水煤浆制备、应用现状及其新进展
0 引 言
我国“富煤缺油少气”的能源结构使得煤炭在能源消费中占据主要地位。自改革开放以来，我国国民经济与煤炭发展息息相关，煤炭支撑国内生产总值实现年均9%以上的速度增长[1]。据统计，2020年全年能源消费总量49.8亿t标准煤，煤炭消费量增长0.6%，煤炭消费量占能源消费总量的56.8%[2]，短期内我国以煤炭为主的能源消费结构不会改变，实现煤炭清洁高效利用具有重要意义。
水煤浆由60%～70%煤，30%～40%水及0.1%～1.0%添加剂组成，既保留了煤的燃烧特性，又具备了类似重油的液态燃烧应用特点[3]，是良好的清洁燃料和气化原料。研究发现，燃烧水煤浆可显著降低NOx排放，添加脱硫剂后在燃烧中具有脱硫效果，燃烧效率均在98%以上；在我国石油对外依存度超70%的形势下，开发煤代油技术十分重要，2 t左右水煤浆相当于1 t重油的发热量，相较于燃油可降低成本，具有环保、经济、节能等优势[4-8]。据统计，全国燃料水煤浆使用量达3 000 t/a，气化水煤浆使用量已超2亿t，我国已成为世界上水煤浆技术领先的国家[9]。未来水煤浆仍具有广阔的发展前景。
笔者结合水煤浆的影响因素着重介绍了水煤浆的制备及研究现状，介绍了水煤浆作为清洁燃料的应用以及3种典型的水煤浆气化技术，并针对当前水煤浆技术存在的问题对未来进行展望。
1 水煤浆的制备及研究现状
具有工业价值的水煤浆应具备以下特点[10-14]：① 高浓度。水煤浆浓度高则热值高有利于燃烧和气化。② 低黏度。工业上一般用表观黏度ηa评定煤浆黏度。一般要求水煤浆在常温及剪切速率100 s-1下，表观黏度在((1 000～1 200)±200)mPa·s。黏度过低，煤浆易分层稳定性差；黏度过高管道阻力增大，不利于泵送和雾化。③ 良好的稳定性和流变特性。水煤浆是固液两相流体，具有“剪切变稀”的假塑性流体特征即流变特性。稳定性则指存放时不产生经机械搅拌无法恢复的硬沉淀。良好的稳定性和流变特性便于水煤浆存储和泵送，能有效防止雾化堵塞喷嘴，在水煤浆工业应用中具有重要意义。而影响水煤浆制备的主要因素有原料煤煤质、添加剂、级配技术(制浆工艺)。
1.1 原料煤煤质对水煤浆性能的影响
煤是水煤浆的重要组成部分，煤的性质是决定水煤浆性质的关键因素。研究表明，煤阶越低、内在水分越高、煤中氧碳比越高、亲水官能团越多、孔隙越发达、可磨性指数HGI越小、煤中所含可溶性高价金属离子越多，煤制浆难度就越大[15]。主要是因为煤阶低，煤中碳含量少、煤化程度低，羰基和脂肪族碳增加即含氧亲水官能团更多，因此氧碳比更高，随着亲水官能团的增加，煤的亲水性增加，自由水减少，黏度增加，进而导致成浆性变差；煤阶越低，煤的孔隙越发达，分散剂能够与其发生吸附，减少了煤颗粒对分散剂的吸附，导致成浆性下降；HGI小说明相同粒度分布下，水煤浆中细粒变少，不利于成浆[16]。
尉迟唯等[17]通过考察我国24种不同地区、不同变质程度煤制备的水煤浆，发现褐煤成浆性差，不满足制浆要求，但有较好的流变性和稳定性。较低或较高变质程度的煤一般具有较好的稳定性。张成联和涂亚楠[18]将蒙东褐煤经105 ℃干燥3 h，发现影响煤成浆性的机理因素为煤孔隙率和表面特性。
张纪芳[19]使用11种烟煤、无烟煤在相同条件下制备水煤浆，发现随变质程度提高，极性基团减少，成浆性能也越好。但成浆性能好的煤稳定性较差，与煤质特性有很大关系。变质程度高，含氧官能团减少，芳环结构增多，结构较紧密，自由水不易进入煤的孔隙，成浆性能好。
