（工程热物理专业论文）微光波对水煤浆的成浆性和气化性的影响.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 水煤浆是一种适合我国国情的节能、环保和代油燃料，它既可直接用于锅 炉代油燃烧，又可进行气化用于煤化工多联产和i g c c 发电，所以是保证我国 能源长期稳定发展的战略和现实选择。在工业应用中，如何利用劣质煤制取高 品位的水煤浆，如何改善水煤浆的成浆性和流动性，如何提高水煤浆的气化效 率，是目前水煤浆研究的热点和难点问题，具有重要的研究意义和应用前景。 首先利用氮吸附仪等实验方法分析了1 0 个典型煤种的微观孔隙结构，采用 非线性的分形理论描述了其孔隙分形特征，并探讨了水煤浆的颗粒分形维数与 成浆特性的相关规律，发现随着分形维数增大，水煤浆粘度增大并且最大成浆 浓度变小。 其次创造性地提出利用微波和光波辐照改善劣质煤的成浆特性，并深入探 讨了其反应机理。针对水分高、氧量高、成浆性差的菲律宾煤，利用微波和光 波辐照改性使成浆性明显提高。通过不同的微波辐照改性时间1 0 s 、2 0 s 、3 0 s 、 6 0 s 和1 2 0 s ，使菲律宾水煤浆的最大成浆浓度提高了o 4 、1 1 、2 4 2 、1 3 和0 1 ；通过不同的光波辐照改性时间1 0 s 、3 0 s 、6 0 s 和1 2 0 s ，水煤浆的最大 成浆浓度提高了1 0 、2 4 、1 3 5 和1 o 。利用x r d 衍射仪、扫描电镜、 氮吸附仪和红外光谱仪分析了菲律宾煤改性前后的微观形貌和成分组成变化， 探讨了微光波辐照改善水煤浆成浆性的作用机理。 最后研究了微波改性对水煤浆气化特性的影响规律，试验发现微波辐照改 性后的水煤浆焦的气化反应起始温度明显降低，气化反应的完成时间减少，从 而使气化特性明显改善。而微波辐照改性对不同煤种水煤浆的气化特性改善效 果有所差别，这主要与各煤种所含水分和矿物质成分不同有关。 关键词：水煤浆成浆性气化分形维数微波光波 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a sc l e a ne n e r g y , c o a lw a t e rs l u r r yc a nb eu s e di nc o m b u s t i o no fr e p l a c i n go i l a n dg a s i f i c a t i o nf o rc o a lc h e m i c a li n d u s t r y 、i g c c c w st e c h n o l o g ys u i t sn a t i o n a l c o n d i t i o n s t h er e s e a r c hf o c u si st h a t ，h o wt om a k ee x c e l l e n ts l u r r yb yt h ep o o rc o a l ， h o wt o i m p r o v et h es l u r r y i n gp r o p e r t y , h o wt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y o f g a s i f i c a t i o n i nt h i sa r t i c l ef i r s t l y , t h ep a r t i c l ep o r es t r u c t u r eo ft e nd i f f e r e n tc o a l sh a v eb e e n r e s e a r c h e db yn 2a b s o r p t i o na p p a r a t u s w h e nd i s c u s st h er u l eo ff r a c t a ld i m e n s i o n a n ds l u r r y i n gp r o p e r t y , f i n dt h a tt h es l u r r y sa p p a r e n tv i s c o s i t yi n c r e a s ew h e nt h e f r a c t a id i m e n s i o ni n c r e a s e t h ei n n o v m i v ei d e ai su s i n gm i c r o w a v ea n dl i n g t w a v et oi m p r o v et h es l u r r y i n g p r o p e r t ya n dr e s e a r c h i n gt h em e c h a n i s m t h ep h i l i p p i n e sc o a lw i t hh i g hm o i s t u r e a n dh i g ho x y g e nc o n t e n t , c a ni m p r o v et h es l u r r y i n gp r o p e r t ya f t e rt h em i c r o w a v e p r e t r e a t m e n t t h ec