水煤漿技術經典PPT課件

煤漿燃燒的概念可以追溯到Munsell和Smith的專利(1879年)，其后對于這種漿狀燃料的制備方法和發展前景也有—些文獻論述。這時候的煤漿概念是指以煤粉同其他流體調制成的一種漿狀燃料(如油煤漿、水煤漿和甲醇煤漿等)，但由于油價一直偏低而未獲發展。直到1914年才有煤漿的小規模應用。作為技術儲備，在60年代，美國、原蘇聯和原西德相繼進行過水煤漿直接燃燒的小型試驗，盡管獲得了較滿意的結果，但由于經濟上的原因而中止。2/7/20232

煤漿發展的轉機是70年代的石油危機。由于這次危機，使人們自然想到這種燃料，開始受到許多國家政府的重視，作為一種替油燃料研究。但70年代的研究主要集中在油煤漿，沒有真正擺脫對石油的依賴，經濟上還存在問題。而煤漿真正迅速發展是80年代，美國、日本、加拿大、瑞典、意大利、原蘇聯相繼投入大量研究力量，開發各種技術，到80年代中期，普遍進入商業性應用階段。但此后由于油價持續下跌，研究規?？s小，研究重點也轉移到超低灰煤漿直接代油和作為替代燃料等更廣泛的用途上。

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但日本和原蘇聯則仍繼續進行這方面研究。在日本，在按燃煤設計的600MW燃油鍋爐上用水煤漿已有多年，成為第一臺長期連續直接摻燒煤漿的大型電站鍋爐。在原蘇聯1988年建成的由別洛沃到新西伯利亞260km的水煤漿輸送管道，以及制漿能力500萬t的大型制漿廠和1200MW發電能力的大型電廠水煤漿燃燒工程，成為世界上第一個以制漿一管道運輸一直接燃燒應用的大型水煤漿示范工程。2/7/20234我國水煤漿技術的開發應用起步較晚,替代燃料油，1982年，由跨部門的科研單位進行“六五”水煤漿技術課題攻關，選用大同煤，撫順煤和湖北恩口煤等煤種作為制漿研究對象，先后在實驗室的小型燃燒爐和北京造紙一廠20t／h工業鍋爐上多次進行水煤漿燃燒試驗，取得了從制漿、供漿到工業鍋爐燃燒等一批科研成果。“七五”期間，水煤漿技術進一步發展，在國內建起了幾座水煤漿制備廠，并在一些工業鍋爐和多種工業窯爐上進行試燒、應用，取得了較好的效果。

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“八五”期間，水煤漿的應用轉向以電站鍋爐燃用水煤漿的技術為中心，重點開發大型的(5～8t／h)噴嘴和燃燒器，并先后在北京第三熱電廠75t／h電站鍋爐和山東省白揚河發電站280t／h電站鍋爐上試燒，取得了初步成功．水煤漿技術的應用還推廣在撫順、淮南、邢臺、徐州等礦區，用選煤廠浮選末煤制備出煤泥漿，通過泵送至礦區的供暖鍋爐和發電鍋爐上，都取得了成功的經驗。

2/7/202362/7/202372/7/20238二、煤漿的特點和水煤漿燃料的基本性質（一）水煤漿的特點1、水煤漿為多孔隙的煤和水的混合物，具有類似重油燃料油的流動特性。2、水煤漿在制造過程中需進行凈化處理，可除去原料煤中灰分的50％一75％，黃鐵礦(無機硫)40%-90%，同時可回收原料煤發熱量的90％～98％。2/7/20239表4-3水煤漿和原料煤的成分和特性比較2/7/2023103、把原煤的開采、洗選和水煤漿的制造過程結合起來，在通過管道輸送，具有更好的經濟性。4、由于水煤漿很容易做到在壓力下給煤，因此它可成為加壓煤氣化爐和增壓循環流化床鍋爐的一種理想燃料。2/7/202311(二)水煤漿燃料的基本性質1、水煤漿的濃度設水煤漿顆粒的質量為mc，密度為ρc，流體的質量為mL，密度為ρL，則其質量百分濃度的定義為：%2/7/2023122、水煤漿的密度當知道水煤漿顆粒的真實密度ρc，流體的密度ρL，兩相的質量濃度Cwc，則可由下式確定水煤漿的密度ρwc

