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我国水煤浆代油燃烧技术的现状和发展
0 引言
随着我国工业化进程的加快，未来我国对能源的需求将呈强劲增长态势。在我国的能源资源中，目前探明可使用的煤的储量为2亿吨，预计可使用500～700年。而石油探明可使用的储量则仅够使用20～30年。在未来的几十年内，我国石油的供需缺口将越来越大。这种情况一方面会制约我国进出口贸易和外汇平衡，另一方面对我国的经济安全也将产生重大影响。因此，为缓解我国石油进口压力，保持国民经济的持续发展, 保障能源与经济安全，亟需从我国经济发展全局出发，结合我国资源、技术和经济条件，寻求行之有效的燃油替代技术。
水煤浆是一种很好的代油燃料。水煤浆代油燃烧技术是我国正在推广的节油洁净煤技术中非常重要的一项。
1 水煤浆燃料特性及制备
水煤浆是由65—70%不同粒度分布的煤粉、30—35%的水和约1%的添加剂制成的混合物，是七十年代石油危机中发展起来的一种新型低污染代油燃料。它既保持了煤炭原有的物理特性，又具有石油一样的流动性和稳定性，被称为液态煤炭产品。
水煤浆的成浆过程见（图1）。我国生产的典型水煤浆产品的物理特性见（表1）。
图1 水煤浆的成浆过程
表1 我国典型水煤浆特性 序 号 | 名 称 | 符 号 | 单 位 | 数 值 | 备 注 | 1 | 重量浓度 | | % | 68%±1% | | 2 | 表观粘度 | | CP | 1200±200 | 100S-1,20℃ | 3 | 灰份 | Ad | % | <10 | | 4 | 硫份 | St,d | % | ±0.5 | | 5 | 挥发份 | Vdaf | % | >30 | | 6 | 最大粒径 | dmax | μm | <300 | | 7 | 平均粒径 | | dpj | <50μm | | 8 | 发热量 | Qnet.v.ar | KJ/kg | 19288 | | 9 | 稳定性 | | d | 90 | 注：该数据为枣庄八一水煤浆特性 |
一般的水煤浆均属非牛顿流体的宾汉型流体。加入了表面活性剂后降低其粘度能够获得很好的流动性，可以进行管道输送，并且达到很好的喷嘴雾化效果。
在水煤浆中加入稳定剂防止煤浆在储存和储运过程中发生硬沉淀。国产水煤浆的稳定性为保存1～3个月不产生硬沉淀。
由（表1）可知，水煤浆的低位发热值大约是锅炉燃油发热量的一半，即两吨水煤浆可代一吨油燃烧。水煤浆可以像油一样和进行管道运输和喷嘴雾化燃烧。与油不同的是，水煤浆可燃成分是煤，因此水煤浆在燃烧时的特点又与煤粉的燃烧相近，会有飞灰、结渣等现象。另外，由于水煤浆中含有30～35%的水，这么多的水份导致水煤浆着火困难。
水煤浆技术包括水煤浆制备、储运、燃烧等关键技术，是一项涉及多门学科的系统技术。水煤浆具有燃烧效率高，污染物排放低等特点，可用于电站锅炉、工业锅炉和工业窑炉代油、在矿区用中高灰煤浆替代优质煤燃烧，亦可作为气化原料，用于生产合成氨、合成甲醇等。水煤浆技术是我国现阶段成熟的可以推广的一项代油、环保、节能技术。发展水煤浆技术，用煤制取清洁燃料，以煤代油, 是我国能源长期稳定发展的战略和现实选择。
2 水煤浆燃料的制备
水煤浆燃料的制备是在水煤浆制浆厂中完成的，一般包括如下的过程：原煤的洗选、添加剂（分散剂和稳定剂）的添加、水的配备、研磨、储存等。
水煤浆制备的工艺流程通常有两种，即一段磨工艺流程和二段磨工艺流程，见（图2）和（图3）。我国现在的水煤浆厂大多采用一段磨的工艺流程来制备水煤浆。这种方法的特点是工艺简单，投资低，水煤浆质量优良。
3水煤浆燃烧机理和技术
由于加入了30%～40%水，水煤浆的着火和燃烧特性与常规的煤的着火发生了一些变化。
水煤浆在锅炉中的燃烧组织与油的燃烧组织相近。水煤浆经过煤浆喷嘴，以蒸汽或压缩空气为雾化介质，雾化形成煤浆雾炬，同时液雾的周围喷入供煤浆燃烧所需的空气。煤浆液滴进入炉膛后被加热并与空气混合，首先水份蒸发，然后后挥发份挥发并着火，进而引起液滴中的焦碳颗粒着火燃烧，直到燃烬。
（图4）显示了水煤浆雾化、结团、挥发份析出、着火以及燃烧和燃烬的完整过程。