因此，水煤浆发展之初，制浆煤种以炼焦煤、气煤、肥煤为主。但随着中等变质煤种资源的紧张和煤价攀升，拓宽水煤浆原料煤种对水煤浆产业化发展十分重要。
低阶煤在我国储量丰富，约占全国已探明煤炭储量的55%以上，尤其是褐煤储量达1 300亿t以上，约占全国煤炭总资源量的13%，主要分布在我国内蒙古东部、云南等地[20-21]。褐煤因热值低，长距离运输易自燃、内水含量高、孔隙大不利于制备高浓度水煤浆，目前主要通过配煤制浆和褐煤改性制浆来改善低阶煤的成浆性。
配煤即利用不同变质程度的煤掺混配置水煤浆，可以有效改善煤的成浆性能，提高难成浆煤种的成浆性。尹洪清等[22]针对神木煤的难成浆特性，配入开阳煤发现制备的水煤浆仍呈假塑性流体特性，煤浆黏度降低，流动性显著提高。胡亚轩[23]发现配煤水煤浆和单煤水煤浆都具有剪切变稀的性质，煤种配比不同使配煤成浆浓度出现波动。成浆性好的煤种可有效提高成浆性差的煤种的成浆性。表面疏水性对成浆性有重要影响，表面疏水性强的煤种含量增加可以改善配煤成浆性。但煤成浆浓度随配煤比例呈非线性变化。配煤过程中煤种选择及配比都可能影响配煤水煤浆的成浆性[19,24]。
褐煤改性制浆主要有水热改性和热解改性。水热处理[25]即模拟自然界煤化过程，煤、水在高温高压下，褐煤的微孔结构收缩坍塌，亲水官能团分解，不可逆地除去煤中内在水，疏水性增强从而提高成浆性。吴君宏[26]用水热法对小龙潭褐煤进行提质处理后，O/C比减小、煤阶提高、亲水性改善，水煤浆浓度达到61.94%，提高了17.85%，黏度降低但仍保持剪切变稀的假塑性流体特征，稳定性改善。
褐煤热解提质是利用煤中有机物的热不稳定性，在无氧或缺氧环境下进行加热降解[27]。褐煤可通过低温干馏的方式将约3/4原煤热值集中于半焦从而实现提质。褐煤长焰煤等低阶煤适合低温干馏加工，颜艳东[28]以小龙潭褐煤低温干馏制得的半焦制备水煤浆，发现成浆浓度由原来的48.85%提升至66.51%，但流动性和稳定性较原煤变差。通过原煤与半焦混配制浆虽浓度下降但仍在60%以上，且稳定性有效改善。
可通过表面改性改变煤粒表面特性来增强其疏水性，达到改善褐煤成浆性的目的。柳金秋等[29]将蒙东胜利褐煤用阴离子石蜡乳液包覆改性后，表面无机盐和含氧官能团含量明显降低，疏水性增强，大孔被石蜡填充形成中孔和微孔。成浆浓度达到60%以上，黏度降低稳定性提高。
微波处理法相比水热处理起步较晚，国内处于研究初期但更高效快捷。涂亚楠[30]研究发现空气氛围的微波照射能使煤颗粒比孔容、比表面积下降，有利于成浆，2 min辐射时间可提高浓度1%，10 min可提高2%；化学改性法是一种新兴方法，郭晶等[31]将伊犁煤用阳离子烷基烯酮二聚体(AKD)乳液包覆，发现AKD分子在煤表面发生吸附，疏水性增强，AKD用量为1.5%时降黏效果最佳，成浆浓度达61.20%，稳定性提高。但由于所用AKD改性剂带正电，萘磺酸盐分散剂带负电，可能导致分散性能降低。张光华等[32]制备出阴离子、非离子AKD改性剂对伊犁煤进行改性。发现煤粒间静电斥力增强、分散剂吸附量增加，制备的水煤浆均表现出剪切变稀的流变特性、稳定性进一步改善。非离子AKD改性剂制备的水煤浆成浆性更好，阴离子AKD改性剂制备的水煤浆稳定性更好。
1.2 添加剂对水煤浆性能的影响
煤不易被水润湿，水煤浆粒度要求小，易自发凝结，使煤水分离产生硬沉淀。水煤浆添加剂对于改善浆体性质具有重要作用，按使用功能分类主要分为分散剂、稳定剂、辅助药剂3大类。
