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水煤浆“进阶”:一路奔向更清洁

  兖矿国泰化工公司的多喷嘴对置式水煤浆气化装置是我国具有自主知识产权的首套大型煤气化装置

  水煤浆,是一种用约65%的煤、水和少量的添加剂制成的浆体燃料,能够让煤像油一样流动和燃烧。作为一种清洁燃料,与直接燃烧煤炭相比,水煤浆具有易调整负荷、低污染、高效率、易贮运等特点,曾缓解了我国煤多油少的困局,点燃了煤炭人以煤代油的希望。

  20世纪70年代,世界爆发了石油危机,一时间,油价飞涨。美国等国家为解决石油短缺的问题,大力扶植发展水煤浆技术。水煤浆作为一种以煤代油的新型煤基洁净燃料,有油的流动性和稳定性。约2吨的水煤浆可替代1吨重油,减少对环境的污染。

  对于煤多油少的中国来讲,寻找可替代石油的燃料是一种战略储备。1982年6月,《参考消息》上一篇几百字关于水煤浆技术的报道,引起了时任煤炭工业部部长高扬文的注意,当即决定开展水煤浆研究。

  交给谁来做合适?当时的煤炭工业部领导找到了中国矿业大学北京研究生部(今中国矿业大学(北京))以王祖讷、张荣曾为首的研究团队。面对全新的研究领域,50岁的张荣曾表示要考虑一下,一个月给出“能否做出水煤浆”的答复。

  一个月后,王祖讷、张荣曾等人接受了任务,由中国矿业大学北京研究生部来专门研发制浆技术,浙江大学研发燃烧技术。

  同时,中科院也组织了有关研究所,开展了水煤浆技术的攻关。虽然没有中科院“理论强、人才多”,但不服输的张荣曾认为,自己的团队既搞煤炭又搞工程,“把理论技术全装在了脑子里”,“不一定就比别人差”。

  国外的一次受挫,也影响到了张荣曾。1983年,张荣曾和浙江大学燃烧专家岑可法去美国西方石油公司考察、谈判。可到了之后,美方只让他们在停止运行的试验厂参观半个小时,而且厂内所有设备的商标、说明等全被蓝胶带封了起来。张曾荣非常生气,下定决心要“自己干”。

  “水煤浆虽然是个新东西,但我是搞煤炭加工的,了解煤的性质,而且还有搞工程的经验,对这个项目,我有思想准备。”张荣曾想。

  那时,刚来矿大读书,如今已成为副校长的朱书全还记得,自己春节没回家,跟着两位老师,日以继夜、一遍遍地把煤粉、水和添加剂按照一定比例搅拌,期望研制出合适的水煤浆。

  半年后,中科院与矿大的暗中“较量”以矿大研制出第一批水煤浆而告一段落。1983年5月,张荣曾带着团队,仅用半年时间便研制出第一批7吨左右的水煤浆,并在浙江大学每小时燃烧200公斤的试验炉上试烧成功。在次年春节期间,他们又把第二批水煤浆运到浙江大学燃烧,再次获得成功。他们的团队因此成为水煤浆技术最重要的研究团队。

  1983年,国家科委将“水煤浆制备与燃烧技术”正式列入国家“六五”攻关项目,水煤浆开始进入大众视野。

  一种新技术从实验室迈向工业化试验,要经历漫长的过程。那时,王祖讷、张荣曾的研究团队没有专门的实验室和场地,也没有专用设备和仪器,甚至连磨煤机都是从煤球厂借来的。

  一个废弃的小棚子容下了研究团队试图把水煤浆工业化的决心。不过,煤水混合物容易沉淀,旧钻床改造的搅拌机运转起来不听使唤,他们只好一遍遍地用手搅拌。几个月下来,手被烧得褪了一层皮,脸也常常被乌黑的煤粉染黑,分不清谁是谁。

  国务院前副总理曾经来到矿大,了解水煤浆技术的应用。借着汇报的机会,张荣曾为攻关组争取到了新场地和新仪器设备,加快了水煤浆工业化的脚步。

  最终,王祖讷、张荣曾带着攻关组制备出了重达80吨的水煤浆,并于1984年8月,在北京造纸一厂的工业锅炉上燃烧成功,标志着水煤浆的工业燃烧开始了。攻关组也获得了原国家科委、计委、经委及财政部联合发布的“六五”国家科技攻关成绩显著表彰奖。1990年至1991年,“水煤浆制备与燃烧技术”通过了“七五”鉴定,其中张荣曾主持的“水煤浆工业生产技术”获得能源部科技进步一等奖和国家科技进步三等奖。

