水煤浆技术的进展探析

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本文作者：高宇龙 单位：中国神华煤制油化工有限公司

国内水煤浆在电站锅炉、工业锅炉、工业窑炉中的应用已有很多成功的范例［1－5］。近年来，燃烧用水煤浆技术已被成功移植到气化水煤浆领域，极大地改善了化工合成企业的生产技术指标，提高了企业的经济效益。截至2010年底，全国燃烧用水煤浆的燃用量已突破3000万t，气化水煤浆用量达到8000万t以上。随着以水煤浆气化为龙头的煤化工产业的快速发展，气化水煤浆的应用规模将保持强劲的增长势头。过去10a中国水煤浆技术及工业应用已向纵深发展，如扩大难以制浆煤种的应用，实现产业化生产，污泥制浆，燃烧水煤浆技术向气化领域移植等［6］。

1扩大制浆煤种

随着水煤浆技术的发展及应用规模的不断扩大，原有易于成浆的煤种，主要是中等变质程度的炼焦煤，包括焦煤、肥煤，两者的资源储量均较低。在制浆前需洗选加工制取洗精煤以降低其灰分，提高了水煤浆热值，增加了制浆成本。

为了保持炼焦工业的可持续发展，合理利用炼焦煤，降低水煤浆生产成本，必须采用不需要洗选的动力煤制浆。神华集团为了扩大神华煤的利用范围，委托国家水煤浆工程技术研究中心对神华煤制取高质量分数水煤浆的可行性进行了大量基础及工业生产的实验研究。表1～表4分别为煤的工业分析，元素分析，灰成分分析以及灰熔融性、燃点和密度分析。此外，还对神华煤的煤岩显微组分、煤的表面性质进行了研究［7］。神华煤具有低灰、特低硫、中高发热量、化学反应活性优良等特点，是优良洁净的动力用煤品种之一。但神华煤的变质程度较低，其内水含量、O含量和O/C原子比高、可磨性较差，属于难成浆的煤种。灰组成中CaO和Fe2O3含量偏高，SiO2含量和Al2O3含量偏低，灰熔融性ST低于1250℃。

根据煤炭成浆性模型和评定煤成浆性指标D与煤的内在水分和可磨性指数的最优回归方程:D=7.5+0.5Mad－0.05HGI，D值越大越难成浆。结合上述各表数据经计算可知神华煤属于难成浆煤种。通过配煤和煤的改性、专用添加剂研制和制浆工艺调整，使神华煤能够制出高质量分数水煤浆。通过实验室研究、半工业实验和工业性试生产及工业性燃烧实验，取得了巨大的技术性突破［8］。目前，神华煤制取燃烧用高质量分数水煤浆的生产厂已达5座，总生产能力已近千万吨。表5为神华煤制备高质量分数水煤浆工艺技术应用情况。

2生物质水煤浆研究及应用

随着中国城市经济的发展及人口不断增长，环境污染愈加严重。全国每年废水排放量约为400多亿t，年排放城市污水污泥(干)约为550万～600万t。预计污泥排放量将以10%的速度递增。由于含有一定量的有机质，国内城市污泥利用途径及所占比例大致为农业利用44.83%、土地填埋31.03%、混合填埋3.45%、焚烧3.45%、绿化3.45%、未处理13.79%。虽然农用比例较高，但由于污泥中含有重金属，均高于农耕土壤中的含量，如大量和长期使用会影响人类健康。工业废弃物的排放也对环境造成污染，如造纸黑液，其年排放量约40亿t，已成为制约造纸行业发展的严重问题。

将城市污泥与造纸黑液作为水煤浆原料既节省了污泥干燥消耗的大量能源和高额黑液处置费用，又降低了水煤浆生产成本。国家水煤浆工程技术研究中心对利用污泥及造纸黑液制取生物质水煤浆作了系统研究。首先为了脱除城市污泥的臭味、改善污泥煤浆的成浆性、增加污泥的配入量，对污泥进行了改性处理。污泥经碱化处理可明显改善其物化特性，提高其稳定性。经多次筛选，发现利用碱性造纸黑液中含有的木质素作为改善水煤浆的分散剂，可以节省添加剂的用量，最终实现以废治废的效果。

经实验室各种实验条件的研究、专用添加剂的制备、污泥煤浆工业放大生产实验和污泥煤浆燃烧实验［9］发现:

(1)实验室研究以兖州煤为原料加入20%改性污泥制得质量分数为64.4%、表观黏度1200mPa•s、发热量大于16747.2kJ/kg、平均粒径为50μm的污泥水煤浆。

(2)采用分级研磨制浆工艺，在工业生产条件下验证了实验室的研究结果。

(3)制浆成本核算表明:污泥煤浆可100%节约用水;节约添加剂成本40%～50%;制浆成本降低21.88%。此外节省了城市污泥和造纸黑液的环境治理费用。

(4)污泥煤浆在工业锅炉中燃烧实验结果表明:锅炉负荷可在45%～100%下连续调节，燃烧效率98.66%。

3气化水煤浆领域推广燃烧用水煤浆生产技术

由于原德士古气化水煤浆制浆技术难以适应中国的煤质特性，在提高水煤浆质量分数方面有困难，尤其是低变质煤种制气化水煤浆，目前德士古制浆技术很难达到60%以上的质量分数，从而影响了气化技术指标和经济指标。国家水煤浆工程技术研究中心对兖矿鲁南化肥厂制浆工艺特点进行了技术分析，并结合其拥有的国家专利和低质煤制浆经验，对其原有的水煤浆制浆工艺进行了技术改造，实现了提浓的预期目标［10］。

鲁南化肥厂年产80万t尿素、20万t甲醇，以神木煤为制浆原料，日处理煤量2000t，采用棒磨制浆工艺。图1为鲁南化肥厂棒磨制浆工艺。由表7可以看出，原鲁南水煤浆粒度级配不合理、平均粒度偏大，从而影响成浆质量分数。

根据低阶煤成浆特性和堆积效率理论，采用国家水煤浆工程技术研究中心的分级研磨级配制浆工艺专利技术。图2为分级研磨级配制浆工艺。表8为鲁南化肥厂制浆工艺改造后实际生产运行结果与原有工艺对比。由表8可见，分级研磨级配制浆工艺的水煤浆质量分数在煤种、添加剂及用量相同条件下，制浆质量分数可提高3%～5%，系统产能提高30%以上。按水煤浆质量分数提高3%计算，每生产1000m3(CO+H2)比煤耗降低30kg煤炭，比氧耗降低30m3，极大地改善了水煤浆气化的各项经济技术指标。

4结论

近10a来，水煤浆技术在中国已取得了巨大进展。分级研磨制浆工艺已推广至多家单位应用，经济与社会效益十分显著，仅2009—2010年共生产代油水煤浆150万t，实现代油62万t;代煤燃烧水煤浆256万t，节煤38万t。兖矿鲁化、山西丰喜等四家煤化工企业的水煤浆气化改造项目已完成和投产，按水煤浆质量分数提高3%，年节煤9万t，节氧9000万m3，直接经济效益1.03亿元/a。

由于成功开发低阶煤制浆工艺和投入商业运营，填补了低阶煤制高质量水煤浆在国际和国内的技术空白，促进了国内煤炭资源合理利用。同时，对产业转型、节能减排的实施具有重要的推动作用。