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本文作者：高宇龍 單位：中國神華煤制油化工有限公司
國內(nèi)水煤漿在電站鍋爐、工業(yè)鍋爐、工業(yè)窯爐中的應(yīng)用已有很多成功的范例［1－5］。近年來，燃燒用水煤漿技術(shù)已被成功移植到氣化水煤漿領(lǐng)域，極大地改善了化工合成企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)，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(yīng)用規(guī)模將保持強勁的增長勢頭。過去10a中國水煤漿技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用已向縱深發(fā)展，如擴大難以制漿煤種的應(yīng)用，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，污泥制漿，燃燒水煤漿技術(shù)向氣化領(lǐng)域移植等［6］。
1擴大制漿煤種
隨著水煤漿技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)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(shù)研究中心對神華煤制取高質(zhì)量分?jǐn)?shù)水煤漿的可行性進行了大量基礎(chǔ)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［7］。神華煤具有低灰、特低硫、中高發(fā)熱量、化學(xué)反應(yīng)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?；医M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(biāo)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(jié)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?jǐn)?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(shù)性突破［8］。目前，神華煤制取燃燒用高質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)水煤漿工藝技術(shù)應(yīng)用情況。
2生物質(zhì)水煤漿研究及應(yīng)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(yán)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(yù)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(yán)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(shù)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［9］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?jǐn)?shù)為64.4%、表觀黏度1200mPa•s、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(jié)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(jié)果表明:鍋爐負(fù)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(lǐng)域推廣燃燒用水煤漿生產(chǎn)技術(shù)
由于原德士古氣化水煤漿制漿技術(shù)難以適應(yīng)中國的煤質(zhì)特性，在提高水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?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(shù)很難達到60%以上的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而影響了氣化技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟指標(biāo)。國家水煤漿工程技術(shù)研究中心對兗礦魯南化肥廠制漿工藝特點進行了技術(shù)分析，并結(jié)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(shù)改造，實現(xiàn)了提濃的預(yù)期目標(biāo)［10］。
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?jǐn)?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(shù)研究中心的分級研磨級配制漿工藝專利技術(shù)。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(jié)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?jǐn)?shù)在煤種、添加劑及用量相同條件下，制漿質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?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(shù)指標(biāo)。
4結(jié)論
近10a來，水煤漿技術(shù)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(yīng)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?jǐn)?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(shù)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。