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(xiàn)梁

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，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(xiàn)梁

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州221166)

由于儲(chǔ)量豐富的低階煤制取水煤漿效果較差的問(wèn)題，介紹了國(guó)內(nèi)通過(guò)熱力改質(zhì)低階煤制取水煤漿研究現(xiàn)狀。通過(guò)脫水干燥和低溫干餾處理低階煤，制得適合工業(yè)應(yīng)用的高品質(zhì)低階煤水煤漿。同時(shí)，水煤漿技術(shù)作為國(guó)內(nèi)潔凈煤技術(shù)之一，是合理應(yīng)用低階煤的途徑，并且較好的緩解由于低階煤燃燒所帶來(lái)的較大的環(huán)境污染壓力。針對(duì)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(duì)低階煤熱力改質(zhì)制取水煤漿前景進(jìn)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(xué)反應(yīng)性好、易燃易碎等特點(diǎn)。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(chǔ)量超過(guò)4650億t，占世界探明煤炭總儲(chǔ)量的40%以上。我國(guó)已探明的低階煤資源儲(chǔ)量在2000億t以上，約占全國(guó)探明煤炭資源儲(chǔ)量的20%，主要分布在新疆和內(nèi)蒙古自治區(qū)[1]。低階煤因?yàn)槊夯潭容^低，直接作為燃料燃燒，不僅燃燒效率低，而且造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(lái)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(jì)80年代，經(jīng)過(guò)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(guó)現(xiàn)階段可以推廣的一項(xiàng)替代燃油、環(huán)境保護(hù)、節(jié)約能源的優(yōu)選技術(shù)。對(duì)于近年來(lái)煤炭市場(chǎng)的低迷狀態(tài)，發(fā)展水煤漿技術(shù)亦對(duì)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(lái)，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者在水煤漿制備技術(shù)方面進(jìn)行了大量的研究，研究重點(diǎn)集中在干法和濕法制水煤漿技術(shù)上，并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)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(duì)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(duì)環(huán)境產(chǎn)生的壓力較大且對(duì)操作者工作強(qiáng)度要求高；濕法制漿工藝流程較為簡(jiǎn)便，對(duì)操作人員的要求不高，且環(huán)境污染小，但對(duì)入料濃度要求較高且不容易獲得較高濃度的水煤漿；關(guān)鍵問(wèn)題在于該法不易控制入料中的大顆粒及雜物而導(dǎo)致水煤漿制取濃度受影響[2]。部分學(xué)者轉(zhuǎn)變思路，從改變?cè)衔锢砗突瘜W(xué)結(jié)構(gòu)方面入手，將低階煤進(jìn)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(shí)驗(yàn)效果。筆者主要介紹了國(guó)內(nèi)低階煤熱力改質(zhì)制水煤漿技術(shù)的現(xiàn)狀，并對(duì)中國(guó)低階煤水煤漿的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)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(jìn)行一定的溫度處理，通過(guò)直接加熱和非直接加熱的方法，對(duì)原料進(jìn)行物理和化學(xué)性質(zhì)的改變，以求得較好的制漿效果。目前，通過(guò)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(guò)直接或間接地?zé)崃總鬏攲崃總鬟f到煤表面，通過(guò)熱量使煤中水分以水蒸氣的形式從煤中散發(fā)出來(lái)，是比較通用的干燥方法，但是該工藝的缺點(diǎn)是在理想情況下達(dá)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(yáng)能干燥、微波干燥和間接加熱干燥工藝等。

對(duì)于非蒸發(fā)干燥技術(shù)，其主要通過(guò)使煤中水分以液態(tài)形式從煤中去除，其主要優(yōu)點(diǎn)有兩點(diǎn)：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(duì)環(huán)境產(chǎn)生的壓力；二是通過(guò)非蒸發(fā)技術(shù)去除了部分溶解性較好的無(wú)機(jī)鹽，從而減少了煤的灰沉積；但是由于溶解在水中的無(wú)機(jī)質(zhì)和有機(jī)質(zhì)在廢水處理中較為繁雜，需確認(rèn)廢水中有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)質(zhì)的成分，給廢水的處理帶來(lái)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(jī)械擠壓脫水技術(shù)和有機(jī)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(guò)程。由于低溫干餾溫度一般在600℃下進(jìn)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(duì)象，憑借流化床干燥器在140℃進(jìn)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(dá)到制漿要求。對(duì)比實(shí)驗(yàn)在相同的制漿條件下進(jìn)行，比較改質(zhì)褐煤和褐煤原煤的成漿效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)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(shí)由于水分的蒸發(fā)，褐煤結(jié)構(gòu)的變化，褐煤的氧含量會(huì)降低，碳含量相應(yīng)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(duì)神華高揮發(fā)分的低階煤進(jìn)行了熱力改性，將煤樣置于管式爐中進(jìn)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(guān)系。實(shí)驗(yàn)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(guò)多次實(shí)驗(yàn)比對(duì)發(fā)現(xiàn)，在改性溫度為300℃時(shí)，2種煤樣成漿效果均最好，經(jīng)過(guò)熱力改性后，不黏煤和長(zhǎng)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(guó)內(nèi)部分學(xué)者同時(shí)借助非蒸發(fā)干燥手段對(duì)低階煤進(jìn)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(guó)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(xué)者針對(duì)我國(guó)低階煤的利用現(xiàn)狀，不斷開(kāi)發(fā)、引進(jìn)較為先進(jìn)的技術(shù)從而大大提升低階煤的利用效率。黑龍江科技學(xué)院引進(jìn)美國(guó)的褐煤熱水干燥技術(shù)(HWD)，結(jié)合我國(guó)褐煤的物理化性質(zhì)，經(jīng)過(guò)對(duì)該干燥技術(shù)的改造，開(kāi)發(fā)了適合我國(guó)褐煤制取水煤漿的技術(shù)。經(jīng)過(guò)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(chǔ)和運(yùn)輸提供了可行的處理方式。實(shí)驗(yàn)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(duì)幾種代表性的褐煤進(jìn)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(shí)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(shí)采用低溫干餾實(shí)驗(yàn)方法對(duì)低階煤進(jìn)行熱力改質(zhì)，并在實(shí)驗(yàn)室階段取得較好的實(shí)驗(yàn)效果。

