水煤浆气化技术在中国的应用及其发展

水煤浆技术

水煤浆气化技术在中国的应用及其发展

我国水煤浆技术已经进入产业化推广阶段，这对一大批为环保问题困扰的中小企业来说是一个好消息。

记者日前从"水煤浆锅炉及其应用技术暨产品发布会"上获悉，水煤浆是上个世纪80年代发展起来的一种低污染、高效率、流动性强的新型流体燃料。它是由煤炭、水和添加剂通过物理加工成的浆体燃料，具有像油一样的易于装卸储存及直接雾化燃烧的特点。

经过"六五"、"七五"期间重点科技攻关，我国的水煤浆技术已经取得突破性的进展，并进入产业化阶段。实践证明，水煤浆在锅炉和窑炉中的燃烧效率可高达95％－98％，而燃用水煤浆的运行成本仅仅占成本的1／3。

目前水煤浆已经在国内电站、钢厂、炼化等大中型企业有所应用，但限于实用型燃烧设备的技术没有及时跟进，中小企业对此应用甚少。据会议主办者介绍，目前这一难题已基本得到解决。北京天融环保设备中心开发出一套完整的水煤浆锅炉及燃烧器的设计、生产、制造技术，并通过了有关部门的专家评审。

据悉，我国现有10万吨以下的锅炉约70万台，而因烟尘排放不符合环保标准和运行效率低下，将停用、更换和改造的锅炉高达50％以上。仅在现有锅炉本体不变的情况下，改燃水煤浆，就可为国家节约数百亿元固定资产投资。

2 中国水煤浆气化技术的研究与开发

2 中国水煤浆气化技术的研究与开发

中国的水煤浆气化技术是在对引进技术吸收消化过程中发展起来的，尤其是通过"七五"、"八五"和"九五"国家重点科技攻关，结合引进技术的工业实践，逐步形成了一套创新的研究开发方法，建立起系统的水煤浆气化理论，成功地开发出具有中国特色的水煤浆气化技术。

2.1水煤浆制备技术

根据中国煤种特点，中国科学院山西煤炭化学研究所从煤化学角度研究了煤炭成浆性能的影响因素，中国矿业大学通过试验与生产实践，提出了评价烟煤成浆性难度指标的经验公式。这些研究成果，为中国水煤浆制备技术发展提供了有益的指导。目前，中国已有多个水煤浆用添加剂和水煤浆生产厂家。根据煤种不同，选用不同品种与系列的添加剂制备水煤浆，气化用水煤浆浓度为60~65％。

2.2研究开发方法与气流床气化理论

水煤浆气化涉及高温、高压、非均相、流动、传递与化学反应等复杂化学物理过程，难以在实验室中进行工业条件下的过程研究。对此，华东理工大学在化学工程与工艺相关理论指导下，结合多年研究开发中积累的方法与经验，在对气化过程进行深刻、全面分析基础上，提出了正确把握各种影响因素间关系的层次机理模型。对复杂的气化过程进行合理分解，实现了研究课题的命题转化，开创了一套适用于研究气流床气化过程的科学研究开发方法。即在冷模装置上研究流体流动规律、雾化与混合规律；借鉴工程经验，在计算机上综合迭代的一步转化方法。

采用国际先进的三维激光多谱勒粒子动态分析仪(DualPDA)和Mafiven测粒仪，在大型冷模装置上研究气流床内流体的速度分布、浓度分布、停留时间分布、雾化粒径及其分布等，分别建立了流动与反应三区模型、速度分布、浓度分布、停留时间分布、雾化粒径及其分布等数学模型，由此形成了系统的气流床水煤浆气化理论与专利技术，为该领域的技术创新奠定了基础。

2.3新型气化喷嘴与耐磨气化喷嘴

喷嘴是水煤浆气化技术的核心。喷嘴性能好坏，将直接影响气化反应结果、耐火砖及其喷嘴自身的使用寿命。华东理工大学在多年科技攻关基础上，与原鲁南化肥厂、水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心合作，研制出新型水煤浆气化喷嘴，实现了技术创新与工业应用。