w s sv i s c o s i t yr e d u c ea n dt h es l u r r y sc o n c e n t r a t i o ni m p r o v e a f t e rt h em i c r o w a v ea n dl i g h t w a v ep r e t r e a t m e n to f10 s ，2 0 s ，3 0 s ，6 0 s ，1 2 0 s r e s e a r c h e dt h em e c h a n i s mo fm i c r o w a v ea n dl i g h t w a v ep r e t r e a t m e n tt h r o u g h s e m 、x r d 、n 2a b s o r p t i o na p p a r a t u sa n di n f r a r e ds p e c t r u m t h e nr e s e a r c ht h eg a s i f i c a t i o np r o p e r t ya f t e rm i c r o w a v ep r e t r e a t m e n t t h e m i c r o w a v ep r e t r e a t m e n th a si n f l u e n c eo nt h eg a s i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo fc w sc h a r , t h e b e g i n n i n gt e m p e r a t u r em i n i s ha n dt h er e a c t i o nt i m er e d u c e t h ed i f f e r e n tc o a l sh a v e d i f r e r e n tr e s u l tb e c a u s eo ft h em o i s t u r ea n dm i n e r a lc o n t e n t k e y w o r d s ：c w s ，s l u r r y i n gp r o p e r t y , g a s i f i c a t i o n ，f r a c t a i ，m i c r o w a v e ，l i g h t w a v e 学号：2 0 6 0 8 2 0 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得滥鎏盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：磁步1 6 哆签字日期：v 删占年乡月l r 、l 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权浙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者繇硒厶f 泐 签字日期：、一狰( ) 月、日 ， 导师签名： 镀罩 签字日期：v p 矿年舌月1 日 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 我国的能源形势 能源是人类社会发展的重要基础资源。随着世界经济规模的不断增大，世界 的能源需求持续上升，世界能源消费量持续增长。 由美国能源信息署发布的国际能源展望指出，2 0 0 5 基准情景下，世界 交易能源消费量预计在2 0 0 2 - - 2 0 2 5 年的2 3 年将年均增长2 0 ，比1 9 7 0 - - 2 0 0 2 年的年均增长2 2 略低。世界能源消费2 0 0 2 - - 2 0 0 4 年年均增长2 5 ，预计从 2 0 0 2 年的7 1 0 亿桶增长到2 0 1 5 年的9 5 3 亿桶，2 0 2 5 年增长到1 1 1 2 亿桶【6 j 。随 着世界能源消费量的增大，未来世界能源供应和消费将向多元化、清洁化、高效 化、全球化和市场化方向发展。 我国目前处在经济高速发展时期，对能源的需求数量急剧增大。能源形势关 系着我国的经济发展状况，能源安全问题也关系着国家的安全大局。国家目前对 于能源的关注程度也越来越大。2 0 0 8 年召开的全国人民代表大会上通过了新的 国务院机构改革方案，国家能源局在一片欢呼声中诞生，这表明我国把能源问题 放在了更加重要的位置上考虑。2 0 0 8 年4 月，原国家主席江泽民同志亲自撰稿， 谈了中国能源问题并引发了思考。 由国家统计局和国家发改委能源局联合发布的中国能源统计年鉴显示了 中国的能源结构，如下表所示： 表1 12 0 0 5 年中国一次能源生产和消费结构 简言之，我国是一个多煤、贫油、少气的国家。我国的能源安全问题近些年 来突现的更加严重。 我国石油短缺，石油储量仅占世界储量的2 。1 9 9 8 年剩余的可采石油储量 只有2 3 9 亿t 。据文献【4 】和文献【5 】报道，从1 9 9 3 年起我国已经从石油净出口国 转变成石油净进口国就已经成为石油进口国，2 0 0 0 年我国石油进口量超过7 0 0 0 万t ，而且石油缺口还在逐年增大，预计到2 0 1 0 年、2 0 2 0 年石油的需求量将分 别达到2 9 6 、3 8 0 亿t ( 同期国内的石油产量只能维持在1 6 1 9 亿t ) ，到那时 中国对国外石油市场的依赖程度将超过5 0 。