水煤浆制备及现状综述

刘亚丹 周之榛

摘要：水煤浆是70年代兴起的新型煤基液体燃料。水煤浆生产工艺（设备）将向洁净化、高效率、低能耗发展，制浆用煤选择向低价煤、配煤和工业、生活废弃物发展。基于燃料水煤浆在节能减排方面的重要作用，其在作为燃料代油、在城镇（供暖）炉窑上燃烧以及在水煤浆气化等领域具有广阔的发展前景，水煤浆管道输送技术也是今后水煤浆的发展方向。

Abstract： Coal-water slurry is a new type of coal-based liquid fuel that emerged in the 1970s. The coal-water slurry production process （equipment） will develop toward cleanliness， high efficiency， and low energy consumption， and the choice of coal for pulping will develop toward low-cost coal， coal blending， and industrial and domestic waste. Based on the important role of fuel coal-water slurry in energy saving and emission reduction， it has broad development prospects in the fields of fuel substitution for oil， burning in urban （heating） furnaces， and gas coal-water slurry gasification. Coal-water slurry pipeline transportation technology is also the future development direction of coal-water slurry.

關键词：水煤浆;煤粉级配;节能减排

Key words： coal-water slurry;coal powder level;energy conservation and emission reduction

中图分类号：TD849                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）36-0209-03

1  背景

水煤浆是一种低污染、高效率的煤基流体燃料和气化原料，具有类似于石油的流动性和稳定性，是我国洁净煤技术的一个重要分支。近年来，随着水煤浆制备、燃烧与气化技术的进步，我国的水煤浆产业已经进入到了一个快速发展的阶段。据不完全统计，截至2010年底，我国燃料水煤浆设计生产能力已达5000万t/a，生产和使用量超过3000万t/a。

随着各种水煤浆气化技术的成功应用，尤其我国多种具有自主知识产权的水煤浆气化技术的成功推广，气化水煤浆的需求量正在急剧上升。

2  水煤浆技术发展的意义

我国是一个缺油富煤少气的国家，丰富的煤炭资源为制备水煤浆提供了可靠的保证。煤炭是我国重要的能源矿产，占我国能源生产的比例超过75%。煤炭在燃烧过程中会产生了大量的CO2、SO2和粉尘，造成煤烟型污染。煤炭产生的大气污染物对我国生态环境造成很大的危害，加之“节能减排”是我国强力推行的重大举措，所以大力发展水煤浆等清洁能源对我国有重大的战略意义，具体为：

①替代重油：合理利用我国能源资源，水煤浆因具有与石油一样的流动性，因此，以水煤浆替代重油，可以继续使用原有设备，基建改动工作量很小，投资较少[1]。

②解决煤炭运输问题：我国煤炭资源丰富，但区域分布不均匀，北煤南运和西煤东运的局面长期存在。铁路运输成本高，又对沿途环境造成了粉尘等空气污染。用管道输送水煤浆在很大程度上缓解煤炭交通运输的压力和空气污染问题。

③降低污染：制备水煤浆的煤粉是经过洗选的，灰含量和硫含量均大大降低，燃烧后产生的粉尘灰和SO2气体比一般的燃煤锅炉低[2]。同时比起相同煤质的煤粉，由于水煤浆理论燃烧温度低200℃左右，因此可在一定程度上降低NOX的排放量。

3  影响水煤浆质量因素

3.1 制浆原料煤煤特性

煤质特性是制备水煤浆最重要的因素。一般情况下，内在含水量越大，制浆浓度越低，则含水量越低，才能制备出较高浓度的煤浆。能否制备出高浓度水煤浆的初步判断依据是煤的内在含水量。

3.2 粒度级配

制浆过程中，要制备出高浓度的水煤浆，就要求粉煤颗粒粒径具有一定的级配，相互填充，以达到减少颗粒孔隙率的目的，进一步就可以减少含水量，从而提高水煤浆的浓度。在实际生产过程中，通过磨机磨出级配良好的粉煤，几乎难以实现;后续再经过筛网筛分，又会增加成本。因此，一般情况下只需要控制出最大粒径与最小粒径的比值在一定范围就可以了。要制备高浓度的水煤浆，除控制孔隙率以外，采取的更多措施是添加添加剂。

3.3 化学添加剂

投加添加剂以后，不仅可以提高水煤浆浓度，还可以降低水煤浆粘度，增加其流动性。水煤浆添加剂根据表面活性剂的性能特点可以分为四类：阴离子型表面活性剂，阳离子型表面活性剂，非离子型表面活性剂，高分子化合物和无机盐。

根据袁善录的实验得出[3]：制备水煤浆的过程中加入不同添加剂，有些添加剂在提高流动性的同时，会使稳定性略下降，但随着流动性的改变，水煤浆浓度增加，反之又可以提高其稳定性。相同添加剂，不同煤质，效果也不同，所以要选择合适的添加剂和煤粉，才能制备出高浓度的水煤浆。

