近年來，山東兗州礦業(yè)(集團)有限責任公司和有關單位協(xié)作，開展了水煤漿技術及其利用、粉煤與粉煤灰氣化技術及其利用、“3下”煤和高硫煤礦井氣化研究，通過對兗州礦區(qū)煤成漿特性的分析和煤泥水煤漿制合成氣的研究、發(fā)揮了煤質分析在水煤漿制備中的作用，總結出磁場對水煤漿性能的影響，研制成四噴嘴對置式新型氣化爐，使我國新型水煤漿氣化爐技術處于國際領先水平。

　　1、水煤漿技術及其利用

　　水煤漿是由65％～70％的煤粉和29％～34％的水及1％左右的微量化學添加劑制備而成的漿體。水煤漿是新型潔凈環(huán)保燃料。它的霧化性能好，可以穩(wěn)定著火燃燒；和煤相比，它的燃燒效率高(一般均在98%以上)，污染物排放低，儲存運輸方便且無污染，無自燃及火災危險。它既保留了煤的燃燒特性，又具備了類似重油的液態(tài)燃燒特點。根據(jù)當前國家“煤代油”的能源發(fā)展戰(zhàn)略，化工企業(yè)正在加快利用先進、環(huán)保的替代技術淘汰落后產能。我國一些企業(yè)全套引進德士古技術，費用高達1.5億元。針對當前引進水煤漿技術投資費用高，而國內尚沒有將油品為原料的裝置改造為水煤漿生產裝置的現(xiàn)狀，一些企業(yè)開展了煤基多元料漿替代重油制合成氣的工業(yè)化技術，實現(xiàn)了原料替代.

　　1)水煤漿制備主要技術研究

　　由于煤炭性質的特殊，給煤炭成漿性能的研究帶來了一定的難度。當前國內外對水煤漿的研究大部分都是集中在應用方面，理論上還有待于深入。為此，兗日水煤漿有限公司開展了“水煤漿制備主要技術”的研究。高質量的水煤漿要求濃度高、流變性好、穩(wěn)定期長。水煤漿技術是一個包括制備、儲運、裝卸、燃燒等項技術在內的系統(tǒng)技術。制備水煤漿的關鍵在于煤炭選擇、磨礦粒度級配技術、添加劑的合理使用及適當?shù)纳�產工藝。煤炭中的有機質是以多種復雜高分子化合物的混合物形式存在的，所以不能夠客觀地確定其化學結構。煤種不同，即煤的體相、表面組成、表面形貌、內水含量、礦物質種類和含量均不同，制漿的難易程度也有很大的差異。煤炭的灰分、揮發(fā)分、固定碳、內在水分、可磨性指數(shù)、氧碳比、氫碳比與燃料比等9個因數(shù)對于成漿濃度均有比較大的影響。另外，煤炭中的無機質特別是水溶性無機鹽對于制漿也有顯著的影響。制漿的時候，應當盡可能地選擇煤化程度高、內在水分低、可磨性指數(shù)高的煤炭。在制漿的過程中，煤炭的粒度分布是決定水煤漿濃度和流動性的重要因素。好的粒度級配可以使得添加劑與煤炭表面很好地吸附，從而提高煤炭的穩(wěn)定性。添加劑的性能直接影響到水煤漿的濃度、粘度、穩(wěn)定性等技術參數(shù)，而且如何選擇添加劑對于制漿廠的生產和經濟效益有著很大的影響，必須從經濟性、適應性、安全性和廣泛性幾個方面綜合予以考慮。水煤漿生產工藝主要是為取得粒度組成的最佳級配，也就是最大的堆積效率，同時利用添加劑來改變煤的表面特性。生產工藝將依據(jù)原料煤的質量、粒度分布情況和添加劑的性能、用戶對水煤漿的質量要求而選擇。

