水煤漿制備、應(yīng)用現(xiàn)狀及其新進(jìn)展

徐 彤，何國鋒，李 磊

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013)

0 引 言

我國“富煤缺油少氣”的能源結(jié)構(gòu)使得煤炭在能源消費(fèi)中占據(jù)主要地位。自改革開放以來，我國國民經(jīng)濟(jì)與煤炭發(fā)展息息相關(guān)，煤炭支撐國內(nèi)生產(chǎn)總值實(shí)現(xiàn)年均9%以上的速度增長[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年全年能源消費(fèi)總量49.8億t標(biāo)準(zhǔn)煤，煤炭消費(fèi)量增長0.6%，煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的56.8%[2]，短期內(nèi)我國以煤炭為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不會(huì)改變，實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效利用具有重要意義。

水煤漿由60%～70%煤，30%～40%水及0.1%～1.0%添加劑組成，既保留了煤的燃燒特性，又具備了類似重油的液態(tài)燃燒應(yīng)用特點(diǎn)[3]，是良好的清潔燃料和氣化原料。研究發(fā)現(xiàn)，燃燒水煤漿可顯著降低NOx排放，添加脫硫劑后在燃燒中具有脫硫效果，燃燒效率均在98%以上；在我國石油對(duì)外依存度超70%的形勢(shì)下，開發(fā)煤代油技術(shù)十分重要，2 t左右水煤漿相當(dāng)于1 t重油的發(fā)熱量，相較于燃油可降低成本，具有環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)[4-8]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國燃料水煤漿使用量達(dá)3 000 t/a，氣化水煤漿使用量已超2億t，我國已成為世界上水煤漿技術(shù)領(lǐng)先的國家[9]。未來水煤漿仍具有廣闊的發(fā)展前景。

筆者結(jié)合水煤漿的影響因素著重介紹了水煤漿的制備及研究現(xiàn)狀，介紹了水煤漿作為清潔燃料的應(yīng)用以及3種典型的水煤漿氣化技術(shù)，并針對(duì)當(dāng)前水煤漿技術(shù)存在的問題對(duì)未來進(jìn)行展望。

1 水煤漿的制備及研究現(xiàn)狀

具有工業(yè)價(jià)值的水煤漿應(yīng)具備以下特點(diǎn)[10-14]：① 高濃度。水煤漿濃度高則熱值高有利于燃燒和氣化。② 低黏度。工業(yè)上一般用表觀黏度ηa評(píng)定煤漿黏度。一般要求水煤漿在常溫及剪切速率100 s-1下，表觀黏度在((1 000～1 200)±200)mPa·s。黏度過低，煤漿易分層穩(wěn)定性差；黏度過高管道阻力增大，不利于泵送和霧化。③ 良好的穩(wěn)定性和流變特性。水煤漿是固液兩相流體，具有“剪切變稀”的假塑性流體特征即流變特性。穩(wěn)定性則指存放時(shí)不產(chǎn)生經(jīng)機(jī)械攪拌無法恢復(fù)的硬沉淀。良好的穩(wěn)定性和流變特性便于水煤漿存儲(chǔ)和泵送，能有效防止霧化堵塞噴嘴，在水煤漿工業(yè)應(yīng)用中具有重要意義。而影響水煤漿制備的主要因素有原料煤煤質(zhì)、添加劑、級(jí)配技術(shù)(制漿工藝)。

1.1 原料煤煤質(zhì)對(duì)水煤漿性能的影響

煤是水煤漿的重要組成部分，煤的性質(zhì)是決定水煤漿性質(zhì)的關(guān)鍵因素。研究表明，煤階越低、內(nèi)在水分越高、煤中氧碳比越高、親水官能團(tuán)越多、孔隙越發(fā)達(dá)、可磨性指數(shù)HGI越小、煤中所含可溶性高價(jià)金屬離子越多，煤制漿難度就越大[15]。主要是因?yàn)槊弘A低，煤中碳含量少、煤化程度低，羰基和脂肪族碳增加即含氧親水官能團(tuán)更多，因此氧碳比更高，隨著親水官能團(tuán)的增加，煤的親水性增加，自由水減少，黏度增加，進(jìn)而導(dǎo)致成漿性變差；煤階越低，煤的孔隙越發(fā)達(dá)，分散劑能夠與其發(fā)生吸附，減少了煤顆粒對(duì)分散劑的吸附，導(dǎo)致成漿性下降；HGI小說明相同粒度分布下，水煤漿中細(xì)粒變少，不利于成漿[16]。

尉遲唯等[17]通過考察我國24種不同地區(qū)、不同變質(zhì)程度煤制備的水煤漿，發(fā)現(xiàn)褐煤成漿性差，不滿足制漿要求，但有較好的流變性和穩(wěn)定性。較低或較高變質(zhì)程度的煤一般具有較好的穩(wěn)定性。張成聯(lián)和涂亞楠[18]將蒙東褐煤經(jīng)105 ℃干燥3 h，發(fā)現(xiàn)影響煤成漿性的機(jī)理因素為煤孔隙率和表面特性。

