水煤浆技术研究进展与发展趋势

蒋 煜，王 磊，涂亚楠

(1.大同煤矿集团有限责任公司，山西 大同 037000；2.中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院，北京 100083)

水煤浆(coal water slurry，CWS)是因20世纪70年代末石油危机而研发的一种煤代油燃料，一般使用60%～70%的煤、30%～40%的水和少量的添加剂通过物理加工方法得到。水煤浆具有污染低、燃烧效率高、可管道输送等优点[1]，使之成为煤炭洁净加工利用技术重要组成部分。经过30多年的发展，水煤浆技术已经非常成熟，并广泛应用于工业锅炉燃烧及煤化工转化等多种领域。目前看，制浆设备的大型化、低阶煤制浆及燃烧技术、大型水煤浆专用锅炉及燃烧器的研究、水煤浆脱硫技术、工业废水制浆、多喷嘴水煤浆气化炉等技术、装备的开发应用是水煤浆产业的主要发展方向[2]。

我国已是全球水煤浆产能最大、技术发展最完备、产业化最广泛的国家。据报道，燃料型水煤浆的使用量已达到3000万t/a[1]。而随着我国现代煤化工技术发展，以水煤浆气化炉作为主要工艺的煤化工产业项目大量上马，到2017年底，相应的气化型水煤浆的年使用量已超过了2亿t[1]。随着我国推动煤炭清洁加工与转化利用的力度不断增大以及现代煤化工产业体系的迅猛发展，具有技术先进、安全性高、运行稳定、废水处置压力小、国产化程度高等优势的水煤浆气化技术必然获得更大的推广应用，水煤浆技术将具有更广泛的发展空间和前景。

1 水煤浆技术研究进展

水煤浆本质上是一种具有高固相体积浓度的粗悬浮体系。浆体特性(浓度、流变性、粘度特性、稳定性等)与煤颗粒的物理化学特性(孔结构、表面特征、粒度分布、密度等)以及水质(组分、添加剂种类及用量等)密切相关，或者其他外加因素(如温度等)对浆体特性也有影响。

1.1 煤质对水煤浆特性的影响

煤质因素对水煤浆可制浆浓度，流变性和稳定性的影响研究主要集中在工业分析特性、元素组成特性、岩相组成特性、矿物组成特性等。张荣曾[3]将中国17种煤的38个不同的煤质因子作为考察对象，利用多元非线性回归的方式得到了成浆性评价指标D，以及用此评价指标计算可制浆浓度C的方法，见式(1)。

D=7.5-0.051HGI+0.233Mad+0.0257×O2

C=77-1.2×D

(1)

式(1)中所需要的参数仅为哈氏可磨性指数(HGI)、空气干燥基水分(Mad)以及氧含量，即可通过一般性的常规检测就可以利用式(1)进行成浆性的预判，这可以节省大量的时间和分析成本。从式(1)看，氧含量的影响是呈平方式的，因此对成浆性的影响更为显著。

尉迟唯等[4-7]对24种不同地区、不同变质程度煤制成水煤浆的流变性进行了试验研究，采用多元线性回归分析的方法，考察了碳含量、氧含量、各种含氧官能团的数量和种类，以及灰成分的质量分数等多个参数指标对水煤浆流变性的影响。通过其研究结果可以发现：煤的灰分、孔体积、可溶矿物离子溶出量以及煤颗粒表面电动电位等是影响水煤浆流变特性的主要煤质因素。

水煤浆特性受煤岩显微组分的影响也较大。祁威等[8]对镜煤、亮煤和暗煤的成浆性进行了试验研究，发现镜质组含量的高低影响着表观粘度对制浆浓度变化的敏感性，表现为：镜质组高时，在高浓度条件下粘度随浓度变化更为敏感，而低镜质组含量时的规律恰好相反。

1.2 粒度分布对水煤浆特性的影响

水煤浆颗粒的粒度分布对流变性、稳定性和成浆浓度具有重要的影响。实践证明，通过合理的粒度级配获得具有高堆积效率的水煤浆颗粒粒度分布后，等浓度下的流变性将变好，表观粘度将下降[9-13]。这意味着可以进一步提高水煤浆的制浆浓度，而粘度不会超过工业应用的要求。当前，在实验室中的大部分试验研究采用的级配方法是多粒度分布物料相互混合。而工业生产中绝大多数采用单磨机高浓度制浆工艺直接制备水煤浆，这种工艺主要通过调整磨介的粗细比例来优化研磨出料的粒度分布，从而使体系的空隙率降低，进而提高固体体积浓度[9，10，14-16]。朱雪丹[12]对神府煤样的粗细样品分别单独制浆及级配制浆试验研究得出，当细煤粉质量分数为60%～70%时，制备水煤浆的表观粘度和静态稳定性达到最佳。