　　2)兗州礦區(qū)煤成漿特性分析

　　最近，兗州礦區(qū)根據(jù)兗日水煤漿石臼所中試廠加工的高濃度水煤漿情況，分析了兗州煤的成漿特性及操作因素對成漿性的影響。影響煤炭成漿特性的重要因素有煤種、粒徑分布、分散劑和穩(wěn)定劑、添加量及添加位置等操作因素和濃度與粘度、流變特性、穩(wěn)定性等評價因素。煤的O/C比和內在水分對成漿性影響很大。兗州煤O/C比為0.11、內在水分3%，試驗證明可制出高濃度水煤漿。實踐表明，平均粒徑20μm左右的水煤漿成漿性能最好。兗州煤水煤漿在規(guī)�；�生產中平均粒徑19~21μm。分散劑能很好吸附在兗州煤的表面，形成有利于漿化的疏水基。非離子系的分散劑漿化性能良好，可使水煤漿高濃度化，穩(wěn)定性也好。離子系的分散劑添加量少，但漿體穩(wěn)定性欠佳。粘度不變時，減少分散劑用量水煤漿濃度降低；增加分散劑用量可得到穩(wěn)定性好的水煤漿。兗州煤實際生產水煤漿時分散劑添加比例比試驗時有所增加，生產的水煤漿有良好的性質。水煤漿濃度較高時，其粘度隨著濃度增加而急劇上升，兗州煤成漿過程也充分顯示了這一特性。濃度為60%~65%時，粘度500mPa·s以下；濃度增加到70%~73%時，粘度值最高達1800mPa·s。實際生產時將濃度控制在 68%~71%，粘度500~1000mPa·s，水煤漿穩(wěn)定性、流動性都很好。用兗州煤制成高濃度水煤漿，其流變性是降伏值(屈服應力)5~10Pa的假塑性流體，易于流動，粘度變化范圍小，適于長距離管道輸送和長期貯存。由于水煤漿長時間貯存會出現(xiàn)固液分離，制造中應按比例加入分散劑和穩(wěn)定劑，貯存中定期進行循環(huán)和攪拌，室外溫度低于5℃時每周循環(huán)一次，高于5℃時每10d循環(huán)一次。

　　3)煤質分析在水煤漿制備中的作用

　　兗日水煤漿有限公司的試驗結果表明：煤炭作為水煤漿的主要原料，其物理化學性能不僅直接影響成漿性能，而且對表面活性劑的作用效果有很大影響，因此煤質分析在水煤漿研究中起著重要的作用。水煤漿是把煤、水、表面活性劑混合而成的高濃度煤/水分散體系。日本的研究人員認為，在水煤漿諸多特性因子里最重要的是煤種，其次才是分散劑(表面活性)種類。兗日水煤漿有限公司對我國的主要煤種以煤質分析為基礎(包括元素分析、內在水分、含氧官能團、哈氏可磨性系數(shù)及礦物質等)，對煤炭成漿性能進行了大量的試驗后發(fā)現(xiàn)，隨著煤炭變質程度的加深其成漿性明顯趨好。研究人員指出：煤是有機化合物與無機化合物成分的集合體，其氧碳比、內在水分及含氧官能團因煤炭變質而逐漸減少，是有利于煤炭漿化的，但同時還需考慮煤炭的哈氏可磨性系數(shù)和內在水分。例如，褐煤等年輕煤種雖然哈氏可磨性系數(shù)較高(比較軟、容易破碎和球磨)，但通常其內在水分也較高，難以制成高濃度的水煤漿；無煙煤雖然變質程度深，內在水分比較少，但哈氏可磨性系數(shù)也比較低(特硬、難破碎和球磨)，亦難以制漿。試驗結果表明：哈氏可磨性系數(shù)適中(50~65)、內在水分較少(小于4.5%)、氧碳比比較低的氣煤和氣肥煤適于制造水煤漿。對于特定的煤種，水煤漿研究的重點是根據(jù)煤質分析結果，通過調節(jié)分散劑的分子量及其分布，以及親水基團的種類、數(shù)量、位置，從而得到對該煤種有良好適應性的分散劑。鑒于煤炭的結構和成分極其復雜，添加劑對煤種有較強的選擇性，制備高品質的水煤漿必須充分做好煤質分析。

