水煤浆技术
摘要：能源是人类社会和经济发展的重要物质基础。当今世界,特别是中国,使用的一次能源主要是化石能源,它们在一次能源中所占的比例分别是90％与97.5%。化石能源是不可再生的不洁净能源,按不洁净程度排序,依次为:煤炭,石油,天然气。分析了几种煤代油的途径后,认为建设煤炭液化示范工厂作为技术储备是非常必要的,但目前还难以大规模商业化运作.以水煤浆代油虽有局限性,却是当前经济、现实和有效的途径,而且对目前的燃油用户有显著的经济效益.提出了将煤炭转换为水煤浆使用后,可减少燃煤污染的6个方面.分析了现有油炉改为烧煤或水煤浆的利弊与适用的范畴.为治理大量分散的中小型燃煤锅炉的燃煤污染,在大多数情况下,改烧水煤浆是一条经济可行的途径。 关键词：水煤浆 技术 环境
一．
水煤浆是八十年代初出现的一种新型煤基流体燃料，，国际上英文称为CWM
（Coal Water Mixture）或CWF（Coal Water Fuel），它含煤约70％，化学添加剂约１％，其余为水和1%的添加剂通过物理加工得到的一种低污染、高效率、可管道输送的代油煤基流体燃料。其中的水并不能提供热量，在燃烧过程中还会因蒸发造成热损失，不过这种损失并不大。以含煤70％的水煤浆为例，1公斤水煤浆中含水0.3公斤，水的气化潜热不到600大卡/公斤，故燃烧1公斤水煤浆因其中水造成的热损失不到180大卡，约占水煤浆热值的4％。可是它却使煤炭从传统的固体燃料转化为一种流体燃料，从而带来很多优点。水煤浆像油一样，可以泵送、雾化、贮存与稳定着火燃烧。两吨水煤浆可代一吨油。由于水煤浆与燃油在相同热值下相比，其价格仅为重油的1/2左右，以水煤浆代油具有显著的经济效益，因此是目前企业通过技术改造解困的有效途径之一。燃用水煤浆与直接烧煤相比，具有燃烧效率高、负荷易调控、节能和环境效益好等显著优点。水煤浆经长距离管道输送到终端后可直接燃用，储运过程全封闭，既减少损失又不污染环境，是解决我国煤炭运力不足的重要运输方式之一。
石油是重要的战略物资，我国每年烧油量仍在三千万吨以上，占石油产量的五分之一。我国煤多油少、并致力于控制燃煤污染，所以水煤浆技术在我国受到政府的特别重视，国家领导人多次亲临考察。1996年初江泽民总书记在中国矿业大学北京校区等考察煤炭科技工作时，对水煤浆技术给予了高度评价，并指出“从战略上看，中国煤炭资源丰富，要充分发挥煤的作用。中国的燃料在相当长的时期要依靠煤，要把水煤浆作为一个战略问题来考虑，这是一件十分重要的工作。
当今全世界在石油能源危机的经济大衰退之后，清醒地认识到石油天然气作为清洁能源，并不是取之不尽用之不竭的，丰富的煤炭依然是长期可靠的主要能源。然而，传统的燃煤方式造成严重大气污染的历史教训是不容重现的。于是煤炭液化、汽化和浆化成为先进工业国家普遍重视的研究课题。水煤浆则是煤炭液化的最佳成果，也是煤炭洁净利用最廉价的实用技术。
我国煤炭资源分布集中在“三西”，即山西、陕西及内蒙西部。目前有63%的煤炭要从“三西”调出，我国长期存在北煤南运、西煤东调的格局。煤炭的管道运输投资少、建设周期短、营运费低、为全密闭输送，不污染环境。水煤浆经管道输送到终端即可供用户燃用，而且可长期密闭储存。
二、 1、水煤浆成分
水煤浆就是煤与水的混合物，由3部分组成，即煤粉、水和添加剂。煤粉是燃烧的主体，约占水煤浆组分的70% ，其粒级有严格的要求，通常要经过粉碎、洗选、去灰、沉淀，颗粒直径在40～120Lm。添加剂的比例大约是水煤浆组分的1%～2% ，其余28%～29% 为水。成品水煤浆具有一定的稳定性，静置一个月时间可以不沉淀、不分层。而且具有一定的流动性，可以象燃油一样车装、船载或通过管道输送。其次是
