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基于TRIZ理论对工业型煤及气化型煤黏结剂的分析

文档作者：王越王东升韩锦德文档来源： 1．煤炭科学研究总院北京煤化工研究分院 2．煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室		点击数：	更新时间： 2022年12月09日
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第6期 煤质技术 2012年11月
基于TR I Z理论对工业型煤及气化型煤黏结剂的分析
王 越 ，王东升 ，韩锦德
(1．煤炭科学研究总院北京煤化工研究分院， 北京 100013；
2．煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)
摘 要：基于TRIZ理论阐述了国内外型煤工业的发展历程并对常用的型煤黏结剂进行分析，指出
新型加压气化型煤是我国工业型煤再次蓬勃发展的推动力， 并依据技术系统协调进化、可控性进
化、子系统不均衡进化、向超系统进化等技术进化法则对气化型煤黏结剂的开发进行分析和预测，
提出了黏结剂的进化方向， 为新型气化型煤黏结剂的开发提供准则。
关键词： 工业型煤； 气化型煤；黏结剂；TRIZ理论；技术进化法则
中图分类号：TQ534．2 文献标识码：B 文章编号：1007-7677(2012)06—0020—04
Analysis on the adhesive for gasifying briquette and industrial briquette based on TRIZ theory
WANG Yue 一．WANG Dong—sheng 一．HAN Jin—de ，
(1 Beijing Research Institute of Coal Chemistry，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；
2 State Key Laboratory of CoaI Mining,and Clean Utilization，Beijing 100013，China)
Abstract：The development of domestic and overseas coal briquetting technologies was described and the common adhesives were
analyzed based on TRIZ theory．The new type of pressure gasifying briquette was supposed as driving force to develop the industrial
briquette in China．The research and exploitation of the adhesives for gasifying briquette was analyzed and predicted based on
various technology evolution laws from TRIZ theory，such as technology system coordination&amp;amp; evolution，c0ntrol1abmty evolution；
subsystem non—balanced evolution and super system evolution．Thus，the evolution direction of the research and exploitation of the
adhesives was proposed，which could provide guidance to the development of new type of pressure gasifying briquette．
Key words：industrial briquette：gasifying briquette；adhesive；TRIZ theory；technology evolution law
1 TRIZ理论及其应用
技术进化趋势在一定程度上是可以预测的口]。
技术开发的第一步是要对产品进行技术成熟度分
