粉煤清洁高效制球化结构炭化型煤关键技术和装备

粉煤清洁高效制球化结构炭化型煤关键技术和装备项目名称:粉煤清洁高效制球化结构炭化型煤关键技术和装备推荐单位意见:该项目针对我国大量粉煤深加工转化难题，开发出具有自主知识产权的粉煤清洁高效制球化结构炭化型煤关键技术和装备。发明了基于亚临界H2O+CO水煤气变换反应体系制备煤基粘结剂的方法；发明了可调控产品裂纹生成的球化剂及生产球化结构炭化型煤的方法，解决了长期以来型煤在炭化过程中生成裂纹使产品强度降低的国际难题；发明了非粘结性粉煤（胶质层厚度Y=0）在大型机焦炉（炭化室高4.3m或5.5m）中制气化用炭化型煤的产业化技术。项目共获授权专利13项。该项目相关成果已在国内外推广四十余项，市场占有率81%。典型应用企业近三年新增销售额十多亿元，减排CO2约百万吨。该项目成果的实施，提升了我国粉煤清洁高效成型利用基础理论、工程技术及装备产业水平。推荐该项目为国家技术发明奖二等奖。项目简介:无烟煤具有高度缩合的芳香碳-碳交联结构，趋于石墨化，是宝贵的炭材料。以无烟煤为原料洁净生产铸造用炭化型煤，或以非粘结性粉煤为原料洁净生产气化用炭化型煤，是高效利用粉煤资源、保护稀缺优质炼焦煤，保障高端铸造、化工和能源化工行业优质基础原料供给的重要技术途径之一。项目组针对现有型煤产业技术中存在的粘结剂冷热态性能差、型煤因炭化收缩和裂纹生成而导致产品强度降低和炭化装备烧损率高、热效率低等问题，系统地进行了粉煤清洁高效制球化结构炭化型煤关键技术和装备自主研发，获得的主要发明技术如下：1.研制出高活性Fe/K系催化剂，认识了亚临界H2O+CO水煤气变换反应(H2O+CO=CO2+2H•)体系中催化剂、CO和亚临界H2O对煤热解、自由基和活性氢H•生成、自由基重排及加氢等反应的作用机制，建立了水煤气变换反应生成的活性H•改性煤增粘机理，发明了基于该体系制备高效价廉、由多环芳烃组成、具有高润湿性和强渗透性煤基粘结剂的方法。2.提出了型煤“球化”炭化理念，建立了型煤炭化过程中“小球”生成规律模型，认识了球化结构对裂纹生成和强度的调控机制，发明了可控制产品裂纹生成的球化剂及生产球化结构炭化型煤的方法。3.建立了炭化炉内的温度场分布模型，构建了自由基浓度Ng变迁行为、微晶参数La与强度间关系（M40∝Ng500/Ng900∝△La=La900-La500），认识了型煤粘结炭化机理及气、液、固产物生成等规律，优化了原料煤、煤基粘结剂和球化剂的配比，优选出原料粒度级配方案LDZH002、成型压力和GHMH加热炭化程序，发明了粉煤清洁高效制铸造用炭化型煤的关键装备—热回收炭化炉及系统。采用该装备及系统大幅提高了无烟煤配入量（>45％），打破了无烟煤等非粘结性煤不能炭化结焦的传统定论，降低了原料煤成本，且生产出了大粒度＞140mm、低灰（＜8.0%或8~10%）、高强度（92~98%）的优质铸造用炭化型煤，各项指标均优于产品出口指标的要求。生产过程中，入炉料烧损由1.5﹪降至<1.0%，吨炭化产品能耗由155kg标煤降至110~130kg，低于美国Jewell-Thompson和澳大利亚KCC改良炉型的技术指标；回收高温烟气热量可减排CO2约0.39吨/吨产品。4.建立了大型捣固煤料在常规焦炉中的收缩速率模型，优化了配煤、捣固成型和炭化等环节，发明了非粘结性粉煤（胶质层厚度Y=0）制气化用炭化型煤的产业化技术，填补了利用非粘结性粉煤在大型机焦炉（炭化室4.3m或5.5m）中大规模生产气化用炭化型煤的的国内外空白，生产出强度高（SI425为91.03~98.56%）、热稳定性好（TS+6为>95%）、反应性适宜（CRI为45~63%）和气化废水中污染物少（无BOD、吡啶、氰化物和硫化物等）且易于处理的气化用炭化型煤。