粉煤清洁高效制球化结构炭化型煤关键技术和装备.docx
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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水煤气变换反映体系制备煤基粘结剂的方式；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式，解决了长期以来型煤在炭化进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（炭化室高或）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。
该项目相关功效已在国内外推行四十余项，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。
该项目功效的实施，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。
以无烟煤为原料干净生产铸造用炭化型煤，或以非粘结性粉煤为原料干净生产气化用炭化型煤，是高效利用粉煤资源、爱惜稀缺优质炼焦煤，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致使产品强度降低和炭扮装备烧损率高、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，取得的要紧发明技术如下：
1.研制出高活性Fe/K系催化剂，熟悉了亚临界H2O+CO水煤气变换反映（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映的作用机制，成立了水煤气变换反映生成的活性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式。
2.提出了型煤“球化”炭化理念，成立了型煤炭化进程中“小球”生成规律模型，熟悉了球化结构对裂纹生成和强度的调控机制，发明了可操纵产品裂纹生成的球化剂及生产球化结构炭化型煤的方式。
3.成立了炭化炉内的温度场散布模型，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），熟悉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LDZH00二、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。
采纳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，降低了原料煤本钱，且生产出了大粒度＞140mm、低灰（＜%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。
生产进程中，入炉料烧损由﹪降至<%，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约吨/吨产品。
4.成立了大型捣固煤料在常规焦炉中的收缩速度模型，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（炭化室或）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~%）、热稳固性好（TS+6为>95%）、反映性适宜（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）且易于处置的气化用炭化型煤。
项目共授权专利13项。
相关功效已在国内外推行四十余项，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，取得了全世界环境基金、联合国开发打算署和联合国工业进展组织颁发的节能减排荣誉。
本功效整体提升了我国工业型煤基础理论、工程技术及炭扮装备产业水平，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。
客观评判：
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》（14-1）进行了验收（会评），评审意见为“项目依照任务书中的预期工作打算，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，取得国家级重大科研打算，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”项目进行了功效鉴定（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，取得了用于替代铸造焦的优质炭化型煤产品，为原料丰硕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，研究方式科学，技术线路合理，创新性强，研究功效具有重要的学术意义和重大的有效价值，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”项目进行了功效鉴定，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ø固定床气化炉工业化造气生产和加压小型气化炉的评判实验；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进展提供了技术支撑。
该项目紧密结合社会需求，研究方式科学，技术线路合理，创新性强，研究功效具有重要的学术意义和重大的有效价值，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功效（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公布的焦化行业技术创新功效二等奖。
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、高温反映性低而反映后强度高、挥发分适中、发烧量高之特点。
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，可普遍用于大型高炉及周密件铸造。
产品取得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以为：
“兴高牌焦炭是冶铁工作者希望取得的难能宝贵的最理想的产品”。
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加压气化性能评判，分析数据表明：
气化用炭化型煤全水含量低、热稳固性高，灰熔点高，抗碎强度高，能够作为固定床加压气化原料。
煤气产率～kg，略高于优质无烟煤的kg，大幅度高于长焰煤的～kg；气化强度（kg/m2·h和kg/m2·h）较典型无烟煤气化强度高出%；粗煤气中有效成份（CO+H2）为%～%，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Φ气化炉上对气化用炭化型煤进行了常压气化性能评判，结果表明：
气化用炭化型煤的产气率和有效气体（CO+H2）含量别离为Nm3/kg和1566-1620Nm3/t，蒸汽消耗和气化强度别离为1000Nm3（H2+CO）和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别离为107~570mg/L，40~60mg/L和137~268mg/L），是一种干净的气化用原料。
5.学术性评判
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：
38982）中指出，清洁型热回收焦炉是我国目前最先进、最完善、最靠得住的热回收焦炉，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.其他奖励及评判
项目应用企业—山西兴高能源股分有限公司，取得显著的节能与减排效应，于2004年取得全世界环境基金、联合国开发打算署和联合国工业进展组织颁发的“中国乡镇企业节能与温室气体减排型煤示范企业”荣誉；2006年取得山西省人民政府颁发的“环境爱惜先进企业”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同意记者采访时指出，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，可使企业效益取得提高，为现有焦化寻求了一条转型升级的靠得住路径，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整体效益最大化。
山西金通焦化集团有限公司总领导刘晓东在同意记者采访时指出，采纳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，它对焦化行业的阻碍是超级大的，第一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。
它的原料市场潜力专门大，能科学合理地利用了我国快要40%的劣质煤粉，这种技术使咱们的产品质量和利润都会有一个较大的提高，采纳这种技术对独立的焦化厂来讲，是一个千载难逢的机遇。
”
推行应用情形:
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原料来源广、价廉；②生产装备及系统热效率高、环境友好；③产品质量高、经济效益好等特点，相关功效已在国内外普遍实施推行四十余项，市场占有率达81%。
其中在印度、越南和伊朗等国推行十余项，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域推行三十余项，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，取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纳我国的球化结构炭化型煤技术建设同类型企业。
总之，本发明技术已表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。
要紧知识产权证明目录：
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
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
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
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
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
ZL
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
ZL
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
ZL
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
ZL
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
ZL3155
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
ZL
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：
1.ZhaoYuqiong,ZhangMo,CuiXintao,DongDongliu,WangQi,ZhangYongfa.Convertinglignitetocakingcoalviahydro-modificationinasubcriticalwater-COsystem.Fuel,2015.