張紀(jì)芳[19]使用11種煙煤、無煙煤在相同條件下制備水煤漿，發(fā)現(xiàn)隨變質(zhì)程度提高，極性基團(tuán)減少，成漿性能也越好。但成漿性能好的煤穩(wěn)定性較差，與煤質(zhì)特性有很大關(guān)系。變質(zhì)程度高，含氧官能團(tuán)減少，芳環(huán)結(jié)構(gòu)增多，結(jié)構(gòu)較緊密，自由水不易進(jìn)入煤的孔隙，成漿性能好。

因此，水煤漿發(fā)展之初，制漿煤種以煉焦煤、氣煤、肥煤為主。但隨著中等變質(zhì)煤種資源的緊張和煤價(jià)攀升，拓寬水煤漿原料煤種對(duì)水煤漿產(chǎn)業(yè)化發(fā)展十分重要。

低階煤在我國儲(chǔ)量豐富，約占全國已探明煤炭儲(chǔ)量的55%以上，尤其是褐煤儲(chǔ)量達(dá)1 300億t以上，約占全國煤炭總資源量的13%，主要分布在我國內(nèi)蒙古東部、云南等地[20-21]。褐煤因熱值低，長距離運(yùn)輸易自燃、內(nèi)水含量高、孔隙大不利于制備高濃度水煤漿，目前主要通過配煤制漿和褐煤改性制漿來改善低階煤的成漿性。

配煤即利用不同變質(zhì)程度的煤摻混配置水煤漿，可以有效改善煤的成漿性能，提高難成漿煤種的成漿性。尹洪清等[22]針對(duì)神木煤的難成漿特性，配入開陽煤發(fā)現(xiàn)制備的水煤漿仍呈假塑性流體特性，煤漿黏度降低，流動(dòng)性顯著提高。胡亞軒[23]發(fā)現(xiàn)配煤水煤漿和單煤水煤漿都具有剪切變稀的性質(zhì)，煤種配比不同使配煤成漿濃度出現(xiàn)波動(dòng)。成漿性好的煤種可有效提高成漿性差的煤種的成漿性。表面疏水性對(duì)成漿性有重要影響，表面疏水性強(qiáng)的煤種含量增加可以改善配煤成漿性。但煤成漿濃度隨配煤比例呈非線性變化。配煤過程中煤種選擇及配比都可能影響配煤水煤漿的成漿性[19,24]。

褐煤改性制漿主要有水熱改性和熱解改性。水熱處理[25]即模擬自然界煤化過程，煤、水在高溫高壓下，褐煤的微孔結(jié)構(gòu)收縮坍塌，親水官能團(tuán)分解，不可逆地除去煤中內(nèi)在水，疏水性增強(qiáng)從而提高成漿性。吳君宏[26]用水熱法對(duì)小龍?zhí)逗置哼M(jìn)行提質(zhì)處理后，O/C比減小、煤階提高、親水性改善，水煤漿濃度達(dá)到61.94%，提高了17.85%，黏度降低但仍保持剪切變稀的假塑性流體特征，穩(wěn)定性改善。

褐煤熱解提質(zhì)是利用煤中有機(jī)物的熱不穩(wěn)定性，在無氧或缺氧環(huán)境下進(jìn)行加熱降解[27]。褐煤可通過低溫干餾的方式將約3/4原煤熱值集中于半焦從而實(shí)現(xiàn)提質(zhì)。褐煤長焰煤等低階煤適合低溫干餾加工，顏艷東[28]以小龍?zhí)逗置旱蜏馗绅s制得的半焦制備水煤漿，發(fā)現(xiàn)成漿濃度由原來的48.85%提升至66.51%，但流動(dòng)性和穩(wěn)定性較原煤變差。通過原煤與半焦混配制漿雖濃度下降但仍在60%以上，且穩(wěn)定性有效改善。

可通過表面改性改變煤粒表面特性來增強(qiáng)其疏水性，達(dá)到改善褐煤成漿性的目的。柳金秋等[29]將蒙東勝利褐煤用陰離子石蠟乳液包覆改性后，表面無機(jī)鹽和含氧官能團(tuán)含量明顯降低，疏水性增強(qiáng)，大孔被石蠟填充形成中孔和微孔。成漿濃度達(dá)到60%以上，黏度降低穩(wěn)定性提高。

微波處理法相比水熱處理起步較晚，國內(nèi)處于研究初期但更高效快捷。涂亞楠[30]研究發(fā)現(xiàn)空氣氛圍的微波照射能使煤顆粒比孔容、比表面積下降，有利于成漿，2 min輻射時(shí)間可提高濃度1%，10 min可提高2%；化學(xué)改性法是一種新興方法，郭晶等[31]將伊犁煤用陽離子烷基烯酮二聚體(AKD)乳液包覆，發(fā)現(xiàn)AKD分子在煤表面發(fā)生吸附，疏水性增強(qiáng)，AKD用量為1.5%時(shí)降黏效果最佳，成漿濃度達(dá)61.20%，穩(wěn)定性提高。但由于所用AKD改性劑帶正電，萘磺酸鹽分散劑帶負(fù)電，可能導(dǎo)致分散性能降低。張光華等[32]制備出陰離子、非離子AKD改性劑對(duì)伊犁煤進(jìn)行改性。發(fā)現(xiàn)煤粒間靜電斥力增強(qiáng)、分散劑吸附量增加，制備的水煤漿均表現(xiàn)出剪切變稀的流變特性、穩(wěn)定性進(jìn)一步改善。非離子AKD改性劑制備的水煤漿成漿性更好，陰離子AKD改性劑制備的水煤漿穩(wěn)定性更好。

