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基于TRIZ理論對工業(yè)型煤及氣化型煤黏結(jié)劑的分析

文檔作者：王越王東升韓錦德文檔來源： 1．煤炭科學(xué)研究總院北京煤化工研究分院 2．煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年12月09日
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第6期 煤質(zhì)技術(shù) 2012年11月
基于TR I Z理論對工業(yè)型煤及氣化型煤黏結(jié)劑的分析
王 越 ，王東升 ，韓錦德
(1．煤炭科學(xué)研究總院北京煤化工研究分院， 北京 100013；
2．煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)
摘 要：基于TRIZ理論闡述了國內(nèi)外型煤工業(yè)的發(fā)展歷程并對常用的型煤黏結(jié)劑進(jìn)行分析，指出
新型加壓氣化型煤是我國工業(yè)型煤再次蓬勃發(fā)展的推動力， 并依據(jù)技術(shù)系統(tǒng)協(xié)調(diào)進(jìn)化、可控性進(jìn)
化、子系統(tǒng)不均衡進(jìn)化、向超系統(tǒng)進(jìn)化等技術(shù)進(jìn)化法則對氣化型煤黏結(jié)劑的開發(fā)進(jìn)行分析和預(yù)測，
提出了黏結(jié)劑的進(jìn)化方向， 為新型氣化型煤黏結(jié)劑的開發(fā)提供準(zhǔn)則。
關(guān)鍵詞： 工業(yè)型煤； 氣化型煤；黏結(jié)劑；TRIZ理論；技術(shù)進(jìn)化法則
中圖分類號：TQ534．2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：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理論及其應(yīng)用
技術(shù)進(jìn)化趨勢在一定程度上是可以預(yù)測的口]。
技術(shù)開發(fā)的第一步是要對產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)成熟度分
析，預(yù)測產(chǎn)品技術(shù)所處的生命周期階段，進(jìn)而找到
其發(fā)展的方向。TRIZ理論作為一門立足于創(chuàng)新的
方法論，在技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域有著成熟而廣泛的應(yīng)用，
技術(shù)進(jìn)化法則是其核心內(nèi)容之一。TRIZ理論基于
大量專利分析，認(rèn)為技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化遵循一定的客
觀規(guī)律 ]。因此如果掌握規(guī)律，就可能動地進(jìn)行產(chǎn)
品設(shè)計并能把握產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。以下利用TRIZ
理論的技術(shù)進(jìn)化法則對國內(nèi)外的型煤工業(yè)進(jìn)行分
析，并且對現(xiàn)在研究熱點的氣化型煤黏結(jié)劑進(jìn)行分
析和預(yù)測，提出未來的研究方向。
2 國內(nèi)外型煤工業(yè)的發(fā)展
2．1 國外型煤工業(yè)的發(fā)展
工業(yè)型煤是伴隨著歐洲工業(yè)革命產(chǎn)生而發(fā)展起
基金項目：國家科技支撐計劃(2012BAA04B01)，國家國際科技合
作專項項目(2012DFR60360)
2O
來，距今已有近二百年歷史。工業(yè)型煤黏結(jié)劑的突
破是由E．Marsais在1832年申請的專利帶來的。
他采用煤焦油瀝青作為黏結(jié)劑，明顯地提高了型煤
強(qiáng)度 ]。煤焦油瀝青一直是最主要的型煤黏結(jié)劑。
1856年，德國的C·?？怂固貫楹置簤簤K研制的
第一臺泥煤沖壓機(jī)產(chǎn)生，1858年在德國西奧多礦
井最先使用，并建成德國最早的褐煤礦廠。1870年
末比利時人Loiseau制造了第一臺能夠成功運(yùn)轉(zhuǎn)的