项目共授权专利13项。相关成果已在国内外推广四十余项，如越南和发能源集团和山西兴高能源等企业，近三年实现新增销售额十多亿元，减排CO2约百万吨，经济、社会和环境效益显著。实施企业受到了以联合国为代表的国际社会的高度重视和首肯，获得了全球环境基金、联合国开发计划署和联合国工业发展组织颁发的节能减排荣誉。本成果整体提升了我国工业型煤基础理论、工程技术及炭化装备产业水平，使我国粉煤制炭化型煤技术及装备进入世界先进水平行列。

客观评价：1.验收意见2012年7月26日，山西省科技厅组织专家对省自然科学基金课题《球化结构炭化型煤炭化机理和其中界面结合物特性研究》（2010011014-1）进行了验收（会评），评审意见为“项目按照任务书中的预期工作计划，圆满完成了各项指标，取得了优良的实验结果，并在此工作基础上，获得国家级重大科研计划，成绩优秀”。2.技术鉴定2009年3月4日，山西省科技厅组织煤科院北京煤化所徐振刚研究员、中国炼焦协会首席专家杨文彪和中国矿业大学(北京)王永刚教授等专家对“高煤阶粉煤制球化结构炭化型煤的应用基础研究与新技术开发”项目进行了成果鉴定（晋科鉴字[2009]第050号），形成的鉴定意见为：“该项目对粘结剂、球化剂、原料粒度级配和配比、型煤块轴径向冷热强度、加热炭化程序、煤制备技术、成型技术和设备、加热炭化技术和设备进行了系统研究，开发出了球化结构炭化型煤制备新技术，获得了用于替代铸造焦的优质炭化型煤产品，为原料丰富的高阶粉煤的有效利用提供了新的技术途径。该研究紧密结合社会需求，研究方法科学，技术路线合理，创新性强，研究成果具有重要的学术意义和重大的实用价值，技术水平国际先进。”2013年12月27日，山西省科技厅组织中国炼焦协会首席专家杨文彪、中国科学院山西煤炭化学研究所房倚天研究员、山西省化工行业协会白玉祥教高和山西焦炭集团总工程师田波教高等专家对“粉煤制球化结构气化用炭化型煤产业化技术”项目进行了成果鉴定，形成的鉴定意见为：“项目课题组提出了型煤“球化”炭化理论；开发了煤改性粘结剂；系统的研究了粘结剂、球化剂和原料粒度配比、型煤热解收缩特性、捣固成型技术和设备；完成了常压ø2.6m固定床气化炉工业化造气生产和加压3.0MPa小型气化炉的评价试验；形成了以粉煤为原料大规模生产气化用炭化型煤/焦的产业化技术,拓宽了煤炭深加工领域，为传统焦化产业转型发展提供了技术支撑。该项目紧密结合社会需求，研究方法科学，技术路线合理，创新性强，研究成果具有重要的学术意义和重大的实用价值，该技术在粉煤大规模成型、炭化制固定床气化原料领域达到国际领先水平。”3.科技奖励《粉煤清洁高效制“球化结构”铸造用炭化型煤/焦关键技术和装备》荣获2013年度山西省科学技术发明一等奖。《粉煤清洁高效制“球化结构”铸造用炭化型煤/焦关键技术和装备》荣获2013年度山西省高等学校科学研究优秀成果（科学技术）技术发明一等奖。《无烟煤大比例配煤炼焦工艺技术研发》项目获2012年度中国炼焦行业协会颁布的焦化行业技术创新成果二等奖。4.检测报告兴高能源生产的铸造焦和冶金焦，具有气孔率低而气孔密度高、高温反应性低而反应后强度高、挥发分适中、发热量高之特点。且低硫、低磷、低灰、机械强度及抗碎能力均优于国内烟煤焦炭，可广泛用于大型高炉及精密件铸造。产品得到了中国煤炭科学研究总院、鞍山焦耐院等国内诸多焦炭专家的认可，经北京科技大学冶金学院的专家鉴定后认为：“兴高牌焦炭是冶铁工作者希望得到的难能可贵的最理想的产品”。煤炭科学研究总院北京煤化工研究分院对气化用炭化型煤进行了3.0Mpa加压气化性能评价，分析数据表明：气化用炭化型煤全水含量低、热稳定性高，灰熔点高，抗碎强度高，可以作为固定床加压气化原料。