低階煤制備高濃度水煤漿技術現狀及發展趨勢

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(1.煤科院節能技術有限公司，北京 100013;2.國家水煤漿工程技術研究中心，北京 100013;3.煤炭資源開采與環境保護國家重點實驗室，北京 100013;4.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

我國屬于富煤、貧油、少氣的發展中國家，煤炭占我國化石能源儲量的90%以上，在一次能源消費結構中處于絕對主導地位，2016年我國能源消費總量達到43.6億tce，其中煤炭消費占比為62%，以煤為主的能源消費結構在今后一段時間難以改變。水煤漿是20世紀70年代石油危機中發展起來的一種新型煤基流體燃料或原料，具有流動性好、燃燒效率高、節能環保等特性，是代油、代煤的理想燃燒和氣化原料[1]。隨著國內環保要求日益提高，水煤漿是我國煤炭清潔、高效利用的發展方向。我國水煤漿經過40年的研發與生產實踐，已實現產業化應用與發展，取得了較好的經濟和環境效益。據不完全統計，截至2016年底，全國各類制漿廠的設計生產能力已超過2億t/a，其中燃料漿生產使用量3 000萬t以上，主要用于電力、石油、化工、建材等行業及工業園區供熱。氣化用漿量約2億t/a，主要用于煤制甲醇、煤制油、煤制烯烴等多個大型煤化工企業。隨著我國煤化工企業的迅速發展，預計未來幾年水煤漿氣化用煤量將大幅增長。

我國低階煤資源豐富，已探明的低階煤資源儲量在2 000億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蒙古自治區，約占我國煤炭儲量的50%以上。低階煤具有低灰、低硫、反應活性高等優點，是優質的動力和化工用煤，已成為氣化用煤的主導煤種。但低階煤可磨性差、內水高、自由水含量少、O/C比大、孔隙率高，極易吸附煤漿中的自由水，影響水煤漿成漿濃度和流變特性，屬難制漿煤種。采用常規單磨機制漿工藝，粒度級配差，研磨能耗較高，制備出的水煤漿濃度低，流變性差，這是造成燃料煤漿和氣化煤漿濃度偏低的主要原因。褐煤制漿濃度僅50%左右，神華煤制漿濃度僅為60%左右，嚴重影響水煤漿燃燒和氣化效率。為提高低階煤水煤漿濃度，國內很多學者開展了低階煤制備高濃度水煤漿研究。目前低階煤制備高濃度水煤漿技術主要有制漿前對低級煤進行改性[2-6](水熱處理法、低溫熱解法、微波干燥法等)和粒度級配制漿法。由于前者需對低階煤進行加熱處理，工藝復雜，成本高，目前僅停留在試驗研究階段，而級配制漿法只需對原料煤進行合理的粒度級配，并通過提高水煤漿堆積密度達到提高低階煤水煤漿濃度的目的，方法簡單，成本低，受到廣泛關注。近年來開發的分級研磨級配制漿技術在國內獲得成功推廣應用，但也存在濃度提高幅度有限(3%左右)、煤種適配性差等問題。為進一步提高低階煤水煤漿的濃度，對近年來水煤漿級配制漿技術研發應用現狀及存在問題進行分析，并對發展前景進行展望。

1 分級研磨級配制備高濃度水煤漿技術

針對單棒磨機制漿工藝粒度級配不合理、成漿濃度低等問題，國家水煤漿工程技術研究中心通過對低階煤煤質特性分析及成漿性試驗研究，確定造成水煤漿濃度低的主要影響因素及微觀機理;開展了優化煤漿粒度級配，提高煤顆粒間的堆積效率的技術研究。以分形理論為指導，采用PFC2D/3D粒度級配模擬軟件，模擬不同粒度分布煤顆粒的堆積率，建立分形粒度級配模型;引入“多破少磨”、“分級研磨”超細漿返磨和“優化級配”的制漿理念，開發出選擇性粗磨和超細研磨有機組合的分級研磨級配制漿工藝，實現水煤漿粒度分布的控制及優化。通過分級研磨制漿工藝(第2代制漿技術)，達到提高低階煤水煤漿濃度的目的。

1.1 技術原理

國家水煤漿工程技術研究中心為了使水煤漿粒度分布更加合理，從而制備出更高濃度的水煤漿，根據低階煤種的成漿特性和堆積效率理論，采用分形理論對水煤漿粒度級配進行深入研究。