Kg/m32/7/2023133、水煤漿的粘度

在流體中加入固體顆粒變為懸浮液，顆粒的存在增加了懸浮液的粘度，在很多情況，這些液體具有非牛頓流體的性質。大量試驗表明，大多數水煤漿屬賓漢塑性流體，其流動特性可用下式表示：

2/7/202314若用表觀粘度來簡化表示水煤漿的粘度，則有與牛頓流體相同的表達形式，可給工程應用帶來很大的方便，即2/7/2023154、水煤漿的比熱容

2/7/202316第二節、煤的成漿性和水煤漿的制備

煤的成漿性是用煤制備水煤漿難易程度及制成的水煤漿性能優劣程度的量度。我國研究人員在煤的成漿性方面做了大量的研究工作，主要對煤種（煤的可磨性、粒度組成、密度、元素成分、水分、灰的成分等）、添加劑（分散劑、穩定劑、助劑等）對煤的成漿性的影響做了較詳細的研究。由于研究方法和條件的差異，所得到的結果也各不相同。

2/7/2023171、煤性與成漿性中國礦業大學和煤炭科學研究總院對我國18種較有代表性煤種成漿性能的研究結果。定義水煤漿成漿性指標為在溫度為25℃,剪切率為30S－1，粘度為1Pa·s時水煤漿的固體濃度。并把水煤漿在1Pa·s下的濃度稱為水煤漿的定粘濃度w(Cpμ)。w(Cpμ)

高則煤的成漿性能好,反之成漿性能差。

2/7/202318中國煤的成漿性指數

2/7/202319煤的成漿性指數也可用下式計算：煤的表面結構特性對煤的成漿性的影響可用下式計算：

2/7/202320當進一步用煤的有機和無機特性來進行研究所得到煤的成漿性指數w(Cpμ)為：2/7/202321通過對碳C、灰A、燃料比F.R、氧碳比、揮發分V、氫氧比H/O、氮氧比N/O、可磨性指數kkm及最高內在水分Mmax這9項煤質因素進行非線性逐步回歸分析,建立了下述評定煤炭成漿性的數學模型D=7.5+0.5Mmax-4.72（kkm-0.61）

W(cwc)=77-1.2D2/7/202322式中D——成漿性難度指數;

w(Cwc)——制漿濃度,%。

2/7/2023232、添加劑對水煤漿制備的影響水煤漿制備的目標是獲得優良的水煤漿，它應具有理想的流變特性、穩定性和較高的濃度。要獲得高濃度、低黏度的水煤漿,煤質是關鍵.研究表明,影響成漿性的煤質因素主要包括煤的變質程度、表面親水性、孔隙率、礦物的種類與含量、可磨性、煤巖組分以及表面性質等。盡管上述因素都屬于煤的自然屬性,但制備水煤漿用的各種添加劑,可以在一定范圍內程度不同地改變這些屬性。添加劑的主要作用在于改變煤粒的表面性質，促使顆粒在水中分散。使漿體有良好的流變特性和穩定性。此外．還要借助添加劑調節煤漿的酸堿度．消除漿體中的氣泡、有害成分等。2/7/202324

根據作用不同，可將添加劑分為分散劑、穩定劑和助劑三大類，其中前兩種最為重要。分散劑是最重要的添加劑，其主要的用途是降低水煤漿的粘度，使之具有良好的流變特性。分散劑屬表面活性劑，常用陰離子型和非離子型兩類。

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陰離子型分散劑屬低分子量電解質或大分子及準高分子聚電解質。包括磺酸鹽、羧酸鹽及少量磷酸酯類。普遍應用的是磺酸鹽。萘磺酸鹽、磺化腐植酸鹽、磺化木質素及石油磺酸鹽及磺化瀝青等均屬此列。典型產品是萘磺酸鈉甲醛縮合物,添加量視煤種約為干煤量的0.5%一1.0%。