根据分散剂在水中的解离离子电性，可分为阴离子型、阳离子型、两性型和非离子型。其作用机理为[33-35]：① 润湿作用。分散剂分子为两亲分子，疏水端吸附在煤粒表面，亲水端伸向水中，形成一层水化膜，改变煤颗粒表面的疏水性。水化膜将煤粒隔开从而达到降黏作用。② 静电斥力作用。煤颗粒表面带负电性，加入分散剂使煤颗粒表面产生静电斥力，并大于煤粒间的范德华力。使煤粒不发生团聚均匀分散在浆体中。③ 空间位阻效应。当分散剂为大分子时，煤表面会形成煤粒、分散剂分子亲水链、水分子构成的三维水化膜。煤粒相互靠近，三维水化膜受挤压变形具有一定弹性并试图恢复原状，使煤粒不能团聚稳定悬浮在水中。林娇艳[5]研究了3种分散剂对锡盟褐煤、大同烟煤和平顶山煤的作用机理，发现3种分散剂的加入均使低阶锡盟褐煤接触角不同程度增大，煤阶较高的大同烟煤与平顶山煤接触角变小，主要是由于褐煤含氧官能团较多，亲水性较强，分散剂的加入削弱其亲水性，对于大同烟煤和平顶山煤则增强了煤颗粒表面的亲水性；随着煤阶提高，Zeta电位绝对值降低，主要是煤阶越低煤表面能电离出的电荷更多，稳定性更好，分散剂的加入提高了3种煤的表面电位，有利于煤粒间的静电斥力，使煤颗粒表面水化膜增厚，分散效果更好，但添加量为1%时电位变化趋缓且有所下降；分散剂的加入还能降低浆体表面张力，随着浆体浓度的增加表面张力值先减后增。
稳定剂在水煤浆运输、储存中发挥着重要作用。稳定剂使已分散的固体颗粒相互交联形成空间结构，使水煤浆存放时具有高黏度，流动时外力破坏了空间结构使水煤浆具有良好的流动性，有效避免了硬沉淀的产生[35]。稳定剂主要是一些无机矿物质高分子有机化合物。崇立芹[36]利用印染退浆废水制备水煤浆，研究了淀粉、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酰胺(PAM)3种浆料与碱法退浆废水、氧化退浆废水对水煤浆性能的影响，这些高分子有机化合物中的—OH、—NH2等基团在水溶液中易与煤粒发生键合，在煤粒间架桥形成三维结构，有效防止颗粒沉淀，起到稳定剂的作用。3种浆料对水煤浆黏度的影响为PVA>PAM>淀粉。
辅助药剂主要有消泡剂、pH调节剂、乳化剂等。WANG等[37]发现添加低浓度碱性溶液使水煤浆游离水含量增加、极性降低，有利于成浆。但随着碱溶液浓度的提高，水煤浆黏度增加，Zeta电位降低，成浆难度增加，该研究有助于确定可用于制备水煤浆的废水类型及浓度。
加入添加剂虽能改变煤颗粒的表面特性使其更利于成浆，但添加剂吸附量达到某一值时则不再吸附[5]，继续加入反而不利于成浆，因此实际应用中应在保证浆体性能最优的情况下，选择最低的添加剂用量。目前水煤浆添加剂中分散剂研究较多，其中两性离子型添加剂在市场上不多见，齐晶晶和张光华[38]以α-甲基丙烯酸、丙烯磺酸钠、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵为原料，设计合成一种两性离子分散剂，降黏效果优于阴离子分散剂，浆体假塑性、稳定性增强，合成时阳离子单体质量占α-甲基丙烯酸和丙烯磺酸钠总质量的25%时，浆体表现出最好的流变特性，且浆体表观黏度最低。葛磊[39]以腐植酸(HA)、烯丙基磺酸钠(SAS)、二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)为原料，过硫酸钾为引发剂制备出两性型水煤浆添加剂HSC，其所制备的水煤浆降黏效果、稳定性优于阴离子型添加剂及NSF(萘磺酸盐缩合物分散剂)，引入金属离子可增强制得水煤浆稳定性但不利于流动；因煤表面带负电，少量阳离子型分散剂效果不明显，且价格昂贵，相关研究较少；而阴离子型添加剂和非离子分散剂相较于阳离子型和两性离子型添加剂因效果稳定、价格较低被广泛使用，苏毅和朱书全[40]以不同烷基碳原子数的烷基酚聚氧乙烯醚(APEO)非离子型分散剂对5种不同变质程度的原煤进行制浆试验，发现其均具有不同成浆能力，壬烷基酚聚氧乙烯醚和十二烷基酚聚氧乙烯醚的成浆性能较好。