雾化性能好，在一定压力下通过喷嘴形成雾状，充分燃烧。目前，我国工业生产的水煤浆，一般浓度在70% 左右，粘度在1000MPa.s 左右，稳定性不低于1个月，燃烧效率可达到98% ，单位热强度和燃烧负荷都优于燃煤。
”
2、水煤浆的配制与水煤浆的质量特征 1）水煤浆配制
水煤浆配制有3大要素： 一是煤炭；二是煤浆的粒度级配； 三是添加剂。要生产出质量优良、性能稳定的水煤浆必须有优质的煤炭作为基础。煤炭由于产地、埋深和经过地质年代不同，煤的质量有较大差异。如何选用优质煤炭来配制水煤浆呢？这就需要做好煤源调查和煤质检验工作，按以下质量指标来选择优质原料煤。
a. 煤的灰分要低。制浆用煤必须进行洗选以降低灰分。低灰分煤的表面有较为均匀的物理化学性质，易于制浆且燃烧效率高、热值高。
b. 煤的挥发分高。含有较高挥发分的煤易于燃烧，热效率高。研究表明，挥发分小于17% 的水煤浆不易燃烧，必须添加更多的助燃剂。制备水煤浆一般采用挥发分大于25% 的煤。
c. 煤的内在水分低。煤的内在水分是影响制浆的重要因素，直接影响水煤浆的浓度，并在一定程度上影响水煤浆的稳定性和可燃性。
d. 煤的可研磨性好。煤的研磨系数直接影响煤浆的粒度分布，研磨系数越高，粒度越细小，成浆性也越好，煤的其它性质如O/C (氧碳原子比)、表面张力、孔隙度等也对成浆性有一定影响。
2) 水煤浆和一般的煤泥水不同，因为它是一种燃料，所以必须具备某些便于燃烧、使用的性质，主要有：
1>．为利于燃烧，水煤浆的含煤浓度要高。通常要求在62％～70% 左右；
2>．为便于泵送和雾化，粘度要低。通常要求在100（1/秒）剪切率及常温下，表观黏度不高于1000
～1200毫帕秒
3>．为防止在贮运过程中产生沉淀，应有良好的稳定性。一般要求能静置存放一个月不产生不可恢复的
硬沉淀；
4>．为提高煤炭的燃烧效率，其中煤粒应达到一定的细度。一般要求粒度上限为300微米，其中小于
200网目（74微米）的含量不少于75％。
使水煤浆能满足其中单项性能并不难，但要同时满足各项要求就会遇到许多困难，因为有些性能间是相互制约的。例如，要使水煤浆中含煤浓度高，就不能多用水；水少了，又会引起粘度高，流动性差；要流动性好，粘度就应低，但粘度低又会使稳定性变差。所以它的制备技术难度大，涉及煤化学、颗粒学、胶体与有机化学及流变学等多学科技术。高浓度水煤浆的制备技术，在八十年代初期只有瑞典和美国掌握，
并严加保密。引进技术代价太高，1982年我国开始自主研制。
3) 制浆技术简介： 要做出符合上述性能要求的高浓度水煤浆，单用细煤粉与水简单混合起来是无法实现的，还必须采取一些特殊的技术措施，主要有：
1）．要使煤与水能混为一体，至少必须使煤粒能全部为水所浸没。通常情况下，煤粉中颗粒间往往存
有较多的空隙，水首先要将这些空隙充满才可浸没全部煤粒，所以耗水量大，难以做成高浓度水煤浆。为了提高制浆浓度，必需使煤的粒度分布具有较高的堆积效率，即颗粒间空隙要少。使空隙最少的技术称“级配”，是制浆的关键技术之一。其中涉及两项技术，首先是要能判定什么样的粒度分布才具有较高的堆积效率；更重要的是如何根据给定的煤炭性质与粒度组成，制定合理的制浆工艺、选择磨碎设备的类型、设计磨机的结构与运行参数，使产品能达到具有较高堆积效率的粒度分布。