2/7/202326二、水煤漿的制備

可分為：用戶型-就地制漿．就地使用；礦區型-選煤廠或礦區附近；中央型-在礦區和用戶以外的獨立工業場地；水煤漿的分類：第一類精煤水煤漿；第二類超精細水煤漿；第三類煤泥水煤漿。2/7/202327水煤漿的技術參數

2/7/202328水煤漿的制備方法主要有兩種，即干法和濕法

干法制漿濕法制漿2/7/202329第三節

水煤漿的基本特性

一、水煤漿的流變特性

通常與時間無關的流體的流變方程可用下面的冪律方程表示：

τ-剪切應力，pa；

τy-屈服應力，pa；

k-均勻性系數；-剪切速率，1/s；

2/7/202330牛頓流體和非牛頓流體凡流體以切變方式流動，但其切應力與剪切速率之間為非線性關系者均稱為非牛頓流體。

非牛頓流體流動的特征是，它不服從牛頓粘度定律，其粘度不是一個常數，隨著切應力、切變速率的變化而變化。

牛頓流體的流動曲線如圖1所示。

非牛頓流體的類型有賓漢流體、假塑性流體和脹塑性流體等，這些類型流體的流動曲線如圖2所示。

2/7/202331切應力與剪切速率關系圖1：牛頓型流體的流動曲線

（tanθ=t/r=η）

圖2：幾種流動曲線的比較

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(1)

賓漢流體

這個類型的流體也稱作賓漢塑性體，如牙膏、油料、地質鉆探用的泥漿等。其流動曲線如圖2中的D曲線。它與牛頓流體的流動曲線（圖中A曲線）特征相同，

均為直線型，只是它不通過原點，其含義是只有切應力超過一定值、（屈服應力）之后才開始流動。這是因為超過ty，才能破壞靜止時形成的高度空間結構而實現流動。

(2)

假塑性體

圖2中的曲線B為假塑性體流動的特征曲線，該流體的流動曲線彎向切變速率坐標軸一側，表征著其粘度隨切應力、切變速率的增大而逐漸降低的特性，因此而被稱為"切應力變稀的流體"。大多數熱塑性塑料、橡膠和高分子聚合物溶液等都屬于此類流體。

(3)

脹塑流體

圖2中的曲線C為脹塑性流體流動的特征曲線，該曲線彎向切應力坐標軸一側，這表征著其粘度隨切應力、切變速率的增大而逐漸升高的特性，因此而被稱為"切應力增稠的流體"。2/7/202333n—流動指數。

當τy=0,n=1時,τ=k（）為牛頓流體，當n=1,時為賓漢塑性體（BinghamPlasticfluids），當，若n>1為脹性體（dilatantfluids），n<1為假塑性體（paeudoplasticfluids）；而屈服假塑性體（Yieldpaeudoplasticfluids），它們的流變圖見下圖。2/7/2023342/7/202335理想水煤漿流變特性靜態時有較大黏度，防沉淀；動態時，有較低黏度，便于泵送，霧化性能好?？梢?，賓漢塑性體、屈服假塑性體都有隨剪切速率增加，黏度變小的特性。2/7/202336影響水煤漿流變性的因素

1、水煤漿濃度水煤漿的濃度既影響水煤漿的流變性又影響水煤漿的屬性;

2/7/202337最大限度提高水煤漿濃度，減少其中水分，對提高水煤漿著火和燃燒穩定性，提高沉積穩定性意義重大。每1%含水量大約降低0.1%熱值。但提高水煤漿濃度又影響流變特性。需要綜合考慮。2/7/202338水煤漿的濃度與粘度的關系2/7/202339確定水煤漿的濃度對水煤漿的制備、儲存、運輸、霧化和燃燒都十分重要。

2/7/202340水煤漿最高濃度的方法

高濃度低粘度穩定的水煤漿中煤粒微孔內凝聚和吸附的水分達到飽和狀態，煤粒被一層液膜所包圍和分隔，煤粒間的空隙全部被水填充，顆粒間能夠滑動而具有一定的流動性。煤粒的懸浮態為聚沉態。水煤漿粗分散體系是重力作用大于擴散作用的動力不穩定系統。由于Stokes沉降和膠凝脫水收縮作用的存在，在靜置時必然會發生沉降與沉積。