析，预测产品技术所处的生命周期阶段，进而找到
其发展的方向。TRIZ理论作为一门立足于创新的
方法论，在技术开发领域有着成熟而广泛的应用，
技术进化法则是其核心内容之一。TRIZ理论基于
大量专利分析，认为技术系统的进化遵循一定的客
观规律 ]。因此如果掌握规律，就可能动地进行产
品设计并能把握产品的发展趋势。以下利用TRIZ
理论的技术进化法则对国内外的型煤工业进行分
析，并且对现在研究热点的气化型煤黏结剂进行分
析和预测，提出未来的研究方向。
2 国内外型煤工业的发展
2．1 国外型煤工业的发展
工业型煤是伴随着欧洲工业革命产生而发展起
基金项目：国家科技支撑计划(2012BAA04B01)，国家国际科技合
作专项项目(2012DFR60360)
2O
来，距今已有近二百年历史。工业型煤黏结剂的突
破是由E．Marsais在1832年申请的专利带来的。
他采用煤焦油沥青作为黏结剂，明显地提高了型煤
强度 ]。煤焦油沥青一直是最主要的型煤黏结剂。
1856年，德国的C·埃克斯特为褐煤压块研制的
第一台泥煤冲压机产生，1858年在德国西奥多矿
井最先使用，并建成德国最早的褐煤矿厂。1870年
末比利时人Loiseau制造了第一台能够成功运转的
辊压成型机|4]。自此，型煤工业蓬勃发展起来。型
煤被用作工业燃料和民用燃料。20世纪初，德国
利用褐煤生产锅炉燃料，20世纪30年代研发了粉
煤成型炼焦工艺，型煤工业迎来爆发式发展。20世
纪六七十年代西方发达国家为了减少和防治燃烧煤
炭对环境造成的污染，加之廉价石油和天然气开发
和利用，煤炭在能源系统的消费结构中所占比重越
来越小，工业型煤的利用也比过去大为减少。工业
型煤主要应用于型焦生产及建材工业等方面。德国
全国型煤年产量统计表可反映出发达国家型煤市场
的变化情况，如图1所示l5]。
2．2 国内型煤工业的发展
我国的工业型煤起步于20世纪50年代，主要
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图1 德国全国型煤年产量统计表
产品有气化型煤、锅炉型煤、型焦及其他型煤产品
等[6]。由于化肥工业和工业燃气的发展需要，气化
型煤发展较快，并且一直作为我国工业型煤发展的推
动力量。20世纪60年代，为解决化肥厂造气用焦炭
和无烟块煤供应不足的问题，我国开发了多种型煤工
艺，生产的型煤提供了全国化肥行业60％左右的气化
原料 ]。纸浆废液、黏土煤球和清水湿煤棒等型煤产
品已在煤气发生炉、工业窑炉上推广应用。中国矿
业大学应用新开发的工业废液加黏土复合黏结剂，
利用淮南有黏结性的粉煤，研制出了供两段气化炉
用的造气型煤，并建成一座年产15万t型煤的生
产厂，该厂曾正常运行1年 ]。2000年底，晋城
矿务局采用先进技术在矿区建立了一座年产10万t
的造气型煤示范厂，并组织科研、制造单位分别对
成型工艺、设备进行技术攻关，成果显著 ]。
近年来，随着国内煤制天然气、煤制油等新型
煤化工项目的快速发展，固定床加压气化炉纷纷上
马，块煤的需求量急剧上升。然而随着煤炭机械化
开采程度的提高，块煤产量逐渐下降，导致块煤供
应远远不能满足固定床气化炉的需求。另一方面，
对于煤矿企业来说，块煤外售产生的利润远高于销
售粉煤的利润，特别是贫煤、无烟煤等高变质煤，
其块煤市场非常紧俏，加剧了煤化工项目用块煤短
缺的问题。因而利用矿区末煤或粉煤资源生产气化
型煤，尤其是加压气化型煤，成为现在许多煤化工
项目必须解决的一个关键技术，新型加压气化型煤
技术蓬勃发展起来。
我国工业型煤发展历程如图2所示。
S
副
H
皿
二十世
工业型煤发展历程
图2 我国工业型煤发展历程
3 型煤黏结剂及气化型煤黏结剂的研发
我国生产的工业型煤一般采用低到中压(200
kg／cm ～400 kg／cm。)的冷压成型工艺，并且以
有黏结剂成型为主，成型工艺流程因黏结剂不同而
略有差异。型煤黏结剂是粉煤冷压成型工艺中的关
键技术之一，黏结剂的性能决定型煤的冷、热强
度，影响型煤的发热量、固定碳含量、结渣性能
等。黏结剂是型煤质量的关键影响因素，并且占据
了型煤加工成本的主要份额。
3．1 型煤的理想度
依照TRIZ原理，技术系统朝着提高系统理想
度的方向进化[1]。理想黏结剂应具有的特性是：黏
结性好或添加量少；能在煤粒表面均匀分布，能很
好地润湿煤粒表面；少增加或不增加型煤灰分；使
型煤具有足够的冷热强度、热稳定性；能改变煤
