水煤漿技術的進展探析

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本文作者：高宇龍 單位：中國神華煤制油化工有限公司

國內水煤漿在電站鍋爐、工業鍋爐、工業窯爐中的應用已有很多成功的范例［1－5］。近年來，燃燒用水煤漿技術已被成功移植到氣化水煤漿領域，極大地改善了化工合成企業的生產技術指標，提高了企業的經濟效益。截至2010年底，全國燃燒用水煤漿的燃用量已突破3000萬t，氣化水煤漿用量達到8000萬t以上。隨著以水煤漿氣化為龍頭的煤化工產業的快速發展，氣化水煤漿的應用規模將保持強勁的增長勢頭。過去10a中國水煤漿技術及工業應用已向縱深發展，如擴大難以制漿煤種的應用，實現產業化生產，污泥制漿，燃燒水煤漿技術向氣化領域移植等［6］。

1擴大制漿煤種

隨著水煤漿技術的發展及應用規模的不斷擴大，原有易于成漿的煤種，主要是中等變質程度的煉焦煤，包括焦煤、肥煤，兩者的資源儲量均較低。在制漿前需洗選加工制取洗精煤以降低其灰分，提高了水煤漿熱值，增加了制漿成本。

為了保持煉焦工業的可持續發展，合理利用煉焦煤，降低水煤漿生產成本，必須采用不需要洗選的動力煤制漿。神華集團為了擴大神華煤的利用范圍，委托國家水煤漿工程技術研究中心對神華煤制取高質量分數水煤漿的可行性進行了大量基礎及工業生產的實驗研究。表1～表4分別為煤的工業分析，元素分析，灰成分分析以及灰熔融性、燃點和密度分析。此外，還對神華煤的煤巖顯微組分、煤的表面性質進行了研究［7］。神華煤具有低灰、特低硫、中高發熱量、化學反應活性優良等特點，是優良潔凈的動力用煤品種之一。但神華煤的變質程度較低，其內水含量、O含量和O/C原子比高、可磨性較差，屬于難成漿的煤種。灰組成中CaO和Fe2O3含量偏高，SiO2含量和Al2O3含量偏低，灰熔融性ST低于1250℃。

根據煤炭成漿性模型和評定煤成漿性指標D與煤的內在水分和可磨性指數的最優回歸方程:D=7.5+0.5Mad－0.05HGI，D值越大越難成漿。結合上述各表數據經計算可知神華煤屬于難成漿煤種。通過配煤和煤的改性、專用添加劑研制和制漿工藝調整，使神華煤能夠制出高質量分數水煤漿。通過實驗室研究、半工業實驗和工業性試生產及工業性燃燒實驗，取得了巨大的技術性突破［8］。目前，神華煤制取燃燒用高質量分數水煤漿的生產廠已達5座，總生產能力已近千萬噸。表5為神華煤制備高質量分數水煤漿工藝技術應用情況。

2生物質水煤漿研究及應用

隨著中國城市經濟的發展及人口不斷增長，環境污染愈加嚴重。全國每年廢水排放量約為400多億t，年排放城市污水污泥(干)約為550萬～600萬t。預計污泥排放量將以10%的速度遞增。由于含有一定量的有機質，國內城市污泥利用途徑及所占比例大致為農業利用44.83%、土地填埋31.03%、混合填埋3.45%、焚燒3.45%、綠化3.45%、未處理13.79%。雖然農用比例較高，但由于污泥中含有重金屬，均高于農耕土壤中的含量，如大量和長期使用會影響人類健康。工業廢棄物的排放也對環境造成污染，如造紙黑液，其年排放量約40億t，已成為制約造紙行業發展的嚴重問題。

將城市污泥與造紙黑液作為水煤漿原料既節省了污泥干燥消耗的大量能源和高額黑液處置費用，又降低了水煤漿生產成本。國家水煤漿工程技術研究中心對利用污泥及造紙黑液制取生物質水煤漿作了系統研究。首先為了脫除城市污泥的臭味、改善污泥煤漿的成漿性、增加污泥的配入量，對污泥進行了改性處理。污泥經堿化處理可明顯改善其物化特性，提高其穩定性。經多次篩選，發現利用堿性造紙黑液中含有的木質素作為改善水煤漿的分散劑，可以節省添加劑的用量，最終實現以廢治廢的效果。

經實驗室各種實驗條件的研究、專用添加劑的制備、污泥煤漿工業放大生產實驗和污泥煤漿燃燒實驗［9］發現:

(1)實驗室研究以兗州煤為原料加入20%改性污泥制得質量分數為64.4%、表觀黏度1200mPa•s、發熱量大于16747.2kJ/kg、平均粒徑為50μm的污泥水煤漿。

(2)采用分級研磨制漿工藝，在工業生產條件下驗證了實驗室的研究結果。

(3)制漿成本核算表明:污泥煤漿可100%節約用水;節約添加劑成本40%～50%;制漿成本降低21.88%。此外節省了城市污泥和造紙黑液的環境治理費用。

(4)污泥煤漿在工業鍋爐中燃燒實驗結果表明:鍋爐負荷可在45%～100%下連續調節，燃燒效率98.66%。

3氣化水煤漿領域推廣燃燒用水煤漿生產技術

由于原德士古氣化水煤漿制漿技術難以適應中國的煤質特性，在提高水煤漿質量分數方面有困難，尤其是低變質煤種制氣化水煤漿，目前德士古制漿技術很難達到60%以上的質量分數，從而影響了氣化技術指標和經濟指標。國家水煤漿工程技術研究中心對兗礦魯南化肥廠制漿工藝特點進行了技術分析，并結合其擁有的國家專利和低質煤制漿經驗，對其原有的水煤漿制漿工藝進行了技術改造，實現了提濃的預期目標［10］。

魯南化肥廠年產80萬t尿素、20萬t甲醇，以神木煤為制漿原料，日處理煤量2000t，采用棒磨制漿工藝。圖1為魯南化肥廠棒磨制漿工藝。由表7可以看出，原魯南水煤漿粒度級配不合理、平均粒度偏大，從而影響成漿質量分數。

根據低階煤成漿特性和堆積效率理論，采用國家水煤漿工程技術研究中心的分級研磨級配制漿工藝專利技術。圖2為分級研磨級配制漿工藝。表8為魯南化肥廠制漿工藝改造后實際生產運行結果與原有工藝對比。由表8可見，分級研磨級配制漿工藝的水煤漿質量分數在煤種、添加劑及用量相同條件下，制漿質量分數可提高3%～5%，系統產能提高30%以上。按水煤漿質量分數提高3%計算，每生產1000m3(CO+H2)比煤耗降低30kg煤炭，比氧耗降低30m3，極大地改善了水煤漿氣化的各項經濟技術指標。

4結論

近10a來，水煤漿技術在中國已取得了巨大進展。分級研磨制漿工藝已推廣至多家單位應用，經濟與社會效益十分顯著，僅2009—2010年共生產代油水煤漿150萬t，實現代油62萬t;代煤燃燒水煤漿256萬t，節煤38萬t。兗礦魯化、山西豐喜等四家煤化工企業的水煤漿氣化改造項目已完成和投產，按水煤漿質量分數提高3%，年節煤9萬t，節氧9000萬m3，直接經濟效益1.03億元/a。

由于成功開發低階煤制漿工藝和投入商業運營，填補了低階煤制高質量水煤漿在國際和國內的技術空白，促進了國內煤炭資源合理利用。同時，對產業轉型、節能減排的實施具有重要的推動作用。