劉衛(wèi)兵，康善嬌，楊明順，劉 鑫，齊永麗，梅長松，李春啟

（大唐國際化工技術(shù)研究院有限公司，北京 100070）

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專題綜論

褐煤制備高濃度水煤漿技術(shù)現(xiàn)狀分析及發(fā)展趨勢

劉衛(wèi)兵，康善嬌，楊明順，劉 鑫，齊永麗，梅長松，李春啟

（大唐國際化工技術(shù)研究院有限公司，北京 100070）

摘 要：褐煤是我國煤炭資源的重要組成部分，但褐煤內(nèi)水高導致其難以制成滿足水煤漿氣化要求的煤漿，限制了其清潔化利用的途徑。本文介紹了國內(nèi)外褐煤提濃技術(shù)的發(fā)展狀況，分析了水熱處理制漿技術(shù)的現(xiàn)狀，對褐煤制備高濃度水煤漿技術(shù)的發(fā)展方向和趨勢進行了探討。

關(guān)鍵詞：褐煤；水煤漿；水熱處理；提濃

國內(nèi)外褐煤資源豐富，我國已發(fā)現(xiàn)的褐煤資源儲量約為1 291.32億t，約占我國煤炭保有資源量的12.7％［1，2］，主要分布在內(nèi)蒙古東部、云南東部和黑龍江東部地區(qū)。由于褐煤含水量高、發(fā)熱量低、長距離運輸易燃等原因，導致就地利用褐煤資源，發(fā)展煤化工產(chǎn)業(yè)成為行業(yè)焦點。

煤氣化技術(shù)是煤炭清潔轉(zhuǎn)化的核心技術(shù)之一，是煤化工產(chǎn)業(yè)的龍頭。在眾多的氣化技術(shù)中，水煤漿氣化技術(shù)是最成熟、運行最穩(wěn)定的一種氣化技術(shù)，是眾多業(yè)主比較傾向選擇的一種氣化方式，也是煤炭清潔利用的重要途徑。但褐煤高內(nèi)水含量和多空隙的特點，導致其成漿濃度低，一般為30％ ～50％［3］，使得褐煤利用過程中氣化選型的范圍變窄，限制了其被用于水煤漿氣化這種成熟穩(wěn)定的氣化方式。

目前，世界上首套采用褐煤水煤漿作為原料的水煤漿氣化爐在大唐呼倫貝爾化肥有限公司運行，設(shè)計煤漿濃度為53％，目前運行煤漿濃度僅為48.5％～49.5％。煤漿濃度過低導致氣化比煤耗和比氧耗較高、冷煤氣效率低，造成項目經(jīng)濟性不好，同時也會引起合成氣水汽比高、氣化爐溫度與壓力波動等問題，嚴重影響著裝置的“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運行。因此，提高褐煤的成漿濃度對褐煤的高效潔凈化利用意義重大。

1 褐煤制漿提濃技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

提高褐煤的成漿性是目前國際上的一個難點，國內(nèi)外有眾多提高褐煤成漿性的技術(shù)［3-5］，歸納起來共分2大類方法：物理方法和化學方法；其中包括6項技術(shù)：配煤制漿技術(shù)、干法制漿技術(shù)、分級研磨制漿技術(shù)、熱解半焦制漿技術(shù)、機械熱壓提質(zhì)制漿技術(shù)和水熱處理制漿技術(shù)，褐煤制漿技術(shù)分類示意見圖1。

圖1 褐煤制漿技術(shù)分類示意

1.1 配煤制漿技術(shù)

配煤制漿技術(shù)是通過物理混合的方法，將褐煤與其他煤種進行混配后制漿，以提高褐煤的成漿濃度。配煤制漿技術(shù)已應(yīng)用多年，也是應(yīng)用范圍最廣的一項傳統(tǒng)技術(shù)。

該技術(shù)存在以下不足：①由于褐煤成漿濃度不到50％，因此需要配入較大比例的高階煤，才能將其濃度提高到58％以上，這就需要運輸大量的高階煤與褐煤進行混合制漿，增加了運輸費用；②由于高階煤和褐煤的表面特性不同，與添加劑的相互配合效果不同，對添加劑的要求也較高。