2/7/202341沉積平衡時，煤床性質達到動力穩定狀態。此時平衡沉積床仍然服從實用水煤漿的成漿機理，濃度已達到實用水煤漿的臨界值，而認為平衡沉積床的煤漿濃度就是成漿的最高濃度，其中的水分就是成漿的最小水分。根椐上述原理，水煤漿密度、質量濃度、最大析水率、體積濃度之間存在以下關系：2/7/202342上式說明1/ρwc與w(Cwc)成線性關系。

水煤漿密度與最大析水率的關系，根椐質量守衡定律，水煤漿密度ρWC與平衡沉積床密度ρwc1有如下關系：

因

因為

令(1)(2)(3)2/7/202343—為平衡沉積床體積分率，%；--為最大析水率，%；--為平衡沉積床體積，m3;--為水煤漿體積,m3;--為析出水的體積,m3。。由于水和沉積床的密度不隨初始條件w(CWC)、ρWC變化，所以上式說明ρWC與fL成線性關系。(4)2/7/202344

水煤漿密度與體積濃度的關系可表示為：

說明體積濃度與水煤漿的濃度ρWC成線性關系;用(4)和(5)式整理得:水煤漿體積濃度與平衡沉積床體積分率成正比

(5)(6)說明水煤漿體積濃度與最大析水率成線性關系，與平衡沉積床體積分率成正比且比例常數為床層中煤粒的體積濃度。2/7/202345根椐水煤漿體積濃度與最大析水率間存在線性關系，可以建立以下關系式：

(7)式中：a、b均為常數，由不同濃度下的析水率靜態穩定性實驗通過聯立(7）求出。對確定的煤種，在得到a和b兩個系數后，最高體積濃度取fL=0時的計算值。然后計算出最高質量濃度。為了提高計算精度可采用多次試驗，用最大析水率和最高濃度作圖確定。2/7/2023462.水煤漿的粘度

影響水煤漿流變性的另一參數是水煤漿的粘度，也是工程上最常用的表征流體流變性的重要參數。對于牛頓流體，μ為粘度系數，僅是溫度和壓力的函數，與剪切速率無關。在流變學范圍里，這個量不是一個系數，而是剪切速率dw/dy的一個函數。我們將函數μ=f(dw/dy)定義為“剪切粘度”或簡稱粘度，在通常的工程文獻中，常常被稱為“表觀粘度’’或有時被稱為剪切依賴性粘度。2/7/202347在絕大多數場合，發現粘度隨剪切速率的增加而降低，導致目前普遍稱謂的“剪切變稀”行為。

左邊曲線表明，在剪切速率非常低(剪切應力)的極限情況下，粘度是常數；同時，在高剪切速率(剪切應力)的極限情況下，粘度又變為常數，但其值較低。這兩種極端情形有時分別稱為低牛頓區和高牛頓區，低與高是指剪切速率而不是粘度。也可以用第一牛頓區和第二牛頓區兩個術語表示粘度達到恒定值的兩個區域。

2/7/202348由于粘度不僅影響水煤漿輸送的能量消耗﹑霧化和燃燒特性，而且影響其本身的穩定性。因此也進行了大量的研究工作，現已提出了許多以懸浮體體積濃度為參數的粘度公式，例如Dougherty和Krieger方程：2/7/202349Dooher,J.等采用以下簡單的冪律表示他們試驗的水煤漿的粘度結果。影響水煤漿粘度的因素很多，除水煤漿的濃度外。還有水煤漿的溫度﹑化學添加劑﹑剪切速率﹑煤的品種等。試驗研究可知，水煤漿黏度隨加熱溫度的提高而減小，且在不同加熱溫度條件下黏度均隨剪切速率的提高而下降。同時也有研究表明，水煤漿加熱溫度超過140℃時，水煤漿中添加劑性質將發生改變，會使水煤漿從擬塑性流體變為凝膠體流體，大大喪失了水煤漿原有的流動特性。2/7/202350圖4-9水煤漿剪切應力﹑黏度隨溫度和剪切速率的變化