  进入工业化试验阶段,攻关组研制的水煤浆被运往南方,帮助一些小钢厂解决了污染问题。桂林一个钢厂的领导曾写信给张荣曾,请求帮助。张荣曾奔赴桂林后,现场改用燃烧水煤浆。实践证明,该钢厂钢材烧损率由1.8%下降到1.5%,烟尘排放由每立方米732毫克降至每立方米240毫克,解决了燃眉之急。同样,浙江绍兴轧钢厂也请张荣曾过去,帮助解决烟尘污染问题。

  此后,攻关组利用水煤浆新技术,在抚顺、大同、枣庄等地分别建成5座制浆厂,总生产能力达每年35万吨,效益明显。据统计,截至1990年,制浆厂与用户新增产值1345万元,创利税228.7万元。

  中国水煤浆技术的进展引起了国际的关注,得到联合国计划开发署等的支持。“八五”期间,攻关组又进行了大规模的制浆与电站燃用水煤浆工业示范,将八一水煤浆厂扩建到年产25万吨的规模,并且技术和装备全部立足国产,开发出相应的工艺、大型专用设备以及添加剂生产技术,而建设资金只需6000万元。

  “受王祖讷老师的启发,我们开发了利用枣庄矿的浮选煤泥直接制备水煤浆的工艺,省去了煤块破碎、磨碎的过程,简化了工艺,节省了投资,并获得了国家发明专利。”朱书全说。八一水煤浆厂生产出的水煤浆,在山东白杨河电站5万千瓦机组上通过了72小时全烧水煤浆试验,达到满负荷发电。

  1989年,张荣曾、朱书全等人再次出国谈判时,外国专家的态度就不同了。在瑞典的实验室里,张荣曾指导瑞方人员改进工艺,进行实验,使用中国添加剂,制出了与瑞方质量相同的水煤浆,并且稳定性优于对方。瑞方大为震惊,盛情挽留张荣曾,帮助他们改进制浆工艺。

  “由于他们的努力,我国的水煤浆技术从工艺研究到装备开发均取得了相当大的研究成果。”煤炭工业技术委员会前副秘书长王敦曾如此评价攻关组。

  两个装着粗煤、细煤的器皿,加添加剂搅拌混合后,瞬间,固态煤粉变成了可流动的浆体。用手蘸起一些浆体,慢慢捻开,浆体又重新变成了煤粉,说明煤浆中水并不多。整个制浆过程如同“变魔术”。

  “这是级配技术,是制浆过程中的一项关键技术,我们掌握的已经比国外更先进。”张荣曾说。

  “中国的水煤浆技术优先于国外。”朱书全说,“水煤浆技术作为我国洁净煤技术的重要部分,发挥了重要作用。不过,没有改革开放,技术进不来,我们也没机会跟国外合作交流。”

  十几年过去了,实践证明,以王祖讷、张荣曾为首的团队开发出了具有我国特色的水煤浆制备技术,总结出的煤炭成浆性规律优于国外,根据制浆中的级配技术所开发的计算机软件达到了国际领先水平,被美国、加拿大、日本等国家的刊物相继引用。他们在磨机结构、添加剂作用机理等方面也提出了新见解,使建厂投资和生产成本远低于国外。

  因此,已逝世的王祖讷被评为“水煤浆之父”,张荣曾也被评价为“水煤浆技术领域奠基人”,中国矿业大学(北京)也建成了具有世界一流的水煤浆制备技术实验室和水煤浆中试厂,形成了我国自己的制浆理论体系,并且开发出一整套技术成果,使我国的水煤浆制浆技术达到了国际先进水平。

  如今,中国矿业大学(北京)逸夫楼旁的水煤浆中试厂房中当年建设的1吨/小时的水煤浆中试线已经“退休”,中试厂已改造成化环学院洁净煤综合实验场地,其中不仅建有水煤浆的实验平台,还建有洁净煤制备、煤炭的干法分选、褐煤的提质、褐煤气化等实验平台。

  中国矿大(北京)副校长朱书全和制浆技术研究所所长徐志强一样,都是王祖讷、张荣曾的学生。徐志强带的博士生孙美洁自2016年毕业后,便留下来从事洁净煤技术研究等工作。师生之间一代又一代的技艺传承,正吻合了水煤浆技术的不断创新过程。