2.ZhaoYuqiong,ZhangYongfa,ZhangHuirong,WangQi,GuoYunfei.Structuralcharacterizationofcarbonizedbriquetteobtainedfromanthracitepowder.JournalofAnalyticalandAppliedPyrolysis,2015,112:
290-297.
3.WangQi,ZhaoYuqiong,ZhangYongfa.Shrinkagekineticsoflarge-sizedbriquettesduringpyrolysisanditsapplicationintampedcoalcakesfromlarge-scalechambers.Fuel,2014,138:
1-14.
4.DongDongliu,ZhangYongfa,ZhaoYuqiong,Wang,Qi.ImprovementintheCakingPropertyofLignitebyHydromodificationinaCO-SubcriticalWaterSystem.ChemistryLetters,2014,43（9）:
1470-1472.
5.XuYing,ZhangYongfa,WangYong,ZhangGuojie,ChenLei.Gasevolutioncharacteristicsofligniteduringlow-temperaturepyrolysis.JournalofAnalyticalandAppliedPyrolysis,2013,104:
625-631.
6.ZhangYongfa,ZhangGuojie,ZhaoYuqiong,LiXianglan,SunYaling,XuYing.Ce-K-promotedCo-Mo/Al2O3catalystsforthewatergasshiftreaction.InternationalJournalofHydrogenEnergy,2012,37（8）:
6363-6371.
7.ZhangYongfa,ZhaoYuqiong,DongDongliu,CuiXintao,ZhangGuojie.TheResearchofIncreasingCokingIndexandProductionCokingCoalfromLow-rankCoal.InternationalConferenceonCoalScienceandTechnology,Pennsylvania,2013.
8.ZhaoYuqiong,ZhangYongfa,LiangYan,ShiYuliang,ChenWeiqing.Crackformationcharacteristicof“ballstructure”carbonizedbriquette.30thAnnualInternationalPittsburghCoalConference,Beijing,2013.
9.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.
10.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.
要紧完成人情形:
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刻：
2003-2015年。
重要奉献体此刻技术发明第1-4点。
①提出在亚临界水煤气变换反映体系中通度日性氢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在国内外第一次提出型煤“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式。
③论述了型煤炭化进程中的传热特性和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式，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刻：
2007-2015年。
重要奉献体此刻技术发明第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映的作用机制，成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成立了“小球”生成规律模型，论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式。
③成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成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实验研究。
占本人工作量的90%。
张建平，排名：
3，行政职务：
山西森特干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：
山西森特干净煤技术研究设计院有限公司，完成单位：
山西森特干净煤技术研究设计院有限公司。
参加本项目的起止时刻：
2003-2015年。
重要奉献体此刻技术发明第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、一次进风散布器、二次风量操纵和多联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扮装备和工艺系统，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操纵方案。
项目开展进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，并增进其普遍推行。
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刻：
2005-2015年，重要奉献体此刻技术发明第2-4点。
①论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式。
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式；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，和知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式，排除装出料进程中的烟尘外泄。
③开展了气化用炭化型煤产业化技术研发和工业化应用实验研究。
项目实施进程中开展了施工现场指导和试车生产指导等工作，增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刻：
2003-2015年。
重要奉献体此刻技术发明第一、3、4点。
①在研究煤改性进程中化学结构和自由基变迁规律、成立粘结物生成机理基础上，发明了一种制型煤粘结剂的方式，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指导开展了在大型焦炉上生产炭化型煤的工业实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时期指导把关和顶层设计做出奉献，占本人工作量的20%。
郜志成，排名：
6，行政职务：
山西兴高能源股分有限公司董事长，技术职称：
高级经济师，工作单位：
山西兴高能源股分有限公司，完成单位：
山西兴高能源股分有限公司。
参加本项目的起止时刻：
2003-2015年。
重要奉献体此刻技术发明第3、4点。
①系统研究了无烟煤为要紧原料时，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阻碍，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式；优化了高温废气热回收进程中物料输送及废锅、发电机等设备运行治理环节。
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形下生产出优质气化型煤的基础。
③负责项目工业化实施的整体建设和运营工作，解决了大量工程放大进程中显现的技术难题，项目企业取得全世界环境基金、联合国开发打算署和联合国工业进展组织颁发的节能减排荣誉，增进了项目的推行应用。
占本人工作量的70%。
完成人合作关系说明:
本发明是张永发在与赵钰琼、张建平、梁言、谢克昌和郜志成等人协同合作下完成的，完成人合作关系说明如下：
赵钰琼，第2完成人，于2007年1月进入太原理工大学本课题组开展项目研发至今。
合作取得国家发明专利3项，合作在Fuel和InternationalJournalofHydrogenEnergy等期刊上发表论文7篇（SCI收录5篇，EI收录1篇）；合作研发的“粉煤制球化结构气化用炭化型煤/焦产业化技术”通过了山西省科学技术功效鉴定；一起取得2013年度山西省科学技术发明一等奖和2013年度山西省高等学校科学研究优秀功效（科学技术）技术发明一等奖。
张建平，第3完成人，于2003年6月合作至今。
合作取得国家发明专利2项（一种大型捣固煤热回收炭化炉，减少焦炭烧损和带除尘装置的平接焦车ZL）；为《粉煤制球化结构气化用炭化型煤/焦产业化技术》提供了技术支撑，通过了山西省科学技术功效鉴定；一起取得2013年度山西省科学技术发明一等奖和2013年度山西省高等学校科学研究优秀功效（科学技术）技术发明一等奖；另外，在项目技术产业化推行方面开展了深切的合作
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