影响APEO成浆性能的因素主要有烷基链的长度、环氧乙烷EO加成数等。张安琪等[41]以烯丙基聚氧乙烯醚(APEG)和苯乙烯磺酸钠为原料，过硫酸钾(K2S2O8)为引发剂合成了新型水煤浆添加剂，神府煤水煤浆浓度达70%，黏度为968.33 mPa·s，有良好的分散效果。目前市场上应用最多的添加剂是阴离子型添加剂，其中由石油产品合成的添加剂(如萘系)具有价格昂贵、原料短缺等问题，制约着水煤浆的发展，木质素和腐植酸作为生物质资源具有来源广泛、环境友好等优势，以生物质资源为原料开发水煤浆添加剂具有深远意义。
王国房[42]将木质素与丙酮、亚硫酸钠、甲醛进行反应改性，确定了最佳合成参数。通过成浆性试验制备的添加剂分散性能优于萘系、脂肪族添加剂，且成本下降20%以上。段艺萍[43]将木质素进行磺化改性制得改性木质素。磺酸根基团具有亲水性能，芳香基团具有亲煤性能，2者同时作用增强了水煤浆的流动性和稳定性，且价格更低。
吴江[44]以腐植酸为主体通过聚合反应制备出2种不同的分散剂，腐植酸和煤表面的羟基、羧基与水形成氢键吸附在煤表面；煤带正电区域也可与带负电的磺酸根有效吸附，大分子的分散剂吸附在煤表面导致煤颗粒表面比表面积增大、平均孔径减小，聚合引入的大量磺酸基团解离出磺酸根使Zeta电位显著增大，分散性和稳定性增强。但金属离子浓度越高，价态越高时水煤浆表现出轻微剪切变稠的趋势。隋明炜等[45]将腐植酸、丙烯酰胺和烯丙醇聚氧乙烯醚通过水溶液聚合的方式制备出新型水煤浆添加剂。热重分析表明，该添加剂高温下分解率低、热稳定性增强，由于磺化接枝后的腐植酸型分散剂具有多个酰胺基，磺酸基静电斥力增强，分散性能提高，流变性和稳定性得到改善。
水煤浆添加剂煤种适应性差，可通过不同特性添加剂复配的方法达到优势互补，提高煤种适应性。刘铭[46]基于萘系添加剂与不同离子型添加剂复配，研究发现二元复配煤种适应性强、成浆浓度提高。复配添加剂降低了煤的比表面积和总孔容积；在润湿分散性和吸附性能上表现优异。煤表面官能团对成浆浓度影响为：芳环>甲基(亚甲基)>羟基>醚键。而三元复配效果不明显。
1.3 制浆工艺(级配方式)对水煤浆性能的影响
级配要求物料粒度分布合理，不同粒径的颗粒相互填充，减少空隙，提高堆积效率，从而提高水煤浆的浓度。粒度过小导致比表面积增大，水化膜占比增大导致自由水减少不利于成浆；粒度过大则导致水煤浆不具备浆态特征，稳定性变差[47]。
国内制浆技术已趋于成熟，主要包括干法制浆工艺、湿法制浆技术和干湿联合制浆工艺。干法制浆即先将原煤磨到一定粒度再与水、添加剂混合均匀制备水煤浆；湿法制浆技术是将水、煤炭、添加剂按比例同时加入磨机，经搅拌等工序制备水煤浆；干法和湿法联合制浆是将一部分通过干法研磨的物料用湿法进一步研磨，然后与干法研磨的物料、水、添加剂混合搅拌均匀，制得水煤浆样品。与湿法相比，干法的堆积效率低，磨煤时新生表面易被氧化导致成浆性降低；湿法工艺密闭无粉尘，固、液污染物零排放，因此除实验室外均采用湿法制浆工艺。目前湿法制浆工艺由第1代制浆工艺(单棒/球磨机制浆工艺)，发展成为第2代双峰级配煤浆提浓工艺和第3代三峰级配煤浆提浓工艺。