质，如使型煤具有催化、脱硫等作用；黏结剂制备
和加入方式简单；无二次污染、来源广、价廉；具
有防水、防潮性，以利于型煤远途运输等 。
气化型煤的市场需求量大，气化型煤的研究一
直是型煤开发的热点。理想的气化型煤黏结剂应具
备如下条件：①在煤粒表面易扩散，流动性好，黏
结能力强；②来源广泛，价廉，无污染，制备工艺
简单；③ 无机物含量低，型煤热态性能好；④型煤
最好具有一定抗湿防水性_1 。
3．2 目前常用的型煤黏结剂
目前常用的气化型煤黏结剂的种类很广，按黏
结剂的化学状态可将黏结剂分为有机黏结剂和无机
黏结剂两大类。
有机黏结剂可分为疏水型黏结剂和亲水型黏结
剂，其共同特点是黏结性好，干燥固化后型煤有较
高的机械强度，符合理想黏结剂第1条要求。但是
有机物在高温时易分解而失去黏结性，因而型煤的
热稳定性和热态机械强度较差。无机黏结剂的特点
是亲水性好、黏结力强、来源广、成本低，所制型
煤耐高温，热稳定性高，热强度高；但增加了型煤
的无机组分，使型煤的灰分增加。
3．2．1 疏水型黏结剂
疏水型黏结剂可分为焦油沥青类和高分子聚
合物类。煤焦油沥青是欧洲最早用作型煤黏结剂
的，也是至今用得最多的黏结剂。石油沥青曾一度
作为煤焦油沥青的代用品出现，但其具有3个弊
端_4]：① 含硫量较高；②石油沥青的黏度对温度变
化不太敏感，成型后型煤达到一定的冷态抗压强度．
21
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所需的时间较长；③石油沥青缺乏成焦组分，热强
度低。近年来，人们把石油沥青用作型煤防水剂，
或与生物质、石灰等作复合黏结剂。
另一类为高分子聚合物，此类黏结剂包括聚乙
烯(醇)、聚苯乙烯、酚醛树脂、合成树脂、聚氨
酯、树脂乳胶等。由于此类黏结剂成本高，成焦组
分少，型煤热稳定性差，因而基本上是作为辅助黏
结剂用来提高型煤机械强度或改善型煤防水性_1 。
3．2．2 亲水型黏结剂
亲水型黏结剂的黏结性好，基本不增加型煤灰
分，但一般都不具备防水功能。由于缺少成焦组
分，遇热时易分解而丧失黏结性能，因而用其制成
的型煤热强度较差。用弱黏或不黏原料煤成型时，
必须与有利于提高型煤热强度的黏结剂配合使用。
目前国内外应用最广泛的亲水型黏结剂主要有淀粉
类、纸浆废液、生物质、腐植酸等。
淀粉是葡萄糖单元组成的天然高分子化合物，
其分子式为(C H 。O ) ，来源不同，其聚合度也
不同。对于淀粉黏结剂来说，糊化是其必不可少的
一步。淀粉的糊化是指破坏团粒结构，使团粒润
胀，淀粉分子水合和溶解的过程。淀粉的糊化状态
能提高黏结剂的黏结能力。近年来，有关淀粉用作
造气型煤黏结剂的研究较多。但是淀粉缺少成焦组
分，价格较贵，并且防水性差。
纸浆废液来源广泛，可以以废治废，具有较好
的环境效益。纸浆废液根据蒸煮药液的不同，分为
亚硫酸盐法废液、烧碱法废液和硫酸盐法废液。亚
硫酸盐法废液的主要成分是木质素磺酸盐，还有少
量碳水化合物和无机硫化物，其中起黏结作用的是
木质素磺酸盐和碳水化合物。烧碱法或硫酸盐法生
产化学浆时，有大约50％左右的纤维素原料和绝
大部分碱类溶解于蒸煮药液中，形成废液。纸浆废
液一般经加热浓缩方可使用。废液中的木质素、半
纤维素和纤维素的降解物以及有机酸等起黏结作
用。我国一些化肥厂采用纸浆废液一黏土制成的型
煤质量可满足生产要求。纸浆废液价廉，但成焦组
分少，基本无防潮性，因此很少单独使用；在工业
上使用还容易使成型设备发生故障 。
生物质作黏结剂近来受到国内外的重视。生物
质来源广泛，可以有效利用农林作物废弃物H 。
用生物质作黏结剂主要是利用其纤维素、半纤维素
和木质素等成分在加热或水解后具有的黏结作用。
我国使用较多的是利用植物纤维和碱法草浆原生黑
液、腐植酸钠渣制得的复合黏结剂。日本绿色援助
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计划生物质型煤项目在我国山东临沂矿务局得到实
施，生产能力为l万t／a，型煤供锅炉用n 。
腐植酸盐类黏结剂最早是由煤科总院北京煤化
所于1973年开发研制成功。腐植酸是由具有芳香
结构、性质相似的酸性物质组成的化合物，广泛存
在于泥炭、褐煤和风化煤中。大部分腐植酸以游离
的形式存在，少数与钙、镁结合成盐，所以可以用
强碱抽提。用腐植酸盐作黏结剂的优点是黏结性
强，固态添加量仅为2％ ～3％ ，黏结剂水溶液流
动性好，有成焦组分。但其致命弱点为热强度不
