水煤浆应用技术综述

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1、水煤浆应用技术综述杨再成、欧伟宝、钱国俊、李东涛、姚丽、龙巧云、王中红杭州华电华源环境工程有限公司能源研究所1、前言 众所周知，我国化石能源结构十分不合理，从已探明的储量中，煤炭占 92.94%，石油占 5.35%，天然气占 1.71%，其构成特点是富煤、贫油、少气。由 于燃烧油不足，每年需从国外进口大量原油、重油，而且比重越来越大。仅 2004 年就进口原油 1 亿多吨，重油 2000 多万吨，而当年我国的石油产量仅 1.75 亿 吨。不仅占用国家大量宝贵外汇，同时进口的高含硫油产生的废气严重污染了环 境，更严重的是给国家能源安全性造成危险。上世纪八十年代起，国家经委就有一个压油办，意在压缩

2、燃料用油的消耗。 水煤浆作为一种代油燃料从它立项研究开始，一直得到国家有关部门的支持。煤 炭部一直致力于推动水煤浆的研究和工业方面应用。江泽民等国家领导人也曾亲 临水煤浆锅炉现场视察，并指出“对水煤浆的重要性，要提到战略高度来认识”。 水煤浆技术开发和产业被明确列入国家重点鼓励发展的技术和产业。作为代油燃 料多次被国家有关文件肯定。今年 6 月，全国人大办公厅就“发展新型替代能源 水煤浆的建议”下达给国家发改委重点办理。即将由财政部、国税总局、国 家环保总局、国家电网公司出台的有关政策必将给水煤浆产业的发展带来新的机 遇。2、水煤浆工业应用的几个里程碑第一座按水煤浆燃料设计的锅炉应是北京东城区

3、的北京印染厂由杭州锅炉 厂和中科院合作生产的 20t/h 蒸汽锅炉。但对水煤浆工业应用影响最大却是下面 几个项目，其在水煤浆工业应用史上具有里程碑意义。（1）山东白洋河电厂油炉改烧水煤浆项目：从 1990 年立项到 1998 年国家鉴定历经 8 年，为四角切向燃烧水煤浆成功应用于 220t/h 高压电站锅炉立下了第一座丰碑。（2）北京燕山石化三电站新建 220t/h 高压锅炉：采用前墙布置旋流式燃烧器燃烧水煤浆，于2000年成功投入运行。在系统运行、 严格的环保要求等方面积累了丰富的运行经验，给后续建设提供了宝贵的示范作 用。16年来，在国内曾经或者正在运行的35t/h以上的水煤浆锅炉不到30

4、台， 210t/h的工业用水煤浆锅炉超过100台，陶瓷行业、钢铁行业等炉窑超过200 台。大大小小的制浆厂近百家，生产能力达到800万吨/年，但国内实际每年需 求量仅400万吨，供给能力远远大于消费能力。由此说明，水煤浆市场有待开发， 水煤浆代油任重而道远。3、水煤浆的特点在议论水煤浆应用的领域时，还必须弄清楚水煤浆究竟是个什么东西，有什 么利用价值。标准水煤浆是通过制浆技术，在制浆厂把精洗过的固态煤燃料和清 水（33%35%）一起在特制的研磨机中研磨成浆，并加适量（约1%）的添加剂搅 拌均匀后转成为可用泵输送的流态的煤燃料。基本特点分述如下。 3.1外观象石油，可以象油一样通过管道泵送运输、

5、装卸、用罐储存；可通过阀 门控制流量；通过特制的压力表、流量计测量压力和流量。锅炉房炉前燃料系统 设备和燃油机组十分相似。3.2可以像重油一样用压缩空气或压力蒸汽进行雾化后燃烧，易着火，燃烧稳定， 保留了煤粉的燃烧特性。但启动时间比煤粉炉要短，负荷变动适应性强（可在 40%负荷稳定运行）。燃烧效率一般为97%99%，锅炉效率和煤粉炉相当，而大 部分链条炉的炉效都低于80%。3.3水煤浆约含30%水分，在常温全封闭状态下输送不爆炸、自燃，减少了防火 要求。3.4没有煤炭在储运过程中的物料损失（约3%），锅炉现场没有庞大且粉尘飞扬 的煤场、输煤及干燥系统。环境卫生、噪音与燃油机组相似。3.5炉后除