　　4)磁場對水煤漿性能的影響

　　水煤漿的成漿性能和穩(wěn)定性與構成水煤漿的煤、水以及添加劑的性質密切相關。最近，淮南工業(yè)學院開展了弱電磁場對水煤漿性能影響的研究，在弱電磁場下考察了兗州礦區(qū)北宿煤的成漿性能。研究發(fā)現(xiàn)，經過弱電磁場處理的煤和水，對水煤漿的性能有一定的改善。此項課題采用一個均勻繞有N匝線圈的長直螺線管通電來發(fā)生弱電磁場，利用不同的電流強度產生不同的磁場強度；將煤和水同時放入磁場中磁化一段時間，然后取出，加入1%的AH添加劑(用堿法造紙黑液經酸化、磺化、改性、復配而成)，制成一定濃度的水煤漿，并且在不同的磁場強度下考察其對水煤漿流變性、成漿性和穩(wěn)定性的影響。

　　對于北宿煤和水，磁化時間小于20min的時候，制得的水煤漿粘度隨著磁場強度的增大而減��；而當磁化時間大于20min的時候，卻隨著磁場強度的增大而增大。隨著磁場強度的增大，水煤漿的流動性亦隨之變好、析水率提高，水煤漿的結構也隨之變硬。對于磁化時間小于10min的北宿煤和水，水煤漿的上述變化更為明顯。所以，欲制得粘度低、流動性好的水煤漿，應當適當?shù)卦龃蟠艌鰪姸龋�并且控制磁化時間小于10min，同時保證析水率不能過高。此外，在弱磁場中磁化的煤和水，制得的水煤漿都比空白試樣的粘度大，但是流動性和析水率都降低了。在提高磁場強度以后，制得的水煤漿析水率都比空白試樣低。這項研究的結論是：微弱電磁場對北宿煤制得的水煤漿性能有一定的影響，隨著磁化時間的增加，水煤漿的粘度呈先下降后上升的趨勢，一般磁化以后的水煤漿流動性和析水率都有比較大的改善，但是磁化的時間不宜過長；提高通電螺線管產生的電磁場強度、適當縮短作用于水煤漿的時間會使水煤漿的析水率降低、穩(wěn)定性得到改善。

　　5)煤泥水煤漿制合成氣的研究

　　兗州礦業(yè)(集團)公司環(huán)保安全培訓中心通過對煤泥制水煤漿和煤泥水煤漿加壓氣化制合成氣試驗的分析，找出了煤泥制水煤漿的最佳制漿條件和水煤漿加壓氣化的較優(yōu)操作條件和工藝指標，為綜合利用煤泥開辟了一條新途徑。他們通過對選煤廠煤泥制水煤漿制漿工藝、級配技術、添加劑等試驗的結果表明，用煤泥制漿作為水煤漿加壓氣化的原料是可行的。試驗采用干法制漿，即將煤泥干燥后篩分成幾種粒度的煤粉，再根據(jù)實驗結果和經驗確定級配方案，將一定比例的煤粉混合后，加入水和添加劑，經強力攪拌制成漿。試驗分為煤質分析、成漿試驗和煤漿穩(wěn)定性試驗，通過試驗找出不同時間取樣的煤泥試樣的最佳制漿條件。實驗室配制的水煤漿濃度最高可達71%，一般大于64%，試燒時為58%～61%，所使用的添加劑不僅效果好，而且能就地取材、價格便宜、使用方便。水煤漿加壓氣化試驗的煤泥灰熔點比較高，流動溫度達到1460℃，加入鈣系助熔劑有效地降低了灰熔點（CaO/A=5%），成功地解決了高灰熔點煤泥的氣化技術難題，中試開車成功。整個試燒過程操作順利，在穩(wěn)定運行中取得全套工藝數(shù)據(jù)，且規(guī)律性較好。