分形幾何學是定量描述幾何形體復雜程度及空間填充能力的一門新興學科。水煤漿具有復雜的微觀結構，是一種多級多層次的復合燃料體系，尤其是煤粉的粒度級配具有突出的自相似性，滿足分形理論的應用條件。在對國內外水煤漿粒度級配理論分析研究的基礎上，結合SHCY和SHBN煤破碎及研磨后顆粒的形貌特征，將分形理論引入水煤漿粒度級配研究領域，得出可準確描述水煤漿粒度分布的分形級配模型。同時采用PFC2D/3D粒度級配模擬軟件對顆粒的堆積效率進行模擬計算，考察粒度分布、顆粒形狀等與煤顆粒堆積效率之間的因變關系，建立適用于神華低階煤水煤漿的分形級配模型，經過理論推導得出分形級配模型。研究結果表明:該模型的模型參數即分形維數在2.50～2.90時，能較好反應不同磨礦時間的水煤漿粒度分布。以分形粒度級配模型為基礎，根據氣化水煤漿粒度分布特點，選取水煤漿的最大粒徑(d90)為800 μm，最小粒徑為1 μm，采用PFC2D/3D粒度級配模擬軟件，對模型參數2.50～2.90時得到的41種不同粒度分布進行堆積效率模擬研究。模型參數2.76～2.78時，粒度分布較寬，呈典型的雙峰分布，具有較高的堆積效率，此時獲得的粒度分布即可制得較高濃度的水煤漿。因此，該模型及模型參數可作為水煤漿粒度級配優化的指導。分級研磨出料粒度大致符合連續的雙峰分布情況(圖1)。

圖1 分級研磨出料粒度分布Fig.1 Particle size distribution of graded grinding output

1.2 工藝流程

為優化水煤漿粒度級配，提高水煤漿堆積效率，從而提高水煤漿濃度，根據分形級配模型及模擬得出的最佳級配模型參數，開發了分級研磨低階煤高濃度水煤漿制備新工藝。該工藝將選擇性粗磨與超細磨機有機組合，使細顆粒填充粗顆粒形成空隙，優化水煤漿粒度級配，使其趨近于分形級配模型，達到提高水煤漿堆積效率和濃度的目的。分級研磨級配制漿工藝的核心是在原有單棒磨機的基礎上增加了超細磨機工序，分級研磨制漿工藝流程如圖2所示。

圖2 低階煤分級研磨級配制漿工藝流程Fig.2 Process flow of slurry preparation by graded grinding of low-rank coal

隨著該工藝的推廣應用，發現最初開發的立式超細磨機存在研磨介質要求苛刻、研磨功耗大、磨機產量小、磨機入料濃度和粒度要求苛刻等問題，導致運行過程中發生凍機、溢漿、出料粒度偏粗及工況差等問題。為此國家水煤漿工程技術研究中心又研制了臥式超細磨機，由此分級研磨制漿工藝演變成2.0版(核心設備是立式超細磨機)和2.1版(核心設備是臥式超細磨機)。

1.3 工藝特點

1.3.1 2.0版制漿工藝

與單磨機制漿技術相比，該工藝具有如下特點和優勢:① 配合分級研磨工藝開發的高效破碎機出料粒度由≤10 mm降低到<3 mm，其中≤1 mm占80%以上，可大幅降低選擇性磨機的入料粒度，提高研磨效率;② 開發的超細磨機電耗僅為球磨機的1/10;③ 一定比例的細漿返回棒磨機混合研磨，可提高棒磨機的研磨效率，大幅降低制漿電耗;④ 將選擇性粗磨與超細磨進行有機組合，優化了水煤漿的粒度級配和堆積效率，與同煤種單磨機制漿工藝相比，水煤漿濃度可提高3%～4%，同時有效改善水煤漿的流變性和穩定性。

1.3.2 2.1版制漿工藝

2.1版制漿工藝的細漿制備采用了臥式超細磨機，該工藝除了具有2.0版工藝的特點和優勢外，還具有能量利用效率提升50%以上，研磨組件壽命高，磨介消耗費用節省30%，研磨介質不堵塞篩網，出漿通暢，設備檢修方便和易操作等優點。

