本发明涉及煤化工技术领域，涉及一种水煤浆及其制备方法。
背景技术：
水煤浆是一种新型煤基流体燃料，是国家的高新技术产品和重点环保推广产品。它是由一定比例的煤、水、化学添加剂混合加工而成，具有浓度高、粒度细、流变性好，燃烧效率高，负荷调节范围大，环保节能、安全高效等优点。是目前我国一项现实的洁净煤技术。
水煤浆是20世纪70年代末世界石油危机以后开发出来的煤炭新产品，是一种可以代替重油和煤的新型洁净燃料。水煤浆在各种工业应用中，燃烧效率达到99％以上，是燃烧散煤的一倍，接近或达到燃油水平；一般两吨水煤浆可代替一吨重油，可在工业锅炉、电站锅炉和工业窑炉等代油或煤、气燃用。由于水煤浆采用洗选加工后的精煤制备，灰分含量小于7％，硫分含量小于0.5％，因此燃用水煤浆环境质量优于燃重油。2003年2月，北京环保监测中心对我矿水煤浆燃烧情况的监测证明：除尘以后的烟尘排放浓度为39mg/m3，so2排放浓度为58mg/m3，由于水煤浆燃烧时火焰中心温度比燃油和燃煤粉低150～200℃，能有效抑制nox的生成，因此nox的排放要低于燃油和燃煤粉。水煤浆在储存、运输过程中也不污染环境，在储、运过程中不易燃、不易爆，安全可靠。
cn101173765b公开了一种利用低阶煤制备高浓度水煤浆的方法，所述方法通过超细破碎、破碎后的煤粒与水按6～8:4～2的质量比例混合、湿式粗研磨、湿式细研磨、过滤、高速搅拌、静置，或者低速搅拌后得到高浓度水煤浆产品。
cn105154154a公开了一种超细水煤浆的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)将煤原料破碎至13mm以下，得到第一浆料；(2)将第一浆料与水按质量比5～85：15～95混合，得到第二浆料；(3)将第二浆料湿法整形细磨得到第三浆料，所述第三浆料粒径小于1mm，小于45μm物料占到总物料的80％以上；(4)将第三浆料筛网除杂，除去杂物后即为超细水煤浆。
但是，上述的水煤浆浓度和堆积效率还有待进一步提高，以更好地用于燃料水煤浆和气化水煤浆。
技术实现要素：
鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种新型的高浓度水煤浆制备方法，所述方法能够有效提高水煤浆的浓度和堆积效率，并且得到的水煤浆粒度分布均匀，气化效率高，能耗低，可用作燃料水煤浆或气化水煤浆。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种水煤浆的制备方法包括如下步骤：
(1)将原料煤破碎，得到煤粉；将部分煤粉与添加剂和水混合，得到第一浆料，将剩余的煤粉与添加剂和水混合，得到第二浆料；
(2)将第二浆料整形细磨，得到第三浆料，将第一浆料与部分第三浆料混合进行整形粗磨得到第四浆料；
(3)将第四浆料与剩余的第三浆料混合进行高剪切，得到第五浆料；
(4)第五浆料输出得到水煤浆。
本发明所述制备方法中，原煤破碎后双向进料可以在实际生产中控制进料的时间；分别整形粗磨和整形细磨可以有效地控制煤的粒度，整形细磨后返回整形粗磨混合，使其更加有效地节省空间，有效的填充堆积空间。
本发明步骤(1)所述煤粉的粒径优选小于5mm，例如0.1mm、0.2mm、0.5mm、0.8mm、1mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm或4.9mm等，优选1～4mm。
本发明制备第一浆料时所述部分煤粉、水与添加剂的质量比优选为(70～90):(10～30):(0.1～1)，例如70:10:0.1、70:30:1、80:20:0.5、85:15:0.6、90:10:0.1或90:30:1等，优选(75～85):(15～25):(0.3～0.8)。
优选地，步骤(1)制备第二浆料时所述剩余的煤粉、水与添加剂的质量比为(70～90):(10～30):(0.1～0.5)，例如70:10:0.1、70:30:0.5、80:20:0.3、85:15:0.4、90:10:0.2或90:30:0.5等，优选(75～85):(15～25):(0.1～0.3)。
