实验的方法和计算机模拟堆积试验方法求解。以下是一些实验结果：Andreason用实验方法确定，对于服从Gauding-Schumann粒度分布模型的颗粒体系，当n＝0.3~0.5时，可获得最高的堆积效率；Suzuki等人将多粒径颗粒堆积的计算方法推广到连续分布的颗粒体系，得出当n＝0.5~0.8时获得最高的堆积效率；日本日立公司的日立制作所认为当n＝0.5~0.8时可获等最高堆积效率；Dinger和Funk通过计算机模拟堆积实验，得出服从Gauding-Schumann粒度分布的颗粒体系，当n＝0.37时，可获得最高堆积效率。3）隔层堆积理论是由矿大的张荣曾教授提出。是一种针对连续分布颗粒体系求最高堆积效率下n值的方法，是以上述几种粒度分布模型为基础。该理论是以粒孔比B把连续分布的颗粒体系分成许多的粒度级，把较小的粒度级充填到较粗的粒度级中，但这个较小的粒度级不是紧挨着粗粒级的细粒级，而是再隔一层的更细的细粒级。该理论认为这是反映了真实情况的，因为只有这样，小粒级的颗粒才能充分地充填到粗粒级中去。下面就来考察几种不同分布模型用隔层堆积理论求出的在最大堆积效率下的n值。①Gaudin-Schumann和Afred粒度分布设某个第i粒级的粒度上限为d，则粒度下限为d/B。它的下隔层，即第i+2层的颗粒的粒度上限为d/B2，粒度下限