1.4 推廣應用現狀

1.4.1 2.0版制漿工藝

近年來，國家水煤漿工程技術研究中心將開發的低階煤級配制備高濃度水煤漿技術(2.0版制漿工藝)進行成功推廣應用。燃料水煤漿產業的市場定位為長三角、珠三角等地區，氣化水煤漿定位在陜西、內蒙和新疆等各大煤業集團和煤化工企業[7-12]。

1)在燃料水煤漿領域

燃料水煤漿在廣東、福建、浙江、江蘇等地得到成功推廣應用，已投產的設計生產規模達350萬t/a，在建和規劃建設的項目總規模達1 000萬t/a。產品主要用于沿海地區中小型鍋爐的代油、代煤燃燒。與常規單磨機工藝相比，分級研磨制漿新技術生產的水煤漿濃度可提高3%左右，水煤漿流變性和穩定性也得到很大改善。福建清源科技有限公司用分級研磨級配制漿技術生產的水煤漿主要用于本單位印染工段的鍋爐燃燒，經監測鍋爐效率86%，SO2排放量37 mg/m3，NOx排放量52 mg/m3，不僅滿足當地污染物排放標準，還遠低于國家污染物排放標準。

2)在氣化水煤漿領域

氣化水煤漿在內蒙古、新疆、河南、山西和山東等地的多個煤化工企業成功推廣應用，生產規模達到2 445萬t/a。與常規單磨機工藝相比，采用分級研磨級配制漿技術后，水煤漿濃度提高3%左右，水煤漿黏度、流動性得到改善;水煤漿用于氣化，產氣率增加，比氧耗、比煤耗下降，經濟效益可觀。河南某煤化工企業采用該技術后，水煤漿濃度提高3.23%，水煤漿平均黏度僅為910 mPa·s(100 s-1，25 ℃)，每年多產生經濟效益2 000萬元左右。

1.4.2 2.1版制漿工藝

2.0版制漿工藝達到預期目標，但發現立式超細磨機存在能耗略高、研磨介質消耗量較大、操作彈性小等問題。為此國家水煤漿工程技術研究中心于2017年9月將新研發的臥式超細磨機代替立式超細磨機引入水煤漿制備系統中，對內蒙古30萬t甲醇能力的某煤化工企業水煤漿制備系統實施新型臥式超細磨機替代立式超細磨機的改造方案。為了考察臥式超細磨機的使用效果，對新型臥式超細磨機和原有立式超細磨機分別進行72 h滿負荷標定，2種超細磨機運行效果見表1。

表12種超細磨機運行效果比較
Table1Comparisonsofoperatingeffectoftwoultrafinemills

細磨機種類全年耗電/104kWh全年節電/104kWh全年節約電費/萬元節省備品備件費用/萬元節省維修費用/萬元全年產生效益/萬元立式34500000臥式14420176577140

由表1可知，提濃效果均以3%為基礎考核，與立式超細磨機(2.0版)相比，采用臥式超細磨機(2.1版)后，全年節電費用76萬元，節約備品備件費用57萬元，節省維修費用7萬元，可為企業產生效益140萬元/a。

2 間斷粒度級配制備高濃度水煤漿技術

分級研磨工藝(第2代制漿技術)是將棒磨機出來的部分漿進入立式超細磨機或臥式超細磨機進行超細研磨，然后將制備出的細漿返回到棒磨機系統，其結果仍是連續粒度分布的雙峰級配。由于粗粉被細粉填充，分級研磨的粒度級配堆積效率高于單磨機的堆積效率。該技術堆積效率較高，但水煤漿濃度提高幅度有限(僅3%)，說明第2代制漿技術的粒度分布仍不合理。為進一步提高氣化水煤漿濃度和氣化效率，國家水煤漿工程技術研究中心開發了間斷粒度級配制漿技術(第3代制漿技術)，與單磨機制漿技術相比，該技術可使神華難制漿煤種的水煤漿濃度提高6%～8%，同時水煤漿的黏度、流動性和穩定性都有很大改善。

2.1 技術原理

水煤漿制備工藝中，通常采用連續級配方式。但連續級配中的中間粒級煤粉占比較大，起不到細顆粒的作用，且相對大顆粒來說提高堆積效率的作用不明顯。采用間斷級配的理念開發新的水煤漿制備工藝，對水煤漿基礎理論的研究以及對水煤漿行業的升級創新具有較大意義。