新型喷嘴为内旋式喷嘴和预膜式喷嘴，其中内旋式喷嘴已获国家发明专利。1995年，新型喷嘴在原鲁南化肥厂Texaco气化装置上进行了工业试验考核。新型喷嘴各项技术指标均超过Texaco喷嘴，比Texaco喷嘴节煤～2.6％，节氧2-5％，碳转化率提高-2个百分点等，七项指标创当时生产新记录。由原化工部科技司主持的专家鉴定为：填补国内空白，形成了中国水煤浆气化技术特色，达到国际领先水平。该项目获1998年上海市科技进步一等奖，

水煤浆气化喷嘴由于受到煤浆中煤颗粒对材料的快速冲刷，喷嘴材料极易磨损，引进喷嘴的使用寿命仅为3个月，喷嘴的使用寿命直接影响着气化装置的长周期稳定运行。华东理工大学圆满完成了"九五"国家重点攻关项目《气化炉关键部件的研究与开发》，研究开发出新型耐磨水煤浆气化喷嘴。该喷嘴在兖矿鲁南化肥厂的工业应用表明，使用寿命达半年以上。

2．4新型(多喷嘴对置式)水煤浆气化炉

为了节省外汇，形成自主知识产权的煤气化技术，在原化工部科技司主持下，1996年10月原国家计委批准立项，由华东理工大学、原鲁南化肥厂、原化工部第一设计院联合承担"新型(多喷嘴对置式)

水煤浆气化炉开发应用基础研究"国家"九五"重点科技攻关项目，于2000年6月在兖矿鲁南化肥厂建成我国第一套自主知识产权，日处理22吨煤的新型(多喷嘴对置式)水煤浆气化中试装置。

新型气化炉为四喷嘴对置结构，通过调整喷嘴配置，优化气化炉结构与尺寸，以撞击式射流形式，强化了热质传递过程，更有利于进行气化反应和延长耐火砖的使用寿命。中试装置运行结果表明，主要技术指标全面超过Texaco水煤浆气化水平。比Texaco气化炉节煤-7％，节氧-7％，有效气成分提高～2个百分点，碳转化率提高2-3个百分点。专家鉴定认为："本项目填补国内空白，是我国具有自主知识产权，能与国际先进技术竞争的煤气化技术的里程碑。技术指标显示本项目在水煤浆气化领域达到国际领先水平。"该项目荣获国家科技部、财政部、国家计委、国家经贸委组织的"九五"国家重点科技攻关优秀科技成果奖，为我国自主知识产权的水煤浆气化技术工业化奠定了扎实的技术基础。

由此可见，经过十多年的生产实践和研究开发，在水煤浆气化技术方面，中国已经建立了试验研究、中间试验、工业化生产等科研与应用基地；形成了一支具有研究开发能力、工程设计与生产实践经验的科技骨干队伍：取得了可喜的技术进步与科技创新成果。

我们相信，这些成果必将为中国传统产业的改造提升和清洁能源的发展应用提供可靠的技术支撑，同时也将进一步带动洁净煤技术领域相关技术的进步与发展。

水煤浆系统技术的主要内容

<－摘自中国洁净煤技术－>

水煤浆技术是一种新型燃料，是由制备到储运分配和燃烧应用、环境处理等一个跨行业多学科的系统工程。其技术内容主要可分为四个部分如图1—1。即制备技术、装卸贮运技术、燃烧应用技术与环境保护技术。

与此同时，化工系统对水煤浆制气工艺技术已进行了大量开展研究，冶金系统对于冶金系统使用的水煤浆技术也进行了大量研究。

1-1 我国水煤浆技术的主要内容（一）

1-1 我国水煤浆技术的主要内容（二）

浅谈水煤浆的应用前景

陶文生，荣绍斌

0 前言

水煤浆是用一定级配粒度的煤粉和一定量的水及极少量的添加剂混合而成。典型的水煤浆是由70％左右的煤粉、30％左右的水和1％的添加剂组成。它具有石油一样的流动性和稳定性，可以采用泵送、雾化与稳定着火燃烧；也可以长距离输送和长时间保存。