宋彬彬[7]以小龍?zhí)逗置鹤鳛檠芯繉?duì)象，利用自行設(shè)計(jì)的固定床熱解實(shí)驗(yàn)裝置在惰性氣體保護(hù)下對(duì)小龍?zhí)逗置涸?50～450℃ 進(jìn)行低溫?zé)峤?。?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(tuán)含量降低。以熱解之后的褐煤作為原料進(jìn)行水煤漿的制備，實(shí)驗(yàn)表明：小龍?zhí)睹涸诩訜?50℃、時(shí)間1.5 h和攪拌強(qiáng)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(yīng)釜對(duì)小龍?zhí)逗置汉?、印尼褐煤進(jìn)行非蒸發(fā)水熱脫水并對(duì)其成漿性進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)表明水熱反應(yīng)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(shuō)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(dòng)性和穩(wěn)定性等因素，確定反應(yīng)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?duì)象，利用自行設(shè)計(jì)的低溫干餾反應(yīng)器對(duì)小龍?zhí)逗置哼M(jìn)行低溫干餾，探討了干餾半焦的成漿性能，并對(duì)原煤與半焦進(jìn)行配比制水煤漿進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:550℃干餾半焦制得的水煤漿濃度最高(達(dá)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(dá)到國(guó)家水煤漿質(zhì)量3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

劉明強(qiáng)等[10]以內(nèi)蒙古錫盟褐煤為研究對(duì)象，通過(guò)HMX1700-30型氣氛爐對(duì)煤樣進(jìn)行低溫?zé)峤馓豳|(zhì)，改質(zhì)后的褐煤比表面積和孔容積呈減小趨勢(shì)，降低水含量且促進(jìn)親水含氧基團(tuán)的分解，降低揮發(fā)分的含量。制漿實(shí)驗(yàn)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(dá)66.78%，且熱解終溫越高，定黏濃度越大，表明高熱解終溫對(duì)半焦成漿性的提高更有利。

對(duì)低階煤進(jìn)行低溫干餾處理進(jìn)行改質(zhì)，不僅脫除了煤內(nèi)在水分，同時(shí)由于干餾溫度相對(duì)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(yǔ)

我國(guó)低階煤儲(chǔ)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(fèi)，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(guó)內(nèi)的學(xué)者針對(duì)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(guò)多年的發(fā)展取得了一定的效果。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于熱力改質(zhì)后的低階煤進(jìn)行水煤漿制備大多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，在實(shí)驗(yàn)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(shè)備，故而進(jìn)行廣泛的工業(yè)化推廣還需進(jìn)一步研究。但是，根據(jù)多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(guān)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(jìn)行技術(shù)升級(jí)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(chǎng)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(guó)礦業(yè)大學(xué),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(xiàn)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(qiáng),等.提高印尼褐煤成漿性的試驗(yàn)研究[A].2008年全國(guó)水煤漿技術(shù)推廣工作會(huì)議[C].2008:26-28.

[5]顧小愚.改善神華低階煤成漿性的試驗(yàn)研究[J].煤炭科學(xué)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(chǔ)研究[D].杭州:浙江大學(xué),2013.

[7]宋彬彬.褐煤低溫?zé)岣馁|(zhì)及成漿性能研究[D].大連:大連理工大學(xué),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(xué)報(bào),2009,60(6):1560-1567.

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

[10]劉明強(qiáng),劉建忠,王睿坤,等.熱解溫度對(duì)褐煤半焦成漿特性影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),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(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院學(xué)生，主要從事化學(xué)工程與工藝。

TQ536.1

A

1001-9677(2016)06-0025-03