　　此項課題得出數(shù)據(jù)如下：隨著氧煤比的增大，碳的轉化率逐漸提高，當氧煤比為0.63時的碳轉化率可達98%以上；隨著氧煤比的增大，冷煤氣效率先增高后下降，當氧煤比為0.63時達到73%的最佳值；隨著氧煤比的增大有效氣體逐漸增加，繼續(xù)增加氧煤比時有效氣體組成則下降，當氧煤比為0.63時的有效氣體組成較佳；當氧煤比為0.63～0.64的時候，氧煤比、比煤耗及氧煤比與比煤耗的關系均取得最佳值。

　　6)四噴嘴對置式新型氣化爐

　　兗州礦業(yè)(集團)有限責任公司和華東理工大學共同承擔了“十五”國家“863”項目，建設多噴嘴對置式水煤漿氣化技術工業(yè)裝置及配套工程，采用 2臺1150t/d壓力4.0MPa四噴嘴氣化爐，配24萬t/年甲醇，7.18萬kW聯(lián)合發(fā)電，供20萬t/年醋酸。四噴嘴氣化爐一次投料成功后正式運行，單爐最長連續(xù)運行超過1650小時。該裝置性能和技術指標達到國際領先水平。

　　四噴嘴水煤漿氣化裝置與魯南化肥廠的國外Texaco水煤漿氣化技術相比，其技術特點主要有以下幾點：有效氣成分提高2%～3%，CO2含量下降2%～3%，碳轉化率提高2%～3%，，比氧耗降低7.9%，比煤耗降低2.2%；氣化爐負荷可調范圍大，適應能力強，有利于裝置大型化；復合床洗滌冷卻液位平穩(wěn)，有效避免了Texaco爐激冷室液位波動、帶水帶灰的問題，粗合成氣與黑水溫度比Texaco低約10℃，說明其傳熱、傳質效果好；分級合成氣初步凈化節(jié)能、高效、壓降小和分離效果好；渣水直接換熱優(yōu)于Texaco間接換熱，蒸發(fā)熱水塔出氣溫度與灰水溫差僅4℃(Texaco閃蒸汽冷凝器兩相溫差最大達60℃)，克服了間接換熱設備易結垢堵塞問題，也提高了換熱效率；技術轉讓費僅為Texaco1/3左右。投資四噴嘴氣化爐比Texaco氣化爐每臺可少化200～500萬元。

　　四噴嘴氣化爐投入示范運行后遇到的問題基本上在Texaco爐運行初期也遇到過，都有規(guī)章和經驗可循，只有拱頂磚壽命短和蝕損快是個新問題。通過大量分析對比和實驗研究，發(fā)現(xiàn)主要原因是爐子上部高徑比較小、噴嘴氧初速較高所致。遂將噴嘴氧初速控制在100m/s左右，上部空間加長大約 1300mm，爐子上部高徑比由1.04調整為不小于1.61。四噴嘴氣化爐筒體壁熱面磚厚度為235mm。經過6000余小時運行，最嚴重處的蝕損量僅為50～60mm，按照剩余80mm須更換則其壽命可達16000小時左右(約為667天)；其錐底磚的情況也遠優(yōu)于Texaco爐的錐底，壽命超過 10000小時全無問題。

　　7)我國新型水煤漿氣化爐技術國際領先

　　由華東理工大學的科研人員通過冷模實驗后提出的數(shù)學模型和設計軟件包最近已經成功地應用于兗州礦業(yè)(集團)公司魯南化肥廠的中試裝置，不僅提高了水煤漿氣化的有效氣成分，而且還降低了能耗，其技術性能優(yōu)于進口裝置，標志著我國研制成功的新型水煤漿氣化技術已達到國際領先水平。專家們指出：我國現(xiàn)有中小型化肥廠大約為670家，其中的氨產量約為20Mt，如果采用水煤漿氣化技術，利用價格低廉的煙煤、褐煤，可以做到符合國家環(huán)保排放標準；同時，我國能源以煤為主，油氣相對短缺，國家每年要花費200×108美元進口近70Mt的石油。因此，水煤漿氣化技術對我國實現(xiàn)電、熱、化學品多種聯(lián)產具有重大的現(xiàn)實意義。