2/7/202351添加劑含量與水煤漿黏度的關系曲線1-添加劑0.5%;2-添加劑0.6%;3-添加劑0.7%4--添加劑1.0%,濃度65.9%;5-添加劑1.0%，濃度64%6種不同水煤漿溫度-黏度曲線

2/7/2023523、煤粒的電動勢煤粒的電動勢是水煤漿流變性的控制參數之一。水煤漿要求的電動勢應使煤粒有效的分布，使每一煤粒在剪切情況下有最大機會以最小能量占據它在組成中的位置。如果此系統的化學性質使煤粒相互吸引，該系統將絮凝，各煤粒不能自由運動，因而黏度增大。相反，當所有煤粒彼此排斥時，顆粒間距離和流動性為最大。這種作用是由水煤漿組成中的膠粒部分所產生的ξ電勢所決定的。

2/7/202353膠粒穩定所需的ξ電勢

對多數水煤漿，合適的ξ電勢約為-50mV2/7/2023544、觸變性觸變性是大多數水煤漿的又一力學特性，即在剪切應力的作用下，水煤漿網狀結構體系被破壞和恢復的效應。觸變性的描述較為復雜，觸變性愈好，對水煤漿的應用愈有利，例如，貯存時水煤漿具有良好的穩定性，在攪拌后，液體受到剪切應力的作用，觸變性愈好的流體將使表觀粘度降低愈多，煤漿即具有更好的流動性和霧化性，有利于泵送和霧化.2/7/202355觸變性流體和流凝性流體：觸變性流體的剪切應力和剪切速率的關系隨剪切應力的持續時間而改變。隨剪切時間增加，其流阻減小。與次相反為流凝性流體。2/7/202356添加劑影響觸變性：圖4-15添加劑的影響；圖4-16水煤漿的結構形成特性曲線（講）；PM曲線、Ps曲線水煤漿觸變模型：北京科技大學2/7/202357第四節、水煤漿燃燒技術

水煤漿是由煤粉和水混合的液體燃料，所以它的燃燒也要像燃料油那樣經噴嘴將其霧化成霧滴后噴入爐膛組織燃燒。但由于水煤漿的組成成分、流動特性和燃燒特性既有別于油類液體燃料，又不同于煤粉固體燃料，因此以下將從水煤漿的燃燒特性、霧化特性、燃燒組織等方面來論述水煤漿的燃燒技術。2/7/202358一、單滴水煤漿的燃燒特性

水煤漿是一定細度的煤粉和水的均勻機械混合物，其單滴漿液無論直徑大小都是由多顆煤粒構成的煤水混合微團。微團中煤粒直徑很小，粒徑小于75μm的煤粒約占70%-80%，經噴嘴霧化的漿滴的平均直徑約100μm左右。水分存在于煤粒之間、煤粒表面和煤的孔隙中。如下圖所示。2/7/202359單滴水煤漿結構水煤漿滴失重和溫升曲線

單滴水煤漿的整個燃燒過程分成加熱、水分蒸發、揮發分析出及燃燒、焦碳燃燒及燃盡四個階段。上圖是浙江大學在示差熱天平上對單滴水煤漿的整個燃燒過程所進行的熱重分析結果，AB段是不等溫加熱過程，漿滴溫升很快，當達到點B后，漿滴溫度約為90oC左右。在BC段內漿滴溫度基本保持不變，是漿滴水分等溫蒸發的過程，此時水分的大部分被蒸發析出，到達C點后漿滴的水分已基本蒸發完畢，溫度繼續上升，揮發分開始析出并著火燃燒，顆粒溫度迅速上升，隨著揮發分的析出、燃燒，顆粒達到一定溫度后，焦碳開始燃燒，到達D點時揮發分已基本燃盡，由于焦碳的燃燒使顆粒的溫度超過了爐溫一直維持到F點，此時漿滴已基本燃盡，顆粒溫度緩慢地降低到與爐溫一致。

