金大鉞，孔順利，朱芝材，雷一凡，高明洋，孟獻梁

(中國礦業(yè)大學，江蘇　徐州　221166)

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低階煤熱力改質(zhì)制水煤漿技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

金大鉞，孔順利，朱芝材，雷一凡，高明洋，孟獻梁

(中國礦業(yè)大學，江蘇徐州221166)

由于儲量豐富的低階煤制取水煤漿效果較差的問題，介紹了國內(nèi)通過熱力改質(zhì)低階煤制取水煤漿研究現(xiàn)狀。通過脫水干燥和低溫干餾處理低階煤，制得適合工業(yè)應用的高品質(zhì)低階煤水煤漿。同時，水煤漿技術(shù)作為國內(nèi)潔凈煤技術(shù)之一，是合理應用低階煤的途徑，并且較好的緩解由于低階煤燃燒所帶來的較大的環(huán)境污染壓力。針對目前低階煤熱力改質(zhì)制取水煤漿的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，對低階煤熱力改質(zhì)制取水煤漿前景進行展望。

低階煤；熱力改質(zhì)；水煤漿

低階煤是煤化程度較低的煤種，具有水分大、發(fā)熱量低、化學反應性好、易燃易碎等特點。低階煤主要包括褐煤和低變質(zhì)煙煤，已探明的全世界低階煤資源儲量超過4650億t，占世界探明煤炭總儲量的40%以上。我國已探明的低階煤資源儲量在2000億t以上，約占全國探明煤炭資源儲量的20%，主要分布在新疆和內(nèi)蒙古自治區(qū)[1]。低階煤因為煤化程度較低，直接作為燃料燃燒，不僅燃燒效率低，而且造成嚴重的環(huán)境污染。目前，國內(nèi)外學者對低階煤做一定的技術(shù)處理，可提高其燃燒效率并降低燃燒所生成的硫化物和氮化物帶來的環(huán)境壓力，而低階煤處理制成水煤漿是很好的選擇。水煤漿技術(shù)產(chǎn)生于20世紀80年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展、完善，水煤漿技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，水煤漿技術(shù)已經(jīng)成為我國現(xiàn)階段可以推廣的一項替代燃油、環(huán)境保護、節(jié)約能源的優(yōu)選技術(shù)。對于近年來煤炭市場的低迷狀態(tài)，發(fā)展水煤漿技術(shù)亦對助推煤炭產(chǎn)品的多元化、調(diào)整并提升能源結(jié)構(gòu)、緩解環(huán)境壓力具有重要意義。近年來，國內(nèi)很多學者在水煤漿制備技術(shù)方面進行了大量的研究，研究重點集中在干法和濕法制水煤漿技術(shù)上，并取得了長足的進步，部分水煤漿制備技術(shù)已經(jīng)在企業(yè)建成生產(chǎn)線并投入使用。對于干法和濕法制水煤漿技術(shù)，干法制漿的漿體濃度范圍較寬，但對環(huán)境產(chǎn)生的壓力較大且對操作者工作強度要求高；濕法制漿工藝流程較為簡便，對操作人員的要求不高，且環(huán)境污染小，但對入料濃度要求較高且不容易獲得較高濃度的水煤漿；關鍵問題在于該法不易控制入料中的大顆粒及雜物而導致水煤漿制取濃度受影響[2]。部分學者轉(zhuǎn)變思路，從改變原料物理和化學結(jié)構(gòu)方面入手，將低階煤進行熱力改質(zhì)以求得更好質(zhì)量的水煤漿，并取得了較好的實驗效果。筆者主要介紹了國內(nèi)低階煤熱力改質(zhì)制水煤漿技術(shù)的現(xiàn)狀，并對中國低階煤水煤漿的發(fā)展趨勢進行了分析。

1　低階煤熱力改質(zhì)方法

低階煤熱力改質(zhì)主要是將原料煤進行一定的溫度處理，通過直接加熱和非直接加熱的方法，對原料進行物理和化學性質(zhì)的改變，以求得較好的制漿效果。目前，通過熱力改質(zhì)的原料煤制備水煤漿的效果較原煤制漿效果普遍較好。低階煤熱力改質(zhì)方法主要有脫水干燥和低溫干餾兩種。而脫水干燥有蒸發(fā)干燥和非蒸發(fā)干燥兩種方式[3]。

1.1脫水干燥技術(shù)