优选地，步骤(1)所述添加剂选自木质素磺酸盐、腐植酸盐和萘磺酸甲醛缩合物中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合为：木质素磺酸盐与腐植酸盐的组合，腐植酸盐与萘磺酸甲醛缩合物的组合，木质素磺酸盐与萘磺酸甲醛缩合物的组合，木质素磺酸盐、腐植酸盐与萘磺酸甲醛缩合物的组合。
本发明步骤(2)所述部分煤粉优选占所述煤粉总质量的60～99％，例如60％、62％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、98％或99％等，优选65～99％。本发明通过选择进行细磨和粗磨的煤粉比例达到合适的粒度级配，使得细颗粒充分填充粗颗粒之间的空隙，提高堆积效率。
优选地，步骤(2)所述部分第三浆料占所述第三浆料总质量的5～40％，例如5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、38％、39％或40％等，优选5～30％。
本发明步骤(2)所述第三浆料的粒径优选为5～20μm，例如5μm、8μm、10μm、12μm、15μm、18μm或20μm等，优选8～20μm。
优选地，步骤(2)所述第四浆料的粒径为35～90μm，例如35μm、38μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm或90μm等，优选40～85μm。细磨产品和粗磨产品的粒径之间存在协同作用，最终使得颗粒紧密堆积，可形成稳定的水煤浆产品。
本发明步骤(3)所述高剪切的速率优选为80～150r/min，例如80r/min、85r/min、90r/min、95r/min、100r/min、105r/min、110r/min、115r/min、120r/min、125r/min、130r/min、135r/min、140r/min、145r/min或150r/min等，优选80～130r/min。
优选地，本发明步骤(3)所述第五浆料的5～40wt％返回步骤(2)进行整形细磨。进一步增高堆积效率，优化粒度级配效果。
作为本发明优选的技术方案，所述方法包括如下步骤：
(1)将原料煤破碎，得到粒径小于5mm的煤粉，将60～99wt％的煤粉与水和添加剂按照质量比为(70～90):(10～30):(0.1～1)混合，得到第一浆料；将剩余的煤粉与添加剂和水按照质量比为(70～90):(10～30):(0.1～0.5)混合，得到第二浆料；所述添加剂选自木质素磺酸盐、腐植酸盐和萘磺酸甲醛缩合物中的任意一种或至少两种的组合；
(2)将第二浆料整形细磨，得到第三浆料，粒径为5～20μm，将第一浆料与5～40wt％的第三浆料混合进行整形粗磨得到第四浆料，粒径为35～90μm；
(3)将第四浆料与剩余的第三浆料混合，以80～150r/min的速率进行高剪切，得到第五浆料；5～40wt％的第五浆料返回步骤(2)进行整形细磨；
(4)剩余的第五浆料输出得到水煤浆。
本发明步骤(4)所述水煤浆的浓度优选大于62.2wt％，62.5wt％、62.8wt％、63wt％、63.5wt％、64wt％、64.5wt％、65wt％、65.5wt％、66wt％、66.5wt％、67wt％、68wt％、69wt％、70wt％、71wt％、72wt％、73wt％、74wt％、75wt％或76wt％等。
优选地，步骤(4)所述水煤浆的平均粒径为30～80μm，例如30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm或80μm等，优选30～70μm。
第二方面，本发明提供了如第一方面所述制备方法制备的水煤浆。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供的水煤浆制备方法采用原煤破碎后双向进料，分别整形粗磨、整形细磨与高剪切相协同，所得水煤浆平均粒径为30～80μm且粒度级配合理，能够有效地填充空隙，提高堆积效率，成浆浓度可达62.2wt％以上，并有效地降低了制浆的能耗；
(2)其整形细磨后的浆料部分返回整形粗磨剩余直接高剪切的过程具有效率高、粒度方便控制、设备体积小及能耗低的特点，可显著降低水煤浆的生产成本；
(3)本发明提供的水煤浆制备方法为连续式生产工艺，满足制备燃料水煤浆和气化水煤浆的连续、稳定、低耗的生产要求。
