徐 彤，何國(guó)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(guó)“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(kāi)放以來(lái)，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)與煤炭發(fā)展息息相關(guān)，煤炭支撐國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值實(shí)現(xiàn)年均9%以上的速度增長(zhǎng)[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(zhǎng)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(guó)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(lèi)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(guó)石油對(duì)外依存度超70%的形勢(shì)下，開(kāi)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(guó)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(guó)已成為世界上水煤漿技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家[9]。未來(lái)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(wèn)題對(duì)未來(lái)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(guān)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(guān)黏度在((1 000～1 200)±200)mPa·s。黏度過(guò)低，煤漿易分層穩(wěn)定性差；黏度過(guò)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(wú)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(shuō)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(guò)考察我國(guó)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(mǎn)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(wú)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(guó)儲(chǔ)量豐富，約占全國(guó)已探明煤炭?jī)?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(guó)煤炭總資源量的13%，主要分布在我國(guó)內(nèi)蒙古東部、云南等地[20-21]。褐煤因熱值低，長(zhǎng)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(guò)配煤制漿和褐煤改性制漿來(lái)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(kāi)陽(yáng)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(xiàn)性變化。配煤過(guò)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(guò)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(wú)氧或缺氧環(huán)境下進(jìn)行加熱降解[27]。褐煤可通過(guò)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(zhǎng)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(lái)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(guò)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(guò)表面改性改變煤粒表面特性來(lái)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(wú)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(guó)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(yáng)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(rùn)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(lèi)主要分為分散劑、穩(wěn)定劑、輔助藥劑3大類(lèi)。

根據(jù)分散劑在水中的解離離子電性，可分為陰離子型、陽(yáng)離子型、兩性型和非離子型。其作用機(jī)理為[33-35]：① 潤(rùn)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(kāi)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(wú)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(lèi)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(chǎng)上不多見(jiàn)，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(yáng)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(guān)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(guò)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?xún)?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(yáng)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(yáng)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(shū)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(zhǎng)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(guò)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(chǎng)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(wèn)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(lái)源廣泛、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，以生物質(zhì)資源為原料開(kāi)發(fā)水煤漿添加劑具有深遠(yuǎn)意義。

王國(guó)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(guò)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。磺酸根基團(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(guò)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(guò)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(guò)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(rùn)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(guò)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(guò)大則導(dǎo)致水煤漿不具備漿態(tài)特征，穩(wěn)定性變差[47]。

國(guó)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(guò)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(wú)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(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)采用此工藝，工藝流程簡(jiǎn)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(wèn)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(lái)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(jiàn)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)濾裝置除去雜物制得可靠的漿體。該工藝經(jīng)過(guò)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(zhuān)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(guò)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(wèn)題通過(guò)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(rùn)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(guò)2億t，用于煤化工領(lǐng)域，通過(guò)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(guó)水煤漿開(kāi)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(chǎng)、廣東茂名熱電廠(chǎng)、北京燕山石化第三熱電廠(chǎng)等蒸發(fā)量176～670 t/h的鍋爐曾長(zhǎng)期燃用水煤漿，汕頭萬(wàn)豐熱電廠(chǎng)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?jī)r(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(guó)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(guó)家淘汰落后機(jī)組，部分電站鍋爐被淘汰，僅有廣東汕頭萬(wàn)豐熱電廠(chǎng)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(mǎn)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(mǎn)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(guó)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(wèn)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(lái)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(guó)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(wú)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(lèi)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(zhǎng)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(guó)魯爾化學(xué)公司和魯爾煤炭公司取得專(zhuān)利并建成日處理煤150 t示范工廠(chǎng)。20世紀(jì)80年代末我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)水煤漿技術(shù)，1993年在魯南化肥廠(chǎng)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(guò)噴嘴，霧化后高速?lài)娙霘饣癄t[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(guò)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(lèi)含量低，適于用作合成氣；原料煤種較寬能處理煙煤、無(wú)煙煤和黏結(jié)性煤等；相較于煤粉進(jìn)料，水煤漿可通過(guò)高壓泵進(jìn)料，更安全易于控制；氣化爐設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(guó)家采用，山東魯南化肥廠(chǎng)、上海焦化廠(chǎng)、渭河煤化工基團(tuán)、中國(guó)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(guó)應(yīng)用達(dá)133臺(tái)[64]。

2.2.2晉華爐氣化技術(shù)

2003年，陽(yáng)煤集團(tuán)與清華大學(xué)合作開(kāi)發(fā)的第1代熔渣-非熔渣分級(jí)氣化爐開(kāi)工建設(shè)，2006年一次開(kāi)車(chē)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(yáng)煤豐喜集團(tuán)臨猗分公司開(kāi)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(guò)對(duì)第1代升級(jí)改造開(kāi)發(fā)出了第3代晉華爐[65]。

氣化過(guò)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(kāi)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(lèi)型氣化爐；項(xiàng)目國(guó)產(chǎn)化、無(wú)需更換耐火磚水冷壁，使用壽命長(zhǎng)，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(guò)渣的形式排出且渣中含碳量小于10%，可通過(guò)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(yáng)煤正元化工、山西陽(yáng)煤豐喜肥業(yè)、大唐呼倫貝爾化肥、鄂爾多斯金誠(chéng)泰等廠(chǎng)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(guò)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(zhǎng)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(wú)需停車(chē)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(mén)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(guó)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(lái)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(guó)內(nèi)主要的水煤漿氣化爐氣化指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表2。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

隨著煤化工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，推動(dòng)我國(guó)煤炭資源的高效利用，有利于國(guó)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(guó)煤化工行業(yè)“節(jié)能減排”以及我國(guó)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。經(jīng)過(guò)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(lái)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(lái)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(wàn)t/a，化工污泥達(dá)400余萬(wàn)t，未來(lái)還會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)，通過(guò)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(wàn)t，并節(jié)約標(biāo)煤300余萬(wàn)t。水煤漿與廢棄物協(xié)同處理能避免廢棄物帶來(lái)的環(huán)境污染，減少?gòu)U棄物的處理成本，實(shí)現(xiàn)廢棄物的減量化、無(wú)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(kāi)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^(guò)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(guò)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(lái)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(lái)源短缺等問(wèn)題。

3)新型制漿工藝的開(kāi)發(fā)。雙峰級(jí)配和三峰級(jí)配煤漿提濃工藝均已達(dá)國(guó)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(wú)法滿(mǎn)足企業(yè)不斷提高煤漿濃度的要求；通過(guò)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(guò)程中的能耗，增加企業(yè)生產(chǎn)成本。開(kāi)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(guò)程中的能耗。