这个脱火段成为水煤浆燃烧组织的关键问题

作者:威廉亚洲 发布时间:2021-01-26 10:25

  浅谈水煤浆浓度问题 向西成 1,赵国凌 2,张兵 1,张红卫 1,孟宏庆 1,张红强 1 (1.陕西升基利科技有限公司 2.西安能源研究会) 摘 要:本文从水煤浆的定义出发,阐述了水煤浆浓度的定义、要求、影响因素和测定方 法,并导出了在用户炉前以速溶煤粉*1或干态水煤浆调制不同浓度水煤浆的一套计算公式,最 后就水煤浆浓度的几个问题提出了自己的见解。 关键词:水煤浆;浓度;发热量;稳定性;成浆性;粒度级配;炉前调浆;十字交叉法 现就有关水煤浆浓度的若干问题分析讨论如下。 1 水煤浆浓度的定义 在化学专业中,将由两个以上单质或化合物混在一起组成的物质称为混合物,其中各种单 质或化合物都保留着各自原有的化学性质。从水煤浆的定义不难看到,水煤浆是一种由煤粉、 添加剂及水混在一起组成的浆体状混合物,煤粉与添加剂虽然都是固体,但它们在水中存在的 形态是截然不同的。煤粉是以一个个的颗粒单体分散地悬浮在水液中,而添加剂则是以分子或 离子形态均匀地溶解于水中。水煤浆应该是煤粉与添加剂水溶液组成的固液两相混合物。 为表征混合物中所含某物质量的多少,化学专业中将一定量的混合物中所含某物质的量, 叫做该物质在混合物中的浓度,浓度有两种表示法: 1、质量分数或俗称质量百分浓度,表示物质 A 的质量占混合物质量的百分比,记为 WA, 即: 2、质量体积浓度,表示单位体积混合物中所含物质 A 的质量,记为 ρ A ,即: cw m WA = 1 水煤浆是一种煤基流体燃料,已在我国的电站锅炉、工业锅炉及工业窑炉等能源设备中应 用。GB/T18855—2002《水煤浆技术条件》中关于水煤浆术语的定义为:由煤、水和少量添加 剂经物理加工过程制成的具有一定细度、能流动的浆体。解读这一定义,具有三层含义: 1、组成成分:有煤、水和少量添加剂,按质量百分数核算,煤约占 60%—70%,为可燃 部分;水约占 40%—30%,为载体,使成为流动浆体;添加剂占 1%—2%,起分散、稳定作用, 保证浆体稳定性、流动性要求。 2、加工过程:纯物理过程,如破碎、磨粉、过滤、搅拌等。 3、成品特点:从外观看,是一种黑色粘稠浆体,能流动,可以泵送和雾化;要稳定,不 易沉淀;具有一定细度,煤炭颗粒粒径最大约 0.3mm,75 ?m 以下不少于 75%。 (%)………………(1) 混合物中物质A的质量 × 100 混合物的质量 1 ρA = 混合物中物质A的质量 混合物的体积 (㎏/m3 或 g /L)………(2) 水煤浆行业中,引用上述质量分数的概念,把一定量的水煤浆试样去除全水分后的质量占 试样原有质量的百分数,作为水煤浆的浓度,记为 C,即: C = 水煤浆试样去除全水分后的质量 水煤浆试样原有质量 100 (%)………(3) 显而易见,目前贯用的水煤浆浓度是指质量百分浓度,有些资料上称作质量浓度不大确切。 从式(1) 、 (2)清楚可见,两者有着质的区别,前者是对于混合物的质量而言,后者则是对于 混合物的体积而言。水煤浆浓度的大小,表征着水煤浆中固相组分(包括煤粉和添加剂)质量 的多少,因此,水煤浆浓度将对水煤浆的一系列性能指标产生影响。 2 水煤浆浓度的要求 Qcwm = (Q gr.d ? 206H d ) ? 式中:Qcwm——水煤浆的发热量, kJ/㎏; Qgr.d——制浆煤炭干燥基高位发热量,kJ/㎏; Hd——制浆煤炭干燥基氢分, %; C——水煤浆的浓度, %; 由式(4)明显可见,随着水煤浆浓度 C 的增大,水煤浆的发热量增大,浓度越高,发热 量就越高;反之,浓度越低,发热量也就越低。 (二)浓度与稳定性的关系 水煤浆作为一种粗颗粒分散悬浮的固液两相混合物,重力作用对颗粒的沉降起主导作用, 因此容易发生固液分离、生成沉淀物的现象。