浅谈水煤浆浓度问题

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：
（%）………………（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
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 µm 以下不少于 75%。
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
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：
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
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
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
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。
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。
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。
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
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）
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水煤浆浓度的影响因素
Biblioteka Baidu
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