在蒸發(fā)干燥改質(zhì)技術(shù)方面，煤中水分的脫除是通過直接或間接地熱量傳輸將熱量傳遞到煤表面，通過熱量使煤中水分以水蒸氣的形式從煤中散發(fā)出來，是比較通用的干燥方法，但是該工藝的缺點是在理想情況下達到效果所需要的熱量較多。在特定環(huán)境下，蒸發(fā)水分所需要的熱量至少消耗煤中四分之一的能量。蒸發(fā)干燥技術(shù)主要包括：回轉(zhuǎn)管式干燥技術(shù)、蒸汽流化床干燥技術(shù)(SFBD)、NBCL/UBC工藝、加壓熱氣流干燥、太陽能干燥、微波干燥和間接加熱干燥工藝等。

對于非蒸發(fā)干燥技術(shù)，其主要通過使煤中水分以液態(tài)形式從煤中去除，其主要優(yōu)點有兩點：一是大大節(jié)約了煤中水分以水蒸氣形式去除而產(chǎn)生的較大能量消耗，且降低了對環(huán)境產(chǎn)生的壓力；二是通過非蒸發(fā)技術(shù)去除了部分溶解性較好的無機鹽，從而減少了煤的灰沉積；但是由于溶解在水中的無機質(zhì)和有機質(zhì)在廢水處理中較為繁雜，需確認廢水中有機質(zhì)和無機質(zhì)的成分，給廢水的處理帶來了一定的難度。非蒸發(fā)干燥技術(shù)主要包括熱水干燥技術(shù)、機械擠壓脫水技術(shù)和有機溶劑脫水等。

1.2低溫干餾技術(shù)

煤的干餾是指在隔絕空氣條件下，煤受熱分解生成焦炭、煤氣、焦油的過程。由于低溫干餾溫度一般在600℃下進行，此改質(zhì)方式不僅脫除煤中水分，還直接改變煤組織結(jié)構(gòu)且形成半焦用于制備水煤漿。低溫干餾技術(shù)主要包括固體熱載體新法干餾技術(shù)、MRF熱解工藝、流化床熱解工藝等。

2　低階煤熱力改質(zhì)制水煤漿研究現(xiàn)狀

2.1以脫水干燥技術(shù)改質(zhì)低階煤制備水煤漿

龔志華等[4]以印尼褐煤為研究對象，憑借流化床干燥器在140℃進行蒸發(fā)干燥處理，印尼褐煤中水分和揮發(fā)分均降低，且保留較高的揮發(fā)分以達到制漿要求。對比實驗在相同的制漿條件下進行，比較改質(zhì)褐煤和褐煤原煤的成漿效果，實驗結(jié)果表明，經(jīng)過改質(zhì)處理后，褐煤中的大部分內(nèi)水被去除，孔隙率降低，同時由于水分的蒸發(fā)，褐煤結(jié)構(gòu)的變化，褐煤的氧含量會降低，碳含量相應提高。改質(zhì)后褐煤的有較好的疏水性，成漿性能得到了明顯改善，改質(zhì)褐煤制漿濃度由原煤的48%提高到60%左右，流變性能和穩(wěn)定性能均較好。

顧小愚[5]對神華高揮發(fā)分的低階煤進行了熱力改性，將煤樣置于管式爐中進行控溫加熱，考察神華低階煤經(jīng)熱力改質(zhì)之后的物化性質(zhì)和成漿特性與改質(zhì)溫度的關系。實驗表明，隨改質(zhì)溫度的提高，煤內(nèi)在水分含量、揮發(fā)分均降低，隨著改質(zhì)溫度(200～350℃)的不斷升高，水煤漿成漿效果越發(fā)變好；經(jīng)過多次實驗比對發(fā)現(xiàn)，在改性溫度為300℃時，2種煤樣成漿效果均最好，經(jīng)過熱力改性后，不黏煤和長焰煤成漿濃度分別由61.2%、57.8%提高到了65.5%和62.6%。

蒸發(fā)干燥技術(shù)主要借助一定的技術(shù)手段，在較低溫度下降低煤內(nèi)水分，煤結(jié)構(gòu)變化不大，含氧量也有所降低，提高其疏水性，水煤漿成漿性能改善明顯，具有較好的流變性和穩(wěn)定性。