高，并且遇水极易松散[1 。
3．2．3 无机黏结剂
石灰是应用得较为广泛的无机黏结剂，用其制
成的型煤活性好，且具有固硫作用，曾广泛应用于
化肥厂。石灰是一种骨架型黏结剂，依靠石灰碳酸
化后形成的碳酸钙骨架，将煤粉固化成型。因而石
灰的加入量很大，一般为煤量的20％ ～25％ ，制
得的型煤的灰分也有较大的增加，甚者可达40％ 。
石灰碳酸化型煤具有以下优点：具有很好的防水性
能；对煤种的成型性能不如表面黏结剂那样敏感；
对于灰熔点较低的煤由于大量的石灰掺入反而会提
高型煤的灰熔融性温度n 。
水泥也是骨架型黏结剂，用作型煤黏结剂时需
控制好用量、水分、成型压力及生球的养护方式，
否则得不到高强度的型煤。养护好的水泥黏结剂型
煤具有良好的防水性能，在水中浸泡后仍能保持良
好的强度。此类黏结剂用于挥发分较高的无烟煤种
时，生产的型煤往往热态耐磨强度较差。近年来开
发的黏结剂有应用水泥生成原理，利用煤中矿物
质，而不是直接使用水泥。
用黏土做黏结剂生产型煤已经有很长的历史。
黏土一般含有较多的二氧化硅成分，少量的氧化
铝、氧化钙、氧化镁、氧化钾及氧化钠等成分。黏
土本身收缩率较大，成型后收缩易产生裂纹，对型
煤的冷热强度不利。目前多作为复合黏结剂的无机
组分使用。
3．3 依据TRIZ原理分析黏结剂的进化方向
由以上论述可知， 目前常用的气化型煤黏结剂
均有各自的优缺点，与理想的黏结剂之间存在较大
差距， 目前还处于不断完善、优化的过程中。但是
从另一方面来说，消除气化型煤黏结剂与其理想状
态间存在的差距正是黏结剂开发的方向。依照TRIZ
理论技术进化法则，有以下4条路线可供选择。
(1)技术系统协调进化法则：技术系统向着其
第6期 煤质技术 2012年11月
子系统各参数协调、系统参数与超系统各参数相协
调的方向发展进化。技术系统进化到高级阶段的特
征是子系统充分发挥其功用，各参数之问相互协
调。目前单种型煤黏结剂只能满足理想黏结剂的某
一或者某几项特性，而且由于某些限制，并不能充
分发挥其功用。因而可以采用复配的方法，多种黏
结剂取各自之长而补各自之短，各参数协调发展，
以期达到理想黏结剂的功用。
(2)技术系统可控性进化法则：技术系统的进
化，应该沿着增加系统内各部件可控性的方向发
展。对于气化型煤黏结剂系统来说，使用的各种黏
结剂的黏结机理未知，因而起黏结作用的有效成分
也未知，对增加气化型煤黏结剂系统的可控性是一
大障碍。因而应加强对各常用型煤黏结剂黏结机理
的研究，才能使气化型煤黏结剂的开发工作沿着正
确的方向发展。
(3)技术系统子系统不均衡进化法则：技术系
统是朝着协调进化的方向发展，但是实际上各子系
统的进化并非均衡一致。对于气化型煤黏结剂系统
来说，某个或者某些子系统可能已经达到自身固有
的发展极限，而会成为系统中最薄弱的环节，抑制
整个技术系统的发展。因而在今后的型煤黏结剂的
开发过程中，结合型煤的用途，找到影响黏结剂发
展的关键子系统，重点研究突破，开发出与用途相
适应的新型黏结剂。
(4)技术系统向超系统进化法则：技术系统在
进化过程中，可以和超系统的资源结合在一起，或
者将原有技术系统中的某个子系统分离到某个超系
统中，可以使该子系统摆脱自身在进化过程中遇到
的限制要求，使其更好地实现其功能。对于现在新
型煤化工项目中应用的型煤技术，可以利用超系统
中出现的新物质作为型煤黏结剂，如黏结剂可以选
用直接液化产生的液化残渣，不仅解决了液化残渣
的利用问题，更重要的是液化残渣与煤的表面黏结
性强，可以作为很好的型煤黏结剂。
4 总 结
型煤工业有着悠久的历史和丰厚的积淀，随着
目前新型煤化工项目对块煤的需求量增大，型煤工
业又迎来了新的发展契机。前人在型煤黏结剂，尤
其是气化型煤黏结剂的研究和开发方面做了大量研
究和有益探索，新型型煤黏结剂的开发应充分发掘
和利用其研究成果。TRIZ理论作为一门立足于创
新的方法论，在技术开发领域有着成熟而广发的应
用。本文基于TRIZ理论对气化型煤黏结剂的开发
做了分析和预测，希望能为未来新型气化型煤黏结
剂的开发提供有益参考。
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作者简介：王越(1987)，男，山东莱芜人，煤炭科学研究
总院北京煤化工研究分院在读研究生。
(收稿日期：2012—04—01)
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