长期依赖国际市场补充国内燃料 的不足，势必引起国家燃料供应的安全问题【3 】，使我国的能源安全受到严重威 胁。此外能源短缺势必成为将来电力发展的“瓶颈”，影响国民经济快速发展。在 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 2 0 0 8 年的首个交易日，国际原油价格突破1 0 0 美元这一历史关口。这在人们普 遍预料范围内的事实，还是对世界造成了不小的震动。同时，对于我国的能源问 题也提出了更多挑战。 目前，天然气在中国整个能源体系中所占份额很小，2 0 0 2 年仅占一次能源 总消费量的3 ；天然气人均可采储量1 0 7 4 立方米，相当于世界平均水平的4 3 3 。但是中国正在快速扩建基础设施，促进国内天然气消费及进口。国际能源 展望报告预计中国的天然气消费量在2 0 2 5 年时将达到的6 5 万亿立方英尺， 年均增长7 8 。我们国家也有“西气东输”工程，但是国内气源的储量明显跟 不上需求量的增大。僧多粥少的局面不是短期可以改善的，如果利用率不高的话， 就算加大国外进口量也不是一个好的办法。对于天然气资源，不得不提到的是 l n g ( 液化天然气) ，这是一种清洁性能源，也是一种战略性资源，对石油具有 替代作用。摆脱了单纯的利用天然气的窘境，代替利用范围更广的石油。所以 l n g 技术，对我国发展国民经济、调整能源结构、改善环境质量、提高生活水 平、促进经济与环境协调发展均具有重要意义。 从世界能源消费结构来看，中国是世界上少数几个的以煤为主要能源的国 家。我国能源以煤炭为主，可再生资源开发利用程度很低。我国探明的煤炭资源 占煤炭、石油、天然气、水能和核能等一次能源总量的9 0 以上，煤炭在中国能 源生产与消费中占支配地位( 参见表1 - 1 ) 。近年来随着国家能源结构的调整，煤 炭在中国一次能源消费中的比例虽有所下降，但在目前和未来相当长的时期内， 煤炭在常规能源的生产和消费中的主导地位不会改变根据专家预测，到2 0 5 0 年， 煤炭在中国一次能源消费结构中的比例将仍占5 0 以上；基于资源结构及国家能 源安全的考虑，我国以煤炭为主的能源结构将不会改变。 但传统的煤炭开发和利用技术以及不加限制的消耗矿物能源确实极大地污 染了人类赖以生存的环境，诱发温室效应、酸雨，引起疾病、农业减产甚至带来 更加严重的经济、社会问题。中国煤炭8 4 用于燃烧，目前居主导地位的、相 对落后的燃烧方式对大气造成了严重的污染。全国s 0 2 和烟尘的8 0 为燃煤产 生；同时在煤炭开采中造成地面塌陷、污染和流失了大量的地下水、向大气排放 c h 4 等。因此，在煤炭的开发利用过程中，洁净高效、合理利用煤炭资源是实现 我国国民经济可持续发展的可靠保证。 为提高煤炭利用效率、减轻对环境的污染、促进能源与环境的协调发展，洁 净煤技术( c l e a nc o a lt e c h n o l o g y _ - c c t ) 得到了国家的大力支持。“洁净煤技 术”一词源于2 0 世纪8 0 年代的美国，是指为减少燃煤污染，提高煤炭利用效率， 从煤炭开采、加工、燃烧、转化和污染等各个方面采用新技术的总称。 发展洁净煤技术可以实现以本国资源为主，满足未来能源需求，保障能源安 全供应。改变终端能源消费结构，将更多的煤炭转化为电力和油、气。提高我国 2 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 能源技术水平，逐渐实现合理化。同时以较低的成本保障经济发展和运行，实现 能源、经济、环境协调发展，带动相关产业发展，促进区域经济发展。发展洁净 煤技术是中国能源发展的必然选择。目前国际上比较流行的煤炭清洁利用发展方 向主要有：先进发电、高效燃烧、脱硫脱氮和降低烟尘、利用煤气的燃料电池、 煤炭制造二甲醚和甲醇、水煤浆、煤气化联合循环、循环流化床燃烧技术、煤炭 液化和煤炭气化等。 在2 0 0 6 年2 月9 日一1 1 日召开的全国科技大会上，根据国家中长期科学和 技术发展规划纲要( 2 0 0 6 - 2 0 2 0 年) ，提出要促进煤炭的清洁高效利用，降低 环境污染；大力发展煤炭清洁、高效、安全开发和利用技术，并力争达到国际先 进水平；主要开展煤的清洁高效开发利用、液化及多联产；大力开发煤液化以及 煤气化、煤化工等转化技术；开展以煤气化为基础的多联产系统技术，燃煤污染 物综合控制和利用的技术与装备等。未来中国能源技术发展的主要方向是经济、 高效、清洁利用和新型能源开发。 水煤浆技术在代油燃烧、煤化工合成气、水煤浆气化和整体煤气化蒸汽燃气 联合循环( i g c c ) 方面，都有着举足轻重的作用，是洁净煤技术的优秀代表，有 巨大的应用价值和研究价值。 1 2 水煤浆技术介绍 1 2 1 水煤浆的质量要求 水煤浆是一种新型、洁净、环保的以煤来代油的清洁燃料。通常所说的水煤 浆是指由7 0 左右的干煤粉、3 0 左右的水和少量添加剂( 分散剂和稳定剂) 经过物理加工过程制成的具有一定细度、能流动的稳定浆体。 水煤浆作为一种燃料，不同于一般的煤水混合物，国标g b t1 8 8 5 5 2 0 0 2 中 对它的质量有一些特殊的要求，以便于燃烧、贮运和使用【6 】( 参见表1 2 ) 。 