輥壓成型機(jī)|4]。自此，型煤工業(yè)蓬勃發(fā)展起來。型
煤被用作工業(yè)燃料和民用燃料。20世紀(jì)初，德國
利用褐煤生產(chǎn)鍋爐燃料，20世紀(jì)30年代研發(fā)了粉
煤成型煉焦工藝，型煤工業(yè)迎來爆發(fā)式發(fā)展。20世
紀(jì)六七十年代西方發(fā)達(dá)國家為了減少和防治燃燒煤
炭對環(huán)境造成的污染，加之廉價石油和天然氣開發(fā)
和利用，煤炭在能源系統(tǒng)的消費結(jié)構(gòu)中所占比重越
來越小，工業(yè)型煤的利用也比過去大為減少。工業(yè)
型煤主要應(yīng)用于型焦生產(chǎn)及建材工業(yè)等方面。德國
全國型煤年產(chǎn)量統(tǒng)計表可反映出發(fā)達(dá)國家型煤市場
的變化情況，如圖1所示l5]。
2．2 國內(nèi)型煤工業(yè)的發(fā)展
我國的工業(yè)型煤起步于20世紀(jì)50年代，主要
第6期 煤質(zhì)技術(shù) 2012年l1月
圖1 德國全國型煤年產(chǎn)量統(tǒng)計表
產(chǎn)品有氣化型煤、鍋爐型煤、型焦及其他型煤產(chǎn)品
等[6]。由于化肥工業(yè)和工業(yè)燃?xì)獾陌l(fā)展需要，氣化
型煤發(fā)展較快，并且一直作為我國工業(yè)型煤發(fā)展的推
動力量。20世紀(jì)60年代，為解決化肥廠造氣用焦炭
和無煙塊煤供應(yīng)不足的問題，我國開發(fā)了多種型煤工
藝，生產(chǎn)的型煤提供了全國化肥行業(yè)60％左右的氣化
原料 ]。紙漿廢液、黏土煤球和清水濕煤棒等型煤產(chǎn)
品已在煤氣發(fā)生爐、工業(yè)窯爐上推廣應(yīng)用。中國礦
業(yè)大學(xué)應(yīng)用新開發(fā)的工業(yè)廢液加黏土復(fù)合黏結(jié)劑，
利用淮南有黏結(jié)性的粉煤，研制出了供兩段氣化爐
用的造氣型煤，并建成一座年產(chǎn)15萬t型煤的生
產(chǎn)廠，該廠曾正常運(yùn)行1年 ]。2000年底，晉城
礦務(wù)局采用先進(jìn)技術(shù)在礦區(qū)建立了一座年產(chǎn)10萬t
的造氣型煤示范廠，并組織科研、制造單位分別對
成型工藝、設(shè)備進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，成果顯著 ]。
近年來，隨著國內(nèi)煤制天然氣、煤制油等新型
煤化工項目的快速發(fā)展，固定床加壓氣化爐紛紛上
馬，塊煤的需求量急劇上升。然而隨著煤炭機(jī)械化
開采程度的提高，塊煤產(chǎn)量逐漸下降，導(dǎo)致塊煤供
應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足固定床氣化爐的需求。另一方面，
對于煤礦企業(yè)來說，塊煤外售產(chǎn)生的利潤遠(yuǎn)高于銷
售粉煤的利潤，特別是貧煤、無煙煤等高變質(zhì)煤，
其塊煤市場非常緊俏，加劇了煤化工項目用塊煤短
缺的問題。因而利用礦區(qū)末煤或粉煤資源生產(chǎn)氣化
型煤，尤其是加壓氣化型煤，成為現(xiàn)在許多煤化工
項目必須解決的一個關(guān)鍵技術(shù)，新型加壓氣化型煤
技術(shù)蓬勃發(fā)展起來。
我國工業(yè)型煤發(fā)展歷程如圖2所示。
S
副
H
皿
二十世
工業(yè)型煤發(fā)展歷程
圖2 我國工業(yè)型煤發(fā)展歷程
3 型煤黏結(jié)劑及氣化型煤黏結(jié)劑的研發(fā)
我國生產(chǎn)的工業(yè)型煤一般采用低到中壓(200
kg／cm ～400 kg／cm。)的冷壓成型工藝，并且以
有黏結(jié)劑成型為主，成型工藝流程因黏結(jié)劑不同而
略有差異。型煤黏結(jié)劑是粉煤冷壓成型工藝中的關(guān)
鍵技術(shù)之一，黏結(jié)劑的性能決定型煤的冷、熱強(qiáng)
度，影響型煤的發(fā)熱量、固定碳含量、結(jié)渣性能
等。黏結(jié)劑是型煤質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素，并且占據(jù)
了型煤加工成本的主要份額。
3．1 型煤的理想度
依照TRIZ原理，技術(shù)系統(tǒng)朝著提高系統(tǒng)理想
度的方向進(jìn)化[1]。理想黏結(jié)劑應(yīng)具有的特性是：黏