第1代制浆工艺(单棒/球磨机制浆工艺)如图1所示，目前国内大多数企业采用此工艺，工艺流程简单、投资较少，但煤颗粒粒度分配不合理导致水煤浆浓度低、粒度偏粗。该工艺早期适用于变质程度较高、成浆性好的煤种，随着原料煤煤种拓宽，该工艺已不适合用于低阶煤制备水煤浆。
图1 第1代制浆工艺(单棒/球磨机制浆)流程
Fig.1 The first generation pulping process(single rod/ball milling machine pulping)process
针对第1代制浆工艺存在的问题，第2代双峰级配煤浆提浓工艺引入“多破少磨”、“分级研磨”超细浆返磨和“优化级配”的制浆理念将选择性粗磨与超细研磨有机组合(图2)[48]。相比第1代制浆工艺拓宽了原料煤煤种、提高了制浆浓度、有效改善水煤浆流动性和稳定性。该工艺制备的细粒集中在30～45 μm，虽优化了粒度级配和堆积效率，但煤浆浓度提升幅度有限(仅3%)，粒度分布仍不合理。
图2 第2代双峰级配煤浆提浓工艺流程
Fig.2 The second generation bimodal coal slurry concentration process
第3代三峰级配煤浆提浓工艺如图3所示，在水煤浆中加入细浆(30 μm)、超细浆(5 μm)来提高水煤浆浓度、流动性、雾化性能实现水煤浆三峰分形级配[49]。该工艺堆积效率进一步提高，对褐煤等成浆性差的煤种仍适用，可将煤浆浓度提高4%～6%。
图3 第3代三峰级配煤浆提浓工艺流程
Fig.3 The 3rd generation three peak grade coal blending slurry thickening process
在实际应用中不同制浆工艺技术指标对比见表1，第3代三峰级配提浓工艺各项指标明显提高。不同制浆工艺核心点在于不断提高颗粒的堆积效率，通过改善颗粒粒度分布达到煤浆提浓的目的，成为低阶煤提浓的主流技术。
表1 工艺技术指标对比
Table 1 Comparison of process and technical indicators
现有制浆工艺无法从根本上改变棒磨机制浆粒度分布特点，粒度级配和浓度提升有限，且细浆研磨系统增加了制浆成本。蒋斌斌[50]提出一种新型制浆工艺如图4所示，先将原煤粗碎，粗碎粒度小于6 mm，将粗碎后的煤颗粒细碎至小于3 mm；细碎过程中加入水和添加剂并与原煤预先混合后泵送入成浆反应器，通过高压细化装置成浆后对浆体搅拌和剪切并加入稳定剂；最后用过滤装置除去杂物制得可靠的浆体。该工艺经过两级破碎最大程度遵循多破少磨的原则，使用成浆反应器等高压细化技术代替传统的水煤浆专用磨机使物料瞬间破碎、钝化，有利于浆体细化、改善流动性。该工艺在制浆过程中能显著降低吨浆电耗，从而降低制浆成本，具有良好的经济、节能效益。
图4 新型制浆工艺流程[43]
Fig.4 New pulping process flow chart[43]
陈浩[51]针对新疆淮东煤成浆浓度低的问题通过间断级配方式提高成浆浓度。间断级配即尽可能放大粗颗粒粒度，减小细煤粉粒度，使粗煤粉的最小粒径与最大粒径有间断，使细煤粉完全填充到粗煤粉中。水煤浆复合流中细颗粒的加入能加强粗颗粒间的充填与润滑作用，减少摩擦阻力，使颗粒沉降速度降低、流动性提高，但增黏效果明显，需限制加入量。在对比连续级配与间断级配成浆效果后，新工艺较分级研磨工艺提高浓度4个百分点。
2 水煤浆的应用