1.2 添加劑對(duì)水煤漿性能的影響

煤不易被水潤濕，水煤漿粒度要求小，易自發(fā)凝結(jié)，使煤水分離產(chǎn)生硬沉淀。水煤漿添加劑對(duì)于改善漿體性質(zhì)具有重要作用，按使用功能分類主要分為分散劑、穩(wěn)定劑、輔助藥劑3大類。

根據(jù)分散劑在水中的解離離子電性，可分為陰離子型、陽離子型、兩性型和非離子型。其作用機(jī)理為[33-35]：① 潤濕作用。分散劑分子為兩親分子，疏水端吸附在煤粒表面，親水端伸向水中，形成一層水化膜，改變煤顆粒表面的疏水性。水化膜將煤粒隔開從而達(dá)到降黏作用。② 靜電斥力作用。煤顆粒表面帶負(fù)電性，加入分散劑使煤顆粒表面產(chǎn)生靜電斥力，并大于煤粒間的范德華力。使煤粒不發(fā)生團(tuán)聚均勻分散在漿體中。③ 空間位阻效應(yīng)。當(dāng)分散劑為大分子時(shí)，煤表面會(huì)形成煤粒、分散劑分子親水鏈、水分子構(gòu)成的三維水化膜。煤粒相互靠近，三維水化膜受擠壓變形具有一定彈性并試圖恢復(fù)原狀，使煤粒不能團(tuán)聚穩(wěn)定懸浮在水中。林嬌艷[5]研究了3種分散劑對(duì)錫盟褐煤、大同煙煤和平頂山煤的作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)3種分散劑的加入均使低階錫盟褐煤接觸角不同程度增大，煤階較高的大同煙煤與平頂山煤接觸角變小，主要是由于褐煤含氧官能團(tuán)較多，親水性較強(qiáng)，分散劑的加入削弱其親水性，對(duì)于大同煙煤和平頂山煤則增強(qiáng)了煤顆粒表面的親水性；隨著煤階提高，Zeta電位絕對(duì)值降低，主要是煤階越低煤表面能電離出的電荷更多，穩(wěn)定性更好，分散劑的加入提高了3種煤的表面電位，有利于煤粒間的靜電斥力，使煤顆粒表面水化膜增厚，分散效果更好，但添加量為1%時(shí)電位變化趨緩且有所下降；分散劑的加入還能降低漿體表面張力，隨著漿體濃度的增加表面張力值先減后增。

穩(wěn)定劑在水煤漿運(yùn)輸、儲(chǔ)存中發(fā)揮著重要作用。穩(wěn)定劑使已分散的固體顆粒相互交聯(lián)形成空間結(jié)構(gòu)，使水煤漿存放時(shí)具有高黏度，流動(dòng)時(shí)外力破壞了空間結(jié)構(gòu)使水煤漿具有良好的流動(dòng)性，有效避免了硬沉淀的產(chǎn)生[35]。穩(wěn)定劑主要是一些無機(jī)礦物質(zhì)高分子有機(jī)化合物。崇立芹[36]利用印染退漿廢水制備水煤漿，研究了淀粉、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酰胺(PAM)3種漿料與堿法退漿廢水、氧化退漿廢水對(duì)水煤漿性能的影響，這些高分子有機(jī)化合物中的—OH、—NH2等基團(tuán)在水溶液中易與煤粒發(fā)生鍵合，在煤粒間架橋形成三維結(jié)構(gòu)，有效防止顆粒沉淀，起到穩(wěn)定劑的作用。3種漿料對(duì)水煤漿黏度的影響為PVA>PAM>淀粉。

輔助藥劑主要有消泡劑、pH調(diào)節(jié)劑、乳化劑等。WANG等[37]發(fā)現(xiàn)添加低濃度堿性溶液使水煤漿游離水含量增加、極性降低，有利于成漿。但隨著堿溶液濃度的提高，水煤漿黏度增加，Zeta電位降低，成漿難度增加，該研究有助于確定可用于制備水煤漿的廢水類型及濃度。