所谓水煤浆的稳定性系指维持不产生“ 硬沉淀”的 性能,这就是说,即使产生沉淀物,但通过机械搅拌能恢复浆体的均匀性态,相对于“ 硬沉淀” 而言,这种沉淀称为“软沉淀”。 水煤浆的稳定性表征煤粉颗粒抗沉降能力,浓度低时,由于重力作用,煤粉颗粒会发生自 由沉降;随着浓度的提高,煤粉颗粒在沉降过程中将发生相互干扰,从而减缓沉降速度。另外, 2 cw m C ? 23 × (100 ? C) 100 各种不同用途的水煤浆,其浓度亦不同,大体在 50%—70%的范围之内。GB/T18855 中对 适用于工业锅炉、 电站锅炉和工业窑炉等燃用的水煤浆浓度要求划分为三个级别: Ⅰ级>66.0%, Ⅱ级 64.1%—66.0%,Ⅲ级 60.1%—64.0%。为何国家标准会将水煤浆的浓度作为水煤浆质量指 标的技术要求提出呢?这是因为水煤浆浓度的大小将直接影响到水煤浆的发热量、稳定性、着 火性能等技术性能,此外还关系到运输成本的高低。 (一)浓度与发热量的关系 水煤浆的发热量与制浆煤质及成浆浓度密切相关,制浆煤种的煤阶越高,灰分越低,所制 成的水煤浆发热量就越高。对于一既定的制浆煤种,水煤浆的浓度是影响其发热量的决定性因 素。水煤浆的发热量与浓度的关系如下: (kJ/㎏)…………(4) 2 煤炭是一种强疏水物质,浓度高时,煤粉颗粒容易发生疏水团聚形成疏松的团聚物,生成“软沉 淀”,所以,水煤浆浓度越高,其稳定性就越好。 (三)浓度与着火性能的关系 水煤浆中含有 30%—40%的水分,水煤浆喷入炉膛后,需要吸收大量热量将这部分水分蒸 发干燥后才能着火燃烧,使着火过程推迟。水煤浆浓度越低,含水量越大,蒸发干燥所需吸热 量越多,时间越长,着火越发推迟;相反,浓度越高,含水量越少,蒸发干燥所需吸热量越少, 时 间 越 短 , 着 火 推 迟 缩 短 。 着 火 推迟 使 得 水 煤浆 雾 矩 在 离 开喷 口 后 有 一 脱 火 段 , 长 约 0.5m—1.0m,这个脱火段成为水煤浆燃烧组织的关键问题。脱火段短且稳定,着火燃烧就稳定; 脱火段长且不稳定,着火燃烧就不稳定,严重时甚至导致熄火。脱火段的长短,当然与水煤浆 燃烧器的结构性能有关,但最根本的影响因素还是水煤浆的浓度。 (四)浓度与运输成本的关系 水煤浆必须采用专用罐车或罐船进行运输,返程无法运输其他物资,因此,运输成本本来 就比其他物资要高。水煤浆浓度越低,含水量越多,所造成的无效运输越大;相反,浓度越高, 含水量越少,所造成的无效运输就越少。浓度提高 5%,相应于同等发热量燃料的运费降低了 8%左右,提高浓度是降低运输成本的主要措施。 综上所述,总的说来是希望水煤浆浓度高些为好,但也并不是越高越好,因为随着水煤浆 浓度增大,浆体黏度增大,流动性变差,泵送阻力大,雾化效果差,燃烧不良,所以,水煤浆 的浓度上限受到流动性的制约。另一方面,浓度也不是想要多高就能做到多高,因为水煤浆浓 度受到煤质、添加剂配比及制浆工艺参数等的影响。 3 水煤浆浓度的影响因素 影响水煤浆浓度的因素主要有煤质特性、粒度级配、添加剂种类配比等。 (一)煤种及其成浆性的影响 煤的成浆性是指煤种制备水煤浆的难易程度。成浆性一般用所制煤浆在正常温度和剪切速 率为 100S-1 下表观黏度达 1000mpa.s 时的煤浆浓度来衡量。成浆性好,表示该煤种易制成水煤 浆,反之,表示该煤种难制成水煤浆。我国水煤浆科技工作者经过 20 余年的试验研究,对诸多 煤种进行了成浆性试验,表 1 列示为我国部分煤种的成浆性试验结果。在此基础上,建立了成 浆性难易指标与煤炭的空气干燥基水分、氧分及哈氏可磨性指数的最优回归方程;综合提出了 评定烟煤成浆性难易指标 D 的分类等级和可制浆浓度 C,如表 2 列示。 