2）．煤炭的主体是有机质，它是结构十分复杂的大分子碳氢化合物。这些有机质的表面具有强烈的疏水性，不易为水所润湿。细煤粉又具有极大的比表面积，在水中很容易自发地彼此聚结，这就使煤粒与水不能密切结合成为一种浆体，在较高浓度时只会形成一种湿的泥团。所以制浆中必需加入少量的化学添加剂，即分散剂，以改变煤粒的表面性质，使煤粒表面紧紧地为添加剂分子和水化膜包围，让煤粒均匀地分散在水中，防止煤粒聚结，并提高水煤浆的流动性。由于各地煤炭的性质千差万别，适用的添加剂会因煤而异，不是一成不变的。
3）．煤浆毕竞是一种固、液两相粗分散体系，煤粒又很容易自发地彼此聚结。在重力或其他外力作用下，很容易发生沉淀。为防止发生硬沉淀，必需加入少量的化学添加剂，即稳定剂。稳定剂有两种作用，一方面使水煤浆具有剪切变稀的流变特性，即当静置存放时水煤浆有较高的粘度，开始流动后粘度又可迅速降下来；另一方面是使沉淀物具有松软的结构，防止产生不可恢复的硬沉淀。
从以上可以看出，煤炭的制浆效果与煤炭本身的理化性质有着密切关系，制浆用原料的性质直接影响到水煤浆的质量与生产成本。所以，建设制浆厂时，根据用户对煤浆质量的需求，以及煤炭成浆性规律，合理选择制浆用煤是十分重要的
从燃烧角度出发，制浆用煤的挥发分含量不能太低，锅炉用水煤浆时，通常要求>28%，否则煤浆不易稳定着火燃烧。此外，为防止炉内结渣，对于大多数采用固态排渣的炉子，要求煤炭的灰熔点（T2）高于1250℃。至于煤炭的发热量、灰分与硫分指标，则应根据用户的需求而定。至于煤炭的成浆性，则需要对有代表性的煤样进行专门的试验研究后才能判定。一般地说，煤炭的内在水分越低、可磨性越好、煤中氧含量越低，则成浆性越佳。
水煤浆添加剂
百科名片
水煤浆添加剂，按其功能不同，有分散剂、稳定剂及其他一些辅助化学药剂，如消泡剂、pH调整剂、防酶剂、表面改性剂及促进剂等多种。其中不可缺少的是分散剂与稳定剂。添加剂与原煤和水的性质密切相关。合理的添加剂配方必须根据制浆用煤的性质和用户对水煤浆产品质量的要求，经过试验后方可确定。
一、水煤浆分散剂 1. 分散剂的作用机理
(1) 提高煤表面的亲水性 分散剂是一种可促进分散相（水煤浆中的煤粒）在分散介质（水煤浆中的水）中均匀分散的化学药剂。煤炭主体是非极性的碳氢化合物，属疏水性物质。煤炭的润湿性可按水在其表面的接触角大小分成四等。按触角为零者，称强亲水性煤炭；小于 40°者称弱水性煤炭；40°~90°者，称疏水性煤炭；超过90°者称强疏水性煤炭。各种煤炭的表面均显疏水性。 另外，水的表面张力大，煤炭表面张力小，只有降低水的表面张力，增大煤炭表面张力，减少固液间的界面张力，才能达到充分湿润；煤粒表面即使湿润，其巨大的比表面积也会促使它们聚集到一块，无法分散均匀。
制浆用分散剂都是一些两亲的表面活性剂，一端是由碳氢化合物构成的非极性的亲油基，另一端是亲水的极性基，非极性的疏水端极易与碳氢化合物的煤炭表面结合，吸附在煤粒表面上，将另一端亲水基朝外引入水中。极性基的强亲水性使煤粒的表面由疏水转化为亲水，可形成一层水化膜。
有效降低水的表面张力和提高煤粒表面的表面张力，使润湿接触角降至50度以下。借水化膜将煤粒隔离开，减少煤粒间的阻力，从而达到降低黏度的作用。
试验表明，分散剂应有很好的水溶性，但并非对煤的润湿性越好，降黏效果越佳。润湿剂、渗透剂能使煤粒变得极为亲水（接触角等于零），但不能作水煤浆分散剂使用。
(2) 增强煤粒间的静电斥力 著名的DLVO理论认为，胶体颗粒稳定分散的先决条件是颗粒间的静电斥力超过颗粒间的范氏引力。离子型分散剂除能改善煤表面的亲水性外，还能增强其静电斥力，进一步促使煤粒分散于水介质中。