1 水煤浆的背景

1．1 我国富煤贫油的能源结构

我国煤炭储量约占石化能源总储量的90％，而石油和天然气储量约占10％，煤炭的消耗约占能源消耗的72％左右，因此说，煤炭是我国最可靠、最有保障的能源。专家预言，人类将面临一个能源时代的变革，未来的能源是一个以太阳能、核能、生物质能等可再生能源为主。但进入下一个能源时代之前，能源消耗需经过一个过渡时期，由于煤的蕴藏量超过石油甚多，这个过渡时期应是一个以煤为主的混合型能源结构阶段。但该阶段不是直接燃烧煤炭的用煤方式的重复，而是在高效、洁净、优质化基础上的高层次利用。

1．2环保对燃料的约束

一方面随着人们生活水平的提高，人们对自己生活质量的要求越来越高；另一方面随着社会的发展，人们生活的环境却不断的恶化，其中由散煤低层次利用造成的环境污染是其中重要的原因。这主要表现为由原煤直接燃烧造成的烟尘污染和高硫煤直接燃烧造成的$02污染。因此，洁净度成为人们选择燃料主要指标之一。山西煤正是由于硫份过高，而被请出北京市场。

1．3 国家能源供应安全

随着国民经济的发展，我国对石油进口的需求急剧增加。我国1994年成为石油纯进口国。2000

年进口石油达7 000多万“随着轿车进入家庭步伐的加快，我国石油需求将进一步加大，据估计，2010年供需缺口将达到1．3-1．5亿to长期依赖国际市场补充国内燃料的不足，必将对国家液体燃料供应的安全形成问题。

2 水煤浆发展现状

2．1 生产能力

我国从80年代初开始水煤浆技术的研究工作。在制浆工艺与装备、添加剂、贮存、运输、燃烧技术等方面均取得了多项成果。目前已建成能力从3万~25万t／a的制浆厂8座，总生产能力为1．5 mt／a，其中：白杨河电厂制浆能力为60万t／a，八一、北京、兖州均为25万t／a，东北15万t／a，且开发了具有我国自己特色的浮选精煤制浆技术，取得了良好的效果。我国近20a来，针对煤质的特点，开发了价格低廉、效果好的添加剂，已形成了一定的生产能力，可以替代进口并能满足制浆和燃烧的需要。在工业锅炉、

窑炉加热炉和电站锅炉进行了燃烧试验，一些厂投入正式的应用。我国的制浆和燃烧技术等方面已达到了国际先进水平。

2．2 应用情况

水煤浆的用途主要有两个方面：①燃料。多年来，水煤浆已先后成功地在电厂锅炉、工业窑炉和锅炉上进行燃烧取得了成功。如：山东的白杨河电厂锅炉(320t／h)是燃煤改燃油后又改烧水煤浆的锅炉，已稳定燃烧4a多，燃烧效率达到98％以上。②化工原料。我国80年代引进了德士古气化技术，该技术属第2代气化技术已经实现工业化，目前在国际上是先进的技术。德士古气化炉是以水煤浆为进料的。采用该技术生产的煤气CO+H2含量高，CH4为0．1％左右，无焦油等高级烟类，是比较理想的合成气。该技术最先在山东鲁南化肥厂得到应用，以后又在上海焦化厂、首钢等单位得到应用。目前我国自主开发的新型水煤浆气化炉已完成日处理煤15t的中试考核。