水煤浆是清洁燃料和气化原料，燃烧方式分为雾化悬浮燃烧、流化悬浮燃烧2种，主要用于电站锅炉、中小工业锅炉、陶瓷等建材领域；气化水煤浆使用量已超过2亿t，用于煤化工领域，通过水煤浆加压气化技术合成氨、甲醇、二甲醚、烯烃等[52-53]。
2.1 燃料水煤浆的应用
我国水煤浆开发初期主要应用于电站锅炉、工业锅炉。山东白羊河电厂、广东茂名热电厂、北京燕山石化第三热电厂等蒸发量176～670 t/h的锅炉曾长期燃用水煤浆，汕头万丰热电厂2号炉将燃油的锅炉直接改烧水煤浆[54]。在水煤浆中加入脱硫剂可降低SO2排放；水煤浆所含水分可降低火焰温度、减少热力型NOx的生成，且水分在水煤浆燃烧和传热中起到助燃和增强传热的辅助作用，从而弥补水相变所需的汽化潜热损失，使其具有较高的燃烧效率和热效率；煤炭价格较燃油、燃天然气低，可节约成本[55]。实际应用中水煤浆燃烧效率接近燃油水平，达99%以上，锅炉效率可达90%以上，负荷调节40%～100%均可稳定燃烧，烟尘、SO2排放浓度均符合国家排放标准，约2 t水煤浆可代替1 t重油的发热量，经济、环保、节能效益明显。但随着国家淘汰落后机组，部分电站锅炉被淘汰，仅有广东汕头万丰热电厂等几台锅炉仍在运行。
随着环保要求日益严格，限制散煤使用，中小工业锅炉需寻找替代燃料满足生产需要。水煤浆替代既可以降低成本，减轻企业负担，同时满足环保要求。
陶瓷作为高耗能行业，燃料费用占生产成本比例高。陶瓷生产多采用喷雾制粉，使用柴油、重油作为燃料，虽燃油技术成熟、易操作，但我国石油资源有限且价格昂贵；燃煤又面临着污染超标、生产操作复杂、稳定性差等问题；而水煤浆技术具有投资相对较少、占地少、成本低、污染较低等优点，且技术日趋成熟，在广东、山东、内蒙古等地的陶瓷企业越来越受到重视[56]。
清华大学与青岛特利尔环保股份有限公司于2016年合作的新型水煤浆循环流化高效清洁燃烧技术居于国内领先水平，热效率大于90%、脱硫率达95%、可超低排放标准小于50 mg/m3。该技术将流态重构理论与传统水煤浆燃烧技术结合，投资少，运行成本低，节能效果明显。与燃煤锅炉相比，显著提高了热效率，降低了电耗和NOx、SO2排放，水煤浆储运采用罐装、泵送实现了清洁生产，能够实现水煤浆与城市污泥耦合焚烧，实现城镇污泥无害化处理[57]。
2.2 气化水煤浆的应用
煤气化技术作为煤化工行业的龙头是实现煤炭高效清洁利用的核心技术之一，根据反应器类型不同，煤气化可分为固定床气化技术、流化床气化技术、气流床气化技术。气流床气化技术因煤种适应性强、气化温度、强度高而备受关注；按照进料方式可分为水煤浆气化和煤粉气化[58]。实践证明水煤浆气化具有煤种适应范围广、长周期稳定、效率高、环境友好等优势[59]。最具代表性的水煤浆气化技术有德士古气化技术、多喷嘴对置式气化技术、晋华炉气化技术。
2.2.1 德士古气化技术
德士古气化技术是水煤浆进料的加压气流床工艺，1977年德国鲁尔化学公司和鲁尔煤炭公司取得专利并建成日处理煤150 t示范工厂。20世纪80年代末我国开始引进水煤浆技术，1993年在鲁南化肥厂建成并运行了第1套Texaco气化制氨示范装置[60]。
1 300～1 500 ℃、3～7 MPa时，水煤浆与氧气混合通过喷嘴，雾化后高速喷入气化炉[61]。在炉内受耐火衬里的高温辐射作用，迅速经历预热、水分蒸发、煤干馏、挥发物裂解燃烧、碳气化等复杂的物理、化学过程，最终生成以CO、H2、CO2和水蒸气为主的湿煤气及熔渣，湿煤气及熔渣一起进入气化炉底部急冷室水浴，熔渣被淬冷、固化截留在水中，落入渣罐定时排放，煤气和所含饱和蒸汽进入煤气冷却净化系统。