尽管人们十分重视静电斥力对煤粒分散悬浮的稳定作用，有些人甚至认为分散剂的主要作用在于改变煤粒的表面电性，认为滑动面与溶液内部间的电位差，即电动电位达到-50mV 时，水煤浆就有所希望的流动性和稳定性，但大量的研究表明，提高电位差电位值有利于改善水煤浆的流动性，反之则有益于提高其稳定性，但都起不了决定作用。空间隔离位阻效应更有实际意义。
(3) 空间隔离位阻效应 水化膜中的水与体系中的“自由水”不同，它因受到表面电场的吸引而呈定向排列。当颗粒相互靠近时，水化膜受挤压变形，引力则力图恢复原来的定向，这样就使水化膜表现出一定的弹性，使煤粒均匀分散且颗粒表面的分散剂且有一定的厚度，当两个带吸附层的颗粒相互重叠时，由于吸附层分散剂分子运动的自由度受到阻碍，吸附分子的熵减少，因为体系的熵总是自发地向增加方向发展，所以颗粒有再次分开的倾向，避免颗粒聚集。
当分散剂为大分子时，被吸附分子有长的亲水链，在煤表面形成三维水化膜，当颗粒相互接近时，产生较强的排斥力，导致煤粒分散悬浮。该斥力即为空间隔离位阻或立体障碍。
总之，高效水煤浆分散剂的特点是有效地吸附在煤表面，提高煤的亲水性，并能在煤表面形成双电层和立体障碍。 2. 常用分散剂
分散剂按离解与否可分为离子型与非离子型两大类。离子型又可按电荷的属性分为阴离子型、阳离子型和两性型三类。两性型是指当溶液呈碱性时显示阴离子特性，呈酸性时显示阳离子特性。阴离子、非离子、阳离子、及两性分散剂的国际价格比为 1:2:3:4。制浆分散剂多选择阴离子型。阴离子型分散剂主要有萘磺酸盐、木质素磺酸盐、磺化腐值酸盐等。 二、水煤浆稳定剂
水煤浆的稳定性是指煤浆在储存与运输期间保持性态均匀的特性。水煤浆稳定性的破坏来源于固体颗粒的沉淀。由于水煤浆为粗粒悬浮体，属动力不稳定体系，使其稳定的主要方法是使它成为触变体。即煤浆静置时产生结构化，具有高的剪切应力，应用时，一经外力作用，黏度能迅速降低，有良好的流动性，再静止时又能恢复原来的结构状态，流变学上称这种流体为触变体或与时间有关的流体。稳定剂应具有使煤浆中已分散的煤粒能与周围其他煤粒及水结合成一种较弱但又有一定强度的三维空间结构的作用。稳定剂的加入，能使已分散的固体颗粒相互交联，形成空间结构，从而有效地阻止颗粒沉淀，防止固液间的分离。能起这种作用的稳定剂有无机盐、高分子有机化合物，如常见的聚丙烯酰胺絮凝剂、羧甲基纤维素以及一些微细胶体粒子（如有机膨润土）等。 三、其他辅助添加剂 1. 消泡剂
消泡剂常见于两种情况下使用，一是分散剂为非离子型时，因它常常同时有很好的起泡性能，水煤浆中含过多气泡，特别是微泡时，流动性大受影响。二是制浆用煤为浮选精煤，当其表面残留起泡剂较多时，经搅拌充气也会产生大量气泡。
许多阴离子型分散剂，如萘磺酸盐类，同时有很好的消泡作用。和非离子型分散剂联合使用，不仅能消泡，而且可降低价格昂贵的非离子型分散剂的用量。
泡剂用量大约是分散剂的十分之一。两者可同时加入。制浆时常用的起泡剂有醇类及磷酸酯类。 2. 调整剂
添加剂的作用还与溶液的酸碱度有关。制浆时以弱碱性的溶液环境较好，所以在制浆时往往要加入pH调整剂以调整煤浆的pH值。 3. 防霉剂
添加剂都是一些有机物质，有的在长期储存中易受细菌的分解而失效，要使用防霉剂进行杀菌。不过这种情况很少见。 4. 表面处理剂
表面处理剂是改变煤粒表面特性以增强其成浆性，特别是对难成浆煤种。表面处理剂对提高难制浆煤种的成浆性作用明显，而对易制浆煤种作用不大或没有作用。 5. 促进剂
促进剂在改善水煤浆性能方面具有降低黏度、提高稳定性、改善流变特性、增强抗剪切能力等作用。促进剂对水煤浆，特别是对难制浆煤种的成浆性具有显著效果。 2、我国水煤浆技术开发与应用简况