赵世永等[13]对采用不同级配技术对神府大柳塔煤样进行成浆性试验研究发现，采用单磨机制备的水煤浆浓度比较低，且要求粒度足够小时才具有良好的稳定性；在双峰级配中，有一半以上的煤颗粒粒度小于25μm时，制得的浆体的稳定性较好；而在三峰级配中，所得到的浆体的稳定性都要比前面单峰、双峰要好。陈松等[17]对淮南煤开展了级配制浆试验研究，发现三峰级配使得成浆浓度提高了3%～5%，且在浓度相近时，相对于双峰级配的粘度要更低，稳定性要更好。

段清兵等[15]则通过三峰分形级配提浓技术，利用控制三种研磨物料的粒度分布和配比的方法，大幅度提高了工业生产制备气化型水煤浆的浓度。

不同的煤，通过优化粒度分布的方法可以提高制浆浓度的程度也不同。高志芳等[18]进行了一种褐煤的提质制浆试验，着重比较了该煤提质前后，在不同堆积效率下制备水煤浆的流变性变化趋势，试验结果表明堆积效率对提质褐煤的影响更加明显。余学海[19]对六种典型的气化煤进行制浆试验研究发现，采用Rosin-Rammler粒度分布模型进行级配优化要比Alfred模型更容易获得高堆积效率，且更易在工程上应用。

利用级配技术提高成浆浓度的关键在于如何判断已有粒度分布的颗粒是否具有良好的堆积效率。比较通用的做法是将粒度分布以一个数学方程加以描述，而后通过计算或者试验的方法来确定堆积效率或堆积效率最高时方程的特征参数。Tu等[20]基于张荣曾的隔层堆积思想[3]，提出了一种评价水煤浆体系堆积效果的指标的计算方法，可以用于任一宽粒级连续分布物料的堆积效果评价。

1.3 添加剂对水煤浆特性的影响

煤颗粒表面主要呈现疏水性的非极性结构，因此在水中更易于聚并沉降。这就需要一定的表面改性手段，以降低颗粒的聚并趋势。水煤浆体系中添加量极少的分散剂对水煤浆性质的改善具有至关重要的作用。分散剂都是双亲性分子。在水煤浆体系中，其疏水端通过范德华力、疏水作用力等吸附于煤的表面，而亲水端则伸展在水中[21]。此外，亲水端会束缚周边的水分子而形成水化膜，从而阻碍颗粒的聚并，改善水煤浆的流变性[22-24]。尽管水煤浆分散剂本身也具有一定的稳定作用，但为了保证水煤浆的长途运输，就必须要添加适量稳定剂。稳定剂的作用主要是在水煤浆体系中形成空间网格结构，从而大幅度增大颗粒间的空间阻隔，或者通过强化水化膜的结构来避免颗粒的聚并沉降[25]。但无论哪种方式，稳定剂的加入均不应显著影响水煤浆的正常流动特性。

邹立壮等[26-30]系统研究了不同煤种与不同分散剂的制浆效果，并建立了原煤亲水性和分散剂对煤粒亲水改性程度的成浆经验模型。其中，低阶煤制浆的稳定性受到煤质特性的影响较大，而高阶煤则主要受到分散剂结构影响。只有当煤样和分散剂间的匹配合理时，才可使颗粒得到充分分散，从而获得粘度低、浓度高、稳定性好的水煤浆。此外，他们还建立了利用流变曲线参数表示的水煤浆稳定系数模型，可以描述不同流变特性水煤浆的静态稳定性[31，32]。研究学者开展了多种分散剂的开发工作，并主要集中在阴离子型分散剂上，如木质素系[33]、萘系[34]、聚羧酸系[35]及腐殖酸系[36]等

从总的原则看，分散剂的分子结构对水煤浆的流变性影响很大，不同变质程度的煤制备水煤浆时应根据流变需求选择合理分子结构和组分的添加剂。其中，对于易成浆煤种而言，更适宜选择分子量大且空间立体结构较强的分散剂，从而形成较好的水化膜结构；而难成浆性煤则更适宜选择分子量较小的分散剂，以避免水化膜过厚影响制浆浓度。分散剂分子改性可以在提高流变性的同时，提高稳定性。如隋明伟等[37]以腐殖酸和丙烯酰胺、烯丙醇聚氧乙烯醚为原料、过硫酸钾为引发剂，采用水溶液聚合方法合成新型分散剂，与原来的腐殖酸进行对比制浆试验，发现改性后的腐殖酸具有更好的分散性能，对煤颗粒表面的润湿性、静电斥力和空间位阻方面都有很大的改善，并在一定程度上提高了浆体的稳定性。