3.4 制浆工艺

制浆工艺的核心是为了获取级配良好的煤粉，才便于制备出高质量的水煤浆。磨机选好以后，入磨粒度、生产能力、研磨体级配均是影响水煤浆浓度的主要因素。在生产过程中，欲取得所需粒径的煤浆，需要控制原料的粒度小于10mm。

3.5 配煤技术

煤质特性是水煤浆成浆过程中重要的因素，变质较浅的煤种较难制备出高浓度水煤浆，变质程度较深的煤种易制备出较高浓度的水煤浆。因此，对于难成浆煤种，除了从煤粉颗粒级配、制浆工艺和添加剂方面着手，还可以加入一定比例的易成浆煤种。

3.6 添加助溶剂

助溶剂的添加，会改善水煤浆的流动性和稳定性，且没有负面影响。

3.7 pH值

pH在8-10之间，水煤浆具有良好的成浆性能，在这一范围内，pH值升高，水煤浆流动性提高。工业制浆一般要求pH大于7。

4  低价煤高浓度制浆[4]

4.1 低价煤高浓度制浆技术介绍

在水煤浆发展初期阶段，制浆煤种多数选用炼焦煤，但是炼焦煤种储备量少、价格昂贵，不能满足水煤浆产业化的发展。因此，水煤浆用煤还是立足于低价煤种。低价煤价格便宜、储量大，不仅能以较为低廉的价格保证制浆用煤的供应和提高水煤浆的经济性，又符合国家合理利用煤炭资源的政策。

2004-2006年，国家水煤浆工程技术研究中心研发了低价煤高浓度制浆专利工艺技术及关键设备，既可以有效提高低价煤制浆浓度3%-5%，又可以使煤浆级配趋于合理，平均粒径降低，流动性与雾化性显著提高，这可显著降低煤耗与氧耗。

针对低价煤内含水量高、可磨性差等问题，国家水煤浆工程技术研究中心采用“多破少磨”、“分级研磨”和“优化粒度级配”的原理，开发了低价煤制高浓度水煤浆工艺，工艺流程見图1所示。而且开发的高效破磨机，可大幅降低磨机的入料粒度，缩短磨矿时间，节能降耗;将选择性粗磨与开发的超细磨结合，通过分级研磨，优化煤浆的粒度级配，提高水煤浆的浓度;采用性价比高的低价煤专用添加剂，改善水煤浆的流变性。

低价煤制高浓度水煤浆工艺技术特点如下：①研制的高效破磨机可将不大于50mm的煤粒破碎至不大于1mm，占80%以上，远远低于常规制浆工艺中磨机≤10mm的入料粒度;②开发的水煤浆超细磨机填充率高，电耗少，磨细浆时电耗相当于球磨机的10%，细浆配入选择性磨机中，改善粒度级配，降低黏度，提高效率;③选择性粗磨与细磨互相结合，优化煤浆的粒度级配，与一磨机棒磨工艺相比，在不增加制浆电耗的前提下，可提高煤浆浓度3%-5%，并明显提高煤浆的流动性;④应用相似相溶原理，针对低价煤煤质特征，从分子结构人手，合成出专用高效水煤浆添加剂。

4.2 在燃料水煤浆行业的推广应用

国家水煤浆工程技术研究中心将该技术已经成功的推广至沿海经济发达地区，主要是广东、福建、浙江和江苏这些省份，目前已经形成年产1000万t燃料水煤浆的生产规模（表1）。

目前，采用神华低价煤制取高浓度水煤浆，采用新技术的100万t/a规模的生产厂已在东莞建成，已于2008年12月投产。另外，汕头桂宇水煤浆厂、浙江新源水煤浆厂将新建低价煤制高浓度水煤浆生产线均已投产运行。

自投产以来，低价煤制高浓度水煤浆生产线已连续稳定生产一年多，生产过程证实：整个工艺流程参数合理、设备运行和产品质量都稳定，制浆电耗显著降低，水煤浆质量为浓度大于等于65%，黏度小于1200mPa·s，完全达到设计目标。在不同规模工业锅炉上使用生产的水煤浆产品燃烧，应用效果非常良好，完全达到了用户要求。

生产实践证明，低价煤制高浓度水煤浆与传统单磨机（棒磨）制浆工艺相比，具有以下四个特点：

①新工艺技术上可行，生产运行可靠稳定，水煤浆浓度在不增加电耗的基础上提高了3%-5%;

②煤浆的颗粒级配趋于合理，煤粒的平均粒径降低，雾化性能明显提高，这将有效提高煤浆的气化效率;