附图说明
图1是本发明水煤浆制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例中所用神府煤为陕西地区一种常见低阶煤，含有分析水5.9％，全水12.8％，灰分19.9％。陕西榆林煤为陕西地区一种常见低阶煤，含有分析水6.3％，全水10.9％，灰分12.9％。
实施例1
一种水煤浆，其通过如下步骤制备：
1)将神府煤破碎，得到粒径小于5mm的煤粉，将60wt％的煤粉与水和萘磺酸甲醛缩合物按照质量比为70:30:0.1混合，得到第一浆料；将剩余的煤粉与萘磺酸甲醛缩合物和水按照质量比为90:10:0.5混合，得到第二浆料；
2)将第二浆料整形细磨，得到第三浆料，粒径为16～20μm，将第一浆料与5wt％的第三浆料混合进行整形粗磨得到第四浆料，粒径为75～90μm；
3)将第四浆料与剩余的第三浆料混合，以80r/min的速率进行高剪切，得到第五浆料；
4)第五浆料输出得到水煤浆。
工艺稳定后得到的水煤浆的浓度为63.2wt％，平均粒径为40μm，30～80μm物料占总物料的75％以上，粘度为1089mpa·s，稳定性良好，静置48小时后析水率为3％。
实施例2
一种水煤浆，其通过如下步骤制备：
1)将陕西榆林煤破碎，得到粒径小于5mm的煤粉，将99wt％的煤粉与水和腐植酸盐按照质量比为90:10:1混合，得到第一浆料；将剩余的煤粉与萘磺酸甲醛缩合物和水按照质量比为70:30:1混合，得到第二浆料；
2)将第二浆料整形细磨，得到第三浆料，粒径为5～10μm，将第一浆料与40wt％的第三浆料混合进行整形粗磨得到第四浆料，粒径为35～50μm；
3)将第四浆料与剩余的第三浆料混合，以150r/min的速率进行高剪切，得到第五浆料；5wt％的第五浆料返回步骤2)进行整形细磨；
4)剩余的第五浆料输出得到水煤浆。
工艺稳定后得到的水煤浆的浓度为62.9wt％，平均粒径为40μm，30～80μm物料占总物料的75％以上，粘度为1120mpa·s，稳定性良好，静置48小时后析水率为3％。
实施例3
一种水煤浆，其通过如下步骤制备：
1)将神府煤破碎，得到粒径小于5mm的煤粉，将60wt％的煤粉与水和木质素磺酸盐按照质量比为75:25:0.5混合，得到第一浆料；将剩余的煤粉与木质素磺酸盐和水按照质量比为70:30:0.5混合，得到第二浆料；
2)将第二浆料整形细磨，得到第三浆料，粒径为10～15μm，将第一浆料与30wt％的第三浆料混合进行整形粗磨得到第四浆料，粒径为50～60μm；
3)将第四浆料与剩余的第三浆料混合，以100r/min的速率进行高剪切，得到第五浆料；40wt％的第五浆料返回步骤2)进行整形细磨；
4)剩余的第五浆料输出得到水煤浆。
工艺稳定后得到的水煤浆的浓度为63.9wt％，平均粒径为40μm，30～80μm物料占总物料的75％以上，粘度为1021mpa·s，稳定性良好，静置48小时后析水率为3％。
实施例4
一种水煤浆，其通过如下步骤制备：
1)将陕西榆林煤破碎，得到粒径小于5mm的煤粉，将80wt％的煤粉与水和腐植酸盐按照质量比为80:20:0.3混合，得到第一浆料；将剩余的煤粉与腐植酸盐和水按照质量比为75:25:0.3混合，得到第二浆料；
2)将第二浆料整形细磨，得到第三浆料，粒径为13～18μm，将第一浆料与20wt％的第三浆料混合进行整形粗磨得到第四浆料，粒径为60～70μm；
3)将第四浆料与剩余的第三浆料混合，以120r/min的速率进行高剪切，得到第五浆料；5wt％的第五浆料返回步骤2)进行整形细磨；
4)剩余的第五浆料输出得到水煤浆。
工艺稳定后得到的水煤浆的浓度为69.2wt％，平均粒径为70μm，30～80μm物料占总物料的75％以上，粘度为1009mpa·s，稳定性良好，静置48小时后析水率为3％。
实施例5
一种水煤浆，其通过如下步骤制备：
1)将神府煤破碎，得到粒径小于5mm的煤粉，将90wt％的煤粉与水和腐植酸盐按照质量比为80:20:0.5混合，得到第一浆料；将剩余的煤粉与腐植酸盐和水按照质量比为82:28:0.3混合，得到第二浆料；
2)将第二浆料整形细磨，得到第三浆料，粒径为13～16μm，将第一浆料与25wt％的第三浆料混合进行整形粗磨得到第四浆料，粒径为60～65μm；