加入添加劑雖能改變煤顆粒的表面特性使其更利于成漿，但添加劑吸附量達(dá)到某一值時(shí)則不再吸附[5]，繼續(xù)加入反而不利于成漿，因此實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)在保證漿體性能最優(yōu)的情況下，選擇最低的添加劑用量。目前水煤漿添加劑中分散劑研究較多，其中兩性離子型添加劑在市場上不多見，齊晶晶和張光華[38]以α-甲基丙烯酸、丙烯磺酸鈉、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨為原料，設(shè)計(jì)合成一種兩性離子分散劑，降黏效果優(yōu)于陰離子分散劑，漿體假塑性、穩(wěn)定性增強(qiáng)，合成時(shí)陽離子單體質(zhì)量占α-甲基丙烯酸和丙烯磺酸鈉總質(zhì)量的25%時(shí)，漿體表現(xiàn)出最好的流變特性，且漿體表觀黏度最低。葛磊[39]以腐植酸(HA)、烯丙基磺酸鈉(SAS)、二甲基二烯丙基氯化銨(DMDAAC)為原料，過硫酸鉀為引發(fā)劑制備出兩性型水煤漿添加劑HSC，其所制備的水煤漿降黏效果、穩(wěn)定性優(yōu)于陰離子型添加劑及NSF(萘磺酸鹽縮合物分散劑)，引入金屬離子可增強(qiáng)制得水煤漿穩(wěn)定性但不利于流動(dòng)；因煤表面帶負(fù)電，少量陽離子型分散劑效果不明顯，且價(jià)格昂貴，相關(guān)研究較少；而陰離子型添加劑和非離子分散劑相較于陽離子型和兩性離子型添加劑因效果穩(wěn)定、價(jià)格較低被廣泛使用，蘇毅和朱書全[40]以不同烷基碳原子數(shù)的烷基酚聚氧乙烯醚(APEO)非離子型分散劑對(duì)5種不同變質(zhì)程度的原煤進(jìn)行制漿試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其均具有不同成漿能力，壬烷基酚聚氧乙烯醚和十二烷基酚聚氧乙烯醚的成漿性能較好。影響APEO成漿性能的因素主要有烷基鏈的長度、環(huán)氧乙烷EO加成數(shù)等。張安琪等[41]以烯丙基聚氧乙烯醚(APEG)和苯乙烯磺酸鈉為原料，過硫酸鉀(K2S2O8)為引發(fā)劑合成了新型水煤漿添加劑，神府煤水煤漿濃度達(dá)70%，黏度為968.33 mPa·s，有良好的分散效果。目前市場上應(yīng)用最多的添加劑是陰離子型添加劑，其中由石油產(chǎn)品合成的添加劑(如萘系)具有價(jià)格昂貴、原料短缺等問題，制約著水煤漿的發(fā)展，木質(zhì)素和腐植酸作為生物質(zhì)資源具有來源廣泛、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，以生物質(zhì)資源為原料開發(fā)水煤漿添加劑具有深遠(yuǎn)意義。

王國房[42]將木質(zhì)素與丙酮、亞硫酸鈉、甲醛進(jìn)行反應(yīng)改性，確定了最佳合成參數(shù)。通過成漿性試驗(yàn)制備的添加劑分散性能優(yōu)于萘系、脂肪族添加劑，且成本下降20%以上。段藝萍[43]將木質(zhì)素進(jìn)行磺化改性制得改性木質(zhì)素?；撬岣鶊F(tuán)具有親水性能，芳香基團(tuán)具有親煤性能，2者同時(shí)作用增強(qiáng)了水煤漿的流動(dòng)性和穩(wěn)定性，且價(jià)格更低。

吳江[44]以腐植酸為主體通過聚合反應(yīng)制備出2種不同的分散劑，腐植酸和煤表面的羥基、羧基與水形成氫鍵吸附在煤表面；煤帶正電區(qū)域也可與帶負(fù)電的磺酸根有效吸附，大分子的分散劑吸附在煤表面導(dǎo)致煤顆粒表面比表面積增大、平均孔徑減小，聚合引入的大量磺酸基團(tuán)解離出磺酸根使Zeta電位顯著增大，分散性和穩(wěn)定性增強(qiáng)。但金屬離子濃度越高，價(jià)態(tài)越高時(shí)水煤漿表現(xiàn)出輕微剪切變稠的趨勢(shì)。隋明煒等[45]將腐植酸、丙烯酰胺和烯丙醇聚氧乙烯醚通過水溶液聚合的方式制備出新型水煤漿添加劑。熱重分析表明，該添加劑高溫下分解率低、熱穩(wěn)定性增強(qiáng)，由于磺化接枝后的腐植酸型分散劑具有多個(gè)酰胺基，磺酸基靜電斥力增強(qiáng)，分散性能提高，流變性和穩(wěn)定性得到改善。

水煤漿添加劑煤種適應(yīng)性差，可通過不同特性添加劑復(fù)配的方法達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高煤種適應(yīng)性。劉銘[46]基于萘系添加劑與不同離子型添加劑復(fù)配，研究發(fā)現(xiàn)二元復(fù)配煤種適應(yīng)性強(qiáng)、成漿濃度提高。復(fù)配添加劑降低了煤的比表面積和總孔容積；在潤濕分散性和吸附性能上表現(xiàn)優(yōu)異。煤表面官能團(tuán)對(duì)成漿濃度影響為：芳環(huán)>甲基(亞甲基)>羥基>醚鍵。而三元復(fù)配效果不明顯。

1.3 制漿工藝(級(jí)配方式)對(duì)水煤漿性能的影響

級(jí)配要求物料粒度分布合理，不同粒徑的顆粒相互填充，減少空隙，提高堆積效率，從而提高水煤漿的濃度。粒度過小導(dǎo)致比表面積增大，水化膜占比增大導(dǎo)致自由水減少不利于成漿；粒度過大則導(dǎo)致水煤漿不具備漿態(tài)特征，穩(wěn)定性變差[47]。