1.2 干法制漿技術(shù)

干法制漿技術(shù)［6］是根據(jù)褐煤難成漿的特點，打破傳統(tǒng)濕法制漿工藝，設(shè)計和開發(fā)的一種全新工藝流程，并采用一系列專用設(shè)備，將煤粉磨制成10 μm左右的細粉，實現(xiàn)粒度優(yōu)化級配和煤種內(nèi)水的脫除，從而提高褐煤的成漿性。主要工藝流程：褐煤先經(jīng)破碎后再經(jīng)斗提裝置進入專有磨粉機，在磨機內(nèi)停留約15s進入篩選，再經(jīng)螺旋給料機輸送至煤粉倉用于制漿。

該技術(shù)存在以下不足：①水分含量高的褐煤在進入磨機之前是否需要預(yù)干燥有待驗證；②將煤粉磨制成10 μm級別，磨煤機功耗經(jīng)濟性有待驗證，噸漿處理成本偏高，約98元；③干法研磨至微細，粉塵污染和燃爆問題有待考慮，且整個系統(tǒng)需要氮氣等惰性氣體保護；④該技術(shù)制漿回水嚴重，穩(wěn)定性差。

1.3 分級研磨制漿技術(shù)

低階煤高效分級研磨制備水煤漿工藝技術(shù)具有自主知識產(chǎn)權(quán)，是由煤炭科學研究總院開發(fā)的。針對原料煤的磨礦特性和水煤漿產(chǎn)品質(zhì)量的要求，采用“分級研磨”的方法，使煤漿獲得較寬的粒度分布，從而明顯改善煤漿中煤顆粒的堆積效率［7］，進而提高煤漿的成漿濃度。

內(nèi)蒙古呼倫貝爾某化肥公司制漿單元目前采用的技術(shù)就是煤炭科學研究總院的高效分級研磨制備水煤漿工藝技術(shù)，從實際運行來看，該技術(shù)對于褐煤適用性較差，成漿濃度僅能提高1％～2％，難以從根本上解決褐煤成漿濃度低的難題，難以改變褐煤無法用于水煤漿氣化的現(xiàn)實狀況。

1.4 熱解半焦制漿技術(shù)

熱解半焦制漿技術(shù)是將低階煤經(jīng)低溫干餾處理后，將煤的水分和部分揮發(fā)分釋放出來，制成半焦產(chǎn)品，再由半焦磨礦制漿，從而提高褐煤的成漿濃度，成漿濃度可提高8％～10％。

但是，這一方法的缺點是：①干餾過程中原煤揮發(fā)分損失較多；②一次性投資較高，噸煤處理成本高；③目前褐煤熱解提質(zhì)技術(shù)種類繁多，但均存在一定的問題，還未見長周期穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的裝置。

1.5 機械熱壓制漿技術(shù)

機械熱壓榨提高低階煤成漿濃度方法（MTE）是采用加熱處理和機械擠壓共同作用，把低階煤內(nèi)部的水分“擠”出來，然后將處理后的煤樣制備水煤漿，可以較大程度提高低階煤的成漿濃度。該方法需要一個較大的機械力（10MPa（g）以上），才可以達到很好的改性效果，GUO J.等［8］應(yīng)用MTE方法（12 MPa（g）機械壓力和250～280℃）將2種澳大利亞褐煤進行了改性，發(fā)現(xiàn)固體產(chǎn)物的孔隙率大為降低，成漿濃度可以從50％提高到60％。

該技術(shù)存在的不足之處是：①機械擠壓需要10 MPa（g）以上，且需在熱態(tài)下擠壓，設(shè)備加工難度大；②熱壓煤制漿后回水嚴重，穩(wěn)定性較差。

1.6 水熱處理制漿技術(shù)

水熱處理制漿技術(shù)是將褐煤置于密閉的高壓反應(yīng)釜中，加熱至一定溫度，由于反應(yīng)釜內(nèi)飽和水蒸氣壓力導致褐煤內(nèi)部的水以液體形式排出，處理后褐煤的重復(fù)吸水能力大幅度降低，并提高了成漿濃度［9］。Favas等［10］采用該方法，將澳大利亞褐煤的成漿濃度提高到了60％左右，并對成漿特性改善的原因從孔隙結(jié)構(gòu)角度進行了分析，但其并未對改性漿體的燃燒特性進行相關(guān)研究。

