低阶煤热力改质制水煤浆技术研究现状及展望

金大钺，孔顺利，朱芝材，雷一凡，高明洋，孟献梁

(中国矿业大学，江苏　徐州　221166)



低阶煤热力改质制水煤浆技术研究现状及展望

金大钺，孔顺利，朱芝材，雷一凡，高明洋，孟献梁

(中国矿业大学，江苏徐州221166)

由于储量丰富的低阶煤制取水煤浆效果较差的问题，介绍了国内通过热力改质低阶煤制取水煤浆研究现状。通过脱水干燥和低温干馏处理低阶煤，制得适合工业应用的高品质低阶煤水煤浆。同时，水煤浆技术作为国内洁净煤技术之一，是合理应用低阶煤的途径，并且较好的缓解由于低阶煤燃烧所带来的较大的环境污染压力。针对目前低阶煤热力改质制取水煤浆的研究和发展现状，对低阶煤热力改质制取水煤浆前景进行展望。

低阶煤；热力改质；水煤浆

低阶煤是煤化程度较低的煤种，具有水分大、发热量低、化学反应性好、易燃易碎等特点。低阶煤主要包括褐煤和低变质烟煤，已探明的全世界低阶煤资源储量超过4650亿t，占世界探明煤炭总储量的40%以上。我国已探明的低阶煤资源储量在2000亿t以上，约占全国探明煤炭资源储量的20%，主要分布在新疆和内蒙古自治区[1]。低阶煤因为煤化程度较低，直接作为燃料燃烧，不仅燃烧效率低，而且造成严重的环境污染。目前，国内外学者对低阶煤做一定的技术处理，可提高其燃烧效率并降低燃烧所生成的硫化物和氮化物带来的环境压力，而低阶煤处理制成水煤浆是很好的选择。水煤浆技术产生于20世纪80年代，经过几十年的发展、完善，水煤浆技术已经日趋成熟，水煤浆技术已经成为我国现阶段可以推广的一项替代燃油、环境保护、节约能源的优选技术。对于近年来煤炭市场的低迷状态，发展水煤浆技术亦对助推煤炭产品的多元化、调整并提升能源结构、缓解环境压力具有重要意义。近年来，国内很多学者在水煤浆制备技术方面进行了大量的研究，研究重点集中在干法和湿法制水煤浆技术上，并取得了长足的进步，部分水煤浆制备技术已经在企业建成生产线并投入使用。对于干法和湿法制水煤浆技术，干法制浆的浆体浓度范围较宽，但对环境产生的压力较大且对操作者工作强度要求高；湿法制浆工艺流程较为简便，对操作人员的要求不高，且环境污染小，但对入料浓度要求较高且不容易获得较高浓度的水煤浆；关键问题在于该法不易控制入料中的大颗粒及杂物而导致水煤浆制取浓度受影响[2]。部分学者转变思路，从改变原料物理和化学结构方面入手，将低阶煤进行热力改质以求得更好质量的水煤浆，并取得了较好的实验效果。笔者主要介绍了国内低阶煤热力改质制水煤浆技术的现状，并对中国低阶煤水煤浆的发展趋势进行了分析。

1　低阶煤热力改质方法

低阶煤热力改质主要是将原料煤进行一定的温度处理，通过直接加热和非直接加热的方法，对原料进行物理和化学性质的改变，以求得较好的制浆效果。目前，通过热力改质的原料煤制备水煤浆的效果较原煤制浆效果普遍较好。低阶煤热力改质方法主要有脱水干燥和低温干馏两种。而脱水干燥有蒸发干燥和非蒸发干燥两种方式[3]。

1.1脱水干燥技术

在蒸发干燥改质技术方面，煤中水分的脱除是通过直接或间接地热量传输将热量传递到煤表面，通过热量使煤中水分以水蒸气的形式从煤中散发出来，是比较通用的干燥方法，但是该工艺的缺点是在理想情况下达到效果所需要的热量较多。在特定环境下，蒸发水分所需要的热量至少消耗煤中四分之一的能量。蒸发干燥技术主要包括：回转管式干燥技术、蒸汽流化床干燥技术(SFBD)、NBCL/UBC工艺、加压热气流干燥、太阳能干燥、微波干燥和间接加热干燥工艺等。

对于非蒸发干燥技术，其主要通过使煤中水分以液态形式从煤中去除，其主要优点有两点：一是大大节约了煤中水分以水蒸气形式去除而产生的较大能量消耗，且降低了对环境产生的压力；二是通过非蒸发技术去除了部分溶解性较好的无机盐，从而减少了煤的灰沉积；但是由于溶解在水中的无机质和有机质在废水处理中较为繁杂，需确认废水中有机质和无机质的成分，给废水的处理带来了一定的难度。非蒸发干燥技术主要包括热水干燥技术、机械挤压脱水技术和有机溶剂脱水等。