我国从“六五”开始，就将“水煤浆制备与燃烧技术”列为国家重点攻关项目。科研机构负责其中的制浆技术开发，包括煤种的优选、添加剂、磨矿级配技术与制浆工艺、制浆专用设备与检测控制技术等。经过“六五”到“九五”近二十年的努力，现已拥有实验室制浆研究手段、8公斤制浆台架试验装置、100公斤/时多功能连续制浆小试系统、2吨/时多功能连续制浆中试厂，以及先进的现代仪器分析室；并开发出具有我国特色的制浆技术，形成了我国自己的制浆理论体系，取得了发明专利，并达到国际水平。曾先后获得国家科技进步三等奖、能源部科技进步一等奖、山东省科技进步一等奖、教育部科技进步二等奖。我校水煤浆技术的开发，还引起国际社会的重视，曾得到联合国计划开发署及国际科学文化中心（ICSC）世界实验室项目的支持。国家水煤浆工程技术研究中心的制浆技术研究所及世界实验室的煤浆研究中心均设在我校。利用我校开发的技术，建设了大同（3万吨）、株州（3万吨）、绍轧（3万吨）、八一（25万吨）等中、小型制浆厂。立足国内技术与装备完全可以建设更大规模的制浆厂，目前正在建设的大型制浆厂是大同（年产100万吨）与胜利油田制浆厂（一期工程50万吨）。与国外相比，建厂投资省、生产成本低。引进的年产25万吨兖日浆厂，投资40.2亿日元，采用我校技术建设的相同规模八一浆厂，投资仅5000多万元，相当引进厂的1/4。我校开发的添加剂，费用只相当国外的1/3～1/2。水煤浆的价格比国外低得多，国外每吨65～70美元，我国只有40美元左右。
山东白杨河电厂燃用八一水煤浆厂生产的水煤浆代油，在该厂3＃机组（5万千瓦、230t/h锅炉）上经过4000多小时安全运行，1999年6月通过了国家鉴定，燃烧效率达99％，接近燃油水平；锅炉效率达到90％；负荷在40～100％（20～50MW）区间变动均能稳燃，达到了国际先进水平。经环保检测，烟尘排放浓度为135.2mg/Ndm3、SO2排放浓度为627.4 mg/Ndm3、NOx排放浓度为495.1mg/Ndm3，均符合国家排放标准。在燃油价格1450元/吨的情况下，燃用水煤浆与燃油相比，标煤单价可降低426.37元/吨，单位发电变动成本可降低182.2元/千千瓦时。由于经济效益显著，该厂又仅用52天时间，将1＃机组（规模同3＃机组）改为烧水煤浆，并已于2000年1月投浆，并列、接带负荷一次成功。
以水煤浆代煤用于轧钢加热炉，最早是在桂林钢厂，后来为绍兴轧钢厂采用，连续运行了9年。燃烧效率由85％提高到98.5％以上，节煤30％，由于负荷和炉温便于调控，炉内火焰充满度好，沿炉长温度梯度符合钢坯加热工艺要求，钢坯氧化烧损率由1.8％降至1.5％，不仅钢坯加热质量有明显提高，同时加热炉能力也由原来的30吨/时提高到40吨/时。采用常规水幕除尘，显著改善了排烟质量。以桂林钢厂环保检测数据为例，与原燃用粉煤相比，排放的烟尘浓度由732 降至240 mg/Ndm3，SO2由283.8降至9.78 mg/m3，NOx由14.1 降至4.4 mg/m3，林格曼黑度由2级降为0级。烟气排放各项指标均优于国家环保标准。此外，在山东莱芜钢厂大型台车式锻
加热炉以水煤浆代气，在绍兴钢厂的钢坯加热炉上以水煤浆代煤，均取得成功。
水煤浆代油在石化与油田企业中的效益最佳，因为一方面它们自用锅炉烧油量很大，另一方面重油催化裂化装置又缺原料，以水煤浆代油不但代一吨油可节省燃料费400～600元，而且将省下的重油进行深加工，每吨重油还可获得效益400元。1994～1995年浙江大学与胜利油田管理局合作，曾在3MW与7MW
水煤浆技术论文