煤气产率2.77～2.82Nm3/kg，略高于优质无烟煤的2.58Nm3/kg，大幅度高于长焰煤的1.56～1.84Nm3/kg；气化强度（955.41kg/m2·h和993.63kg/m2·h）较典型无烟煤气化强度高出7.3%；粗煤气中有效成分（CO+H2）为68.5%～69.3%，与无烟煤块煤气化相当。山西晋煤天源化工有限公司在常压Φ2.6m气化炉上对气化用炭化型煤进行了常压气化性能评价，结果表明：气化用炭化型煤的产气率和有效气体(CO+H2)含量分别为2.28Nm3/kg和1566-1620Nm3/t，蒸汽消耗和气化强度分别为634.9kg/1000Nm3（H2+CO）和528.21kg/m2·h，与无烟块煤指标相近；气化冷凝废水由谱尼（PONY）国际测试中心测试，数据表明：炭化型煤气化后产生的冷凝废水中污染物含量轻微，尤其是具有高度毒性危害的吡啶、氰化物和硫化物等均未检测到（典型固定床气化冷凝废液中上述三类物质含量分别为107~570mg/L，40~60mg/L和137~268mg/L），是一种洁净的气化用原料。5.学术性评价潘立慧等人编著的《炼焦新技术》（北京：冶金工业出版社，2006年；ISBN：9787502438982）中指出，清洁型热回收焦炉是我国目前最先进、最完善、最可靠的热回收焦炉，具有利于焦炉实现清洁化生产、扩大炼焦煤资源、减少基建投资和降低炼焦工序能耗的特点。6.其他奖励及评价项目应用企业—山西兴高能源股份有限公司，取得显著的节能与减排效应，于2004年获得全球环境基金、联合国开发计划署和联合国工业发展组织颁发的“中国乡镇企业节能与温室气体减排型煤示范企业”荣誉；2006年获得山西省人民政府颁发的“环境保护先进企业”荣誉和山西省经济委员会颁发的“资源节约与综合利用示范企业”荣誉；2012年通过了“节能中国推介活动”组织委员会、专家评审委员会审定，获评“节能中国先进单位奖”。中国炼焦协会首席专家杨文彪在接受记者采访时指出，太原理工大学开发的粘结剂用于大型焦炉扩大了煤的资源，从焦化产业来看，当前正在进行结构调整，扩大煤资源后，可使企业效益得到提高，为现有焦化寻求了一条转型升级的可靠路径，进而可使焦化企业扭亏为盈，使劣质煤资源实现综合利用和总体效益最大化。山西金通焦化集团有限公司总经理刘晓东在接受记者采访时指出，采用非粘结性配煤在大型机焦炉上生产气化用炭化型煤，作为一项新的原料煤加工技术，它对焦化行业的影响是非常大的，首先该新技术产品拓展了单一的钢铁市场需求，更面向整个化工业的需求。它的原料市场潜力很大，能科学合理地利用了我国将近40%的劣质煤粉，这种技术使我们的产品质量以及利润都会有一个较大的提高，采用这种技术对独立的焦化厂来说，是一个千载难逢的机会。”推广应用情况:由于以无烟煤等非粘结性煤为原料生产球化结构炭化型煤技术具有：=1\*GB3①原料来源广、价廉；=2\*GB3②生产装备及系统热效率高、环境友好；=3\*GB3③产品质量高、经济效益好等特点，相关成果已在国内外广泛实施推广四十余项，市场占有率达81%。其中在印度、越南和伊朗等国推广十余项，如越南和发能源集团、伊朗Tabas、印度KGSL等企业；在国内山西、山东和贵州等省市地区推广三十余项，如山西兴高焦化等企业，取得了显著的经济、社会和环保效益，获得了以联合国为代表的国际社会的高度重视和首肯。另外，印尼、南非、马来西亚和蒙古等国的企业也均来参观考察拟采用我国的球化结构炭化型煤技术建设同类型企业。总之，本发明技术已体现出显著的国际市场竞争力，近三年，典型应用企业实现新增销售额十多亿元，减排CO2约百万吨。