1.2低温干馏技术

煤的干馏是指在隔绝空气条件下，煤受热分解生成焦炭、煤气、焦油的过程。由于低温干馏温度一般在600℃下进行，此改质方式不仅脱除煤中水分，还直接改变煤组织结构且形成半焦用于制备水煤浆。低温干馏技术主要包括固体热载体新法干馏技术、MRF热解工艺、流化床热解工艺等。

2　低阶煤热力改质制水煤浆研究现状

2.1以脱水干燥技术改质低阶煤制备水煤浆

龚志华等[4]以印尼褐煤为研究对象，凭借流化床干燥器在140℃进行蒸发干燥处理，印尼褐煤中水分和挥发分均降低，且保留较高的挥发分以达到制浆要求。对比实验在相同的制浆条件下进行，比较改质褐煤和褐煤原煤的成浆效果，实验结果表明，经过改质处理后，褐煤中的大部分内水被去除，孔隙率降低，同时由于水分的蒸发，褐煤结构的变化，褐煤的氧含量会降低，碳含量相应提高。改质后褐煤的有较好的疏水性，成浆性能得到了明显改善，改质褐煤制浆浓度由原煤的48%提高到60%左右，流变性能和稳定性能均较好。

顾小愚[5]对神华高挥发分的低阶煤进行了热力改性，将煤样置于管式炉中进行控温加热，考察神华低阶煤经热力改质之后的物化性质和成浆特性与改质温度的关系。实验表明，随改质温度的提高，煤内在水分含量、挥发分均降低，随着改质温度(200～350℃)的不断升高，水煤浆成浆效果越发变好；经过多次实验比对发现，在改性温度为300℃时，2种煤样成浆效果均最好，经过热力改性后，不黏煤和长焰煤成浆浓度分别由61.2%、57.8%提高到了65.5%和62.6%。

蒸发干燥技术主要借助一定的技术手段，在较低温度下降低煤内水分，煤结构变化不大，含氧量也有所降低，提高其疏水性，水煤浆成浆性能改善明显，具有较好的流变性和稳定性。

国内部分学者同时借助非蒸发干燥手段对低阶煤进行改质，而众多的非蒸发手段中，以借助水热处理技术为主要研究思路。

目前国内制水煤浆大都是采用变质程度较高的烟煤经磨制之后作为制浆原料，制浆效果均较好，但是部分学者针对我国低阶煤的利用现状，不断开发、引进较为先进的技术从而大大提升低阶煤的利用效率。黑龙江科技学院引进美国的褐煤热水干燥技术(HWD)，结合我国褐煤的物理化性质，经过对该干燥技术的改造，开发了适合我国褐煤制取水煤浆的技术。经过改良后的热水干燥技术不仅可以有效降低低阶煤内在水分和亲水性、提高热值，而且可以抑制其易自燃特性，为褐煤存储和运输提供了可行的处理方式。实验表明，经热水干燥后的褐煤脱水不经烘干即可直接制浆，可以制得浓度为60%左右的褐煤水煤浆。

虞育杰[6]采用水热脱水方法对几种代表性的褐煤进行改质加工，经水热处理后的褐煤，煤中羧基、羰基和酚羟基的含量明显降低，从而使褐煤的亲水性减弱，表现为煤-水接触角的增大，以及zeta电位的降低；另一方面，褐煤的孔隙结构也得到了改善，与原煤相比，水热提质固体产物的比表面积、比孔容积以及平均孔径均有不同程度的降低，使得褐煤的固水能力大幅度弱化。以改质后的煤样制备水煤浆，其定黏浓度较原煤提高了9%～14%，同时水煤浆流变性和稳定性改善明显。

2.2以低温干馏技术改质低阶煤制备水煤浆

相比于脱水干燥技术，部分研究者同时采用低温干馏实验方法对低阶煤进行热力改质，并在实验室阶段取得较好的实验效果。

宋彬彬[7]以小龙潭褐煤作为研究对象，利用自行设计的固定床热解实验装置在惰性气体保护下对小龙潭褐煤在150～450℃ 进行低温热解。经热解之后的褐煤，水分含量、挥发分明显降低，热值明显提高，活性含氧基团含量降低。以热解之后的褐煤作为原料进行水煤浆的制备，实验表明：小龙潭煤在加热450℃、时间1.5 h和搅拌强度1000 r/min的条件下，其成浆浓度为61.4%，流变性能良好。