表l - 2 水煤浆的技术要求和测定方法 项目技术要求试验方法 i 级： 6 6 0 浓度c i i 级：6 4 1 6 6 0g b 厂r18 8 5 6 2 级：6 0 1 6 4 0 粘度q m p m ( 浆体温度2 0 ， 1 9 5 0 发热量g 甜。l l ( m j l ( g ) i i 级：1 8 5 1 1 9 5 0 g b 厂rl8 8 5 6 6 i i i 级：1 7 o o 1 8 5 0 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 i 级： 6 0 0 灰锄一 i i 级：6 0 0 8 0 0 g b 厂r18 8 5 6 7 级：8 0 1 1 0 0 0 i 级： 1 2 5 0g b 厂r1 8 8 5 6 1 0 ( 适合于固态排渣方式) i 级： 3 0 0 0 挥发分 i i 级：2 0 0 1 3 0 0 0 g b 厂rl8 8 5 6 7 级：2 0 0 0 水煤浆技术包括水煤浆制备技术、储运技术、燃烧技术等，是一门涉及多门 学科的技术。水煤浆制备技术包括煤种的优选、磨矿级配、化学添加剂、制备工 艺、制浆专用设备和检测控制技术等。水煤浆的制备主要解决降低水煤浆的粘度， 提高浓度和流动性以及储存的稳定性，而这些物理特性的变化与煤质特性、粒度 级配( 分布) 及添加剂的种类有关。因此制备水煤浆主要在于煤炭选择、磨矿级配 技术、合适的添加剂及适当的制浆工艺。水煤浆的制备与其储运及燃烧有密切关 系，高质量的水煤浆浓度高、流变性好、稳定期长，不仅可以方便长距离管道运 输和储存而且在燃烧过程中的燃烧效率高，排气污染物少，提高工业效益。 水煤浆制备工艺取决于制浆用煤的性质和用户对水煤浆质量的要求【l 】，通常 包括选煤( 脱灰、脱硫) 、破碎、磨矿、加入添加剂、捏混、搅拌与剪切，以及 剔除超粒与杂物的滤浆等环节。 选煤环节是为了解决制浆用煤不能满足用户对水煤浆灰分、硫分和热值要求 的问题。大多数情况下，选煤的环节都设在磨矿之前，如果煤粉中矿物质、杂质 等嵌入分布很细密，必须经过研磨变细才能解离出其中的杂质挑选出合格的制浆 用煤，则采用先磨矿再选煤的工艺。 破碎与磨矿的环节是为了将煤炭研磨变细至工业用水煤浆产品所要求的细 度，并且使其粒度分布具有较高的堆积效率，从而可以提高水煤浆的浓度。为了 尽可能地减少能耗，一般情况下都是采用先破碎后磨的方法；只有少数特殊情况， 例如用粉煤或煤泥制浆时，原料不需破碎直接磨矿即可。磨矿的方法分为干法和 湿法两种；磨矿的回路有一段磨矿，也可以是多台磨机组成的多端磨矿。 4 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 捏混环节只是在干磨与中浓度湿磨的工艺中才被采用。它的作用是使干磨所 产生的干煤粉或者中浓度湿法磨矿的产品经过过滤机脱水之后所得到的滤饼能 够更好的与水和分散剂均匀混合，并能初步形成具有一定流动性的浆体，以便在 下一步的搅拌工序中进一步使三者混合均匀。 搅拌在制浆厂中有很多种用途，它不仅仅是为了使水煤浆均匀混合，还具有 使水煤浆在搅拌过程中经受强力剪切，加强药剂与煤粉颗粒表面之间的作用力， 改善浆体流变性能的功能。 制浆工艺选择的主要依据是制浆用煤的煤质特性、添加剂( 分散剂和稳定剂) 的特性、制浆设备的性能和用户对水煤浆质量的要求等。水煤浆的制备工艺分为 干法制浆和湿法制浆两种。干法制浆是将制浆用煤破碎、干磨至用户所需要的产 品细度与粒度分布后，再加入水和分散剂进行捏混并在搅拌机中调浆；湿法制浆 是将煤炭、水和添加剂一起加入磨机，磨矿的最终产品就是水煤浆【l j 。 在水煤浆发展的初期，干法制浆用的较多，主要是因为可以借用现有的磨煤 设备，比较方便。后来的研究表明：干法磨矿制浆的效果不及湿法磨矿制浆，因 为干法磨矿堆积效率低，而且干法磨煤时新生的表面积很快被氧化使得煤的成浆 性降低；干法磨矿的能耗比湿法磨矿要高很多，美国k v s ( k e n n e d yv a n s a u n ) 公司的资料记载，在产品细度相同的条件下，干法球磨机的能耗大约比湿法球磨 机高3 0 ，而且于法制浆的安全和环境条件都比不上湿法制浆。 因此现在的制浆工艺选择方面，一般倾向于采用湿法磨矿制浆的工艺。其中 湿法磨矿工艺又分为高浓度磨矿和中浓度磨矿两种方式，对易成浆与中等成浆性 的煤种，宜采用高浓度一段磨矿制浆工艺。 1 2 2 水煤浆技术的优点 水煤浆具有类似于油的流动性和稳定性，可以方便的泵送、储运和雾化燃烧， 燃烧时的火焰温度比油低，产生的氮氧化物比油少。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，因此以水煤浆技术是一种投资省、成本 低、见效快、简单易行和成熟度高的代油技术，且具有显著的经济效益。1 9 9 9 年，我国消耗燃料油约为4 0 0 0 万吨，从行业看主要是集中在电力系统、石油石 化系统、建材行业等。水煤浆的应用不仅给燃油企业带来明显的经济效益，同时 可以节约外汇、节省石油资源，对我国节约和替代石油资源、优化和改善能源结 构，将起到积极的作用。 燃用水煤浆与直接燃煤相比具有燃烧效率高、负荷易调控的优点，节能和环 境效益好等显著优点，所以也是洁净煤技术的重要分支，可广泛应用于工业锅炉、 电站锅炉、工业窑炉。