德士古气化工艺[62-63]单炉生产能力大、碳转率达94%～98%，气化效率较高；制得煤气甲烷及烃类含量低，适于用作合成气；原料煤种较宽能处理烟煤、无烟煤和黏结性煤等；相较于煤粉进料，水煤浆可通过高压泵进料，更安全易于控制；气化炉设计简单、操作可靠性高，负荷适应性强，可在短时间内提高负荷，更易于负荷变更调整，三废少易处理，可考虑使用排出废水制备水煤浆。但氧耗高，耐火砖及喷嘴寿命短需定期更换，导致投资加大、单喷嘴煤浆通量不能太大，会影响气化炉整体效率。
该技术最早实现了工业化规模生产并被许多国家采用，山东鲁南化肥厂、上海焦化厂、渭河煤化工基团、中国石化南化公司等都引进该项技术，单炉投煤量450～1 500 t/d，气化压力为2.8～8.7 MPa。截至2015年德士古气化技术在我国应用达133台[64]。
2.2.2 晋华炉气化技术
2003年，阳煤集团与清华大学合作开发的第1代熔渣-非熔渣分级气化炉开工建设，2006年一次开车成功；在第1代成功应用基础上2009年第2代水煤浆水冷壁气化炉在阳煤丰喜集团临猗分公司开工建设，2011年一次投料成功将燃烧领域垂直悬挂自然循环模式水冷壁及其凝渣保护的概念引入水煤浆气化技术；2015年通过对第1代升级改造开发出了第3代晋华炉[65]。
气化过程中[66]水煤浆和氧气经工艺烧嘴一起进入气化炉燃烧室内，反应条件为温度1 250～1 550 ℃、压力4.0或6.5 MPa，煤粉、水、氧气发生复杂的氧化还原反应，生成CO、CO2、H2为主要成分的粗合成气。离开燃烧室后，高温高压的粗合成气与灰渣向下进入辐射式废热锅炉将粗合成气的大部分显热转化为高压饱和蒸汽，废热锅炉出口粗合成气温度降至700～800 ℃随后进入激冷段。在激冷段被激冷水激冷、换热、洗涤后粗合成气中较大的颗粒灰渣冷却后沉入激冷室底部，经破渣机进入渣锁斗，颗粒较小灰渣随合成气进入洗涤塔进一步洗涤冷却，出洗涤塔的洁净合成气送出界区。
该技术[66-67]煤种适应性强，可使用高灰分、高灰熔融温度的高硫煤，高氯、高碱煤及低挥发分的煤；安全性高灰渣能对水冷壁起保护作用，防止水冷壁管受到熔渣的侵蚀，达到“以渣抗渣”的效果；系统启动快稳定性强；能源利用率高，废热锅炉回收了大部分粗合成气的显热，碳转化率≥98%，有效气体积分数为79.7%，优于同类型气化炉；项目国产化、无需更换耐火砖水冷壁，使用寿命长，可减少投资、检修费用；水煤浆进料，液态排渣灰分(90%以上)通过渣的形式排出且渣中含碳量小于10%，可通过废水制浆处理难处理的有机废水，更加洁净环保。目前在河北阳煤正元化工、山西阳煤丰喜肥业、大唐呼伦贝尔化肥、鄂尔多斯金诚泰等厂家应用，气化压力为3.5～6.5 MPa，单炉投煤量为1 000～2 200 t/d。
2.2.3 多喷嘴对置式气化技术
多喷嘴对置式水煤浆气化技术由华东理工大学与兖矿集团联合研发。气化过程中[68]原料煤磨成水煤浆后，经泵加压送至气化炉上部4只水平对置的喷嘴内与空分纯氧气混合喷入燃烧室内，采用下行制气，气化炉为内衬耐火砖结构，激冷流程，携带熔渣的高温合成气进入激冷室水域，熔渣经急冷、固化、破碎后依靠重力和惯性进入锁斗间歇外排，合成气经降温、增湿后出激冷室，经混合器对细灰增湿、旋风分离器粗分细灰和洗涤塔精洗。