該技術(shù)存在的不足之處是：①高溫高壓設(shè)備較多；②操作難度較大。

1.7 小結(jié)

綜合考慮上述幾種制漿技術(shù)，機械熱壓制漿技術(shù)和水熱處理制漿技術(shù)是有前景的。機械熱壓制漿技術(shù)雖然可以一定程度上降低處理過程所需的溫度，但其需要外加較高的機械壓力，對設(shè)備結(jié)構(gòu)的要求也比水熱處理方式高，因此水熱處理制漿技術(shù)是最有發(fā)展?jié)摿Φ囊豁椇置褐茲{提濃技術(shù)。

2 水熱處理制漿技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 技術(shù)簡介

水熱處理制漿提濃：將一定濃度的褐煤水煤漿在一定溫度及相應(yīng)飽和蒸汽壓力下處理一段時間，高溫高壓環(huán)境使褐煤煤階升高，從而提高成漿性。水熱處理的理論基礎(chǔ)［11-14］包括以下幾點：①在高溫高壓下，水熱處理使褐煤脫除大量含氧官能團，從而降低其親水性，提高成漿性；②水熱處理是一個“非蒸發(fā)式”脫水過程，褐煤中結(jié)晶水以液態(tài)形式排出，變?yōu)橛坞x水參與制漿，降低褐煤中內(nèi)水含量；③水熱產(chǎn)生的少量焦油在壓力作用下不能及時放出，冷卻后停留在空隙內(nèi)，減少了褐煤孔隙，改變了其復(fù)吸水特性，從而提高成漿性。

2.2 國外研究現(xiàn)狀

20世紀70年代美國環(huán)境與能源研究中心（EERC）組織研究人員采用水熱處理方式使褐煤中內(nèi)水永久性脫除，從而提高成漿濃度，并順利完成了7.5 t/d中試試驗，連續(xù)運轉(zhuǎn)約80 d，將褐煤濃度由36％～40％提高至53％ ～60％，流程示意見圖2。20世紀90年代，泰國多次送樣至美國開展水熱制漿試驗，并籌備商業(yè)化示范裝置，生產(chǎn)鍋爐燃料用漿［15］。

圖2 EERC 7.5 t/d試驗裝置流程

20世紀90年代，日本日揮公司（JGC）開始水熱處理提高低階煤成漿濃度的研究，并于1995年建成3 500 t/a的實驗室小試裝置，在300℃下將兩種印尼低階煤濃度由37％ ～45％提高至57％ ～65％［16］。2010年在印尼建成1萬t/a中試裝置，現(xiàn)已順利投產(chǎn)，并計劃2015年在印尼建設(shè)100萬t/a示范廠，生產(chǎn)電廠鍋爐燃料漿。JGC工藝流程及中試裝置現(xiàn)場見圖3。

2.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)浙江大學2006年承擔了一項國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃973項目《煤的理化特性對成漿性和流變性的影響規(guī)律研究》，系統(tǒng)性地研究了水熱處理提高低階煤成漿濃度的機理，并成功將中國多處褐煤成漿濃度提高至58％以上［2］，均約提高10％以上，典型的研究成果見圖4，水熱后煤漿作為發(fā)電鍋爐燃料用。但浙江大學僅完成了實驗室研究，并未開展放大性研究工作。

圖3 JGC工藝流程及中試裝置現(xiàn)場

國內(nèi)還有黑龍江礦業(yè)學院對水熱處理提高褐煤成漿濃度進行了初步試驗研究，將舒蘭褐煤由原來的48％提高至56.5％［17］，但未開展更深入的研究。清華大學也對水熱處理提高褐煤濃度進行了實驗室研究。