水煤浆经长距离管道运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，是解决中国煤炭运力不足的重要运输方式 之一。因此将煤炭转化为水煤浆使用可使煤炭得到更洁净有效的利用。 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 水煤浆技术是一种投资省、成本低、见效快、简单易行和成熟度高的代油技 术，且具有显著的经济效益。目前水煤浆技术的应用主要包括：燃油锅炉改烧水 煤浆，水煤浆气化合成气体。水煤浆具有类似于油的流动性和稳定性，可以方便 的泵送、储运和雾化燃烧，燃烧时的火焰温度比油低，产生的氮氧化物比油少。 与直接燃煤相比具有燃烧效率高、负荷易调控的优点，而且节能和环境效益好。 煤气化是煤化工的先导技术，煤的气化和化工原料及燃料的合成已经成为煤炭工 业发展步伐的研究重点。水煤浆气化工艺作为气流床气化的主要技术之一，已经 在世界上成功应用7 0 余年，目前中国有1 9 套德士古水煤浆气化设备。 鉴于水煤浆技术相对于普通燃煤和燃油技术的极大优点，燃用水煤浆对煤炭 的综合利用、节约石油资源和环境保护都具有极其重大的意义。因此，我国将“以 煤代油”列为一项基本能源政策，并明确将“水煤浆技术开发”列为国家重点鼓 励发展的高新技术和产业，我国已把水煤浆技术作为洁净煤技术的一种列入了 2 1 世纪议程。作为代油、代气、节煤、经济和环保型的优质燃料，水煤浆将 会在各个领域得到越来越广泛地应用。 “十五”期间，水煤浆年需求量在2 0 0 万t 左右。因此，我国水煤浆代油燃烧 市场有着良好的发展前景。另外，随着社会的发展和进步，人们对环境保护要求 越来越高，中国各级政府都指定了环境环保的相关政策，在五十年内将逐步减少 原煤的直接燃烧。北京市政府制定在2 0 0 5 年以前完全取消城市原煤直接燃烧， 改烧清洁燃料。而水煤浆就是最适宜中国国情的，比较理想的洁净燃料之一，所 以说发展水煤浆技术，推广水煤浆应用是前景广阔。水煤浆作为节约和替代石油 以及洁净煤利用的示范与推广技术，对于发挥中国煤炭资源优势，既符合国情要 求，又可保证能源安全，具有现实和长远意义。 1 2 3 水煤浆技术的问题 为了方便燃烧，作为燃料应尽量减少其中的水分，要求水煤浆的浓度要高， 通常为6 2 - 一7 0 ；为了便于泵送和雾化，要求在浆体温度2 0 、l o o s 1 的剪 切速率下对应的表观粘度不高于1 0 0 0 - - 1 2 0 0 m p a s ，还要具有“剪切变稀”的流 变特性，处于流动状态时，具有较低的粘度，便于使用；处于静置状态时，又可 以表现出较高的粘度，以便于存放：为了提高煤炭的燃烧效率，要求煤粉颗粒要 达到一定的细度。一般要求粒度不超过3 0 0 9 i n ，其中小于7 5 9 m 的含量要不少于 7 5 ；水煤浆是一种固、液两相混合物，很容易产生固、液分离现象，为了防止 在贮存、运输过程中产生硬沉淀，要求水煤浆要有良好的稳定性，一般来说，要 求能静置存放一个月不产生不可恢复的硬沉淀：水煤浆产品应贮存在具有适当搅 拌装置的有盖容器中，并依据搅拌能力定期搅拌。水煤浆产品要用洁净的封闭容 器运输或管道输送。 对所制备的水煤浆只满足以上某些单项的性能要求并不困难【8 】但是要同时 6 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 满足上述各项性能要求就会非常困难，因为水煤浆的以上的各性能之间是相互制 约、相互影响的。例如：水煤浆的浓度高时，煤浆中c 的含量高，对燃烧非常 有利，但是同时也会引起粘度增大，使得流动性变差；水煤浆的表观粘度低时， 对泵运、雾化过程是有利的，但是会使得燃烧稳定性变差，给锅炉安全经济运行 带来困难。 同时水煤浆技术面临的一些问题也值得我们注意： ( 1 ) 水煤浆的稳定性偏低。目前我国生产的水煤浆稳定期一般为一个月以上， 但能达到3 6 个月以上的却很少。 ( 2 ) 水煤浆粘度普遍偏大。利用我国现有技术制得的水煤浆，当浓度达到7 0 时，室温下的表观粘度一般在l1 0 0m p a s 以上，只能勉强满足泵送、雾化燃 烧等需要，一旦储存时间稍长容易产生沉淀。 ( 3 ) 对水的质量要求过高。目前我国一般都用硬度约0 7 2 1 4 的软水( 去离子 水) 作为制浆用水。显然，如果改用地表水来代替去离子水，可大大降低水处理 费用和制浆成本。 ( 4 ) 对煤的品质要求高，由于煤的品种和产地的不同。煤炭的化学成分相差 很大，必须根据不同地区、不同煤种而选用不同的添加剂，增加了制浆工艺的复 杂性。 ( 5 ) 就制浆工艺而言，目前运行的一些浆厂均为湿法制浆，但对一些远离制 浆厂的中、小企业的工业炉( 窑) ，若燃用水煤浆，运费约占水煤浆到厂价的3 0 以上( 其中装运的有3 0 - - 3 5 重量的水) ，很不经济。为此提出采用干粉调浆， 可实施炉( 窑) 前制浆，不仅节省运费，而且简化了煤浆的贮运设施。但干法制 浆工艺存在很多缺点：制浆厂很难满足干磨时入料水份不高于5 的要求；磨矿 功耗比湿法高；干磨时新生表面容易被氧化，增加制浆的难度；安全与环境条件 也不及湿法磨矿，一般情况下干法磨矿制浆效果不及湿法。 ( 6 ) 水煤浆燃料要求高浓度，又要具有良好的流动性。