低阶煤制浆技术的国内外发展现状及趋势

低阶煤制浆技术的国内外发展现状及趋势煤炭是我国的基础能源，在未来相当长的时期内以其为主的能源结构难以改变，但是煤炭的简单利用也导致了全国各地严重的环境污染和恶化。作为洁净煤技术之一的水煤浆技术，我国自20世纪80年代初对其进行研究开发，经过30余年不断地科技攻关和生产实践，迄今已达到国际先进水平，生产与应用规模均居世界第1[1]。水煤浆作为燃料在电站锅炉、工业锅炉、工业窑炉上已经得到成功应用，作为气化原料的水煤浆在化工生产企业也创造了很大的经济效益，可以说，我国的水煤浆技术己进入工业推广应用阶段。据不完全统计，截至2011年底，全国各类制浆厂（燃料用）的水煤浆生产和使用量已超过3000万t/a；气化水煤浆的使用量也突破5000万t/a，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相当强劲的增长势头。然而，随着社会对环保要求的不断提高，水煤浆技术必须在现有的基础上不断创新并取得突破，使其能适应当今社会对经济效益与环境保护的要求。为此，水煤浆行业科研人员近年来不断进行技术探索与创新，使水煤浆技术有了长足的发展。中国拥有丰富的褐煤资源，已探明褐煤储量达1300多亿t，占全国煤炭储量的13%左右。中国的褐煤资源主要分布在华北地区，约占全国褐煤地质储量的77.8%以上[2]，其中以内蒙古东部地区赋存最多。其次为西南地区，约占全国褐煤储量的12.5%，其中大部分分布在云南境内。由于褐煤水分高、热值低、活性强、长距离输送经济性差，目前应用受到一定的限制［3］。水煤浆作燃料或气化原料是适合中国国情的洁净煤技术，但在产业化发展的过程中存在制浆煤种局限、水煤浆价格偏高等问题。国内目前已建成的水煤浆厂大多利用成浆性和燃烧性能好的中等挥发分的气煤、1/3焦煤(山东兖州煤和枣庄煤)等煤种制浆。这类煤种既是中国短缺煤种，也是炼焦用煤的优质煤种。采用这类煤制浆，不仅造成煤炭资源的不合理利用，加剧了优质炼焦煤的供应紧张，也提高了制浆成本，降低了水煤浆产品的市场竞争力。因此必须结合中国煤炭资源分布及储量情况，拓宽制浆用煤品种和水煤浆用户。据不完全统计，截至到2011年底，中国燃烧浆的设计生产能力已达到3000万t/a左右，生产和使用量达2000万t/a以上，气化水煤浆设计生产能力达到5000万t/a，生产和使用量超过3000万t/a。随着水煤浆应用规模的不断扩大，价廉量大的褐煤已成为制浆煤种的必然选择[4]。1褐煤水煤浆技术的研究现状1.1国外研究现状目前，澳大利亚、美国、日本等国对褐煤进行了研究，研究焦点主要集中在如何制备水煤浆及燃烧其混合物代替某些能源燃料上，而国外褐煤水煤浆技术还都处在试验研究阶段。澳大利亚壳牌石油公司用Fieissner脱水工艺对韦克菲尔德褐煤进行技术处理，发现煤发热量能达到30MJ/kg，且一些含O，Na等元素的非煤成分去除率可达50%。澳大利亚斯温堡技术研究所对维多利亚褐煤进行了处理，结合干燥和增稠技术，制得了质量分数为60%的褐煤浆。美国北达科他州研究中心根据褐煤特性，研究出一种HWD工艺(热水干燥工艺)，将褐煤在高压容器中利用高压水加工提质，干燥后的成品用作制浆原料，最终在中试装置上制得质量分数为60%的水煤浆。20世纪末，YoshikiSato等［5］研究发现:在2MPa粗氮，380～440℃下，将Buckskin褐煤提质，并用非质子溶剂———萘烷进行改性，得到的产物中CO2含量达97%，且提质后的煤样发热量从19.3MJ/kg增加到了31.0MJ/kg，使其更适合运输及长期储存。此外，GeorgeFavas等［6－7］对维多利亚的低灰LoyYang褐煤进行了处理。即以热液方法脱除煤中水分，研究了煤质和处理条件等对制浆的影响，经处理制得水煤浆质量分数可达64%。Atesok等［8］研究了土耳其褐煤煤质对成浆的影响，用这种煤样制出质量分数为58%的水煤浆，发现低阶煤在制浆过程中必须加入一定量的分散剂，同时观察到土耳其褐煤由于内部孔隙结构的影响，在同样浓度的煤浆中自由水大大减少，且煤浆的流动性变差，黏度大大增加。