主要知识产权证明目录：知识产权类别知识产权具体名称国家(地区)授权号授权日期权利人发明人有效状态发明专利一种制型煤粘结剂的方法中国ZL201310039818.X2014.04.09太原理工大学翟玲玲,张永发,崔新涛,董东柳,谢克昌有权发明专利一种大型捣固煤热回收炭化炉中国ZL201310448673.92014.12.10太原理工大学张建平,赵钰琼,赵立贤,谢克昌,周佳妮,刘振民,杜文广,张永发,梁言有权发明专利大型捣固煤饼在焦炉上生产气化用炭化型煤/焦的方法中国ZL201410249506.62015.09.23太原理工大学张永发,赵钰琼,赵立贤,谢克昌,周佳妮,刘振民,吴超,张建平有权发明专利一种煤料生产炭化型煤的方法中国ZL200910074396.32012.06.13山西中元煤洁净技术有限公司张永发,梁言,杨力,孙亚玲有权发明专利一种低阶煤改性增粘的方法中国ZL201310039904.02014.08.27太原理工大学乔星星,丁光月,赵立贤,周佳妮,刘振民,张永发,崔新涛,董东柳有权发明专利无烟煤炼焦用煤及由该煤生产的焦炭和该焦炭的生产方法中国ZL200310109626.82006.03.08山西兴高能源股份有限公司郜志成有权发明专利减少焦炭烧损和带除尘装置的平接焦车中国ZL201310717603.92015.03.18张建平张建平,彭晓霞,秦晓亚,张莹,薛晓东,秦瑶,方蕾,哈亮有权实用新型专利节能型热回收捣固式炼焦炉中国ZL201320140037.52013.09.25张建平,彭晓霞,秦晓亚张建平,彭晓霞,秦晓亚,张莹,贾保国,傅金川,薛晓东,哈亮,秦瑶有权外观专利炭化六棱体型煤中国ZL2012300731552012.09.26山西中元煤洁净技术有限公司梁言,张永发有权发明专利一种用于底装出料的炭化炉炉门中国ZL201210079357.42014.03.12太原理工大学张永发,梁言,石玉良,赵钰琼,孙亚玲有权代表性论文：ZhaoYuqiong,ZhangMo,CuiXintao,DongDongliu,WangQi,ZhangYongfa.Convertinglignitetocakingcoalviahydro-modificationinasubcriticalwater-COsystem.Fuel,2015.ZhaoYuqiong,ZhangYongfa,ZhangHuirong,WangQi,GuoYunfei.Structuralcharacterizationofcarbonizedbriquetteobtainedfromanthracitepowder.JournalofAnalyticalandAppliedPyrolysis,2015,112:290-297.WangQi,ZhaoYuqiong,ZhangYongfa.Shrinkagekineticsoflarge-sizedbriquettesduringpyrolysisanditsapplicationintampedcoalcakesfromlarge-scalechambers.Fuel,2014,138:1-14.DongDongliu,ZhangYongfa,ZhaoYuqiong,Wang,Qi.ImprovementintheCakingPropertyofLignitebyHydromodificationinaCO-SubcriticalWaterSystem.ChemistryLetters,2014,43(9):1470-1472.XuYing,ZhangYongfa,WangYong,ZhangGuojie