表1 煤炭产地 河南鹤壁 山西潞安 山东枣庄八一 山东兖州 山西大同 辽宁抚顺胜利 青海大煤沟 陕西彬县 内蒙古平庄 我国部分煤种的成浆性试验结果一览表 水煤浆性能指标 浓度 C/% 70.0 70.78 68.28 69.15 66—71 68.2 64—65 66.02 50.95 表观黏度/mpa.s 611 1352 664 788 1040—1126 1060 750—1440 968 1000 成浆性指标 D 2.48 2.7 4.33 5.86 5—6 6.69 6.2—7.9 8.18 9.57 3 cw m 成浆性难易程度及指标 难度分类 易 易 中 中 中—中上 中上 中—难 难 难 3 陕西神府 极难 10.3—11 63—64 1480—1580 表 2 烟煤成浆性难易指标 D 分类等级和相应的成浆浓度 C 成浆性难易程度 成浆性难易指标 D 可制浆浓度 C /% 易 <4 >72 中等 4—7 >68—72 难 >7—10 65—68 ……(5) 很难 >10 <65 烟煤成浆性难易指标 D 值可按下列回归方程式计算: 当无氧分数据时 D=7.5+0.5Mad-0.05HGI 当有氧分数据时 2 D=7.5+0.223 Mad+0.0257 Oad -0.015 HGI ……(6) 式中:Mad——制浆煤种的空气干燥基水分, %; Oad——制浆煤种的空气干燥基氧分, %; HGI——制浆煤种的哈氏可磨性指数。 可制浆浓度 C 与成浆性难易指标 D 具有如下经验关系式: C=77-1.2D (%)……………(7) (二)粒度级配的影响 水煤浆中的煤粉不仅有粒度大小的要求,而且还有粒度分布的要求。粒度分布要求使不同 粒径的颗粒能相互填充,以减少颗粒之间的空隙,从而达到较高的堆积效率。堆积效率高,颗 粒之间空隙少,就可减少加水量,容易配制出高浓度的水煤浆。在水煤浆制备中,这项技术称 为粒度级配技术。目前,制浆工艺中常用“ 双峰分布”甚至“ 多峰分布”来实现较好的级配,以制 备高浓度水煤浆,显然,粒度级配技术是提高水煤浆浓度的关键技术之一,这对于难制浆的煤 种尤为重要。因此,通过优化制浆系统及其工艺参数来获得理想的粒度级配,是提高难制浆煤 种成浆性的重要举措。 (三)添加剂的影响 水煤浆添加剂是为使水煤浆达到高浓度、高稳定性及良好流变性所添加的多种化学药剂的 总称,主要有分散剂和稳定剂两类。分散剂的作用是促使煤粉颗粒在水中均匀分散的一种表面 活性剂,能显著降低水的表面张力,提高煤粉颗粒表面的润湿性,使颗粒不易凝聚成团,以获 得高的堆积效率,从而制备出较高浓度的水煤浆。因此分散剂的种类及其配比是很重要的,采 用多种分散剂的复配也是提高水煤浆浓度的技术之一,对不同煤种要通过大量试验来确定。稳 定剂的作用是改善水煤浆的稳定性,使其在储存和运输期间保持性态均匀,对水煤浆成浆浓度 没有多大影响。 4 水煤浆浓度的测定 GB/T18856.2—2002《水煤浆质量试验方法第 2 部分:水煤浆浓度测定方法》中对水煤浆 浓度测定的方法、仪器设备、测定步骤和结果表述都作了明确规定。测定方法有干燥箱干燥法 和红外干燥法两种,其基本原理是称取一定量的水煤浆试样置于 105℃—110℃的恒温干燥箱内 或红外水分测定仪内干燥至恒定, 干燥后的试样质量占原样质量的百分数就作为水煤浆的浓度, 即: 式中:m1——水煤浆试样干燥后的质量, 4 cw m C = m1 × 100 mo g; (%)………………(8) 4 mo——水煤浆试样原有质量, g(称量 3.0±0.2g) 。 测定精度要求两次测定结果的绝对差值不得超过 0.2%。 5 用户炉前调浆计算 在用户炉前以陕西升基利科技公司生产的速溶煤粉调制成浆时,需进行成浆量、投料量及 加水量的计算,计算分两种情况:其一是以所投放的速溶煤粉质量为基数;其二是以需调制的 水煤浆质量为基数。 (一)以投料量为基数的命题 该命题中,投料量是给定的已知数,需添加水量和成浆量按下列公式计算: G s = G f ? [(100 ? M t ) / C ? 1] (100 ? M t ) C (㎏)………………(9) G cwm = G f + G s = G f ? (㎏)………………(10) G s = G f [(100 ? M t ) / C ? 