國內(nèi)制漿技術(shù)已趨于成熟，主要包括干法制漿工藝、濕法制漿技術(shù)和干濕聯(lián)合制漿工藝。干法制漿即先將原煤磨到一定粒度再與水、添加劑混合均勻制備水煤漿；濕法制漿技術(shù)是將水、煤炭、添加劑按比例同時(shí)加入磨機(jī)，經(jīng)攪拌等工序制備水煤漿；干法和濕法聯(lián)合制漿是將一部分通過干法研磨的物料用濕法進(jìn)一步研磨，然后與干法研磨的物料、水、添加劑混合攪拌均勻，制得水煤漿樣品。與濕法相比，干法的堆積效率低，磨煤時(shí)新生表面易被氧化導(dǎo)致成漿性降低；濕法工藝密閉無粉塵，固、液污染物零排放，因此除實(shí)驗(yàn)室外均采用濕法制漿工藝。目前濕法制漿工藝由第1代制漿工藝(單棒/球磨機(jī)制漿工藝)，發(fā)展成為第2代雙峰級(jí)配煤漿提濃工藝和第3代三峰級(jí)配煤漿提濃工藝。

第1代制漿工藝(單棒/球磨機(jī)制漿工藝)如圖1所示，目前國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)采用此工藝，工藝流程簡單、投資較少，但煤顆粒粒度分配不合理導(dǎo)致水煤漿濃度低、粒度偏粗。該工藝早期適用于變質(zhì)程度較高、成漿性好的煤種，隨著原料煤煤種拓寬，該工藝已不適合用于低階煤制備水煤漿。

圖1 第1代制漿工藝(單棒/球磨機(jī)制漿)流程

針對(duì)第1代制漿工藝存在的問題，第2代雙峰級(jí)配煤漿提濃工藝引入“多破少磨”、“分級(jí)研磨”超細(xì)漿返磨和“優(yōu)化級(jí)配”的制漿理念將選擇性粗磨與超細(xì)研磨有機(jī)組合(圖2)[48]。相比第1代制漿工藝拓寬了原料煤煤種、提高了制漿濃度、有效改善水煤漿流動(dòng)性和穩(wěn)定性。該工藝制備的細(xì)粒集中在30～45 μm，雖優(yōu)化了粒度級(jí)配和堆積效率，但煤漿濃度提升幅度有限(僅3%)，粒度分布仍不合理。

圖2 第2代雙峰級(jí)配煤漿提濃工藝流程

第3代三峰級(jí)配煤漿提濃工藝如圖3所示，在水煤漿中加入細(xì)漿(30 μm)、超細(xì)漿(5 μm)來提高水煤漿濃度、流動(dòng)性、霧化性能實(shí)現(xiàn)水煤漿三峰分形級(jí)配[49]。該工藝堆積效率進(jìn)一步提高，對(duì)褐煤等成漿性差的煤種仍適用，可將煤漿濃度提高4%～6%。

圖3 第3代三峰級(jí)配煤漿提濃工藝流程

在實(shí)際應(yīng)用中不同制漿工藝技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見表1，第3代三峰級(jí)配提濃工藝各項(xiàng)指標(biāo)明顯提高。不同制漿工藝核心點(diǎn)在于不斷提高顆粒的堆積效率，通過改善顆粒粒度分布達(dá)到煤漿提濃的目的，成為低階煤提濃的主流技術(shù)。

表1 工藝技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

現(xiàn)有制漿工藝無法從根本上改變棒磨機(jī)制漿粒度分布特點(diǎn)，粒度級(jí)配和濃度提升有限，且細(xì)漿研磨系統(tǒng)增加了制漿成本。蔣斌斌[50]提出一種新型制漿工藝如圖4所示，先將原煤粗碎，粗碎粒度小于6 mm，將粗碎后的煤顆粒細(xì)碎至小于3 mm；細(xì)碎過程中加入水和添加劑并與原煤預(yù)先混合后泵送入成漿反應(yīng)器，通過高壓細(xì)化裝置成漿后對(duì)漿體攪拌和剪切并加入穩(wěn)定劑；最后用過濾裝置除去雜物制得可靠的漿體。該工藝經(jīng)過兩級(jí)破碎最大程度遵循多破少磨的原則，使用成漿反應(yīng)器等高壓細(xì)化技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水煤漿專用磨機(jī)使物料瞬間破碎、鈍化，有利于漿體細(xì)化、改善流動(dòng)性。該工藝在制漿過程中能顯著降低噸漿電耗，從而降低制漿成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)、節(jié)能效益。

圖4 新型制漿工藝流程[43]

陳浩[51]針對(duì)新疆淮東煤成漿濃度低的問題通過間斷級(jí)配方式提高成漿濃度。間斷級(jí)配即盡可能放大粗顆粒粒度，減小細(xì)煤粉粒度，使粗煤粉的最小粒徑與最大粒徑有間斷，使細(xì)煤粉完全填充到粗煤粉中。水煤漿復(fù)合流中細(xì)顆粒的加入能加強(qiáng)粗顆粒間的充填與潤滑作用，減少摩擦阻力，使顆粒沉降速度降低、流動(dòng)性提高，但增黏效果明顯，需限制加入量。在對(duì)比連續(xù)級(jí)配與間斷級(jí)配成漿效果后，新工藝較分級(jí)研磨工藝提高濃度4個(gè)百分點(diǎn)。

2 水煤漿的應(yīng)用

水煤漿是清潔燃料和氣化原料，燃燒方式分為霧化懸浮燃燒、流化懸浮燃燒2種，主要用于電站鍋爐、中小工業(yè)鍋爐、陶瓷等建材領(lǐng)域；氣化水煤漿使用量已超過2億t，用于煤化工領(lǐng)域，通過水煤漿加壓氣化技術(shù)合成氨、甲醇、二甲醚、烯烴等[52-53]。