第3代間斷粒度級配制漿技術是在中國礦業大學張榮曾教授“隔層堆積理論”以及清華大學費祥俊教授“漿體水力學研究”理論基礎上開發的。間斷級配是在連續級配中剔除一個(或幾個)粒級，形成一種級配不連續的礦質混合料，這種礦質混合料所具有的級配稱為間斷級配，即篩分曲線出現水平段，單粒級與間斷級配的區別在于單粒級的粒級范圍比間斷級配的相對要小。

研究發現，造成連續分布的煤粉成漿濃度低的原因主要是煤粉不適合成漿的0.075～0.100 mm顆粒含量較高，間斷粒度分布即剔除連續分布中0.075～0.100 mm顆粒后，使粗顆粒的最小粒徑比細顆粒的最大粒徑大，實現雙峰完全分離，而且細顆粒也能完全填充進粗顆粒中。結果表明，間斷粒度級配制漿工藝可得到比連續分布的第2代制漿工藝更高的成漿濃度。間斷粒度級配示意如圖3所示。

圖3 間斷級配示意Fig.3 Discontinuous granularity gradation

2.2 工藝流程及特點

根據現場條件和煤質性質的不同，共開發出3種間斷級配制漿工藝，即新建煤粉分級制漿工藝(圖4)、新建選擇性破磨制漿工藝(圖5)、改造項目工藝(圖6)。

圖4 煤粉分級制漿工藝系統Fig.4 Pulverized coal pulping process system

圖5 選擇性破磨工藝系統Fig.5 Selective grinding process system

圖6 改造項目系統Fig.6 Renovation project system

煤粉分級制漿工藝具有高效節能的特點，能實現煤粉完全間斷級配，制得的水煤漿濃度高，比常規工藝提高8%以上。工藝過程加入分級系統，對煤粉全水要求較高，一般要求煤粉全水不超過15%，且系統操作相對棒磨機系統較為復雜。選擇性破磨制漿工藝采用選擇性破磨機完全替代了棒磨機設備，系統綜合能耗低，無重型設備，投資低。因制備粗粉過程中產生一定量的中間粒級煤粉，成漿濃度稍低，但水煤漿濃度可提高6%～8%。，整個系統簡單易操作，安全性更高。若在工藝中加入分級系統，仍能實現8%的提濃效果，因此選擇性破磨工藝可滿足企業的多元化需求。改造項目工藝可將生產線的棒磨機進行超細研磨，起到了喂料功能，省去該段高細破碎機和選擇性破磨機，負荷和能耗大大降低，且改造投資較低，水煤漿濃度能提高6%～8%。

2.3 研究進展

間斷粒度級配制漿技術中試生產線于2016年6月建成，處理成品漿能力為0.5 t/h，主要由原煤儲存系統、破碎系統、分級系統、磨礦系統以及攪拌存儲等組成。試驗以神華煤為制漿原料，對上述新建工藝(選擇性破磨工藝)和改造工藝進行了系統調試和煤種制漿試驗。在制漿系統流程打通的前提下，對細磨機和棒磨機進行了連續8 h運轉試驗，最終得到成品漿濃度為68%～70%，流態穩定性均較好，且設備能長時間穩定運行。中試試驗結果驗證了基礎理論分析及實驗室結果，說明中試生產線的代表性和可靠性極強，為該工藝示范線的建設及工業化推廣奠定基礎[13]。

3 高濃度水煤漿制備技術展望

我國水煤漿技術不斷創新發展，已由原始單磨機(棒磨機或球磨機)的連續粒度分布制漿工藝(第1代制漿技術)逐步研發出分級研磨連續粒度級配制漿工藝(第2代制漿技術)和間斷粒度級配制漿工藝(第3代制漿技術)，其中分級研磨制漿工藝和間斷粒度級配制漿工藝均以提高水煤漿濃度為目的，得到不同程度推廣應用。

3.1 間斷級配制漿工藝有待工業示范驗證

目前，國家水煤漿中心開發的第2代分級研磨制漿技術推廣應用后發現2個問題:第一是水煤漿濃度提高有限，僅3%左右，其原因是級配欠合理，雖堆積效率較高，但水煤漿濃度不高;第二是該工藝的關鍵設備——超細磨機為立式攪拌磨機，需克服研磨介質質量，磨損和功耗較大。為此，國家水煤漿工程技術研究中心開發了間斷粒度級配高濃度制漿工藝(第3代制漿工藝)，與常規單磨機制漿工藝相比，可使水煤漿濃度提高6%～8%，開發的關鍵設備——臥式細磨機的研磨盤不再克服研磨介質的重力，節能30%～50%。由于第3代制漿工藝開發時間短，有待工業試驗驗證，目前正抓緊工業化示范線的建設。