水份对单滴水煤浆的燃烧过程有显著影响。由于水份的加热蒸发需要一定时间，浆滴中的挥发份要待大部分水份蒸发后才能开始析出，因此浆滴中的水份延迟了水煤浆的着火，这一点是水份对水煤浆燃烧的不利因素。由于存在水份蒸发过程而使煤浆的着火大大延迟是水煤浆着火与煤粉着火特征的一个显著的区别。但是通过提高雾化质量、合理安排配风等措施组织好燃烧，水煤浆可以表现出非常好的着火及燃烧特性。
水煤浆的火焰稳定、清晰，明亮，具有很好的刚度。
相对于原煤、油、天然气的燃料的燃烧系统，水煤浆的燃烧系统需要进行专门的设计。制备好的水煤浆在锅炉的燃烧系统应经过下列主要过程：
a）水煤浆炉前搅拌系统（在搅拌罐中）以防止发生沉淀；
b）水煤浆炉前过滤系统（在线过滤器）以滤去杂质；
c)供浆系统如供浆泵、供浆管路等，实现连续调节浆量的供给；
d)炉前水煤浆雾化喷嘴，以压缩空气或蒸汽为介质进行雾化，雾化喷嘴的设计直接影响水煤浆的着火和燃烧效率；
e)水煤浆燃烧器，水煤浆含有30%多的水分，燃烧器的设计将直接影响水煤浆的着火和燃烧效果；
f)雾化后的水煤浆喷入炉内完成着火燃烧，除水煤浆喷嘴、燃烧器需进行特殊设计外，炉膛及受热面的布置需满足水煤浆着火、燃烧的要求；
g)其它系统，燃烧后的灰渣要经过除灰系统、排渣系统等。
以上的各个系统都应按照水煤浆的特性做相应的设计。
3 水煤浆技术的优越性
与其它燃料相比，水煤浆这种燃料有着非常突出的优越性：
（1）具有良好的代油燃烧效果
煤代油是我国的基本国策，水煤浆可以象油一样输送、储存和燃烧，油炉改造可利用原有设施，工作量少、灰渣处理简单，投资少、改造周期短，是煤代油的理想代用燃料。原有油炉只需经过简单改造即可燃用水煤浆。燃烧效率达96-99%或更高, 锅炉效率在90%左右, 达到燃油等同水平。 燃烧调节方便, 运行稳定可*，一般40%负荷均可稳定燃烧。
（2）是一种很好的清洁燃料
水煤浆的原料是经过洗选的，含灰和硫都大为降低，如加石灰石脱硫，在相同条件下比原煤脱硫率高20%。大量水份的存在降低了炉内温度，并使炉内呈还原性气氛，NOx排放也很低。
茂名热电厂#1炉改烧水煤浆后，SO2排放浓度为560 mg/m3，烟尘浓度为38mg/m3。
（3）油炉改烧水煤浆投资低于改烧粉煤
水煤浆代油可充分利用原有设备, 如储油罐等。生产流程简化，投资省。与改燃粉煤相比, 改造费用仅为改粉煤的1/3-1/2, 改造时间为1/3。
（4）解决能源的运输问题
我国煤炭资源呈北煤南运和西煤东运的格局，管道输浆具有运量大，投资少（总投资为铁路的1/3，为输电线路的2/5），沿途煤炭损耗少、不占地、不受地形限制等优点。
（5）燃油锅炉改烧水煤浆经济效益显著
以万丰电厂为例：采用八一制浆厂水煤浆，到岸价为478元/吨，到厂价按500元/吨计算，目前油价按1600元/吨，按2.1吨水煤浆代1吨油计算，发电负荷按40MW，年发电时间按5000小时计算，燃料消耗量按25.31吨/小时计算，则年节约燃料费约为3314.4万元/年。如果电厂自行制浆，其水煤浆的成本可大为降低,其中茂名热电厂正在建设50万吨的浆厂。
另外，改烧水煤浆后，由于锅炉热效率提高和灰渣综合利用均可提高经济效益。
4 国内水煤浆制备及燃用情况
我国的科研工作者已经完成了从水煤浆的理论基础、制浆、添加剂技术到水煤浆燃烧的一系列攻关课题的研究，并取得大量的工业应用，应用水平居世界前列。
a) 水煤浆制浆
全国目前已建成水煤浆厂10余座，总生产能力2.5Mt/a。其中八一矿浆厂25万t/a,北京浆厂25万t/a，白杨河电厂60万t/a，胜利矿浆厂7万t/a，兖日浆厂25万t/a，株洲水煤浆车间3万t/a，邢台东庞矿浆厂18万t/a，大同浆厂30万t/a。
近年来，水煤浆的发展迎来了新的高峰，拟建中的水煤浆厂很多。其中大同拟扩建年产30～100万t/a水煤浆厂，目前一期30万t/a浆厂已经基本建成。
b)水煤浆的燃烧应用
在我国，水煤浆燃烧技术已经在各种炉型上得到应用，包括电站锅炉、工业锅炉和工业窑炉等。目前改造成功的负荷最大的为230t/h电站锅炉，410t/h锅炉的改造工作正在进行中。
水煤浆在我国的主要应用情况见（表3）。
（1）电站燃用水煤浆