1.4 工业废水组分对水煤浆特性的影响

工业废水的处理一直是困扰行业发展的技术瓶颈之一。由于水煤浆的雾化燃烧可以将大部分难降解有机组分分解为易处理的小分子物质，同时可以利用工业废水中污染组分的潜在热值，因此使用工业废水与煤制备水煤浆理论上具有较高的研究价值。

工业废水，尤其是煤化工废水中典型污染物组分对浆体性质的影响显著。如木沙江等[38]探讨了焦化废水中氨氮和乙二胺对水煤浆流变性的影响，指出氨氮具有负面影响，随着氨氮浓度的升高，水煤浆的表观粘度有升高的趋势，流动性逐渐变差，而稳定性越来越好，添加乙二胺则对水煤浆具有降粘作用。同时木沙江等[39]也发现焦化废水中酚类物质对制备水煤浆具有降粘作用。周国江等[40]研究了蒸氨废水与煤泥制备的水煤浆的稳定性、流变性和发热量，发现焦化废水中污染物组分对水煤浆产生一定的分散稳定作用。Zhang等[41]通过向固体浓度相近的神府烟煤浆中加入小分子有机物(甲酸、乙酸、甲醇、乙醇、乙二醇、乙醚和苯酚)，研究其对神府烟煤浆流动特性和结构特征的影响，指出在有机物溶液浓度较低时，酸和醛对水煤浆的增粘效果较明显；有机物溶液浓度较高时，醚对水煤浆的增粘效果上升，酸的增粘效果下降。Wang等[42]究了焦化废水与一种烟煤制备的废水煤浆的流变性和稳定性，同时分别测定了烟煤在吸附焦化废水中几种典型污染物组分前后煤表面接触角、Zeta电位、表面含氧官能团的变化以及煤对污染物组分的平衡吸附量，利用上述实验结果解释了废水煤浆性质的变化。Tu等[43]研究了氨氮和萘系分散剂NNO在一种内蒙古锡盟褐煤粉表面的单组分和竞争吸附特性，从吸附反应对褐煤颗粒表面性质的改变这一角度解释氨氮对制备的褐煤水煤浆流变性和稳定性的影响。

1.5 外加因素对水煤浆特性的影响

外加因素主要指各种加工方法或者生产环境等可能对水煤浆流变性造成影响的因素。如水煤浆生产过程中，在球磨机内部因磨介和磨料的相互碰撞、挤压和摩擦而产生热量，从而使水煤浆的温度提高。一般而言，升高温度有利于降低水煤浆的粘度。但有数据表明，当温度超过60℃时，水煤浆的粘度反而会提高[44]。此外，高强度剪切作用对水煤浆的粘度也有所影响，表明水煤浆体系并不完全是时间独立性的流体[44]。

水煤浆温度过高或者受到过强的剪切作用时，分散剂在煤表面吸附形成的水化膜会因为水分子内能过大而离散，或直接被剪切作用撕裂破坏，从而发生脱附现象，进而不再具有分散作用。温度对水煤浆稳定性也具有一定的影响作用。如柴志方等[45]对不同温度下浆体稳定性的变化情况进行分析研究，发现随着温度的提高，水煤浆的稳定性变差。究其原因，则是温度升高后，水化膜中水分子因内能增大而挣脱了束缚，造成空间位阻效应减弱。因此，在进行水煤浆分散剂选择时，也应当注意分散剂与煤特性间的匹配，以提高抗温变和抗剪切性能。

此外，还有学者研究了超声作用对水煤浆流变性的影响，结果发现超声波对煤颗粒具有强烈的分散、空化和扩孔作用，从而能将煤颗粒絮团破坏甚至完全离散化，或可以将大颗粒击碎，或在管道内壁与水煤浆间产生微小气泡而降低流动阻力等[46，47]。超声作用主要影响体系中颗粒状态[48]，超声波的分散作用，可使体系中已形成的三维絮团结构破裂，甚至完全离散化，而空化作用可以使体系中大粒子破碎成小粒子等。这些作用均使水煤浆体系的表观粒度发生下降，从而沉降速度变慢，使得稳定性得到改善。