  “近些年,矿大的水煤浆主要研究方向集中在低阶煤制浆工艺与装备、水煤浆的级配以及系列添加剂开发等方面。”徐志强介绍说。

  记者跟随孙美洁来到制浆实验室,矿物加工专业的研究生正在进行制浆试验。只见他们将不同粒度组成的煤粉称重加水,滴入添加剂,用搅拌机不断搅拌,不一会儿,略黏稠的水煤浆便制成了。

  除中国矿业大学(北京)外,浙江大学热能所是水煤浆燃烧技术研究的专门机构,通过多年的研究、技术开发和工程应用,已开发出水煤浆喷雾嘴、水煤浆燃烧器、水煤浆在线过滤器以及水煤浆锅炉改造技术等设备技术。此外,原煤炭科学研究总院、中煤科工集团北京华宇工程有限公司、北京科技大学、南京大学、八一水煤浆厂等都从不同的方面共同推动了我国水煤浆技术的发展进步。

  如今,经过30余年的科技攻关与生产实践,我国已形成多个水煤浆科研试验基地和生产应用示范基地,水煤浆技术也不断进步,先后完成了动力锅炉、电厂锅炉、轧钢加热炉、热处理炉、干燥窑等炉窑燃用水煤浆的工程试验。此外,据不完全统计,截至2016年底,我国燃料水煤浆用量已突破每年3000万吨,主要用于工业锅炉的代煤、代油、代气燃烧;煤化工领域,水煤浆气化炉达300余台(套),气化水煤浆的用量达到1.2亿吨以上。

  “水煤浆的应用领域主要集中在江浙一带的工业锅炉和电站锅炉,这些厂家燃烧水煤浆比直接烧散煤效率更高,污染更少。”朱书全说。

  在2017年召开的煤炭清洁燃烧技术现状与发展座谈会上,专家透露,水煤浆应用范围涵盖了电力、石油、冶金、化工、建材、轻工等多个行业,随着煤制甲醇、煤制油、煤制烯烃等多个大型煤化工项目的开工建设,且大多采用水煤浆加压气化技术,预计未来几年水煤浆气化的用煤量将有大突破,制浆用煤种类和水煤浆品种更加丰富,我国也将成为世界上水煤浆产能最大、应用行业最广泛、制备技术最为先进的国家。

  随着研发过程的推进,水煤浆气化技术日渐成熟。尤其在“七五”、“八五”和“九五”科技攻关时期,结合工业实践,我国逐步建立起系统的水煤浆气化理论,开发出具有中国特色的水煤浆气化技术,已建立起试验研究、中间试验、工业化生产等科研与应用基地,形成了一支具有研究开发能力、工程设计与生产实践经验的科技骨干队伍,取得了很多科技创新成果。

  由兖矿集团、华东理工大学共同承担的“十五”国家高技术研究发展计划(“863”计划)重大课题“新型水煤浆气化技术”,在山东鲁南建设多喷嘴对置式水煤浆气化技术工业装置及配套工程,利用两台日处理1150吨煤多喷嘴对置式水煤浆气化炉(4.0兆帕)配套生产24万吨甲醇、联产71.8兆瓦发电。该技术含煤浆制备工序、多喷嘴对置式水煤浆气化和煤气初步净化工序、含渣水处理工序,已获一系列发明专利和实用新型专利,是具有完全自主知识产权的煤气化技术。

  朱书全介绍,在水煤浆研制关键技术里,煤质、煤粉粒度级配、添加剂是影响水煤浆制备的三大因素。如今,水煤浆制备技术处于第三代制浆技术阶段,即粒控级配浆工艺。

  煤炭科学技术研究院国家水煤浆工程技术研究中心近年来在气化用水煤浆的“提浓”方面做了大量研究工作。“煤浆浓度与煤气化效率关系密切,浓度每提高一个百分点,气化效果就更好。”在2017年煤炭清洁燃烧技术现状与发展座谈会上,国家水煤浆工程技术研究中心主任李发林说,“通过新工艺解决煤化工行业需要大幅提高煤浆浓度的问题,为煤化工企业在煤气化工艺路线选择上拓展了新空间。”