3 应用状况分析

从前面的情况可以看出，水煤浆生存环境比较良好，技术水平国际先进，但生产能力却仅为1．5mt ／a。

水煤浆技术是一个包括制备、运输、应用、环境处理等技术的跨行业多学科的系统工程技术。启用水煤浆这一技术，仅仅掌握水煤浆的制备技术，生产出合格的水煤浆，是远远不够的，必须是生产者和用户共同启用这一新技术，并且双方都有利可图，才能把这一技术付诸实施。

从水煤浆的性能来看，水煤浆是适合长途运输的，但是，由于水煤浆中含30％左右的水份，因此长途运输会给用户增加很大的经济负担。

水煤浆的经济性是相对于燃油用户。目前，国内的水煤浆的价格为320-350元／to重油的价格1 500元／t以上，按2t浆代替1t重油算，则可节约800多元。

水煤浆的经济性对燃煤用户而言，则很差。以精煤的价格220元／t计算，将同样的煤加工成的水煤浆按320元／t计算，水煤浆的浓度按70％计算，则相当于所用精煤的价格为

320÷70％：457元／t因此，对于燃煤用户而言，使用水煤浆的积极性不会高。

4 结束语

虽然以上因素限制了水煤浆的发展，但是从长远来看，随着国民经济的发展，我国液体燃料供需矛盾的进一步加大；随着环境对燃料的约束进一步加强；随着水煤浆技术的进一步提高，成本的下降，水煤浆的应用将突破这些障碍。特别是将水煤浆同治理工业废水结合起来，将会使水煤浆的社会效益更加明显，经济效益得到改善。因此，水煤浆的应用前景是广阔的，只是有待时日而已。

<－摘自《煤炭技术》－>

水煤浆技术

1 超净煤的分选\2精细水煤浆的制备

王祖讷付晓恒王新文柴保明王新国

中国矿业大学(北京校区)化环学院教授

1 超净煤的分选

煤炭深度物理加工的目的是脱除煤中微细嵌布的矿物质，从而获得超净煤。这些矿物的嵌布粒度大多在10μm以下。煤炭的内隙微孔发达，用酸碱渗析等化学加工法可以脱除这些矿物，但其经济性不高，要用物理加工法脱除这些矿物而又要经济合理，需要解决一系列难题。

1．1 煤炭超细磨

要解离煤中微细嵌布的矿物质，需要把原料煤磨到10μm或更细的粒度，面对的问题是能耗和磨机的生产能力。用常规长筒球磨机或振动球磨机，单位能耗很高，而且金属磨耗量大。高速气流对撞磨可以达到要求的细度，但能耗也很高，且单机的生产能力低。国内外现有的各类搅拌球磨机在磨矿细度和单机能力方面都可达到要求，但能耗仍较高，金属磨耗大；这反映了磨矿过程中产生的热量大，整个磨筒需要水套冷却。因此，需要寻找新型的搅拌球磨机，使磨介的撞击力主要消耗在磨煤上，而不是用于金属的磨剥。

1．2 超细煤泥的分选

对超细煤泥，只能利用煤粒与矿物颗粒表面性的差异进行分选。对如此超细的煤泥，常规泡沫浮选法的选择性不高，很难选出灰分在1％—1．5％的超净煤。用常规的油团法，可以分出超净煤，但油耗极高，经济上不能接受。需要寻求一种其选择性在技术上、而油耗在经济上都能被接受的分选方法。

原料煤超细磨后，不但能解离各种非金属矿物，也能解离微细嵌布的黄铁矿，且被解离的黄铁矿表面新鲜，可恢复其固有的亲水性；再加上适当的抑制剂和分散剂，可以实现同时大幅度脱灰和脱无机硫。1．3 超细产物的脱水

产物的粒度越细，其脱水难度越大，脱水难度还取决于要求的产物最终水分。这些细产物的最终水分要求达到10％～15％以下，易于装、储、运，因此必须借助热力脱水。如果超细产物都制备成浆体燃烧，则产物的水分可以允许在40％～50％，这样就大大减轻了脱水环节的难度，只需在浓缩后进行压滤即可。