2.1 燃料水煤漿的應(yīng)用

我國水煤漿開發(fā)初期主要應(yīng)用于電站鍋爐、工業(yè)鍋爐。山東白羊河電廠、廣東茂名熱電廠、北京燕山石化第三熱電廠等蒸發(fā)量176～670 t/h的鍋爐曾長期燃用水煤漿，汕頭萬豐熱電廠2號(hào)爐將燃油的鍋爐直接改燒水煤漿[54]。在水煤漿中加入脫硫劑可降低SO2排放；水煤漿所含水分可降低火焰溫度、減少熱力型NOx的生成，且水分在水煤漿燃燒和傳熱中起到助燃和增強(qiáng)傳熱的輔助作用，從而彌補(bǔ)水相變所需的汽化潛熱損失，使其具有較高的燃燒效率和熱效率；煤炭價(jià)格較燃油、燃天然氣低，可節(jié)約成本[55]。實(shí)際應(yīng)用中水煤漿燃燒效率接近燃油水平，達(dá)99%以上，鍋爐效率可達(dá)90%以上，負(fù)荷調(diào)節(jié)40%～100%均可穩(wěn)定燃燒，煙塵、SO2排放濃度均符合國家排放標(biāo)準(zhǔn)，約2 t水煤漿可代替1 t重油的發(fā)熱量，經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、節(jié)能效益明顯。但隨著國家淘汰落后機(jī)組，部分電站鍋爐被淘汰，僅有廣東汕頭萬豐熱電廠等幾臺(tái)鍋爐仍在運(yùn)行。

隨著環(huán)保要求日益嚴(yán)格，限制散煤使用，中小工業(yè)鍋爐需尋找替代燃料滿足生產(chǎn)需要。水煤漿替代既可以降低成本，減輕企業(yè)負(fù)擔(dān)，同時(shí)滿足環(huán)保要求。

陶瓷作為高耗能行業(yè)，燃料費(fèi)用占生產(chǎn)成本比例高。陶瓷生產(chǎn)多采用噴霧制粉，使用柴油、重油作為燃料，雖燃油技術(shù)成熟、易操作，但我國石油資源有限且價(jià)格昂貴；燃煤又面臨著污染超標(biāo)、生產(chǎn)操作復(fù)雜、穩(wěn)定性差等問題；而水煤漿技術(shù)具有投資相對(duì)較少、占地少、成本低、污染較低等優(yōu)點(diǎn)，且技術(shù)日趨成熟，在廣東、山東、內(nèi)蒙古等地的陶瓷企業(yè)越來越受到重視[56]。

清華大學(xué)與青島特利爾環(huán)保股份有限公司于2016年合作的新型水煤漿循環(huán)流化高效清潔燃燒技術(shù)居于國內(nèi)領(lǐng)先水平，熱效率大于90%、脫硫率達(dá)95%、可超低排放標(biāo)準(zhǔn)小于50 mg/m3。該技術(shù)將流態(tài)重構(gòu)理論與傳統(tǒng)水煤漿燃燒技術(shù)結(jié)合，投資少，運(yùn)行成本低，節(jié)能效果明顯。與燃煤鍋爐相比，顯著提高了熱效率，降低了電耗和NOx、SO2排放，水煤漿儲(chǔ)運(yùn)采用罐裝、泵送實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)水煤漿與城市污泥耦合焚燒，實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)污泥無害化處理[57]。

2.2 氣化水煤漿的應(yīng)用

煤氣化技術(shù)作為煤化工行業(yè)的龍頭是實(shí)現(xiàn)煤炭高效清潔利用的核心技術(shù)之一，根據(jù)反應(yīng)器類型不同，煤氣化可分為固定床氣化技術(shù)、流化床氣化技術(shù)、氣流床氣化技術(shù)。氣流床氣化技術(shù)因煤種適應(yīng)性強(qiáng)、氣化溫度、強(qiáng)度高而備受關(guān)注；按照進(jìn)料方式可分為水煤漿氣化和煤粉氣化[58]。實(shí)踐證明水煤漿氣化具有煤種適應(yīng)范圍廣、長周期穩(wěn)定、效率高、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)[59]。最具代表性的水煤漿氣化技術(shù)有德士古氣化技術(shù)、多噴嘴對(duì)置式氣化技術(shù)、晉華爐氣化技術(shù)。

2.2.1德士古氣化技術(shù)

德士古氣化技術(shù)是水煤漿進(jìn)料的加壓氣流床工藝，1977年德國魯爾化學(xué)公司和魯爾煤炭公司取得專利并建成日處理煤150 t示范工廠。20世紀(jì)80年代末我國開始引進(jìn)水煤漿技術(shù)，1993年在魯南化肥廠建成并運(yùn)行了第1套Texaco氣化制氨示范裝置[60]。

1 300～1 500 ℃、3～7 MPa時(shí)，水煤漿與氧氣混合通過噴嘴，霧化后高速噴入氣化爐[61]。在爐內(nèi)受耐火襯里的高溫輻射作用，迅速經(jīng)歷預(yù)熱、水分蒸發(fā)、煤干餾、揮發(fā)物裂解燃燒、碳?xì)饣葟?fù)雜的物理、化學(xué)過程，最終生成以CO、H2、CO2和水蒸氣為主的濕煤氣及熔渣，濕煤氣及熔渣一起進(jìn)入氣化爐底部急冷室水浴，熔渣被淬冷、固化截留在水中，落入渣罐定時(shí)排放，煤氣和所含飽和蒸汽進(jìn)入煤氣冷卻凈化系統(tǒng)。