  目前,水煤浆技术已被列为我国能源发展重点推广技术,也是煤炭工业洁净煤技术优先发展重点技术之一。国家能源局发布的《煤炭清洁高效利用行动计划(2015—2020)》中多次提到积极发展和推广低氮燃烧的水煤浆技术,明确肯定了水煤浆技术的低氮氧化物燃烧优势。水煤浆制备和应用一体化技术被列为中国节能重点发展技术中的洁净煤技术项目。国家能源局、环保部、工信部三部委联合发布的《促进煤炭安全绿色开发和清洁高效利用的意见》明确提出“积极推进先进的型煤和水煤浆技术”,再次将水煤浆列入鼓励推广类技术。

  不过,近年来,水煤浆推广受到一些限制。以山西省大同市为例,该市煤炭储量和产量可观,煤种也适合生产水煤浆,对于拉动大同经济增长有重要作用。同时,大同把发展水煤浆列入该市重点攻坚项目,以大同汇海水煤浆公司为代表的水煤浆企业得到发展。但由于生产能力不能适应市场要求,加上远距离运输受限,受石油市场波动影响等因素,全国水煤浆应用并未形成成熟网络。

  此外,由于国家对环保要求愈来愈严格,控制烧煤规模,水煤浆的推广也受到了一定限制。对此,徐志强表示,水煤浆作为煤化工行业的一种气化原料,发展势头是可期的。应该从我国的能源赋存结构出发,因地制宜,积极推广煤炭清洁高效利用技术。

  李发林表示,水煤浆推广应用领域的日益扩大和水煤浆技术的不断创新,为水煤浆产业的良好发展提供了强大的技术支撑。今后,水煤浆高效清洁燃烧技术有四大发展趋势,一是将危废物处理与水煤浆燃烧技术结合,二是拓宽制浆用煤范围,三是将气化水煤浆向提高浓度方向发展,四是发展水煤浆长距离管道输送技术。

  工信部近日发布《国家工业节能技术装备推荐目录(2018)》,有6项煤炭高效清洁利用技术入围,其中2项涉及水煤浆技术,分别是高效大型水煤浆气化技术与水煤浆高效洁净燃烧技术,具体如下:

  ●水煤浆、氧气进入气化室后,相继进行雾化等物理和化学过程,煤浆颗粒在气化炉内经过湍流弥散等形成以一氧化碳、氢气为主的煤气及灰渣。产生的合成气经分级净化达到后续工段的要求,同时采用直接换热式渣水处理系统产生的合成气经分56级净化达到后序工段的要求,同时采用直接换热式渣水处理系统。

  ●易于大型化,工艺性能指标先进,气化炉耐火砖寿命延长,气化炉烧嘴寿命长,气化炉激冷室结构具有优势

  ●鄂尔多斯市国泰化工有限公司建设项目。技术提供单位为兖矿水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心有限公司。

  此项目新建2台日投煤量2500吨气化炉,配套建设45万吨/年甲醇装置。实施周期24个月。节能减排效果及投资回收期综合节能量为5.9万吨标煤/年。投资回收期48个月。

  预计未来5年,该项目推广应用比率可达到15%,可节能162.3万吨标煤/年,减排二氧化碳438.2万吨/年。

  ●基于流态重构的悬浮流化水煤浆高效洁净燃烧技术,涵盖了气固两相流、燃烧、炉内传热和污染控制等方面内容。

  ●低温低氮燃烧,提高炉膛下部的还原性气氛的高度,大大降低了氮氧化物原始排放浓度(<50毫克/立方米);炉内高效脱硫,实现了燃烧过程中直接脱硫,脱硫效率可达95%以上;高效燃烧,锅炉效率高达90%以上。

  ●济南市领秀城热源厂新型水煤浆锅炉清洁供暖项目。技术提供单位为青岛特利尔环保股份有限公司。

  新建2台70兆瓦水煤浆锅炉,包括:水煤浆喷嘴(粒化器4 台)、天然气点火装置(2台),新建引风机2台(800千瓦)、一次风机2台(355千瓦)、二次风机2台(280千瓦)、返料风机4台(15千瓦),新建4座3000立方米储罐、卸浆泵及供浆泵供浆。实施周期24个月。

  改造后,相比原系统节省标煤7107吨/年,节能率为15.5%。投资回收期48个月。预计未来5年,推广应用比率可达到5.8%,可节能182万吨标煤/年,减排二氧化碳491.4万吨/年。

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