但是传统的通用磨机 很难在磨矿过程中使产品既达到一定的细度，又具有较高的堆积效率。 ( 7 ) “级配”是制浆的关键技术之一。其中涉及的两项技术仍有待继续研究：一 是要能判定什么样的粒度分布颗粒间空隙少而达到较高的堆积效率；二是如何根 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，使之能达到颗粒间空隙少的粒度分布。 ( 8 ) 磨矿设备、搅拌设备需进一步提高机械性能，并进一步减少电耗；制浆 厂缺少在线质量检测手段。 ( 9 ) 水煤浆的p h 值即水煤浆的酸碱度不仅为水煤浆生产、储运、燃烧技术方 面和设备选材提供参考作用，而且对水煤浆的稳定性也有一定的作用。 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 水煤浆技术的国内外发展现状 1 3 1 国外发展情况 受7 0 年代石油危机的冲击，瑞典的c a r b o g e l 公司率先开展了水煤浆的研究， c a r b o g e l 公司的技术专家将煤进行脱硫、粉碎之后，制成直径只有几十微米的微 球体，再加入少量添加剂，最后用水混合成胶状的水煤浆。继瑞典之后，世界主 要发达国家如美国、日本、德国、俄罗斯等都竟相进行开发，国外由此掀起了对 水煤浆技术进行研究的高潮，进而对水煤浆的制备、存储和燃烧技术，进行了大 量的理论研究与实验室试验。目前，欧美等国家的水煤浆技术已经进入商业化阶 段，水煤浆技术的发展应用主要受国际油价市场的影响，多数技术发达国家是作 为技术储备来研究，并建成一批水煤浆厂和应用工程有代表性的包括： 俄罗斯于1 9 8 8 年在别洛沃斯建成了年生产5 m t 的水煤浆制备厂，通过长达 2 6 0 k m 、直径为5 3 0 m m 的管道输送线路，供新西伯利亚6 x 2 0 0 m w 电站机组6 7 0 t h 锅炉燃用。该工程是当时世界上规模最人的集水煤浆制备、管道输送、锅炉燃烧 三位一体的技术。目前，俄罗斯主要开发6 7 0 吨小时的电站锅炉及中小锅炉燃 烧水煤浆技术。 日本水煤浆技术的应用主要针对大型电站锅炉，并拥有5 0 万t y 的制浆厂和 经管道运输至电厂的工业示范项目。日本在小名滨建成o 5 m t y 水煤浆厂，通过 9 千米管道供给世界应用规模最大的东京勿来电站4 号机组( 7 5 兆瓦) 2 6 0 吨时锅 炉和8 号机组( 6 0 0 兆瓦) 1 9 4 0 吨时锅炉燃用水煤浆。该锅炉原设计为油和煤粉混 烧，加入水煤浆后，为三种燃料混烧，比例为5 0 水煤浆、2 0 油、3 0 煤粉【9 】。 其燃烧效率达9 8 以上；采用脱氨脱硫装置，污染物排放水平为s 0 2 _ 8 8 p p m ， n o x 56 0 p p m ，粉尘s5 0 m g m 3 。目前，日本还注意水煤浆专用锅炉的制造研究， 与中国合作进行的2 2 0 t h 水煤浆专用锅炉可同时装备烧油系统，是中日两国合作 的绿色援助计划之一。 美国是最早应用中浓度煤浆输运煤炭的国家。自1 9 7 9 年起，美国就将水煤 浆技术的开发应用就已经列入政府发展计划，美国著名的麻省理工大学、宾州大 学、埃德尔菲大学等单位及美国能源部都投入了大量的人力、财力，进行了广泛 的水煤浆制备、输送和燃烧技术的开发研究；对大型电站锅炉改造、大型燃烧器 的设计、煤浆制备与燃烧的工程设计也进行了大量的研究，并在许多锅炉 7 5 m w 、1 2 0 m w 电站锅炉进行了水煤浆燃烧试验，其水煤浆燃烧技术居世界领 先水平。如包括制浆和管道运输系统的黑梅萨煤浆( 浓度为5 0 ) 管道，运送距离 长达4 4 0 k m ，运力为5 m t y ，几十年来为莫哈夫电厂的1 5 8 0m w 发电机组提供 了上亿吨燃料。目前，美国正结合煤气化联合循环发电( i g c c ) 和德士古气化 工艺，对超低灰水煤浆直接在燃气轮机上燃烧的技术进行系统研究。 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 法国艾米路希电厂是世界上最为成功的大型电站燃用煤泥水煤浆用户，自 1 9 9 0 年以来，该厂3 6 7 t i l 循环流化床锅炉( 带1 2 5 m w 机组) 一直燃用煤泥制 成的水煤浆，浓度为6 7 ，低位发热量1 0 4 7 m j k g ，燃烧效率为9 8 。 意大利、瑞典也曾有成功的商业化应用经验。意大利曾在石油化工联合厂所 属电热厂建成5 0 0 千吨年水煤浆制备、管输和燃烧系统工程。瑞典的s y d k a f i 电站在5 0 0 m w 的锅炉上进行了水煤浆燃烧实验。抽出每支燃烧器( 共8 只燃烧 器) 进行水煤浆燃烧实验，每支燃烧器所用的煤浆量为3 t h ，蒸汽雾化喷嘴试验 试烧了5 0 t 煤浆。 1 3 2 国内发展情况 1 9 8 1 年，浙江大学岑可法院士向国家有关部委首次提出建议进行水煤浆代 油技术研究，并率先在国内开展水煤浆燃烧基础研究。1 9 8 3 年5 月，浙江大学 在2 0 0 k g h 试验台架上首次使用大同水煤浆试烧成功。经历了“六五”到“九五，4 个五年计划的攻关，在广大水煤浆工作者的努力下，共取得水煤浆技术重大科技 成果3 3 项，在技术开发、工业化制浆及燃烧等方面具备一定基础和能力，技术 已趋于成熟，能满足工业化应用的基本要求。