赵卫东等[8]采用高温高压反应釜对小龙潭褐煤褐、印尼褐煤进行非蒸发水热脱水并对其成浆性进行研究，实验表明水热反应可以提高低阶煤煤阶，改质后的煤样空干基水分降低，氧含量减少，经处理发现有硫化氢，说明该法具有一定的脱硫效果；经比较制成的水煤浆，考察浆体浓度、流动性和稳定性等因素，确定反应温度在300～320℃效果最佳：小龙潭褐煤的最大成浆浓度由44.6%(原煤)提高到64.55%，印尼褐煤的最大成浆浓度则由39.71%提高到64.61%。

颜艳东[9]以云南小龙潭褐煤为研究对象，利用自行设计的低温干馏反应器对小龙潭褐煤进行低温干馏，探讨了干馏半焦的成浆性能，并对原煤与半焦进行配比制水煤浆进行研究。实验结果表明:550℃干馏半焦制得的水煤浆浓度最高(达66.51%)，但浆体稳定性较差;将小龙潭褐煤原煤与半焦混合制浆，发现水煤浆浓度虽有所降低(61.47%)，但能有效改善半焦水煤浆的稳定性，其水煤浆质量达到国家水煤浆质量3级标准。

刘明强等[10]以内蒙古锡盟褐煤为研究对象，通过HMX1700-30型气氛炉对煤样进行低温热解提质，改质后的褐煤比表面积和孔容积呈减小趋势，降低水含量且促进亲水含氧基团的分解，降低挥发分的含量。制浆实验表明，原煤的定黏浓度仅为44.31%，改性后的半焦定黏浓度最大可达66.78%，且热解终温越高，定黏浓度越大，表明高热解终温对半焦成浆性的提高更有利。

对低阶煤进行低温干馏处理进行改质，不仅脱除了煤内在水分，同时由于干馏温度相对较高，煤结构发生一定的变化，改变了原煤性质，但是以低温干馏处理的低阶煤制得的水煤浆浓度较好，制浆效果较好。

3　结　语

我国低阶煤储量丰富，主要作为燃料使用，但是燃烧效率

低，不仅造成了能源浪费，而且给环境造成了较大的压力。以低阶煤制水煤浆作为代油燃料，但是低阶煤制浆效果较差。国内的学者针对低阶煤较差的制浆效果，采用热力改质的研究思路，低阶煤热力改质制水煤浆技术经过多年的发展取得了一定的效果。目前，国内对于热力改质后的低阶煤进行水煤浆制备大多处于实验室研究阶段，在实验室研究阶段均取得了较好的制浆效果，且该技术的要求而需要热量传输及专用的设备，故而进行广泛的工业化推广还需进一步研究。但是，根据多项实验表明：经热力改质后的低阶煤制浆效果大大提高，且其他副产品也可作为关联产业的产品。鉴于目前煤炭行业的现状，不断进行技术升级和结构优化已迫在眉睫，而热力改质低阶煤制取水煤浆是煤炭资源较好的利用方式之一，具有较好的市场前景。

[1]田忠坤.管式气流干燥器提质低阶煤理论与技术的研究[D].北京:中国矿业大学,2009.

[2]苗云霞.水煤浆制备工艺技术研究[J].河北化工,2009(07):27-29.

[3]魏亚玲,孟献梁,陶二玉,等.低阶煤水煤浆制备技术与工艺研究现状及前景[J].洁净煤技术,2014(06).

[4]龚志华,顾兆云,徐志强,等.提高印尼褐煤成浆性的试验研究[A].2008年全国水煤浆技术推广工作会议[C].2008:26-28.

[5]顾小愚.改善神华低阶煤成浆性的试验研究[J].煤炭科学技术,2009(01):111-113.

[6]虞育杰.褐煤水热脱水提质制备高浓度水煤浆的基础研究[D].杭州:浙江大学,2013.

[7]宋彬彬.褐煤低温热改质及成浆性能研究[D].大连:大连理工大学,2008.

[8]赵卫东,刘建忠,周俊虎,等.低阶煤高温高压水热处理改性及其成浆特性[J].化工学报,2009,60(6):1560-1567.

[9]颜艳东.褐煤提质及其成浆性能研究[D].长沙:湖南科技大学,2012.

[10]刘明强,刘建忠,王睿坤,等.热解温度对褐煤半焦成浆特性影响的实验研究[J].中国电机工程学报,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

金大钺(1993-)，男，中国矿业大学化工学院学生，主要从事化学工程与工艺。

TQ536.1

A

1001-9677(2016)06-0025-03