2/7/202360水煤漿燃燒過程各階段經歷的時間

2/7/2023611、水分對單滴水煤漿燃燒過程的影響

水分對燃燒的影響:由于水分的加熱蒸發既要吸收爐內一定的熱量，又要有一定的時間，漿滴中的揮發分要待大部分水分蒸發后在一定溫度下才能開始析出。因此漿滴中的水分延遲了水煤漿的著火，這一點是水分對水煤漿燃燒的不利因素。此外蒸發過程中發生的漿滴顆粒結團現象對水煤漿的燃燒非常不利，實驗發現，因霧化漿液疑聚結團使煤漿顆粒的最大滴徑比配制煤漿的煤粉粒子大1-2倍，燃燒時間延長了3-7倍。2/7/202362水分對水煤漿燃燒有利的因素表現在：

①水分蒸發后漿滴形成內部多孔結構粒子，減少了各種反應的內部阻力和增加了反應比表面積；②高溫下水分蒸發時發生的爆裂現象形成顆粒表面的大空穴或碎成幾個小塊，增加了反應的比表面積；③在高溫下水蒸汽和炭可進行氣化反應，對炭的燃燒起到了催化反應。2/7/202363單滴水煤漿的水分蒸發計算建立在平衡蒸發的數學模型上,即

2/7/2023642、單滴水煤漿揮發分的析出及燃燒

水煤漿的揮發分析出特性與一般煤粉有相同的特性。不同之處在水煤漿中水分蒸發后形成多孔結構的干煤粒，因此比表面積很大，使揮發分析出的速度比原煤粒大；水煤漿滴在揮發分析出階段會使粒子膨脹直徑增大50%～100%，它不僅使粒子的比表面積增大，而且粒子的孔隙率也隨粒子的膨脹而增加，使炭的燃燒特性得到改善。2/7/202365對單點水煤漿揮發分析出速度可用Arrhenius定率的形式:Vad---水煤漿點中揮發分含量，kg/kg；V-----揮發分析出量，kg/kg。K----頻率因子，1/s；E-----活化能，kJ/mol；T-----水煤漿滴溫度，K；R----氣體常數，其值為8.314kJ/kmol·K；

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3、單滴水煤漿焦炭的燃燒特性單滴水煤漿焦炭的燃燒是焦團燃燒，漿滴焦團燃燒的反應速度可用下式描述:ψ----反應機理因子；

ρO2----氧氣濃度，kg/kg；

CO2----焦炭核心表面氧濃度，kg/m2；

KC-----焦炭燃燒反應的速度常數，1/s；2/7/202367水煤漿滴的著火時間比同種煤粉粒子的著火時間要長，有研究報道φ3mm的八一煤漿滴比煤粉的著火時間長3-4s。同時著火所需要的熱量也比煤粉要高，有試驗表明，煤漿滴的著火熱至少比煤粉的著火熱高出1.5-1.8倍。

2/7/202368二、水煤漿的燃燒組織

水煤漿的燃燒組織必須象液體燃料那樣，由噴嘴將其霧化成霧滴后才能在爐膛里較好地燃燒。為了保證漿滴能夠良好地燃燒，除了要有良好的霧化質量外，還必須進行合理地配風，以使漿滴與空氣強烈混合，及時、充分地著火和燃燒。

2/7/202369（一）、水煤漿霧化噴嘴

1、

水煤漿燃燒對噴嘴的質量性能要求①具有良好的霧化特性；②具有良好的防堵防磨性能；③有合適的霧化角和射程,霧化角要與燃燒器相匹配；2、水煤漿噴嘴的形式

2/7/2023702/7/202371Y型水煤漿噴嘴

Y型水煤漿噴嘴的突出優點是調節比大，一般負荷可以調節到25%，在不控制過?？諝庀禂禃r調節比可達1：20。耗汽量小，約為水煤漿質量的2%左右。霧化壓力都不高，通常水煤漿壓力為0.7～2.1Mpa,汽壓約為1.0Mpa。2/7/202372Y型水煤漿噴嘴的主要尺寸關系如下

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