1.2国内研究现状制浆用原料煤、添加剂的合理选择及制浆工艺的确定是水煤浆制备技术的3大要素，也是实现用较低成本生产优质水煤浆产品的基本条件。经过30余年的发展，我国水煤浆制备技术有了很大的进步。1.2.1扩大了制浆用原料范围，开发了水煤浆新品种[9]煤是制备水煤浆的主体，制浆用煤的选择直接影响水煤浆产品的质量与成本。然而，我国水煤浆技术在向产业化方向发展的过程中存在着煤种局限、水煤浆价格偏高等问题。国内现在已建成的水煤浆厂大多利用成浆性和燃烧性能好的中等挥发分的气煤、1/3焦煤（如山东兖州和枣庄煤）等煤种制浆，这类煤种既是我国煤炭资源中的短缺煤种，也是炼焦用煤的优质煤种。采用这类煤制浆，一方面造成煤炭资源的严重不合理利用，加剧了优质炼焦煤的供应紧张，另一方面也加大了制浆生产成本，严重影响水煤浆产品的市场竞争能力。因此，要大力发展水煤浆产业，必须结合我国的煤炭资源分布及储量情况，拓宽制浆用煤品种和水煤浆使用群体，进一步满足水煤浆产业的发展需求。我国低阶煤（褐煤、长焰煤、不粘煤、弱粘煤）储量丰富，占中国已探明煤炭储量的50%以上。尽管低阶煤由于自身煤质特征使其利用受到限制，然而价格低廉是其制备水煤浆的有利因素。利用廉价的低阶煤制备水煤浆符合我国情，对低阶煤的合理有效利用、减轻环境污染、实现拓宽制浆用煤种、降低制浆成本均有重要意义。因此，开发低阶煤制浆技术是今后水煤浆发展的主要方向。近年来，我国在低阶煤的制浆技术方面做了大量的研发工作。如国家水煤浆工程技术中心开发的神华低阶煤制备高浓度水煤浆技术已经取得突破性的进展，在广东、福建等沿海城市建起了神华煤制高浓度环保水煤浆的大型生产线，取得了良好的经济效益和社会效益。同时一些变质程度较高的煤种如贫煤、贫瘦煤等具有热值高、成浆性好、价格较为便宜等特点，可以用作制浆用煤。这类煤由于挥发分低，活性差，难于着火与燃烬，随着水煤浆燃烧技术的不断发展，这一问题有望得到很好的解决，届时以这类煤种制备的水煤浆将在我国中部、西南部地区得到广泛应用。此外，工业排出的废弃物如废水、废渣、污水、污泥等均具有一定的热值，也可以适量与煤配合制备水煤浆。利用这些废弃物，既可以代替部分制浆用煤，节约煤炭资源和降低制浆成本，也可以减少废弃物对环境造成的污染。近年来，以上述煤种或工业排出的废弃物为原料开发出很多新的水煤浆品种，如以神华低阶煤为原料制备的环保型水煤浆，以低挥发分贫煤、贫瘦煤、石油焦为原料制备的低挥发分（石油焦）煤浆，以褐煤为原料制备的气化用煤浆，以造纸黑液、污泥、工业废水为配用原料制备的生物质煤浆等。目前，这些水煤浆品种生产量逐年扩大，并在市场上得到越来越多的用户认可。1.2.2开发了高效节能制浆新工艺及专用设备[10]（1）开发了高效节能制浆新工艺[11]目前开发的水煤浆制备工艺主要有干法制浆工艺、湿法制浆工艺、干湿法联合制浆工艺等，其中应用最多的为湿法制浆工艺。根据磨矿浓度的不同，湿法制浆工艺又分为高浓度制浆工艺、中浓度制浆工艺和中高浓度制浆工艺等。目前国内制浆企业采用的制浆工艺均以磨机高浓度磨矿制浆工艺为主，该工艺流程简单，适宜我国煤炭资源短缺的易成浆煤种，但磨机耗电量大，制浆成本高。因此，必须开发高效节能的制浆新工艺与专用设备，以满足降低制浆成本的需求，这已经成为近年来水煤浆技术发展的主攻方向。制备高浓度水煤浆要依据制浆原料煤性质及成浆难易程度，使煤浆达到最佳粒度分布（级配）。为此，近年来水煤浆研发人员研发出“多破少磨、分级研磨”、“强化超细磨，优化级配”等新的制浆工艺。国家水煤浆工程技术研究中心针对低阶煤的内水高、可磨性差、含氧官能团多等煤质特性，开发出了适用于低阶煤种的高效节能制浆新工艺。该工艺的流程简图如图1所示。新工艺的创新在于优化了磨矿级配，重点突出了“多破少磨”和“分级研磨”。大幅度降低磨机的入料粒度能有效减少磨矿能耗，分级研磨的方法可以充分发挥不同设备在不同粒径范围的节能优势，从而实现高效节能的目的。