　　2、煤炭與粉煤灰氣化技術及其利用

　　煤炭氣化是指煤在特定的設備內，在一定溫度及壓力下使煤中有機質與氣化劑(如蒸汽/空氣或氧氣等)發(fā)生一系列化學反應，將固體煤轉化為含有 CO、H2、CH4等可燃氣體和CO2、N2等非可燃氣體的過程。不同的氣化工藝對原料的性質要求不同，因此在選擇煤氣化工藝時，考慮氣化用煤的特性及其影響極為重要。氣化用煤的性質主要包括煤的反應性、粘結性、結渣性、熱穩(wěn)定性、機械強度、粒度組成以及水分、灰分和硫分含量等。除了地面氣化以外，還有地下氣化工藝。

　　1)粉煤加壓氣化制備合成氣新技術

　　為了盡快開發(fā)自主知識產權的粉煤灰加壓氣化技術，“粉煤加壓氣化制合成氣新技術研究與開發(fā)”被列為國家“十五”科技攻關課題。以已有的多噴嘴對置式中試氣化爐為依托，兗州礦業(yè)（集團）有限責任公司、華東理工大學和中國天辰化學工程公司聯(lián)合攻關，終于建成了具有自主知識產權的粉煤加壓氣化中試裝置。粉煤加壓氣化技術是國際上最先進的煤氣化技術之一。與水煤漿氣化技術相比，具有煤種適應范圍寬、氧耗和煤耗低等優(yōu)勢。目前，世界上僅有荷蘭Shell 公司、德國未來能源公司擁有此項技術。近幾年來，荷蘭Shell公司進入我國市場，已有許多家企業(yè)與之簽訂了技術轉讓合同，僅轉讓專利費就超過5億元人民幣。國內研制的這套裝置處理能力為15～45噸煤/天，操作壓力2.0～2.5MPa，操作溫度1300～1400℃。在國內引進的Shell技術尚未建成運行之時，此項國產化技術率先在國內展示了氣流床粉煤加壓氣化的優(yōu)越性能指標，并且已經通過了科技部主持的課題專家委員會驗收。專家委員會認定“該技術具有自主知識產權，填補國內空白，工藝指標達到了國際先進水平�！辈�對該技術的突特點做了如下概括：①煤種適應范圍寬；②氣化爐負荷調節(jié)范圍大，調節(jié)方便；③工藝技術指標先進；④為環(huán)境友好清潔生產技術；⑤工程技術上易于放大，操作安全，適用于大規(guī)模煤氣化裝置。專家委員會認定的技術成果為：粉煤加壓氣化制備合成氣粉煤加料裝置；粉煤加壓氣化制備合成氣設計軟件包；粉煤加壓氣化制備合成氣中試裝置設計、建設與操作技術。專家委員會一致認為：“該成果對于清潔、高效利用我國豐富煤炭資源，滿足國民經濟與社會持續(xù)發(fā)展需求具有重要意義，前景十分廣闊�！�

　　2)國內自主創(chuàng)新的粉煤灰加壓氣化技術

　　我國具有自主知識產權的氣流床粉煤灰加壓氣化中試裝置在兗州礦業(yè)(集團)公司魯南化肥廠成功運行，有效氣成分89%～93%、碳轉化率 98%～99%，比氧耗300～320Nm3O2/1000Nm3（CO+H2），比煤耗530～540kg煤/1000Nm3（CO+H2），冷煤氣效率≧84%，達到國際先進水平，具有廣闊應用前景。粉煤灰加壓氣化中試裝置單元流程分為粉煤制備、粉煤密相輸送、氣化和氣體初步凈化4個單元。原煤除雜后送入磨煤機破碎，同時由經過加熱的低壓氮氣將其干燥，制備出合格煤粉存放在料倉。加熱用的低壓氮氣大部分可循環(huán)使用。料倉中的煤粉由氮氣攜帶先后經過低壓料倉和高壓料倉，最終被煤粉加壓料罐輸送到4個對置式排列的氣化噴嘴并進入氣化爐。氣化劑氧氣、蒸汽也通過噴嘴進入氣化爐，并在高溫高壓下與煤粉進行氣化反應。高溫合成氣經激冷、洗滌后并入造氣車間合成氣管線。熔融灰渣在氣化爐激冷室中被激冷固化，經鎖斗收集，定期排放。洗滌塔出來的黑水經過二級閃蒸，水蒸氣及部分溶解在黑水中的酸性氣CO2、H2S等被迅速閃蒸出來。閃蒸氣經冷凝、分離后與氣化分廠生產系統(tǒng)的酸性氣一并處理。閃蒸黑水經換熱器冷卻后送氣化分廠生產裝置的污水處理系統(tǒng)。