2 水煤浆技术发展趋势

发展现代煤化工，促进煤炭清洁高效利用和煤炭产业转型升级，对保障国家能源安全、保护资源环境、培育新的经济增长点具有重要的战略意义。我国现代煤化工产业发展迅速，但也引发了环境污染忧虑。尤其是化工安全环境突发事件时有发生，“谈化色变”和“邻避效应”严重制约了行业的健康发展。2016年10月，国家工信部印发了《石化和化学工业发展规划(2016—2020年)》，将推行清洁生产、加强重点污染物治理等措施、提高本质安全水平和资源能源利用效率提升到了新高度，对工业废水处理提出了更为严格的要求[49]。

煤化工废水复杂的组成和极高的污染物浓度是其处理难度大的两大核心原因。目前在煤化工废水中检测出的污染物种类已超过500种以上，且可生物降解性差，生化处理难度极大[50-53]。在煤化工生产中实现废水循环消化是最具有发展前景的有效处置方法之一。实现此过程的主要技术之一是利用废水替代清水制备水煤浆，从而可以利用水煤浆高效燃烧或气化炉的高温反应环境，将难以处置的复杂有机组分燃烧降解为结构简单、处置工艺更成熟的气态无机分子，或通过高温转化方法制备为高附加值产品[54，55]。从这个角度看，废水制备水煤浆技术将是水煤浆技术发展的重点方向。实际上，采用清水制浆已逐渐不适宜于现代社会对环境、资源的要求。尤其我国主要煤炭产区基本都处于缺水干旱地区的情况下，大量采用清水作为制浆用水显然是不合理的。煤化工是耗水量巨大的产业，发展废水制浆技术不仅可以低成本的实现废水的资源化、减量化、无害化，而且对保护缺水地区的水资源环境更具有现实意义。

为此，2017年3月，国家发改委与国家工信部联合发布《现代煤化工产业创新发展布局方案》，将废水制浆技术装备列为需要大力提升技术水平的对象[56]。可见，废水制浆技术符合国家煤炭产业发展战略需求，对促进煤炭资源的清洁高效利用具有重要意义。

3 展 望

总体来看，现有研究构建的水煤浆理论体系构架将煤和液相割裂探讨，把固液两相特性过多归因于固相因素，并简单地将静态条件下的理论应用于动态反应的解释，缺少关键的相界面特性在静态向动态转化时的递变过程理论，造成实践中缺少统一的理论加以指导，导致实践过程中难以实现煤颗粒物性、液相环境以及加工过程间的合理匹配。具体存在的技术瓶颈主要包括：动态环境中相界面组成及微观力学结构的原位表征及其调控理论基础，粗分散体系中颗粒聚并的演化过程表征及其调控理论基础，大规模生产中煤颗粒物性、液相环境以及加工过程参数间的协同匹配效应与调控理论，以及低可磨性煤的高效研磨与粒度分布调控技术。

随着现代煤化工发展，促进煤炭清洁高效利用和煤炭产业转型升级，废水制浆技术是水煤浆技术发展的主攻方向。在废水制浆中，上述过程将变得更为复杂、更难以控制。而无论是清水煤浆还是废水煤浆，其本质上均是一种具有高固相体积浓度的粗悬浮体系。因此，大规模废水制浆技术装备的发展方向不仅在于如何提高磨机设备本身的效率和研发适应恶劣废水环境的磨介和内衬材料结构，也在于如何实现大规模生产中煤颗粒物性、液相特性以及加工过程参数间的协同匹配与调控。

针对以上四项技术瓶颈，笔者认为水煤浆技术的继续发展应着重考虑如下几个方面：

1)反应过程表征技术装备：研究粗分散体系中相界面构成及微观力学结构的原位表征技术装备，直接观测静态及动态条件下相界面的演化过程。

2)相界面特性调控技术：基于固液两相综合影响理论，研究固相表面与液相组成间的分子级交互作用规律及其对水煤浆宏观特性的影响机制，实现相界面组成及微观力学结构在静态和动态条件下的调控。

3)大规模加工过程装备与工艺：研究煤颗粒物性、液相环境以及加工过程参数间的协同匹配效应与调控技术，研发基于固液两相综合影响的加工过程装备与工艺，在保证规模化条件下，实现煤颗粒物性、液相环境以及加工过程参数间的合理匹配。

4)低可磨性煤的大规模低能耗研磨装备与粒度分布调控技术：研究低可磨性煤研磨解离特征和优化研磨装备技术，实现煤大规模低能耗快速研磨，并同步实现煤粒度分布的优化调控。