6、尘除渣设备及灰场容量比燃煤机组要小许多，灰场容量仅为燃煤机组 的1/4。灰场扬尘对大气造成的二次污染较小。3.6炉内燃烧温度比煤粉炉低100200C, NOx排放相对较低。3.7在炉前煤浆中均匀加石灰水（约3%），炉内脱硫率一般比煤粉炉要高。燃油 含硫率一般约为 2%，也存在脱硫费用昂贵的问题。3.8 由于燃用水煤浆机组燃料系统类似于燃油机组，运行管理、维护检修简单， 低灰水煤浆对受热面的磨损大大低于燃煤机组，减少了检修工作量，从而可减少 人力和资金的投入。并且其安全可靠性还优于燃油机组。3.9 水煤浆在常温下磨制，比燃煤机组在热风干燥过程中制粉散热损失小。3.10 水煤浆是整体式煤气化联合循

7、环气化工艺装置的理想燃料。 应当指出，水煤浆是一种代油燃料，与真正的油燃料还是有很大差别的，尤其是 水煤浆的含灰量，尽管比煤粉少，但仍不能无视其在应用时结渣、结灰、磨损等 问题而必须相应配置除渣、吹灰、除尘排灰渣装置、灰场等设施。从而初投资费 用及排除灰渣的运行费用会比燃油机组高。水煤浆含有少量灰分和较高的水分， 锅炉效率低于燃油机组，和燃煤粉炉相当，比链条炉要高出 10个以上百分点。4、水煤浆应用技术4.1 制浆技术概述 制浆技术是水煤浆产业的源头，没有浆就不存在其应用。4.1.1 流动的代价 煤粉之所以能像流体一样在管内流动，靠的是 30%左右的水分。对每 kg 燃料而 言，为了这个流动特

8、性就付出了 30%水份的汽化热，约为600X0.3=180kcal/kg 浆，占水煤浆燃烧热值 180/4500=0.04，此外雾化水煤浆用蒸汽喷入炉内还要损 失20%的蒸汽热量（从150C排烟中收不回来的）660X0.2=132kcal,占燃烧热 值0.03。两者加起来，约为水煤浆热值的7%。在小型锅炉中，水煤浆用压缩 空气来雾化，虽然不损失蒸汽，但增加锅炉房耗电量。4.1.2 添加剂和搅拌机 煤是一种疏水性物质，表面不被水润湿。因此煤粉中加了水，并不能形成均匀的 乳液，而是煤粉自引扎堆下沉，水被煤粒挤在上面。为了在煤粒周围有一层水膜 形成浆粒，以便滑移，就必须加一种化学药剂，既亲水又亲煤。

9、这种促成煤粉成 浆及降低流动粘性作用的药剂叫分散用添加剂。添加剂量约占浆量的1%，煤种 不同，添加剂也略有不同。尽管如此，当水煤浆在静止状态时受重力作用会沉淀。 稳定剂的作用是将浆粒和周围的水联起来，防止颗粒下沉。对于自制水煤浆的用 户，煤浆制浆过程中应先加分散剂，成浆后再加稳定剂，并在炉前喷入炉膛之前 通过强力搅拌机，化解稳定剂的作用，降低粘度，有利雾化。4.1.3 煤浆的浓度和煤品质的关系 从上节水煤浆品种可以看到各种浆的技术指标的差别，其中浓度的高低是制浆技 术中一大学问。煤浆的用户希望含水越少越好，但不是任何煤种都能达到的。(a) 煤的成浆性指标煤的成浆性与煤本身的理化性质有关，北京矿