该技术[69-70]引入了喷嘴对置碰撞的理念，增强了煤浆进入炉内后的混合效果并延长其在炉内的停留时间，同时在激冷洗涤和除尘方面均有很大改进，有效降低了合成气携带的灰尘量；在相同煤浆通量的情况下，相比单喷嘴的气化炉，增加喷嘴数提高了煤浆入炉的流量，有利于装置大型化，在喷嘴出现故障时无需停车只需降低气化炉负荷；整套技术具有自主知识产权，相较于德士古气化技术气化指标优良：碳转化率高，平均高于99%、比煤耗、比氧耗降低；在装置大型化、稳定性、可靠性方面有巨大优势。但喷嘴数增加加大了投资且对管道、阀门要求高。
目前主流煤气化工艺应用中，多喷嘴对置式水煤浆气化技术居首位，占13.44%，，气化指标及各项技术达到世界领先水平[71]。该技术在宁波中金、华鲁恒升、兖矿国泰、江苏索普、灵谷化工、内蒙古荣信化工等应用，日处理煤量为750～4 000 t/d，气化压力为1.5～6.5 MPa。其中内蒙古荣信4 000 t/d气化炉是目前世界上单炉处理能力最大的水煤浆气化炉，为水煤浆气化提供了新方案。随着水煤浆在煤化工领域的不断发展，未来水煤浆气化必定朝着技术自主化、多元化，装置大型化，提高气化水煤浆制浆浓度、操作压力及能量转化效率的方向发展。
目前，国内主要的水煤浆气化炉气化指标对比见表2。
表2 各气化炉气化指标对比
Table 2 Comparison of gasifier gasification indexes
3 结语与展望
随着煤化工行业的蓬勃发展，推动我国煤炭资源的高效利用，有利于国家能源战略发展规划，保障能源安全。水煤浆是实现煤炭清洁高效利用的重要手段之一，为我国煤化工行业“节能减排”以及我国可持续发展提供技术支持。经过几十年的发展，水煤浆技术在工艺、理论等方面比较成熟，为更好地发挥水煤浆节能、环保的优势，未来研究应注重以下方面：
1)水煤浆与废弃物协同处理。随着水煤浆技术的发展，制浆原料适应性不断增强，未来水煤浆与废弃物协同处理必将成为水煤浆最重要的发展方向。许多学者将污泥、秸秆、水生废弃物、煤转化废物、废水等废弃物与煤混合制备水煤浆。其中污泥水煤浆研究最多，据不完全统计市政污泥产量已达4 000万t/a，化工污泥达400余万t，未来还会持续增长，通过污泥改性预处理制备水煤浆预计可消耗污泥1 800余万t，并节约标煤300余万t。水煤浆与废弃物协同处理能避免废弃物带来的环境污染，减少废弃物的处理成本，实现废弃物的减量化、无害化、资源化，具有经济环保双重效益。
2)高效经济添加剂的开发。添加剂对于水煤浆性能具有重要影响，但目前一种添加剂仅适用于某个地区或某一种变质程度的煤，普适性差。可通过添加剂的复配达到优势互补的效果，提升添加剂的普适性。添加剂成本在水煤浆制备过程中仅次于原料煤，利用木质素、腐植酸等天然生物质复配出优质的添加剂来提高煤浆浓度、降低煤浆黏度，一定程度上还可缓解萘系等以石油产品为原料的添加剂所面临的价格昂贵、来源短缺等问题。
3)新型制浆工艺的开发。双峰级配和三峰级配煤浆提浓工艺均已达国际领先水平，但目前的制浆工艺未改变棒磨机制浆粒度分布特点，粒度级配不合理，浓度提升有限，无法满足企业不断提高煤浆浓度的要求；通过加入细浆、超细浆虽能优化级配，进一步提高水煤浆浓度，但细浆研磨系统的增加同时也加大了制浆过程中的能耗，增加企业生产成本。开发新型制浆工艺时，应拓宽原料煤煤种，不断提高煤浆浓度的同时，考虑制浆过程中的能耗。
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Research status and prospect of preparation and application of coal water slurry
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