1] = 1000 × [ (100 ? 10) / 63 ? 1] = 428.6 G cwm = G f ? (100 ? M t ) (100 ? 10) = 1000 × = 1428.6 C 63 (x1) (x2) (㎏) 。 cw m (Gs) 质量 37 100 水分含量 27 配比 式中:Gf——所投放的速溶煤粉质量, ㎏; Gs——调浆中所添加的水量, ㎏; Gcwm——所调制成的水煤浆质量, ㎏; Mt——速溶煤粉的全水分, %; C——需调制的水煤浆浓度, %。 【示例 1】 :已知投料量 Gf=1000 ㎏,其全水分 Mt=10%,要求调制成浓度 C=63%的水煤浆, 试求需添加的水量 Gs 和成浆量 Gcwm。 解: (㎏) ; 该示例还可采用“十字交叉法”进行计算,如下: 料 (Gf) 10 63 水 组分 Gf x = 1 Gs x2 Gf x1 = G cwm x1 + x 2 Gs = G f ? x2 27 = 1000 × = 428.6 x1 63 (㎏) ; G cwm = G f ? x1 + x 2 (63 + 27) (㎏) = 1000 × = 1428.6 x1 63 (二)以成浆量为基数的命题 该命题中,拟调制的水煤浆量是给定的已知数,所需投料量和加水量按下列公式计算: 5 5 Gf = Gcwm ? C (100 ? M) t (㎏)………………(11) ? ? C G s = G cwm ? G f = G cwm ? ?1 ? ? (100 ? M t ) ?=1000 ㎏,若已知 Mt=10%,试求需投料量 Gf 【示例 2】拟调制浓度 C=63% G cwm ? 的水煤浆 和加水量 Gs。 解: (㎏)………………(12) C 63 G f = G cwm ? = 1000 × = 700.0 (100 ? M t ) (100 ? 10) (㎏) 。 ? ? ? ? C 63 (㎏) 。 G s = G cwm ? ?1 ? = 300.0 ? = 1000 × ?1 ? ? ? (100 ? 10) ? ? (100 ? M t ) ? 该示例同样可采用“十字交叉法”进行计算,如下: 料 水 组分 (Gf) (Gs) 质量 10 37 100 水分含量 63 27 配比 (x1) (x2) Gf x1 = x1 + x 2 G cwm cw m G f = G cwm ? G s = G cwm ? x1 x1 + x 2 x2 = 1000 × (㎏) ; 63 = 700.0 63 + 27 Gs x2 = G cwm x1 + x 2 6 几点见解 x1 + x 2 = 1000 × 27 (㎏) 。 = 300.0 63 + 27 1、水煤浆是煤粉与添加剂水溶液的固液两相混合物, 水煤浆的浓度表征其中固相含量的多 少,定义为一定量的水煤浆试样去除全水分后的质量占试样原有质量的百分数。 2、水煤浆浓度作为水煤浆重要的质量指标之一,将影响到水煤浆的发热量、稳定性、着火 性能及运输成本,在保证泵送和良好雾化燃烧的前提下,应尽量提高水煤浆的浓度。 3、从节能减排的角度来看,发热量是评价水煤浆质量的最重要指标,而决定水煤浆发热量 的根本因素则是制浆煤质本身,以发热量高的煤种制备的水煤浆,即使浓度较低,成浆发热量 也将比发热量低的煤种制备的较高浓度的水煤浆高得多,单凭浓度一项指标来评价水煤浆质量 是一个误区。 4、水煤浆浓度首先取决于制浆煤种的成浆性,在既定煤种的情况下,良好的粒度级配和适 宜的分散剂复配可获得较高浓度的水煤浆。 5、笔者所导出的以速溶煤粉调制水煤浆的两种命题计算式,为用户现场调浆计算提供了方 便,以“十字交叉法”进行计算更为简单明了。 6 6


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