1．4原料煤的选择

煤炭深度物理加工各环节，即使达到低能耗和低药耗，但它毕竟是生产费用较高的工艺。因此在选择原料时要考虑以下几点：

(1)煤中矿物质的主要嵌布粒度在10μm或更粗，如过细，则需要磨得更细才能解离，能耗则增加。

(2)煤的自然疏水性较强，这有利于低药耗和提高分选过程的选择性。

(3)煤中含“纯”中煤较少。“纯”中煤其实就是细嵌布矿物密集的煤，即使超细磨也只能解离很少量超净煤，对其深加工，失大于得。深加工“纯”中煤含量少的原料煤，超净煤的产率较高。

由此可见，最好选择低灰原煤或常规洗精煤作为超净煤的原料，而且以煤化程度中等偏低的煤为宜。

2精细水煤浆的制备

替代重油的常规水煤浆的制备已有可借鉴的成熟工艺与经验。精细水煤浆可作柴油的替代燃料，在设计燃油的锅炉或内燃机中燃用，因此对d1 殊要求。

2．1 浆体的特性

水煤浆的固体重量浓度约50％～55％。如制备水油煤浆，则其间的比例范围很宽。浆体的流型在低剪切率范围应是假塑性；在剪切率为100s—1时，表观粘度在400～500mpa·s以下，以便于低压头自流。在高剪切率范围(>104s-1)应是近牛顿型流体，以便于高压微孔雾化。

2．2 浆体的稳定性

影响稳定性的因素此消彼长。低浓度和窄级别的单峰级配不利于浆体稳定。固体粒度细的浆有利于稳定。如果在移动装置上应用，应能经受高频振动，也就是要有特定的动稳定性。在磨矿级配、分散剂和稳定剂的选择及浆体的浓度确定上，都应综合考虑，以满足这项要求。

2．3 浆体制备装置

制浆的原料是超净煤压滤脱水后的滤饼，其物理性状是板结性和粘附性都很强，不利于仓储，不易于分散浆化。因此滤饼的转载、缓冲、给料等设备的结构都须有特殊的应对考虑。

常规浮选精煤滤饼作制浆原料是采用双轴搅混机与两段搅拌机的联合装置，这对于超净煤的压滤滤饼不太合适。滤饼的碎化和分散必须是确切、完全的。不允许在浆体成品中有残存团粒，否则，在雾化喷嘴处堵塞微孔。搅拌分散设备的运动部件对泥团的作用必须是强制性的，并具有反复性。要符合这些原则，必须开发微细超净煤制浆设备。

3 精细水煤浆的燃用

精细水煤浆是固液混合物，柴油是液体，两者的热值和燃烧特性差别很大。对燃柴油装置必须作相应的改造才能形成精细煤浆的代油市场。下面以两种典型的燃油装置为例。

3．1 精细水煤浆在柴油机中的燃用

雾化柴油在气缸内是高压爆燃，压力达15～20MPa。柴油机燃料系统的关键部件是油泵和油喷嘴，两者都是柱塞型的；柱塞与塞套是精密的耦合件。小型农用柴油机是高速柴油机，运转速度达2000 r／min。柱塞高速往复运动，柴油在偶合件表面形成薄膜，起到润滑作用。

燃用浆体燃料，柴油机的改造有两种途径：另设浆泵和雾化喷嘴，取代原来的油泵和油喷嘴；对原有的油泵和油喷嘴加以改造，使其适用于浆体燃料。农用柴油机是廉价设备，在我国有上千万台，第二种改造途径如果成功，将具有巨大的现实意义。要采用高压油封系统润滑藕合件，并阻止浆体渗入藕合件的间隙。

3．2 精细水煤浆在小型燃油供暖锅炉上的燃用

居室供暖燃油锅炉的体积很小，设备紧凑，自动化程度高。用精细水煤浆作替代燃料，需要解决三个问题。

(1)提高浆体燃料的燃烧强度。采用常规的雾化悬浮燃烧方式，煤浆的容积热负荷仅为柴油的1／4～1／5，因此，需要的燃烧室体积为柴油的4～5倍。为保持居室设备的小型化，必须寻求浆体燃料高强度燃烧的技术。

