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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
2、 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
3、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 1
4、986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 煤炭的利用 能源安全是涉及到我国国防和经济建设 煤
5、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
6、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
7、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
8、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
9、分数表示堆积效率 有的地方也称容积浓度 用 表示 等经球体的堆积有两种极端方式 正六面体堆积 最松散堆积 堆积效率 6 0 5236 粒孔比 颗粒直径与孔隙直径之比 B 2 44 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 74 四种窄粒级煤的堆积效率 b 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
10、级颗粒堆积时 设颗粒密度都为 堆积空隙率均为 则 一级粗颗粒的重量为 w1 1 二级细颗粒的重量为 w2 1 一级粗颗粒所占的体积 重量 分数为 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 二级颗粒的体积为 v2 vm 三级颗粒的体积为 v3 vm 2 n级颗粒的体积为 vn vm n 1 n级颗粒堆积后的总体积为 vst v1 v2 v3 vn vm 1 n 表观体积 若只有 级堆积 而且一 二级颗粒体积之和为 个单位 为了计算方便 则 对于n级颗粒的堆积 N级颗粒堆积后总体积
11、 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 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
12、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 大于粒度 的粒级含量 dM 与 0 368相对应的粒度 n 模型参数 Gauding Schumann模型 式中 d 某个粒度 y 小于粒度 的粒级含量 dL 颗粒体系中最大粒度 n 模型参数 Alfred模型 式中 d 某个粒度 y 小于粒度 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
13、模型改进而来 因为在Gauding Schumann模型中当d 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
14、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
15、大堆积效率下的n值 Gaudin 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 粒度下限为d B3 设窄粒级堆积的空隙率为 颗粒的密度为 则对于Gaudin Schumann粒度分布 可推导出第i个粗粒级中孔隙的体积 第i 2个细粒级颗粒的体积 令v孔I v粒i 2 得到颗粒体系在紧密堆积下的最优解 同理 对于Alfred粒度分布 第i个粗粒级中孔隙的体积 第i 2个细粒级中颗粒的体积 令v孔I v粒i 2 可以得到与Gaudin Schumann相同的解 经移项变换得 由上式可见 最优的n值与划分各层
16、的粒孔比B和各层的堆积空隙率有关 最优的n值随B和 值的增加而减小 流动的水煤浆不可能是前面所述的最松散的正六面体堆积或者最紧密的正四面体堆积 当达到比较理想的堆积时可以认为是四面体堆积的变形 如下图所示 这种模式在各颗粒间都保持有一定的间距 上下两层间相对运动时 颗粒也只是擦边而过 对于这种堆积方式 可以计算出 为0 25 B值为 也就是说 在这种比较理想的堆积情况下 最优的n值为 这个结果与与Andreason和日立公司的试验结果相同 上图的堆积模型也可以看成正六面体堆积的变形 若 仍取0 52 当B值取六面体堆积的2 44 则左右的n值为 这个结果与Funk教授在计算机上模拟堆积所得的结果相符 Rosin Rammler粒度分布 对于Rosin Rammler粒度分布 用解析法求最佳的n值是困难的 采用计算机先按粒孔比B的等比级数划分为许多窄粒级 然后各层进行充填 并计算堆积效率 对于粒度上限300 m的颗粒体系 计算的堆积效率与参数n间的关系如图所示 由该图可见 最佳的模型参数n 0 7 0 8 作为对比 图中也给出了Alfred分布在不同粒度下限ds时计算的堆积效率与参数n之