10、大研究生院设计了两个公式可以测 各种煤成浆性指标(公式 1)及能达到的浓度(公式 2)公式 1D=7.5-0.051HG1+0.223Mad+0.0257Odaf公式 2C=771.2D(%) 煤中含内水、含氧量大都不利成浆，哈式可磨性指标愈小，成浆性指标愈大，反 之，成浆性指标愈小。(b) 级配要达到高浓度，煤粉的细度应有大有小，相互填充，减少空隙，堆积效率高，用 少量的水就能使浆体流动起来。这种颗粒分布称为级配，但怎样实现理想的颗粒 分布呢？北京矿大研制的专用磨机，达到了仅用 1 台磨机在高浓度条件下磨矿直 接生产出高浓度水煤浆产品。(c) 高浓度制浆工艺4.2 水煤浆管道运输技术 煤炭科

11、学研究总院唐山分院研究了水煤浆在管内的流速与阻力损失的关系，见图 2 所示，可见阻力与流速成线性关系。温度变化对水煤浆管道输送阻力损失影响显著，尤其是低温段，阻力损失对温度 变化比较敏感。北京燕山石化三电站运行经验表明，水煤浆粘度增加，管道阻力也会增加，从而 影响供浆泵出力和电耗增加。当水煤浆温度高些，供浆泵出力会提高。此外，电站储浆供浆管道运行经验表明，为确保管道畅通不堵塞不沉淀，管道流 速不宜太低，宁可磨穿，也比堵塞处理成本小，实际上，磨损也不大。管道设计 时，应尽量避免弯头及管径变化。4.3 水煤浆燃烧技术大凡燃料的燃烧必须具备三大要素：1、温度；2、助燃剂氧气和燃料的适时混合； 3、足

12、够的反应时间。燃烧设备的设计就是要针对燃料特性，创造条件满足以上要求。4.3.1 炉型和燃烧器型式的选择 水煤浆燃烧方式和煤粉一样，采用空间燃烧或室式燃烧。空间燃烧方式中按锅炉 容量的大小不同采用的燃烧器型式也不一样。在 35t/h 以上的锅炉中，炉膛立式 布置，有四角切向布置直流式燃烧器和单面炉墙布置或者双面炉墙对冲布置旋流 式燃烧器二大类。在我国，前者比较适合国情，应用比后者广泛，更传统。然而， 10t/h 以下的小型锅炉中，炉体呈卧式布置，受炉型的限制，往往采用单个或两 个旋流式燃烧器布置在一面墙上。1525t/h的工业锅炉，我们建议炉本体采用 立式布置，12对旋流式燃烧器对冲布置方式，

13、不仅有利于燃烧，也有利于排渣、 吹灰、打焦。对冲布置还可以弥补旋流式燃烧器个体户特性及后期混合差的缺点。 喷入炉内的水煤浆颗粒因结团现象而大于原浆中的煤粒燃烬过程会长些，所以如 果在锅炉容量、布置条件许可的情况下，属长火焰的直流式燃烧器应是首选。长 火焰燃烧器在结构上容易实现分级送风和实现用于锅炉脱硝的燃烧技术。这种燃 烧方式对燃料组成的波动适应性好。基于水煤浆着火延迟，中间段燃烧快速，尾 部燃烬过程延长，因而在35t/h以上锅炉上宜采用适当高的断面热负荷和偏低的 容积热负荷，即瘦长型。当灰熔点过低时，断面热负荷也应降低，防止结渣。4.3.2 水煤浆的着火源 水煤浆燃烧比成浆前原煤要困难些。主