2 0 0 1 年始先后投建大同汇海、广 东茂名、胜利油田等3 个大型浆厂。至今全国已建成和再建的水煤浆厂有3 0 多 个，其中5 0 万吨年以上规模地有近2 0 家，如兖州厂( 中日合资) 、北京厂( 中瑞 合作建设) 、枣庄八一厂，年生产能力均为2 5 0 0 0 0 t ，还建立了质优价廉的添加剂 厂。我国的水煤浆制各技术已达到国际水平，产品具有良好的稳定性和流动性， 能满足燃烧雾化的需求。 中国的制浆工艺种类有：洗精煤高浓度磨矿工艺、洗精煤中浓度磨矿工艺、 浮选精煤高浓度磨矿工艺、浮选精煤和水洗精煤高浓度联合制浆工艺等，其中浮 选精煤高浓度磨矿工艺为中国独有。具有节约制浆成本、改善洗精煤质量的优点。 近几年来，我国的水煤浆制备及燃烧应用技术取得了长足的发展。其成果工 业化能力已经进入了商业化运营阶段。截止2 0 0 2 年底，我国共有水煤浆厂1 5 座，设计能力约为4 2 6 m v a ，是5 年前的6 5 倍，水煤浆厂的数量和总生产能 力均居世界第一位。中国是世界上水煤浆应用炉型最广的国家，完成了工业锅炉 ( 1 t h 、2 t h 、4 t h 、l o t h 、2 0 t h 、3 5 t h ) 、电站锅炉( 6 5 t h 、1 3 0 t h 、2 2 0 t h 、4 1 0 t h 、 6 7 0 t h ) 、工业窑炉( 轧钢加热炉、退火炉、煅烧炉、隧道式干燥窑、陶瓷喷雾干 燥塔热风炉) 等多种锅炉和炉窑燃用水煤浆的工程试验和建设。广东龙光集团南 海发电厂的6 7 0 t h 水煤浆锅炉，广东茂名热电厂的4 1 0 t h 水煤浆锅炉，汕头万 丰热电厂、广东茂名热电厂、山东白杨河发电厂和北京燕山石化公司的2 2 0 t h 水煤浆锅炉等目前都运行良好。 目前我国同时也是世界上最大的水煤浆锅炉是广东南海发电一厂新建的 6 7 0 t h 超高压电站锅炉，采用浙江大学开发的燃烧技术，这标志着中国的水煤浆 9 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 燃烧技术达到国际领先水平。 由于水煤浆燃烧效率高、大气污染控制效果明显、生产工艺优越，水煤浆及 水煤浆锅炉已逐步被全社会认同和接受，水煤浆的发展也受到党和国家领导人的 高度重视。我国是一个富煤少油的国家，以煤炭为主要能源结构，而水煤浆作为 新型代油环保燃料，正被越来越多的企业所认识。水煤浆除了燃烧还能通过气化 工艺更好地使用，水煤浆气化后，用煤气代替煤作为工业和民用燃料，除了可以 提高煤的综合利用和热效率外，还可以大大减轻煤燃烧时对环境造成的污染。因 此煤的气化是当前洁净煤技术中的首选项目之一。水煤浆代油技术具有重要的战 略意义，已引起我国政府的高度重视，煤炭工业管理部门将其列入了“十五”计 划作为重点发展项目。 1 9 9 6 年1 月1 9 日，江泽民总书记在中国矿业大学( 北京校区) 等单位考察 了水煤浆科技开发工作，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内要依靠 煤，要把水煤浆作为一个战略问题来考虑，这是一件重要的工作。” 1 4 水煤浆气化技术发展状况 煤炭气化是指用煤炭作原料，来生产工业燃料气。它是洁净、高效利用煤炭 的最主要途径之一，如燃料电池、煤气联合循环发电技术等，气化制气的应用领 域非常广泛：可用来做燃料气( 工业燃气和民用燃气) 、化工原料气、煤气联合循 环发电、燃料电池、液体燃料等。 煤在气化的过程中，在高温条件下与气化剂反应，使固体燃料转化成气体燃 料，只剩下含灰的残渣。通常气化剂用水蒸气、氧( 空气) 和二氧化碳。粗煤气 中的产物是c o 、h 2 和c h 4 ，伴生气体是c 0 2 、h 2 0 和n 2 等。此外还有硫化 物、烃类产物和其他微量成分。各种煤气组成取决于煤的种类、气化工艺、气化 剂的组成，影响气化反应的热力学和动力学条件等。 气流床气化是采用极细的煤粉为原料，被氧气和水蒸气组成的气化剂高速气 流携带，喷入气化炉，在炉内，固体细颗粒分散悬浮于气流中，并被气体夹带出 去，成为气流床。气流床气化气流速度快，煤粉在炉内停留时间短，反应温度高。 世界上2 5 0 m w 以上的整体煤气化联合循环电站都采用气流床煤气化炉。加压气 流床气化炉技术主要包括t e x a c o 、d o w 等几种形式。 德士古水煤浆气化技术是第二代气化工艺最为成熟、商业应用装置最多的技 术之一，迄今世界上已有4 0 余台气化炉在运行。我国的山东鲁南化肥厂等单位 引进此技术。1 9 9 3 年4 月第一次投料并生产合成气，1 9 9 5 年7 月达到负荷设计 能力的1 2 0 。 气流床煤气化技术发展的主要问题是：国际上高压气流床煤气化技术均为国 l o 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 外公司所垄断，如t e x a c o 、d e s t e c 、s h e l l 、p r e n f l o 气化技术。国内技术以引进为 主，自8 0 年代末，我国花费大量外汇，相继引进了6 套t e x a c o 气化装置( 1 9 台气化炉，单炉最大处理量为1 0 0 0 t d ) ，近年来，s h e l l 公司也积极抢占中国市 场，将在洞庭、柳州、枝江、安庆、应城等地新建日处理9 0 0 - - 2 0 0 0 吨煤的粉煤 气化装置。