3)将第四浆料与剩余的第三浆料混合，以120r/min的速率进行高剪切，得到第五浆料；20wt％的第五浆料返回步骤2)进行整形细磨；
4)剩余的第五浆料输出得到水煤浆。
工艺稳定后得到的水煤浆的浓度为75wt％，平均粒径为66μm，30～80μm物料占总物料的75％以上，粘度为1108mpa·s，稳定性良好，静置48小时后析水率为3％。
对比例1
与实施例3的区别仅在于：第一浆料全部进行整形粗磨，而省去整形细磨。具体为：
1)将神府煤破碎，得到粒径小于5mm的煤粉，与水和木质素磺酸盐按照质量比为75:25:0.5混合，得到第一浆料；
2)将第一浆料整形粗磨得到第三浆料，粒径为50～60μm；
3)将第三浆料以100r/min的速率进行高剪切，得到第四浆料；
4)第四浆料输出得到水煤浆。
工艺稳定后得到的水煤浆的浓度为62.8wt％，平均粒径为85μm，30～80μm物料占总物料的35％以上，粘度为1198mpa·s，稳定性差，静置48小时后析水率大于5％。
对比例2
与实施例3的区别仅在于：第一浆料全部进行整形细磨，而省去整形粗磨。具体为：
1)将神府煤破碎，得到粒径小于5mm的煤粉，与水和木质素磺酸盐按照质量比为75:25:0.5混合，得到第一浆料；
2)将第一浆料整形细磨得到第三浆料，粒径为10～15μm，；
3)将第三浆料以100r/min的速率进行高剪切，得到第四浆料；
4)第四浆料输出得到水煤浆。
工艺稳定后得到的水煤浆的浓度为63.5wt％，平均粒径为50μm，30～80μm物料占总物料的72％以上，粘度为1002mpa·s，稳定性一般，静置48小时析水率大于5％。
对比例3
与实施例3的区别仅在于：第二浆料全部进行整形粗磨而不进行高剪切。具体为：
1)将神府煤破碎，得到粒径小于5mm的煤粉，与水和木质素磺酸盐按照质量比为75:25:0.5混合，得到第一浆料；
2)将40wt％的第一浆料整形细磨，得到第二浆料，粒径为10～15μm，将第二浆料与剩余的第一浆料混合进行整形粗磨得到第三浆料，粒径为50～60μm；
3)将第三浆料以100r/min的速率进行高剪切，得到第四浆料；40wt％的第四浆料返回步骤2)进行整形细磨；
4)剩余的第四浆料输出得到水煤浆。
工艺稳定后得到的水煤浆的浓度为63.7wt％，平均粒径为75μm，30～80μm物料占总物料的70％以上，粘度为1028mpa·s，稳定性一般，静置48小时后析水率大于3％。
对比例4
与实施例3的区别仅在于：第二浆料全部进行高剪切而不进行整形粗磨。具体为：
1)将神府煤破碎，得到粒径小于5mm的煤粉，与水和木质素磺酸盐按照质量比为75:25:0.5混合，得到第一浆料；
2)将40wt％的第一浆料整形细磨，得到第二浆料，粒径为10～15μm，将剩余的第一浆料混合进行整形粗磨得到第三浆料，粒径为50～60μm；
3)将第三浆料与第二浆料混合，以100r/min的速率进行高剪切，得到第四浆料；40wt％的第四浆料返回步骤2)进行整形细磨；
4)剩余的第四浆料输出得到水煤浆。
工艺稳定后得到的水煤浆的浓度为64.1wt％，平均粒径为76μm，30～80μm物料占总物料的74％以上，粘度为1089mpa·s，静置48小时后析水率大于5％。
对比例5
cn106147897a中的实施例5。
工艺稳定后得到的水煤浆的浓度为70wt％，粘度为1158mpa·s，稳定性良好，静置48小时后析水率为8.6％。
对照实施例3和对比例1～4的结果可知，本发明原煤破碎分别整形粗磨、整形细磨与高剪切三步之间存在互相协同的作用，互相配合将浆料得到粒度级配合理、能够有效地填充空隙、提高堆积效率同时高浓度的水煤浆，省略任一步都会显著降低堆积效率和水煤浆浓度。
相较于对比例5的工艺，实施例5增加了：将部分未经剪切的原煤粉进行了细磨，采用双向进料分别进行粗磨和细磨，可以控制进料时间和进料量，对照实施例5与对比例5的结果可知，此工艺上的改进取得了预料不到的技术效果，得到稳定性和浓度更高的水煤浆，说明本发明的工艺较现有技术的堆积效率大幅提高。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。