3.2 制漿用原料煤的多樣化

隨著水煤漿技術的不斷發展，制漿用煤已逐步由成漿性好的中等變質程度的煙煤發展為以低階煤(長焰煤、不黏煤、弱黏煤和褐煤等)為主的難成漿煤種。為提高低階煤的成漿濃度，學者開發了多種制漿工藝，如級配制漿工藝、低階煤制漿前預處理改性工藝等，不同程度提高了水煤漿濃度，但有些煤種如褐煤的成漿濃度仍偏低，還需進行深入研究，實現褐煤的高效利用。我國高變質程度的貧煤、貧瘦煤、無煙煤資源豐富，這些煤種成漿性好，但化學反應活性差，通過研究水煤漿制備新技術，解決高階煤制備的水煤漿活性差的問題。

3.3 工業、生活中廢棄物作為制漿原料

隨著城鎮化建設的加快，市政污水、污泥產量逐年增長，由于缺乏有效處理手段，對環境的污染日益嚴重，急需無害化、減量化的新技術。另外，隨著煤化工行業的發展，化工廢水、焦化廢水等工業廢棄物迅速增長，這些工業廢棄物必須經過嚴格的無害化處理，成本高，處理程序復雜，難以達標，但有一定熱值。將其制漿燃燒或氣化是解決工業、生活廢棄物污染問題的有效途徑。近年來，國內科技工作者進行了多項研發工作[13]。借助于國家科技部工程技術研究中心研發專項和國家高新技術863計劃項目，國家水煤漿工程技術研究中心以工業廢水(如印染廢水、造紙黑液等)、市政污泥等作為制漿原料，進行了污水、污泥性質與污泥改性研究，污水、污泥與煤摻混制漿工藝研究，污水、污泥與煤摻混制漿關鍵設備研究，專用添加劑研究，已取得了一定進展，不僅擴大制漿原料的選擇范圍，降低生產成本，還可實現廢棄物資源的再利用。

3.4 水煤漿燃燒向工業園區和熱電聯產方向發展

隨著國家對環保要求的日益嚴格以及天然氣資源的匱乏，煤炭作為民用供暖、工業用熱及發電在今后很長一段時間仍是我國主要能源，煤炭清潔、高效利用是滿足當前國家對環保要求的前提，因此，水煤漿作為高效潔凈的流體燃料日益受到重視。近年來，水煤漿在電站鍋爐、工業鍋爐、窯爐燃燒取得了成功的工業化推廣應用。但從應用規模來看，由于民用供暖大多是20 t/h小鍋爐，集中度較差，且大多燒散煤。近年來國家水煤漿工程技術研究中心在工業園區大力推廣清潔、高效的煤粉鍋爐，已取得了很大進展。鑒于此，考慮將水煤漿鍋爐引入部分工業園區，根據工業園區的供熱規模建立大型燃料水煤漿制備廠，采用高濃度水煤漿制備技術及節能高效的制漿關鍵設備，將優質燃料水煤漿供給供熱工業園區。這樣既可使水煤漿生產實現規模化、高效化和環保化，也可使燃料水煤漿應用技術得到提升，之后將水煤漿產業向熱電聯產方向發展，實現煤炭高效、節能、環保利用。

4 結 語

近來年，我國水煤漿制備技術不斷創新發展，國家水煤漿工程技術研究中心由原始單磨機(棒磨機或球磨機)的連續粒度分布制漿工藝逐步研發出分級研磨連續粒度級配制漿工藝和間斷粒度級配制漿工藝，使低階煤水煤漿提濃效果不斷提高，最高達6%～8%，制漿關鍵設備也由立式超細磨機升級為能耗更低、操作更簡便的臥式超細磨機。目前，水煤漿仍是國家支持的煤炭清潔、高效利用技術，需對制漿原料煤、工業廢棄物作為制漿原料進行深入研究，以滿足工業園區用熱和煤化工氣化不斷增長的需求;推動水煤漿燃燒向工業園區和熱電聯產方向發展，實現煤炭高效、節能、環保利用。高濃度水煤漿制備技術作為燃料和氣化原料等具有廣泛應用前景。