目前，國內(nèi)對水熱處理制漿技術(shù)的研究均處于實驗室研究階段，未見開展放大研究工作。

3 水熱處理制漿技術(shù)的發(fā)展趨勢

近期，雖然頻繁出現(xiàn)項目因環(huán)保問題被叫停、政府頻出文件限制煤化工項目上馬等現(xiàn)象，但需看到，限制和叫停的都不是煤化工高端產(chǎn)能，煤化工示范產(chǎn)能仍獲得支持，“十三五”期間發(fā)展煤化工技術(shù)仍是國家的戰(zhàn)略需求?！笆濉币?guī)劃確定將煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化作為能化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要內(nèi)容，且要求重點圍繞提高能效、降低資源消耗和污染排放等方面進行升級示范，加強自主創(chuàng)新。同時，《關(guān)于規(guī)范煤制燃料示范工作的指導意見》中也提出要提高行業(yè)的準入指標，對能效、煤耗和水耗等方面提出了量化準入指標。這一系列政策的出臺都要求煤化工在未來的發(fā)展中要不斷地進行技術(shù)升級，解決技術(shù)瓶頸，降低能耗和成本，提高經(jīng)濟效益。

提高褐煤的成漿濃度，能明顯降低褐煤水煤漿氣化的煤耗和氧耗，提高項目的經(jīng)濟型，這完全吻合了國家政策導向。另外，通過本文的比較說明也可以看到，通過水熱處理提高褐煤成漿性是眾多褐煤提濃技術(shù)中最具有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N方法，且水熱處理技術(shù)國內(nèi)外均已研究數(shù)十年，在理論上是完全可行的。

圖4 浙江大學典型實驗結(jié)果［2］

縱觀國內(nèi)外，水熱處理制漿技術(shù)工業(yè)化和商業(yè)化應(yīng)用推進卻較慢，分析原因，筆者認為主要有以下幾方面因素：①多數(shù)水熱法褐煤提濃制漿工藝終端產(chǎn)品為鍋爐燃料用漿，煤漿穩(wěn)定性要求較高，煤粉粒度也要求更細，致使處理成本較高，另外就鍋爐燃燒而言，水熱處理后制漿燃燒與直接采用煙煤制漿燃燒相比，成本優(yōu)勢并不是很明顯；②目前國內(nèi)外采用水煤漿作為鍋爐燃料的市場需求較少；③褐煤水煤漿作為氣化用漿應(yīng)用較少，目前僅有一套工業(yè)化氣化爐采用褐煤水煤漿作為原料在運行。

4 結(jié)語

因此，隨著煤化工的發(fā)展以及水煤漿氣化爐的廣泛應(yīng)用，采用水熱處理法制備高濃度褐煤水煤漿作為水煤漿氣化爐原料成為亟待開發(fā)的一項關(guān)鍵技術(shù)，而且解決褐煤水熱處理制漿工業(yè)化應(yīng)用難題，實現(xiàn)該技術(shù)的工業(yè)化放大應(yīng)用也是當前褐煤提濃技術(shù)研究的方向。此外，結(jié)合現(xiàn)場廢水，采用水熱耦合工藝提高褐煤成漿濃度的同時消耗掉現(xiàn)場廢水，實現(xiàn)環(huán)保和煤炭高效清潔利用的雙重目標也將成為今后研究的重點。

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修改稿日期：2016-03-20

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.001 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.03.001

中圖分類號：TQ536

文獻標識碼：A

文章編號：1004-8901（2016）03-0001-04

作者簡介：劉衛(wèi)兵（1982年-），男，河北衡水人，2007年畢業(yè)于天津大學化工專業(yè)，高級工程師，現(xiàn)主要從事化工技術(shù)開發(fā)工作。

Development Status and Trend of Preparation Technologies of High Concentration Coal Slurry from Lignite

LIU Wei-bing，KANG Shan-jiao，YANG Ming-shun，LIU Xin，QI Yong-li，MEI Chang-song，LI Chun-qi
（Datang International Chemical Technology Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100070 China）

Abstract：Lignite is an important part of coal resources in China.But it has a high moisture content，thus it is difficult to make coal slurry which meets the coal slurry gasification requirements，this restrains the ways of clean utilization of lignite.In this paper，the development status of domestic and foreign coal slurry concentration technologies is introduced，the status of hydrothermal treatment slurrying technology is analyzed and the development direction and trend of preparation technologies of high concentration coal slurry from lignite are discussed.

Keywords：lignite；coal slurry；hydrothermal treatment；concentration