同时，选择粗磨与超细磨相结合，可使二者优势互补，达到最佳粒度级配，从而使低阶煤制备的水煤浆有较高的浓度。通过生产应用证明，采用高效节能新工艺可使神华低阶煤的成浆浓度提高至65%左右，粘度≤1200mPa·s，完全可以满足锅炉燃烧的需要。针对贫煤、贫瘦煤等煤种开发的超细水煤浆节能新工艺，在进一步改善粒度级配，提高成浆浓度的同时，降低了水煤浆的平均粒径，增强了煤粒的燃烧性能，提高了难燃煤种的燃烬率，为此类低挥发分煤浆的燃烧起到很好的促进作用。目前高效节能新工艺已经在燃料浆用户和气化浆用户得到广泛应用，在广东东莞、汕头，浙江杭州，福建石狮和江苏丹阳等多家燃料浆生产企业，设计总规模达350万t/a，已累计完成300万t/a气化水煤浆提浓技术改造。（2）开发了高效节能制浆新工艺所需专用设备[12]任何制浆工艺都必须通过破碎和磨矿工序来实现，而破碎和磨矿是能耗最高的环节，其设备动力能耗占整个制浆流程的70%以上。因此，采用低能耗、高效率的破磨设备并使煤炭粒度分布具有较高的堆积效率是制备高浓度水煤浆、减少磨矿功耗及降低水煤浆制备成本的关键。近年来，我国水煤浆科技人员开发了各种高效节能破、磨制浆设备，并已逐步应用到水煤浆生厂中，有力推动了水煤浆产业的发展。国家水煤浆工程技术研究中心开发了2种高效节能制浆新工艺所需专用设备，即高效节能破磨机和新型立式超细磨机。①高效节能破磨机该设备的设计理念是将破碎与磨矿有机结合起来，使过去只能起破碎作用的单一设备同时起到破、磨2个作用，使物料经多个打击锤击打破碎，又能在多个磨辊与磨环间通过离心力旋转挤压碾磨。这样使出料粒径与过去单纯破碎设备出料粒度（小于6mm或3mm）相比明显降低，出料粒径小于1mm，从而使随后粗磨机的磨矿功耗降低。②新型立式超细磨机细磨机采用压缩空气（可带负荷）启动方式，煤浆从磨机底部进入后，在磨矿介质质量压力、设计的棒式和螺旋式相结合的高性能搅拌器作用下，使介质球和物料在高速运动时形成类似于流态化状态，利用介质球和物料的摩擦、冲击、碰撞进行有效研磨，使煤浆转化为出料粒度小于15μm(≥90%)的超细煤浆。该种细磨机填充率高，调节能力强，产品质量稳定，节能省电（入料粒径由75μm磨至15μm耗电量仅为球磨机的10%），已在多家水煤浆生产企业推广应用。1.2.3开发了性价比高、煤种适应性强的水煤浆添加剂[13-15]水煤浆添加剂的合理选用是制备高浓度水煤浆的重要因素之一，尤其是针对低阶煤这类难成浆的煤种，添加剂的优劣对水煤浆产品的性能(浓度、粘度、稳定性、流变性等)有重要影响。随着制浆煤种范围的不断扩大，制浆工艺日益发展与完善，添加剂性能已不能完全适应煤种及工艺变化的要求，必须针对不同的煤种以及不同的制浆工艺开发专门的水煤浆添加剂，以最终实现最佳性价比的目的。为此，国内许多单位研发出多种性价比高、煤种适应性强的水煤浆添加剂。国家水煤浆工程技术研究中心近年来针对不同制浆用煤的特性，开发出煤种适应性强、价格低的高效水煤浆添加剂。特别是针对神华低阶煤的煤质特征，通过原料的选择、合成工艺条件优化控制(反应时间、反应温度、原料配比等)，调节分子量疏水、亲水集团的组成比例，不断完善分子结构与神华煤质的表面性质相互匹配性，最终合成出了性价比高的SHPF系列复合型水煤浆添加剂产品。经实验室检测证明，该添加剂对神华煤与大同煤均有较好的分散性，性价比也高于目前市场上的同类产品。目前该添加剂已经在国内多个水煤浆生产企业得到推广应用。2水煤浆燃烧应用技术发展更趋于完善成熟[15-18]水煤浆燃烧技术直接关系着水煤浆的燃烧效果。30多年来，水煤浆科技工作者根据水煤浆的品质特征，对水煤浆的燃烧方式，燃烧器(包括喷嘴、配风器)，锅炉炉体结构及烟气环保控制等进行了大量卓有成效的研究，取得了新的进展，水煤浆燃烧技术已趋于成熟，已成功应用在电站燃油锅炉(75～670t/h)、工业锅炉(1～35t/h)以及多种工业窑炉。工业实验结果表明，水煤浆