結(jié)性好或添加量少；能在煤粒表面均勻分布，能很
好地潤濕煤粒表面；少增加或不增加型煤灰分；使
型煤具有足夠的冷熱強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性；能改變煤
質(zhì)，如使型煤具有催化、脫硫等作用；黏結(jié)劑制備
和加入方式簡單；無二次污染、來源廣、價廉；具
有防水、防潮性，以利于型煤遠(yuǎn)途運(yùn)輸?shù)?。
氣化型煤的市場需求量大，氣化型煤的研究一
直是型煤開發(fā)的熱點。理想的氣化型煤黏結(jié)劑應(yīng)具
備如下條件：①在煤粒表面易擴(kuò)散，流動性好，黏
結(jié)能力強(qiáng)；②來源廣泛，價廉，無污染，制備工藝
簡單；③ 無機(jī)物含量低，型煤熱態(tài)性能好；④型煤
最好具有一定抗?jié)穹浪訽1 。
3．2 目前常用的型煤黏結(jié)劑
目前常用的氣化型煤黏結(jié)劑的種類很廣，按黏
結(jié)劑的化學(xué)狀態(tài)可將黏結(jié)劑分為有機(jī)黏結(jié)劑和無機(jī)
黏結(jié)劑兩大類。
有機(jī)黏結(jié)劑可分為疏水型黏結(jié)劑和親水型黏結(jié)
劑，其共同特點是黏結(jié)性好，干燥固化后型煤有較
高的機(jī)械強(qiáng)度，符合理想黏結(jié)劑第1條要求。但是
有機(jī)物在高溫時易分解而失去黏結(jié)性，因而型煤的
熱穩(wěn)定性和熱態(tài)機(jī)械強(qiáng)度較差。無機(jī)黏結(jié)劑的特點
是親水性好、黏結(jié)力強(qiáng)、來源廣、成本低，所制型
煤耐高溫，熱穩(wěn)定性高，熱強(qiáng)度高；但增加了型煤
的無機(jī)組分，使型煤的灰分增加。
3．2．1 疏水型黏結(jié)劑
疏水型黏結(jié)劑可分為焦油瀝青類和高分子聚
合物類。煤焦油瀝青是歐洲最早用作型煤黏結(jié)劑
的，也是至今用得最多的黏結(jié)劑。石油瀝青曾一度
作為煤焦油瀝青的代用品出現(xiàn)，但其具有3個弊
端_4]：① 含硫量較高；②石油瀝青的黏度對溫度變
化不太敏感，成型后型煤達(dá)到一定的冷態(tài)抗壓強(qiáng)度．
21
第6期 煤質(zhì)技術(shù) 2012年11月
所需的時間較長；③石油瀝青缺乏成焦組分，熱強(qiáng)
度低。近年來，人們把石油瀝青用作型煤防水劑，
或與生物質(zhì)、石灰等作復(fù)合黏結(jié)劑。
另一類為高分子聚合物，此類黏結(jié)劑包括聚乙
烯(醇)、聚苯乙烯、酚醛樹脂、合成樹脂、聚氨
酯、樹脂乳膠等。由于此類黏結(jié)劑成本高，成焦組
分少，型煤熱穩(wěn)定性差，因而基本上是作為輔助黏
結(jié)劑用來提高型煤機(jī)械強(qiáng)度或改善型煤防水性_1 。
3．2．2 親水型黏結(jié)劑
親水型黏結(jié)劑的黏結(jié)性好，基本不增加型煤灰
分，但一般都不具備防水功能。由于缺少成焦組
分，遇熱時易分解而喪失黏結(jié)性能，因而用其制成
的型煤熱強(qiáng)度較差。用弱黏或不黏原料煤成型時，
必須與有利于提高型煤熱強(qiáng)度的黏結(jié)劑配合使用。
目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的親水型黏結(jié)劑主要有淀粉
類、紙漿廢液、生物質(zhì)、腐植酸等。
淀粉是葡萄糖單元組成的天然高分子化合物，
其分子式為(C H 。O ) ，來源不同，其聚合度也
不同。對于淀粉黏結(jié)劑來說，糊化是其必不可少的
一步。淀粉的糊化是指破壞團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，使團(tuán)粒潤
脹，淀粉分子水合和溶解的過程。淀粉的糊化狀態(tài)
能提高黏結(jié)劑的黏結(jié)能力。近年來，有關(guān)淀粉用作
造氣型煤黏結(jié)劑的研究較多。但是淀粉缺少成焦組
分，價格較貴，并且防水性差。
紙漿廢液來源廣泛，可以以廢治廢，具有較好
的環(huán)境效益。紙漿廢液根據(jù)蒸煮藥液的不同，分為
亞硫酸鹽法廢液、燒堿法廢液和硫酸鹽法廢液。亞
硫酸鹽法廢液的主要成分是木質(zhì)素磺酸鹽，還有少
量碳水化合物和無機(jī)硫化物，其中起黏結(jié)作用的是
木質(zhì)素磺酸鹽和碳水化合物。燒堿法或硫酸鹽法生
產(chǎn)化學(xué)漿時，有大約50％左右的纖維素原料和絕