③煤浆粒度级配的改善，细粒度地增加，提高了煤浆的流动性，可有效降低煤浆输送设备和喷嘴的磨损，同时煤浆的稳定性也显著提高;

④高浓度制浆工艺可提高煤浆的磨矿效率，也可使同等规格磨机的产量增加。

5  水煤浆的经济可行性分析

水煤浆可以替代重油，根据热值计算得出，1t重油可以用1.8-2.1t水煤浆替代。每节省1t油可节省燃料费800-1400元，若继续考虑油的深加工效益，则经济效益更为可观。

某电厂锅炉应用表明，水煤浆燃烧效率等同燃油水平，高达98%以上，环保质量高于燃油，运行可靠稳定。若用水煤浆替代重油，可节省石油资源，获得可观的经济效益。

制浆厂与电厂之间，水煤浆的运输可使用管道输送，基建投资方面，管道运输仅为铁路的20%-30%，并且占地面积小，日常运营费用低，同时可实现“节能减排”政策。

水煤浆是一种煤水混合物，其着火温度在800℃左右，因其不易燃、不易爆，使用和储存中危险性小，具有较高的安全性，同时也减少了消防的投资和运行成本。

6  水煤浆在其他领域的应用

自20世纪80年代以来，我国的水煤浆技术在制浆、储运、燃烧等许多应用方面均取得了较大进步，如水煤浆在电站锅炉和工业锅炉等方面取得了良好的应用效果和环境效益，与此同时，水煤浆技术在陶瓷、印染、造纸等行业中对“节能减排”的贡献不可忽视。

6.1 水煤浆在陶瓷业中的应用

陶瓷业属于高耗能行业，其燃料费用占整个生产成本的百分之二三十。陶瓷生产中，大多数企业采用燃油技术，部分企业采用燃煤技术，但是因为燃煤污染严重，不符合环保要求而停止生产，影响巨大。近年来水煤浆技术开始应用于制备陶瓷粉料的喷雾制粉技术上，该环节的能耗占整个生产线比例很大，与燃油相比，釆用水煤浆其成本可降低约28%，效果显著。目前水煤浆技术在该行业已逐步推广使用。

陶瓷企业在燃烧过程中水煤浆可將废气中的硫含量控制在1%以下，而燃烧重油时硫含量高4%。由于水煤浆的燃烧温度比油低，NOX排放量少，也减少了空气中SO2的排放，并减少酸雨的形成。由于水煤浆的燃烧效率非常高，废气中几乎没有黑烟，减排效果显著。随着水煤浆技术的逐步发展，水煤浆将可能完全替代重油用于陶瓷生产，实现行业节能和“绿色燃烧”。

6.2 水煤浆在造纸业的应用

利用水煤浆技术，可以处理造纸厂排出的废弃溶液。两者结合可制成环保型水煤浆，不仅废液资源化，还可以利用了废液中的热值，提高锅炉燃烧效率。实践证明，使用造纸废弃液制成的水煤浆燃烧，脱硫效率高达84%，为废弃物资源化以及环境污染治理提供了一条新的途径。

7  水煤浆应用在“节能减排”中的作用展望

煤炭是我国的主要能源，自2001年以来我国对煤炭的需求年增长率达12%，据国际研究中心预计，到2025年我国对煤炭的需求将会增加一倍，尤其是电力部门需求大。中国2007年比2006年新增发电量的80%以上均来自燃煤电厂，据统计，2007年电力行业每千瓦时电煤耗下降10g，同比节约原煤4000万t，如折合成发电量，等同于三峡水电站全部机组投产后全年的发电量。在这样的形势下，如果水煤浆能产业化应用，必将为“节能减排”贡献巨大力量，同时也会加速水煤浆技术的发展。

水煤浆，作为一种煤炭深加工的新品种，与燃烧重油相比，具有明显的等热值燃料差价;与散烧原煤相比，具有明显的环境效益;就矿区而言，可将低价位的煤粉制备出高价位的水煤浆，具有明显的经济效益。水煤浆便于储运和燃烧，同时吸取了燃煤和燃油锅炉的优势，并解决了传统燃煤锅炉容易造成的大气污染问题和燃油锅炉运行成本昂贵的两个大问题。水煤浆产业为我国的“节能减排”工作以及中国的可持续发展提供技术支持。

参考文献：

[1]贾传凯，王燕芳，王秀月，等.水煤浆技术的应用与发展趋势[J].煤炭加工与综合利用，2011，4：55-57.

[2]梁兴，徐尧.水煤浆技术现状分析及发展方向[J].洁净煤技术，2012，06：62-66.

[3]袁善录，戴爱军.制备高浓度水煤浆的影响因素探讨[J].应用化工，2007，36（12）：1242-1244，1251.

[4]何国锋，段清兵主编.水煤浆新技术研发及实践[M].北京：中国石化出版社，2012.