从工业应用情况看，存在的问题主要是：煤种适应性有局限，例如 t e x a c o 水煤浆气化一般要求煤的灰熔点要低于13 5 0 ；装置年运转率有待提 高，例如t e x a c o 水煤浆气化喷嘴寿命在9 0 天左右；碳转化率比较低，一般在 9 5 左右；投资巨大，例如日处理2 0 0 0 吨煤的s h e l l 粉煤气化技术，仅气化炉 和废热锅炉的投资就高达2 亿元人民币；装置处理规模还不够大。 国内技术开发有4 0 余年的历史，历经了模仿、消化吸收、自主开发的不 同阶段。在气流床煤气化的某些研究领域取得了较大进展：形成了自主知识产权 的煤气化技术，并被列为“十五”8 6 3 课题，将于2 0 0 5 年建成国内最大规模 ( 1 0 0 0 t d ) 的煤气化示范装置；其它三项“十五”国家8 6 3 计划课题和“十五” 国家科技攻关课题，也将在近几年内建成中试装置或工业化装置。下表为国内气 流床气化技术与国外典型技术的比较见表。 图表1 - 3 国内气流床气化技术与国外典型技术的比较 t e x a c o 技术s h e l l 技术多喷嘴对置新型气化炉 射流型式单喷嘴多喷嘴( 有偏角)多喷嘴对置 3 0 6 5 ( 长远目标 压力m p a 3 o 6 53 0 8 5 ) 1 3 0 0 - - - 1 4 5 0 ( 长远目标 温度。c 1 3 0 0 - - 一1 4 5 01 4 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 ) 混合状况 差 一般好 碳转化率 9 5 9 5 ( 无飞灰循环) 9 8 装置运转率 8 5 有待继续验证有待验证( 目标9 0 以上) 投资比 1 1 50 9 基础研究未见报道未见报道基本空白 一般认为，常规锅炉气轮机发电站的效率和环保性能已接近技术极限和经 济极限，尤其考虑到环保，常规燃煤锅炉在二氧化碳排放、酸性气体排放以及粉 尘污染方面，都不及燃煤联合循环发电系统。水煤浆进料气流床气化技术在电力 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 行业的应用目前主要用在整体煤气化联合循环发电系统( i g c c ) 中。 在i g c c 过程中，原料煤首先在气化炉中转化成粗煤气，然后进入净化系统 中净化洁净煤气被送至燃气轮机燃烧室中与压缩空气一起燃烧，所产生的高温高 压燃气驱动燃气轮机做功发电；燃气轮机排气则进入余热锅炉产生蒸汽，在汽轮 机中做功发电；煤气化的副产品可实现煤化工综合利用。 世界上第一座i g c c 装置是1 9 7 2 年在德国的k e l l e r m a n 电厂，容量为 1 7 0 m w ，采用五台固定床气化炉。该装置出力和效率都低于设计值，加之粗煤 气中含有焦油和酚等有害物质极难处理，该电站完成原定全部试验内容后于2 0 世纪7 0 年代末停运。第一座i g c c 电站未能长期运行的主要原因是气化炉问题， 因而，如何经济有效地将煤转化为煤气并从中去除有害物质成为i g c c 示范电站 成败的一个关键。 从长远看，大力发展洁净煤技术，采用先进的整体煤气化联合循环发电技术 ( i g c c ) 或多联产，其经济效益与社会效益都是非常明显的。而水煤浆进料方式 的气流床气化技术，作为这些系统的气化部分，具有很好的应用潜力。 1 5 微波加热技术的应用 微波是指波长足够短，能在发射和接收过程中实际应用波导和谐振腔技术的 电磁波，常用微波炉的微波频率为3 4 5g h z 。1 9 3 6 年，波导传输试验在美国取 得成功，随后微波技术在通信、广播、电视领域中得到了广泛的应用。在使用微 波的过程中，人们发现微波会引起热效应，于是在全世界范围内开始了对微波加 热技术的应用研究。1 9 4 5 年，美国人s p e n c e rpl 申请了微波加热技术的第一个 专利。 按加热方式的不同，我们可以把固体物料的加热分为两类：一类是常规加热， 该方法是首先通过传导、对流、辐射的传热方式加热同体周围的环境或固体表面， 使固体的表面得到热量，然后再通过热传导的方式将热量传到固体内部，其加热 介质可以是热空气、炉气、过热蒸汽，也可以是远红外线辐射等。这种加热方式 效率低，加热时间长。另一类干燥方法是介质微波加热，这是一种全新的加热方 法。其加热原理是：当有极分子电介质和无极分子电介质置于微波电磁场中时， 介质材料中会形成偶极子或已有的偶极子重新排列，并随着高频交变电磁场以每 秒高达数亿次的速度摆动，分子要随着不断变化的高频电场的方向重新排列，就 必须克服分子原有的热运动和分子相互间作用的干扰和阻碍，产生类似于摩擦的 作用，实现分子水平的“搅拌”，从而产生大量的热。 可见常规加热与微波加热是两种迥然不同的加热方法。微波加热是一种“冷 热源”，它在产生和接触到物体时，不是一股热气，而是电磁能。它具有一系列 传统加热所不具备的独特优点。 1 2 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 微波加热具有即时性、整体性、选择性和能量利用高效性。而且相对于传统 加热方式，微波加热还有安全、卫生、无污染的突出优点。并非所有材料都能用 微波加热，不同材料由于其自