(2)简化浆体燃料的雾化方式。一般是用压缩空气雾化水煤浆，这就需要浆泵和空压机；这对居室设备

显然太复杂。必须寻找简单的浆体燃料雾化方法，以取代浆泵和空压机。

(3)适应燃浆的温控系统。小型燃油供暖锅炉的运转是靠点火、熄火的方式维持热载体水的温度，达到温控目的。柴油点火是靠电火花，熄火则靠停供燃料。浆体燃料频繁点火、熄火是难以实现的，宜采用调节供浆量的控制策略，达到控温目的。

4 柴油替代燃料——精细水煤浆的全方位评价

精细水煤浆技术正处于开发阶段，还未形成产业，它是否值得继续向前推进，要从多方面进行评价。

4．1 经济效益

直接的经济效益是：产浆企业创造的利税额，用浆企业燃料费用的节约额，此外还有替代出的柴

油以不同方式创造的效益，例如，作为其它工业原料创造的价值，或减少燃料进口而节约国家外汇支出。以浆代油的总效益在产浆与用浆企业间的分配不宜过偏，否则不利于该产业的健康发展。

4．2 环境效益

应从更广泛的角度去考虑，也就是精细水煤浆的生命周期环境评价；从原料煤起，经过深加工得到各种产物，到各产物的处置和利用，全过程物质和能量的投入，向环境的各种排放；投入的物质和能量也包括着环境排放。

有害排放主要包括：深加工过程中产生的粉尘和废水，副产品利用环节(例如燃烧)的烟气和灰渣，精细水煤浆在分配、储存和分配过程对环境的污染，精细水煤浆燃用环节的烟气和飞灰。

评价应指出需在那些环节采取措施，例如，节约物质和能量投入，工业用水的闭路复用，烟气的净化处理，固体废物的资源化。

柴油作为被替代的燃料也有其生命同期的环境价格。从原油炼制成油品的污染排放分配到柴油份额，柴油在储运分配过程的污染排放，柴油燃烧环节的排放。

对两种燃料全过程的排放加以对比，分析其得失，应在保护环境这个方面加以定位。

4.3能源安全

我国富煤贫油，年时口油量已达7000万t，尤其柴油是短线油品。随着国民经济的发展，油进口量日益增加。从国家资源状况和地缘政治考虑，能源安全是重大战略问题。储油、节油、代油是主要措施。精细煤浆的产业化将对此作出一定贡献。

5研究开发近况

5.1精细水煤浆价格

以低耗、高效、简单为指导原则开发的超净煤选取和制浆工艺已基本定形；关键的应用设备正从小型机进行放大；从各种连续性小试中已得到各种技术和经济指标。2002年10月1日报载，0号柴油调价到2.94元/L。根据已掌握的数据，估计等热值精细水煤浆的价格为柴油的50%。

5.2农用柴油机的改造与燃用精细煤浆

8.8kW单缸高速农用柴油机经过局部改造，可以燃用浆体燃料。带负荷运转时测得的数据如表达1：

输出功率kW 转速／ r．min-1燃料NOx/ppm SO2/ppm 热效率／％

5.24 1800 柴

油328 0 28.9

5.24 1800 浆63 27

23.5

5.24 2000 柴

油345 0 28.5

5.24 2000 浆58 16

20.9

燃用煤浆时，NOx的排放量比柴油显著降低，但热效率也相应降低，s02的排放量在标准以下。

5．3 小型燃油供暖锅炉燃用煤浆

0．058 kW供暖锅炉，供暖面积可达500m2。煤浆采用机械雾化，燃烧器的烧浆强度达4 180MJ／m3·h，接近燃油强度。

【水煤浆锅炉改造可行性分析】