水煤漿技術進展探析論文
國內(nèi)水煤漿在電站鍋爐、工業(yè)鍋爐、工業(yè)窯爐中的應用已有很多成功的范例。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(yè)的生產(chǎn)技術指標，提高了企業(yè)的經(jīng)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(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，氣化水煤漿的應用規(guī)模將保持強勁的增長勢頭。過去10a中國水煤漿技術及工業(yè)應用已向縱深發(fā)展，如擴大難以制漿煤種的應用，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，污泥制漿，燃燒水煤漿技術向氣化領域移植等。
1擴大制漿煤種
隨著水煤漿技術的發(fā)展及應用規(guī)模的不斷擴大，原有易于成漿的煤種，主要是中等變質(zhì)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(yè)的可持續(xù)發(fā)展，合理利用煉焦煤，降低水煤漿生產(chǎn)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(zhì)量分數(shù)水煤漿的可行性進行了大量基礎及工業(yè)生產(chǎn)的實驗研究。表1～表4分別為煤的工業(yè)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(zhì)進行了研究。神華煤具有低灰、特低硫、中高發(fā)熱量、化學反應活性優(yōu)良等特點，是優(yōu)良潔凈的動力用煤品種之一。但神華煤的變質(zhì)程度較低，其內(nèi)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(jù)煤炭成漿性模型和評定煤成漿性指標D與煤的內(nèi)在水分和可磨性指數(shù)的最優(yōu)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(shù)據(jù)經(jīng)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(diào)整，使神華煤能夠制出高質(zhì)量分數(shù)水煤漿。通過實驗室研究、半工業(yè)實驗和工業(yè)性試生產(chǎn)及工業(yè)性燃燒實驗，取得了巨大的技術性突破。目前，神華煤制取燃燒用高質(zhì)量分數(shù)水煤漿的生產(chǎn)廠已達5座，總生產(chǎn)能力已近千萬噸。表5為神華煤制備高質(zhì)量分數(shù)水煤漿工藝技術應用情況。
2生物質(zhì)水煤漿研究及應用
隨著中國城市經(jīng)濟的發(fā)展及人口不斷增長，環(huán)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(zhì)，國內(nèi)城市污泥利用途徑及所占比例大致為農(nóng)業(yè)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(nóng)用比例較高，但由于污泥中含有重金屬，均高于農(nóng)耕土壤中的含量，如大量和長期使用會影響人類健康。工業(yè)廢棄物的排放也對環(huán)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(yè)發(fā)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(jié)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(chǎn)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(zhì)水煤漿作了系統(tǒng)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(jīng)堿化處理可明顯改善其物化特性，提高其穩(wěn)定性。經(jīng)多次篩選，發(fā)現(xiàn)利用堿性造紙黑液中含有的木質(zhì)素作為改善水煤漿的分散劑，可以節(jié)省添加劑的用量，最終實現(xiàn)以廢治廢的效果。
經(jīng)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(yè)放大生產(chǎn)實驗和污泥煤漿燃燒實驗發(fā)現(xiàn):
(1)實驗室研究以兗州煤為原料加入20%改性污泥制得質(zhì)量分數(shù)為64.4%、表觀黏度1200mPas、發(fā)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(yè)生產(chǎn)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(jié)約用水;節(jié)約添加劑成本40%～50%;制漿成本降低21.88%。此外節(jié)省了城市污泥和造紙黑液的環(huán)境治理費用。
(4)污泥煤漿在工業(yè)鍋爐中燃燒實驗結果表明:鍋爐負荷可在45%～100%下連續(xù)調(diào)節(jié)，燃燒效率98.66%。
3氣化水煤漿領域推廣燃燒用水煤漿生產(chǎn)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(zhì)特性，在提高水煤漿質(zhì)量分數(shù)方面有困難，尤其是低變質(zhì)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(zhì)量分數(shù)，從而影響了氣化技術指標和經(jīng)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(zhì)煤制漿經(jīng)驗，對其原有的水煤漿制漿工藝進行了技術改造，實現(xiàn)了提濃的預期目標。
魯南化肥廠年產(chǎn)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(zhì)量分數(shù)。
根據(jù)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(chǎn)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(zhì)量分數(shù)在煤種、添加劑及用量相同條件下，制漿質(zhì)量分數(shù)可提高3%～5%，系統(tǒng)產(chǎn)能提高30%以上。按水煤漿質(zhì)量分數(shù)提高3%計算，每生產(chǎn)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(jīng)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(jīng)濟與社會效益十分顯著，僅2009—2010年共生產(chǎn)代油水煤漿150萬t，實現(xiàn)代油62萬t;代煤燃燒水煤漿256萬t，節(jié)煤38萬t。兗礦魯化、山西豐喜等四家煤化工企業(yè)的水煤漿氣化改造項目已完成和投產(chǎn)，按水煤漿質(zhì)量分數(shù)提高3%，年節(jié)煤9萬t，節(jié)氧9000萬m3，直接經(jīng)濟效益1.03億元/a。
由于成功開發(fā)低階煤制漿工藝和投入商業(yè)運營，填補了低階煤制高質(zhì)量水煤漿在國際和國內(nèi)的技術空白，促進了國內(nèi)煤炭資源合理利用。同時，對產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、節(jié)能減排的實施具有重要的推動作用。
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