德士古氣化工藝[62-63]單爐生產(chǎn)能力大、碳轉(zhuǎn)率達(dá)94%～98%，氣化效率較高；制得煤氣甲烷及烴類含量低，適于用作合成氣；原料煤種較寬能處理煙煤、無煙煤和黏結(jié)性煤等；相較于煤粉進(jìn)料，水煤漿可通過高壓泵進(jìn)料，更安全易于控制；氣化爐設(shè)計(jì)簡單、操作可靠性高，負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)，可在短時(shí)間內(nèi)提高負(fù)荷，更易于負(fù)荷變更調(diào)整，三廢少易處理，可考慮使用排出廢水制備水煤漿。但氧耗高，耐火磚及噴嘴壽命短需定期更換，導(dǎo)致投資加大、單噴嘴煤漿通量不能太大，會(huì)影響氣化爐整體效率。

該技術(shù)最早實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)并被許多國家采用，山東魯南化肥廠、上海焦化廠、渭河煤化工基團(tuán)、中國石化南化公司等都引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)，單爐投煤量450～1 500 t/d，氣化壓力為2.8～8.7 MPa。截至2015年德士古氣化技術(shù)在我國應(yīng)用達(dá)133臺(tái)[64]。

2.2.2晉華爐氣化技術(shù)

2003年，陽煤集團(tuán)與清華大學(xué)合作開發(fā)的第1代熔渣-非熔渣分級(jí)氣化爐開工建設(shè)，2006年一次開車成功；在第1代成功應(yīng)用基礎(chǔ)上2009年第2代水煤漿水冷壁氣化爐在陽煤豐喜集團(tuán)臨猗分公司開工建設(shè)，2011年一次投料成功將燃燒領(lǐng)域垂直懸掛自然循環(huán)模式水冷壁及其凝渣保護(hù)的概念引入水煤漿氣化技術(shù)；2015年通過對(duì)第1代升級(jí)改造開發(fā)出了第3代晉華爐[65]。

氣化過程中[66]水煤漿和氧氣經(jīng)工藝燒嘴一起進(jìn)入氣化爐燃燒室內(nèi)，反應(yīng)條件為溫度1 250～1 550 ℃、壓力4.0或6.5 MPa，煤粉、水、氧氣發(fā)生復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)，生成CO、CO2、H2為主要成分的粗合成氣。離開燃燒室后，高溫高壓的粗合成氣與灰渣向下進(jìn)入輻射式廢熱鍋爐將粗合成氣的大部分顯熱轉(zhuǎn)化為高壓飽和蒸汽，廢熱鍋爐出口粗合成氣溫度降至700～800 ℃隨后進(jìn)入激冷段。在激冷段被激冷水激冷、換熱、洗滌后粗合成氣中較大的顆?；以鋮s后沉入激冷室底部，經(jīng)破渣機(jī)進(jìn)入渣鎖斗，顆粒較小灰渣隨合成氣進(jìn)入洗滌塔進(jìn)一步洗滌冷卻，出洗滌塔的潔凈合成氣送出界區(qū)。

該技術(shù)[66-67]煤種適應(yīng)性強(qiáng)，可使用高灰分、高灰熔融溫度的高硫煤，高氯、高堿煤及低揮發(fā)分的煤；安全性高灰渣能對(duì)水冷壁起保護(hù)作用，防止水冷壁管受到熔渣的侵蝕，達(dá)到“以渣抗渣”的效果；系統(tǒng)啟動(dòng)快穩(wěn)定性強(qiáng)；能源利用率高，廢熱鍋爐回收了大部分粗合成氣的顯熱，碳轉(zhuǎn)化率≥98%，有效氣體積分?jǐn)?shù)為79.7%，優(yōu)于同類型氣化爐；項(xiàng)目國產(chǎn)化、無需更換耐火磚水冷壁，使用壽命長，可減少投資、檢修費(fèi)用；水煤漿進(jìn)料，液態(tài)排渣灰分(90%以上)通過渣的形式排出且渣中含碳量小于10%，可通過廢水制漿處理難處理的有機(jī)廢水，更加潔凈環(huán)保。目前在河北陽煤正元化工、山西陽煤豐喜肥業(yè)、大唐呼倫貝爾化肥、鄂爾多斯金誠泰等廠家應(yīng)用，氣化壓力為3.5～6.5 MPa，單爐投煤量為1 000～2 200 t/d。

2.2.3多噴嘴對(duì)置式氣化技術(shù)

多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)由華東理工大學(xué)與兗礦集團(tuán)聯(lián)合研發(fā)。氣化過程中[68]原料煤磨成水煤漿后，經(jīng)泵加壓送至氣化爐上部4只水平對(duì)置的噴嘴內(nèi)與空分純氧氣混合噴入燃燒室內(nèi)，采用下行制氣，氣化爐為內(nèi)襯耐火磚結(jié)構(gòu)，激冷流程，攜帶熔渣的高溫合成氣進(jìn)入激冷室水域，熔渣經(jīng)急冷、固化、破碎后依靠重力和慣性進(jìn)入鎖斗間歇外排，合成氣經(jīng)降溫、增濕后出激冷室，經(jīng)混合器對(duì)細(xì)灰增濕、旋風(fēng)分離器粗分細(xì)灰和洗滌塔精洗。