　　中試氣化爐為“九五”期間開發(fā)具有自主知識產權的4噴嘴對置式氣化爐，為底部氣、渣同向排出的豎直圓筒結構，內襯耐火磚；上部水平對置安放4個噴嘴使物料進爐后形成撞擊流。這種撞擊流氣流床在強化熱質傳遞過程方面有顯著優(yōu)勢。干煤粉加壓氣化技術有效氣含量高、碳轉化率高，在氣化爐條件或煤種相同情況下比水煤漿節(jié)煤2%～4%、節(jié)氧16%～21%、有效氣成分高6%～10%。采用CO2為輸送介質時，部分CO2還起到氣化劑作用，與煤焦反應生成 CO，使合成氣的氮含量明顯降低，對應用粉煤加壓氣化技術生產甲醇、醋酸和二甲醚等有重要意義。

　　3)“3下”煤和高硫煤礦井氣化最近，兗州礦區(qū)研究了用“3下”煤和高硫煤進行氣化的前景及獨特優(yōu)勢，并進一步分析了“3下”煤的“氣化采區(qū)” 以及應用該技術的投資和效益情況。兗州礦區(qū)在煤炭生產發(fā)展中面臨兩個制約因素，一是“3下”壓煤達現(xiàn)有可采儲量的一半，二是太原組高硫煤在可采儲量中占 1/3以上。解決這兩個問題，“礦井氣化”技術有其獨特的優(yōu)勢，僅以管線便可實現(xiàn)采、運、提全自動化，可方便留設煤柱以保護地面，煤中灰分和夾矸可充填采空區(qū)。煤的地下氣化本質上是煤炭資源的開采，因而必須建設生產礦井，人員在井下作業(yè)。

　　如果在現(xiàn)有礦井以“氣化回采工作面”取代采煤工作面，增建獨立的煤氣運輸井巷系統(tǒng)，再建立氧氣和飽和水蒸汽從鉆孔入井的氣化物直供系統(tǒng)，地下氣化原先存在的一些問題都可以解決，這就是“氣化采區(qū)”�！皻饣�采區(qū)”在通風等常規(guī)生產系統(tǒng)上與產煤采區(qū)相同但要有本質安全和保護地下水兩個先決條件，即從結構和工藝上限制生產時的煤氣擴散范圍，生產后可對污染物清洗處理�！皻饣�采區(qū)”是礦井內的獨立生產單元，由獨立煤氣井將所產煤氣直接送至地面。采區(qū)內煤氣系統(tǒng)由氣化回采面、煤氣平巷和煤氣井構成，與通風系統(tǒng)絕對封閉。

　　兗州礦區(qū)太原組2個近距離薄煤層含硫鐵礦結核不宜鉆孔，在刀柱工作面氣化、房柱工作面氣化、短壁氣化回采工作面、無煙巷氣化回采工作面4種采區(qū)中，可采用無煙巷采區(qū)由1條煤層底板巖巷開采2個煤層采出率以小于50%為宜；刀柱采區(qū)沿傾斜劃分為分段，每分段布置20個氣化回采工作面同時生產，逐分段自上而下接替準備與生產，采出率40%～50%，適于兗州礦區(qū)深部煤層。

來源：中國礦產資源網