,ChenLei.Gasevolutioncharacteristicsofligniteduringlow-temperaturepyrolysis.JournalofAnalyticalandAppliedPyrolysis,2013,104:625-631.ZhangYongfa,ZhangGuojie,ZhaoYuqiong,LiXianglan,SunYaling,XuYing.Ce-K-promotedCo-Mo/Al2O3catalystsforthewatergasshiftreaction.InternationalJournalofHydrogenEnergy,2012,37(8):6363-6371.ZhangYongfa,ZhaoYuqiong,DongDongliu,CuiXintao,ZhangGuojie.TheResearchofIncreasingCokingIndexandProductionCokingCoalfromLow-rankCoal.InternationalConferenceonCoalScienceandTechnology,Pennsylvania,2013.ZhaoYuqiong,ZhangYongfa,LiangYan,ShiYuliang,ChenWeiqing.Crackformationcharacteristicof“ballstructure”carbonizedbriquette.30thAnnualInternationalPittsburghCoalConference,Beijing,2013.张永发,张慧荣,田芳,孙亚玲.无烟粉煤成型块炭化行为及热解气体生成规律.煤炭学报,2011,36(4):670-675.张永发,孙亚玲.无烟粉煤制炭化型煤的微晶结构研究.煤炭转化,2010,33(3):19-22.主要完成人情况:张永发，排名：1，行政职务：太原理工大学教育部和山西省煤科学与技术重点实验室副主任，技术职称：教授，工作单位：太原理工大学，完成单位：太原理工大学。参加本项目的起止时间：2003-2015年。重要贡献体现在技术发明第1-4点。①提出在亚临界水煤气变换反应体系中通过活性氢H•改性褐煤制备煤基粘结剂的技术方案，研制出高效价廉的煤改性粘结剂。②在国内外首次提出型煤“球化”炭化理念，并论证了“球化结构”抑制裂纹生成的本质作用，发明了生产球化剂的方法。③阐述了型煤炭化过程中的传热特性以及气体生成和结构变迁规律，优化了原料配比、粒度级配方案、成型压力及炭化升温程序，开展了低烧损热回收炭化炉的研制，发明了非粘结性煤（Y=0）制球化结构铸造用炭化型煤关键技术和装备体系。④发明了大型捣固煤饼在焦炉上生产气化用炭化型煤的方法，并进行了炭化型煤在加压和常压气化炉上的气化特性研究。占本人工作量的75%。赵钰琼，排名：2，行政职务：无，技术职称：工程师，工作单位：太原理工大学，完成单位：太原理工大学。参加本项目的起止时间：2007-2015年。重要贡献体现在技术发明第1-4点。①研制出高活性煤改性催化剂，明确了亚临界WGSR体系中催化剂、CO和亚临界H2O对煤热解、自由基和活性氢H•生成、自由基重排及加氢等反应的作用机制，建立了通过煤改性生成富含芳烃结构沥青质等粘结物的增粘机理。②建立了“小球”生成规律模型，阐述了球化结构对产品裂纹生成和强度的调控作用，提出了球化剂生产方法。③建立了型煤粘结炭化机理，构建了Ng变迁行为、微晶参数与强度间关系（M40∝Ng500/Ng900∝△La=La900-La500），形成了型煤炭化理论和工程基础，发明了大型捣固煤热回收炭化炉。