國內(nèi)部分學者同時借助非蒸發(fā)干燥手段對低階煤進行改質(zhì)，而眾多的非蒸發(fā)手段中，以借助水熱處理技術(shù)為主要研究思路。

目前國內(nèi)制水煤漿大都是采用變質(zhì)程度較高的煙煤經(jīng)磨制之后作為制漿原料，制漿效果均較好，但是部分學者針對我國低階煤的利用現(xiàn)狀，不斷開發(fā)、引進較為先進的技術(shù)從而大大提升低階煤的利用效率。黑龍江科技學院引進美國的褐煤熱水干燥技術(shù)(HWD)，結(jié)合我國褐煤的物理化性質(zhì)，經(jīng)過對該干燥技術(shù)的改造，開發(fā)了適合我國褐煤制取水煤漿的技術(shù)。經(jīng)過改良后的熱水干燥技術(shù)不僅可以有效降低低階煤內(nèi)在水分和親水性、提高熱值，而且可以抑制其易自燃特性，為褐煤存儲和運輸提供了可行的處理方式。實驗表明，經(jīng)熱水干燥后的褐煤脫水不經(jīng)烘干即可直接制漿，可以制得濃度為60%左右的褐煤水煤漿。

虞育杰[6]采用水熱脫水方法對幾種代表性的褐煤進行改質(zhì)加工，經(jīng)水熱處理后的褐煤，煤中羧基、羰基和酚羥基的含量明顯降低，從而使褐煤的親水性減弱，表現(xiàn)為煤-水接觸角的增大，以及zeta電位的降低；另一方面，褐煤的孔隙結(jié)構(gòu)也得到了改善，與原煤相比，水熱提質(zhì)固體產(chǎn)物的比表面積、比孔容積以及平均孔徑均有不同程度的降低，使得褐煤的固水能力大幅度弱化。以改質(zhì)后的煤樣制備水煤漿，其定黏濃度較原煤提高了9%～14%，同時水煤漿流變性和穩(wěn)定性改善明顯。

2.2以低溫干餾技術(shù)改質(zhì)低階煤制備水煤漿

相比于脫水干燥技術(shù)，部分研究者同時采用低溫干餾實驗方法對低階煤進行熱力改質(zhì)，并在實驗室階段取得較好的實驗效果。

宋彬彬[7]以小龍?zhí)逗置鹤鳛檠芯繉ο?，利用自行設計的固定床熱解實驗裝置在惰性氣體保護下對小龍?zhí)逗置涸?50～450℃ 進行低溫熱解。經(jīng)熱解之后的褐煤，水分含量、揮發(fā)分明顯降低，熱值明顯提高，活性含氧基團含量降低。以熱解之后的褐煤作為原料進行水煤漿的制備，實驗表明：小龍?zhí)睹涸诩訜?50℃、時間1.5 h和攪拌強度1000 r/min的條件下，其成漿濃度為61.4%，流變性能良好。

趙衛(wèi)東等[8]采用高溫高壓反應釜對小龍?zhí)逗置汉?、印尼褐煤進行非蒸發(fā)水熱脫水并對其成漿性進行研究，實驗表明水熱反應可以提高低階煤煤階，改質(zhì)后的煤樣空干基水分降低，氧含量減少，經(jīng)處理發(fā)現(xiàn)有硫化氫，說明該法具有一定的脫硫效果；經(jīng)比較制成的水煤漿，考察漿體濃度、流動性和穩(wěn)定性等因素，確定反應溫度在300～320℃效果最佳：小龍?zhí)逗置旱淖畲蟪蓾{濃度由44.6%(原煤)提高到64.55%，印尼褐煤的最大成漿濃度則由39.71%提高到64.61%。

顏艷東[9]以云南小龍?zhí)逗置簽檠芯繉ο?，利用自行設計的低溫干餾反應器對小龍?zhí)逗置哼M行低溫干餾，探討了干餾半焦的成漿性能，并對原煤與半焦進行配比制水煤漿進行研究。實驗結(jié)果表明:550℃干餾半焦制得的水煤漿濃度最高(達66.51%)，但漿體穩(wěn)定性較差;將小龍?zhí)逗置涸号c半焦混合制漿，發(fā)現(xiàn)水煤漿濃度雖有所降低(61.47%)，但能有效改善半焦水煤漿的穩(wěn)定性，其水煤漿質(zhì)量達到國家水煤漿質(zhì)量3級標準。

劉明強等[10]以內(nèi)蒙古錫盟褐煤為研究對象，通過HMX1700-30型氣氛爐對煤樣進行低溫熱解提質(zhì)，改質(zhì)后的褐煤比表面積和孔容積呈減小趨勢，降低水含量且促進親水含氧基團的分解，降低揮發(fā)分的含量。制漿實驗表明，原煤的定黏濃度僅為44.31%，改性后的半焦定黏濃度最大可達66.78%，且熱解終溫越高，定黏濃度越大，表明高熱解終溫對半焦成漿性的提高更有利。