大部分堿類溶解于蒸煮藥液中，形成廢液。紙漿廢
液一般經(jīng)加熱濃縮方可使用。廢液中的木質(zhì)素、半
纖維素和纖維素的降解物以及有機(jī)酸等起黏結(jié)作
用。我國一些化肥廠采用紙漿廢液一黏土制成的型
煤質(zhì)量可滿足生產(chǎn)要求。紙漿廢液價廉，但成焦組
分少，基本無防潮性，因此很少單獨使用；在工業(yè)
上使用還容易使成型設(shè)備發(fā)生故障 。
生物質(zhì)作黏結(jié)劑近來受到國內(nèi)外的重視。生物
質(zhì)來源廣泛，可以有效利用農(nóng)林作物廢棄物H 。
用生物質(zhì)作黏結(jié)劑主要是利用其纖維素、半纖維素
和木質(zhì)素等成分在加熱或水解后具有的黏結(jié)作用。
我國使用較多的是利用植物纖維和堿法草漿原生黑
液、腐植酸鈉渣制得的復(fù)合黏結(jié)劑。日本綠色援助
22
計劃生物質(zhì)型煤項目在我國山東臨沂礦務(wù)局得到實
施，生產(chǎn)能力為l萬t／a，型煤供鍋爐用n 。
腐植酸鹽類黏結(jié)劑最早是由煤科總院北京煤化
所于1973年開發(fā)研制成功。腐植酸是由具有芳香
結(jié)構(gòu)、性質(zhì)相似的酸性物質(zhì)組成的化合物，廣泛存
在于泥炭、褐煤和風(fēng)化煤中。大部分腐植酸以游離
的形式存在，少數(shù)與鈣、鎂結(jié)合成鹽，所以可以用
強(qiáng)堿抽提。用腐植酸鹽作黏結(jié)劑的優(yōu)點是黏結(jié)性
強(qiáng)，固態(tài)添加量僅為2％ ～3％ ，黏結(jié)劑水溶液流
動性好，有成焦組分。但其致命弱點為熱強(qiáng)度不
高，并且遇水極易松散[1 。
3．2．3 無機(jī)黏結(jié)劑
石灰是應(yīng)用得較為廣泛的無機(jī)黏結(jié)劑，用其制
成的型煤活性好，且具有固硫作用，曾廣泛應(yīng)用于
化肥廠。石灰是一種骨架型黏結(jié)劑，依靠石灰碳酸
化后形成的碳酸鈣骨架，將煤粉固化成型。因而石
灰的加入量很大，一般為煤量的20％ ～25％ ，制
得的型煤的灰分也有較大的增加，甚者可達(dá)40％ 。
石灰碳酸化型煤具有以下優(yōu)點：具有很好的防水性
能；對煤種的成型性能不如表面黏結(jié)劑那樣敏感；
對于灰熔點較低的煤由于大量的石灰摻入反而會提
高型煤的灰熔融性溫度n 。
水泥也是骨架型黏結(jié)劑，用作型煤黏結(jié)劑時需
控制好用量、水分、成型壓力及生球的養(yǎng)護(hù)方式，
否則得不到高強(qiáng)度的型煤。養(yǎng)護(hù)好的水泥黏結(jié)劑型
煤具有良好的防水性能，在水中浸泡后仍能保持良
好的強(qiáng)度。此類黏結(jié)劑用于揮發(fā)分較高的無煙煤種
時，生產(chǎn)的型煤往往熱態(tài)耐磨強(qiáng)度較差。近年來開
發(fā)的黏結(jié)劑有應(yīng)用水泥生成原理，利用煤中礦物
質(zhì)，而不是直接使用水泥。
用黏土做黏結(jié)劑生產(chǎn)型煤已經(jīng)有很長的歷史。
黏土一般含有較多的二氧化硅成分，少量的氧化
鋁、氧化鈣、氧化鎂、氧化鉀及氧化鈉等成分。黏
土本身收縮率較大，成型后收縮易產(chǎn)生裂紋，對型
煤的冷熱強(qiáng)度不利。目前多作為復(fù)合黏結(jié)劑的無機(jī)
組分使用。
3．3 依據(jù)TRIZ原理分析黏結(jié)劑的進(jìn)化方向
由以上論述可知， 目前常用的氣化型煤黏結(jié)劑
均有各自的優(yōu)缺點，與理想的黏結(jié)劑之間存在較大
差距， 目前還處于不斷完善、優(yōu)化的過程中。但是
從另一方面來說，消除氣化型煤黏結(jié)劑與其理想狀
態(tài)間存在的差距正是黏結(jié)劑開發(fā)的方向。依照TRIZ
理論技術(shù)進(jìn)化法則，有以下4條路線可供選擇。
(1)技術(shù)系統(tǒng)協(xié)調(diào)進(jìn)化法則：技術(shù)系統(tǒng)向著其
第6期 煤質(zhì)技術(shù) 2012年11月
子系統(tǒng)各參數(shù)協(xié)調(diào)、系統(tǒng)參數(shù)與超系統(tǒng)各參數(shù)相協(xié)
調(diào)的方向發(fā)展進(jìn)化。技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化到高級階段的特