汕头万丰热电有限公司#2炉是燃油设计220t/h平底炉，2001年6月改烧水煤浆工程完成后，一直稳定运行。飞灰含碳量为2.05%～3.65%，炉渣含碳量为1.92～2.4%，锅炉燃烧效率达到99.6%以上，锅炉热效率达到91%～92.11%。这些数据要好于同等容量的煤粉炉。该厂正在筹建浆厂及专烧水煤浆大型电站锅炉。
茂名热电厂#1炉为220t/h锅炉，2000年12月改造完成。烧水煤浆性能良好，燃烧效率在99%以上，高于要求设计值。该厂同型号的#2炉的改造工作即将完成，另外两台410t/h油炉的改造工作在操作中，年产50万吨的浆厂在建设中。
北京造纸一厂20 t/h和60 t/h燃油发电锅炉经改造后，运行情况良好。燃烧效率95%~98%，锅炉效率达82%以上。
山东白杨河电厂、燕山石化也都有锅炉改烧水煤浆，经济效益、社会效益非常好。
（2）工业锅炉及工业窑炉燃用水煤浆
现在全国已有十余台水煤浆专用锅炉和几十台燃油锅炉或燃煤锅炉改造成燃用水煤浆，已达到了
长期连续运行，并且有明显的环环保和经济效益。
表3 水煤浆的燃烧应用领域和情况表 应用对象 | 单 位 | 设 备 容 量 | 时间 | 备 注 | | 电 厂 | 汕头万丰热电有限公司#2炉 | 50MW/220t/h锅炉 | 2001 | | | 茂名热电厂#1炉 | 50MW/220t/h锅炉 | 2000 | #2炉改造即将完成 | | 白杨河电厂#1、#2、#3炉 | 50MW/230t/h锅炉 | 1997～1999 | | | 燕山石化 | 50MW/230t/h锅炉 | 2000 | | | 北京造纸一厂 | 60 t/h热电联产锅炉 | 1986 | | | 工业锅炉 | 北京造纸一厂 | 20t/h锅炉 | 1984 | | | | 35t/h专用锅炉 | 1992 | | | 八一煤矿 | 4 t/h工业锅炉 | 1998 | | | 胜利油田 | 10 t/h供热锅炉 | 1994 | 正在改造7～14MW锅炉十余台 | | | 14MW锅炉 | 2000 | | | 大同汇海水煤浆厂 | 3MW水煤浆专用锅炉 | 2001 | | | 大庆市 | 10 t/h油炉改造 | 2001 | | | 吉林油田 | 1.75MW热水炉 | 2000 | | | 工业窑炉 | 长春保温材料厂 | 遂道式干燥窑 | 1989 | | | 桂林钢厂 | 轧钢加热炉 | 1990 | | | 莱芜钢厂 | 锻造加热炉 | 1990 | | | 株州选煤厂 | 台车式热处理炉 | 1990 | | | 福建晋江 | 陶瓷干燥炉 | 2000 | |
例如，2000年7月青岛海众实业有限公司同浙江大学合作改造的青岛某食品厂1t/h水煤浆锅炉，经上海工业锅炉研究所和青岛市环境保护监测站测试，锅炉燃用水煤浆可达到额定出力，锅炉效率为81.83%；烟尘排放浓度为82 mg/Nm3，符合锅炉大气污染物排放标准中二类地区要求；二氧化硫排放浓度为610 mg/Nm3，远低于排放标准1200 mg/Nm3。
6 结束语
我国自1982年开始从事水煤浆技术研究。在“六五”— “九五”期间，国家给予水煤浆技术发展很大支持。国家科委、国家计委和煤炭部门都投入了大量的人力和物力来研究和发展水煤浆技术。
经过二十多年的研究和发展，我国的水煤浆技术已趋于成熟，已经具备了工业化推广的条件。
1996年1月****总书记视察水煤浆工作时，对水煤浆技术给予了高度评价，并指出“从战略上看，中国煤炭资源丰富，要充分发挥煤的作用，中国的燃料在相当长的时期内要依*煤，要把水煤浆作为一个战略问题来考虑，这是一件重要的工作。”
我国水煤浆代油市场潜力巨大。据统计，全国锅炉烧油量约为40Mt/年，用户分布在电力、化工、冶金等行业。如果能够推广水煤奖技术，则其经济效益和社会效益都是巨大的。并且会增强我国能源工业独立自主的能力，对经济建设和国家发展有不可估量的作用。 |
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发表于 2007-10-11 16:08:49
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发表于 2007-10-16 09:46:36