=4\*GB3④建立了大型型煤收缩动力学模型，优化了在机焦炉上生产气化用炭化型煤的工艺条件，开展了气化用炭化型煤中试及工业化应用试验研究。占本人工作量的90%。张建平，排名：3，行政职务：山西森特洁净煤技术研究设计院有限公司院长，技术职称：高级工程师，工作单位：山西森特洁净煤技术研究设计院有限公司，完成单位：山西森特洁净煤技术研究设计院有限公司。参加本项目的起止时间：2003-2015年。重要贡献体现在技术发明第3、4点。①基于球化结构型煤炭化要求，研制出具有空气预热炉顶、还原性气流隔离燃烧室、一次进风分布器、二次风量控制和多联S型火道等结构的清洁节能、原料煤低烧损的热回收捣固式炭化炉和平接出料车等关键设备，形成了成套的炭化型煤产业化装备和工艺系统，实现了炭化炉的清洁生产。②研发出成套工业化热回收炭化工艺，工艺中多项指标达到国内外领先水平。③提出了大型捣固煤饼在焦炉上生产气化用炭化型煤的工艺控制方案。项目开展过程中进行现场技术指导、试车生产指导，使项目技术顺利产业化，并促进其广泛推广。占本人工作量的80%。梁言，排名：4，行政职务：无，技术职称：工程师，工作单位：太原理工大学，完成单位：太原理工大学。参加本项目的起止时间：2005-2015年，重要贡献体现在技术发明第2-4点。①阐述了型煤炭化时小球体生成、发育和终止规律，发明了可调控产品裂纹生成的球化剂及其生产方法。②研究并优化了球化结构炭化型煤优化的原料配比、粒度级配组合及GHMH加热炭化程序，发明了粉煤生产球化结构炭化型煤的方法；研制出具有分层采气墙、炭化燃烧室直通结构的热回收式炭化炉，和满足炭化室密封要求的炭化炉炉门；提出高温废气热能充分回收利用方法，消除了装出料过程中的烟尘外泄。③开展了气化用炭化型煤产业化技术研发和工业化应用试验研究。项目实施过程中开展了施工现场指导和试车生产指导等工作，促进了技术产业化实施。占本人工作量的80%。谢克昌，排名：5，行政职务：太原理工大学教育部和山西省煤科学与技术重点实验室主任，技术职称：教授，工作单位：太原理工大学和中国工程院，完成单位：太原理工大学。参加本项目的起止时间：2003-2015年。重要贡献体现在技术发明第1、3、4点。①在研究煤改性过程中化学结构和自由基变迁规律、建立粘结物生成机理基础上，发明了一种制型煤粘结剂的方法，形成了粉煤制球化结构”炭化型煤技术基础。②在开展高效、低烧损的大型捣固热回收炭化炉研制中，提出还原性气流隔离层理念，并进行了隔离层形成机理、撞击流和桥流燃烧场等研究，形成了研制大型捣固煤热回收炭化炉的基础。③指导开展了在4.3m大型焦炉上生产炭化型煤的工业试验和产业化应用研究，解决了工业生产中煤料水分调配和高密度成型等技术难题。在项目立项、基础研究和工程方案制定等各阶段指导把关和顶层设计做出贡献，占本人工作量的20%。郜志成，排名：6，行政职务：山西兴高能源股份有限公司董事长，技术职称：高级经济师，工作单位：山西兴高能源股份有限公司，完成单位：山西兴高能源股份有限公司。参加本项目的起止时间：2003-2015年。重要贡献体现在技术发明第3、4点。①系统研究了无烟煤为主要原料时，不同煤料配比和原料粒度级配方案和配料煤密实度对炭化型煤质量的影响，发明了无烟煤炼焦用煤及由该煤生产的焦炭和该焦炭的生产方法；优化了高温废气热回收过程中物料输送及废锅、发电机等设备运行管理环节。②进行了非粘结性粉煤成型研究，形成了在原料配煤粘结性较差情况下生产出优质气化型煤的基础。=3\*GB3③负责项目工业化实施的总体建设和运营工作，解决了大量工程放大过程中出现的技术难题，项目企业获得全球环境基金、联合国开发计划署和联合国工业发展组织颁发的节能减排荣誉，促进了项目的推