征是子系統(tǒng)充分發(fā)揮其功用，各參數(shù)之問相互協(xié)
調(diào)。目前單種型煤黏結(jié)劑只能滿足理想黏結(jié)劑的某
一或者某幾項特性，而且由于某些限制，并不能充
分發(fā)揮其功用。因而可以采用復(fù)配的方法，多種黏
結(jié)劑取各自之長而補(bǔ)各自之短，各參數(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展，
以期達(dá)到理想黏結(jié)劑的功用。
(2)技術(shù)系統(tǒng)可控性進(jìn)化法則：技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)
化，應(yīng)該沿著增加系統(tǒng)內(nèi)各部件可控性的方向發(fā)
展。對于氣化型煤黏結(jié)劑系統(tǒng)來說，使用的各種黏
結(jié)劑的黏結(jié)機(jī)理未知，因而起黏結(jié)作用的有效成分
也未知，對增加氣化型煤黏結(jié)劑系統(tǒng)的可控性是一
大障礙。因而應(yīng)加強(qiáng)對各常用型煤黏結(jié)劑黏結(jié)機(jī)理
的研究，才能使氣化型煤黏結(jié)劑的開發(fā)工作沿著正
確的方向發(fā)展。
(3)技術(shù)系統(tǒng)子系統(tǒng)不均衡進(jìn)化法則：技術(shù)系
統(tǒng)是朝著協(xié)調(diào)進(jìn)化的方向發(fā)展，但是實際上各子系
統(tǒng)的進(jìn)化并非均衡一致。對于氣化型煤黏結(jié)劑系統(tǒng)
來說，某個或者某些子系統(tǒng)可能已經(jīng)達(dá)到自身固有
的發(fā)展極限，而會成為系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)，抑制
整個技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展。因而在今后的型煤黏結(jié)劑的
開發(fā)過程中，結(jié)合型煤的用途，找到影響?zhàn)そY(jié)劑發(fā)
展的關(guān)鍵子系統(tǒng)，重點研究突破，開發(fā)出與用途相
適應(yīng)的新型黏結(jié)劑。
(4)技術(shù)系統(tǒng)向超系統(tǒng)進(jìn)化法則：技術(shù)系統(tǒng)在
進(jìn)化過程中，可以和超系統(tǒng)的資源結(jié)合在一起，或
者將原有技術(shù)系統(tǒng)中的某個子系統(tǒng)分離到某個超系
統(tǒng)中，可以使該子系統(tǒng)擺脫自身在進(jìn)化過程中遇到
的限制要求，使其更好地實現(xiàn)其功能。對于現(xiàn)在新
型煤化工項目中應(yīng)用的型煤技術(shù)，可以利用超系統(tǒng)
中出現(xiàn)的新物質(zhì)作為型煤黏結(jié)劑，如黏結(jié)劑可以選
用直接液化產(chǎn)生的液化殘渣，不僅解決了液化殘渣
的利用問題，更重要的是液化殘渣與煤的表面黏結(jié)
性強(qiáng)，可以作為很好的型煤黏結(jié)劑。
4 總 結(jié)
型煤工業(yè)有著悠久的歷史和豐厚的積淀，隨著
目前新型煤化工項目對塊煤的需求量增大，型煤工
業(yè)又迎來了新的發(fā)展契機(jī)。前人在型煤黏結(jié)劑，尤
其是氣化型煤黏結(jié)劑的研究和開發(fā)方面做了大量研
究和有益探索，新型型煤黏結(jié)劑的開發(fā)應(yīng)充分發(fā)掘
和利用其研究成果。TRIZ理論作為一門立足于創(chuàng)
新的方法論，在技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域有著成熟而廣發(fā)的應(yīng)
用。本文基于TRIZ理論對氣化型煤黏結(jié)劑的開發(fā)
做了分析和預(yù)測，希望能為未來新型氣化型煤黏結(jié)
劑的開發(fā)提供有益參考。
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作者簡介：王越(1987)，男，山東萊蕪人，煤炭科學(xué)研究
總院北京煤化工研究分院在讀研究生。
(收稿日期：2012—04—01)
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