對低階煤進行低溫干餾處理進行改質(zhì)，不僅脫除了煤內(nèi)在水分，同時由于干餾溫度相對較高，煤結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的變化，改變了原煤性質(zhì)，但是以低溫干餾處理的低階煤制得的水煤漿濃度較好，制漿效果較好。

3　結(jié)　語

我國低階煤儲量豐富，主要作為燃料使用，但是燃燒效率

低，不僅造成了能源浪費，而且給環(huán)境造成了較大的壓力。以低階煤制水煤漿作為代油燃料，但是低階煤制漿效果較差。國內(nèi)的學者針對低階煤較差的制漿效果，采用熱力改質(zhì)的研究思路，低階煤熱力改質(zhì)制水煤漿技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展取得了一定的效果。目前，國內(nèi)對于熱力改質(zhì)后的低階煤進行水煤漿制備大多處于實驗室研究階段，在實驗室研究階段均取得了較好的制漿效果，且該技術(shù)的要求而需要熱量傳輸及專用的設備，故而進行廣泛的工業(yè)化推廣還需進一步研究。但是，根據(jù)多項實驗表明：經(jīng)熱力改質(zhì)后的低階煤制漿效果大大提高，且其他副產(chǎn)品也可作為關聯(lián)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品。鑒于目前煤炭行業(yè)的現(xiàn)狀，不斷進行技術(shù)升級和結(jié)構(gòu)優(yōu)化已迫在眉睫，而熱力改質(zhì)低階煤制取水煤漿是煤炭資源較好的利用方式之一，具有較好的市場前景。

[1]田忠坤.管式氣流干燥器提質(zhì)低階煤理論與技術(shù)的研究[D].北京:中國礦業(yè)大學,2009.

[2]苗云霞.水煤漿制備工藝技術(shù)研究[J].河北化工,2009(07):27-29.

[3]魏亞玲,孟獻梁,陶二玉,等.低階煤水煤漿制備技術(shù)與工藝研究現(xiàn)狀及前景[J].潔凈煤技術(shù),2014(06).

[4]龔志華,顧兆云,徐志強,等.提高印尼褐煤成漿性的試驗研究[A].2008年全國水煤漿技術(shù)推廣工作會議[C].2008:26-28.

[5]顧小愚.改善神華低階煤成漿性的試驗研究[J].煤炭科學技術(shù),2009(01):111-113.

[6]虞育杰.褐煤水熱脫水提質(zhì)制備高濃度水煤漿的基礎研究[D].杭州:浙江大學,2013.

[7]宋彬彬.褐煤低溫熱改質(zhì)及成漿性能研究[D].大連:大連理工大學,2008.

[8]趙衛(wèi)東,劉建忠,周俊虎,等.低階煤高溫高壓水熱處理改性及其成漿特性[J].化工學報,2009,60(6):1560-1567.

[9]顏艷東.褐煤提質(zhì)及其成漿性能研究[D].長沙:湖南科技大學,2012.

[10]劉明強,劉建忠,王睿坤,等.熱解溫度對褐煤半焦成漿特性影響的實驗研究[J].中國電機工程學報,2013(8):36-43.

Research Status and Prospects of Low Rank Coal Thermal Modification System in Coal Water Slurry Technology

JIN Da-yue,KONG Shun-li,ZHU Zhi-cai,LEI Yi-fan,GAO Ming-yang,MENG Xian-liang

(China University of Mining and Technology,Jiangsu Xuzhou 221166,China)

Due to poor effect of producing coal water slurry(CWS)by rich reserves of low rank coal,research status of producing CWS by thermal modification of low rank coal was introduced.Dealing with desiccation and low temperature carbonization by low rank coal,industrial application of high quality low rank coal and coal water slurry was suitable.At the same time,as one of the domestic clean coal technology,CWS technology is the way of reasonable application of low rank coal,and better eases due to large pressure of environmental pollution of the low rank coal.Aiming at research and development status of making coal water slurry by the low rank coal thermal modification of low rank coal thermal modification,the future of making coal water slurry was prospected as well.

low rank coal；thermal modification；coal water slurry

金大鉞(1993-)，男，中國礦業(yè)大學化工學院學生，主要從事化學工程與工藝。

TQ536.1

A

1001-9677(2016)06-0025-03