該技術(shù)[69-70]引入了噴嘴對(duì)置碰撞的理念，增強(qiáng)了煤漿進(jìn)入爐內(nèi)后的混合效果并延長其在爐內(nèi)的停留時(shí)間，同時(shí)在激冷洗滌和除塵方面均有很大改進(jìn)，有效降低了合成氣攜帶的灰塵量；在相同煤漿通量的情況下，相比單噴嘴的氣化爐，增加噴嘴數(shù)提高了煤漿入爐的流量，有利于裝置大型化，在噴嘴出現(xiàn)故障時(shí)無需停車只需降低氣化爐負(fù)荷；整套技術(shù)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，相較于德士古氣化技術(shù)氣化指標(biāo)優(yōu)良：碳轉(zhuǎn)化率高，平均高于99%、比煤耗、比氧耗降低；在裝置大型化、穩(wěn)定性、可靠性方面有巨大優(yōu)勢(shì)。但噴嘴數(shù)增加加大了投資且對(duì)管道、閥門要求高。

目前主流煤氣化工藝應(yīng)用中，多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)居首位，占13.44%，，氣化指標(biāo)及各項(xiàng)技術(shù)達(dá)到世界領(lǐng)先水平[71]。該技術(shù)在寧波中金、華魯恒升、兗礦國泰、江蘇索普、靈谷化工、內(nèi)蒙古榮信化工等應(yīng)用，日處理煤量為750～4 000 t/d，氣化壓力為1.5～6.5 MPa。其中內(nèi)蒙古榮信4 000 t/d氣化爐是目前世界上單爐處理能力最大的水煤漿氣化爐，為水煤漿氣化提供了新方案。隨著水煤漿在煤化工領(lǐng)域的不斷發(fā)展，未來水煤漿氣化必定朝著技術(shù)自主化、多元化，裝置大型化，提高氣化水煤漿制漿濃度、操作壓力及能量轉(zhuǎn)化效率的方向發(fā)展。

目前，國內(nèi)主要的水煤漿氣化爐氣化指標(biāo)對(duì)比見表2。

3 結(jié)語與展望

隨著煤化工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，推動(dòng)我國煤炭資源的高效利用，有利于國家能源戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃，保障能源安全。水煤漿是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔高效利用的重要手段之一，為我國煤化工行業(yè)“節(jié)能減排”以及我國可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，水煤漿技術(shù)在工藝、理論等方面比較成熟，為更好地發(fā)揮水煤漿節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，未來研究應(yīng)注重以下方面：

1)水煤漿與廢棄物協(xié)同處理。隨著水煤漿技術(shù)的發(fā)展，制漿原料適應(yīng)性不斷增強(qiáng)，未來水煤漿與廢棄物協(xié)同處理必將成為水煤漿最重要的發(fā)展方向。許多學(xué)者將污泥、秸稈、水生廢棄物、煤轉(zhuǎn)化廢物、廢水等廢棄物與煤混合制備水煤漿。其中污泥水煤漿研究最多，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)市政污泥產(chǎn)量已達(dá)4 000萬t/a，化工污泥達(dá)400余萬t，未來還會(huì)持續(xù)增長，通過污泥改性預(yù)處理制備水煤漿預(yù)計(jì)可消耗污泥1 800余萬t，并節(jié)約標(biāo)煤300余萬t。水煤漿與廢棄物協(xié)同處理能避免廢棄物帶來的環(huán)境污染，減少廢棄物的處理成本，實(shí)現(xiàn)廢棄物的減量化、無害化、資源化，具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保雙重效益。

2)高效經(jīng)濟(jì)添加劑的開發(fā)。添加劑對(duì)于水煤漿性能具有重要影響，但目前一種添加劑僅適用于某個(gè)地區(qū)或某一種變質(zhì)程度的煤，普適性差?？赏ㄟ^添加劑的復(fù)配達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的效果，提升添加劑的普適性。添加劑成本在水煤漿制備過程中僅次于原料煤，利用木質(zhì)素、腐植酸等天然生物質(zhì)復(fù)配出優(yōu)質(zhì)的添加劑來提高煤漿濃度、降低煤漿黏度，一定程度上還可緩解萘系等以石油產(chǎn)品為原料的添加劑所面臨的價(jià)格昂貴、來源短缺等問題。

3)新型制漿工藝的開發(fā)。雙峰級(jí)配和三峰級(jí)配煤漿提濃工藝均已達(dá)國際領(lǐng)先水平，但目前的制漿工藝未改變棒磨機(jī)制漿粒度分布特點(diǎn)，粒度級(jí)配不合理，濃度提升有限，無法滿足企業(yè)不斷提高煤漿濃度的要求；通過加入細(xì)漿、超細(xì)漿雖能優(yōu)化級(jí)配，進(jìn)一步提高水煤漿濃度，但細(xì)漿研磨系統(tǒng)的增加同時(shí)也加大了制漿過程中的能耗，增加企業(yè)生產(chǎn)成本。開發(fā)新型制漿工藝時(shí)，應(yīng)拓寬原料煤煤種，不斷提高煤漿濃度的同時(shí)，考慮制漿過程中的能耗。