14、要是水煤浆含有30%以上的水分。和煤粒 同时喷入炉内，需要外来热源帮助干燥，水分未干燥的煤粒是不会着火的。水煤 浆的着火热是普通煤粉的 1.8 倍。普通原煤也含有水，甚至高达15%，褐煤有高 达 40%，但是它们的水分在研磨过程中被热空气或高温炉烟干燥。如在钢球磨煤、 中间粉仓制粉系统中，原煤水分进入磨机系统的乏气中，吹入炉膛的部位已不影 响煤粉的着火，而干燥煤粉由热风单独吹入炉膛。而褐煤锅炉煤粉经干燥后的乏 气有的经过滤后排空，有的高温乏气和煤粉一起进入炉膛。所以水煤浆要着火， 除采用燃烧器的射流卷吸高温烟气的特点外，其着火热的提供方法视锅炉容量、 用途不同而有所不同。(a) 对小型锅炉，采

15、用绝热碹口和预燃室，依靠高温耐火层对喷入的浆雾热辐射，使水分快速蒸发。(b) 对炉窑而言，整个炉窑基本上是由绝热的耐火材料构成，因而水煤浆水份 的多少对其着火稳定影响不大。(c) 对大型锅炉，则可采用温度250300C以上的过热蒸汽作为雾化介质，加 速水煤浆中水分的汽化，以及提高热空气温度到350400C，并根据挥发份的大 小，灰熔点特性，在炉壁上适当布置一些保温卫燃带，增加旋流式燃烧器的耐火 层碹口，在国内几个典型的示范机组上，成功的运用了这一技术。4.3.3 水煤浆雾化方式及影响雾化质量的因素 和燃油雾化类似，水煤浆雾化方式既有机械方式、汽力/气力机械混合方式和汽 力/气力方式。重油可以通

16、过加热(温度高达150C)来降低粘度，再通过机械方式将油甩成油 膜、薄膜和空气强烈摩擦被撕裂成细油滴；而水煤浆粘度比油高出几十倍，不可 能像重油一样加热到150C,因为温度超过80115C后添加剂就会变质，反而失 去了流动性，粘度不降反升。所以单纯用机械方式要消耗更高的能量，且机件内 部煤浆通道磨损加速，还会引起通道堵塞等问题。同样由于浆粘性大，采用单级 Y 形蒸汽/空气雾化水煤浆喷嘴也达不到理想的雾化效果。这可以从英国 IC 公司 和日本日立公司引进的喷嘴雾化器结构不可靠或则雾化质量达不到燃烧要求得 到证明。显然，水煤浆雾化的难度比油大，所以我们建议采用多级混合式蒸汽机械雾化喷 嘴。雾化蒸汽

17、温度2300C，第一级雾化是用多层蒸汽流冲击煤浆流，此时煤浆 表面的水分遇到过热蒸汽后立即汽化形成煤颗粒团和蒸汽的混合物；第二级雾化 是混合物在混合室及喷头内强烈扰动并多次冲击壁面使混合进一步均匀和细化 颗粒团；第三级雾化作用在于混合物在压差的作用下喷出，混合物体积快速膨胀 同时与炉膛气体强烈摩擦的共同作用把煤颗粒分散及粉碎，最终得到的颗粒团尺 寸约80100um。应当指出：如果采用压缩空气雾化，则水煤浆中水分汽化全部 依靠炉内加热。4.3.2 影响雾化质量的因素(1) 汽/气耗率。性能良好的Y形重油喷嘴汽耗率一般为35%，水煤浆喷嘴则 达到 1520%。（2）粘度及浓度提高需增大气耗率。（3

18、）蒸汽/空气压力适当提高有利于雾化质量的提高。应特别注意，在运行过程 中雾化介质压力提升的过高会压制浆的喷射量，严重时会导致锅炉灭火。（4）蒸汽管和浆管为套管结构时，蒸汽温度过高易出现煤浆烤干而局部结块形 成堵塞，破坏雾化。（5）在不堵塞的前提下，小的喷射孔径对雾化有利，孔径影响射程，射程要和 二次风匹配。（6）采用空气雾化时，提高浆温至80C以下可改善粘度。实用中只加热到40C 左右。4.3.4 水煤浆在炉内的燃烧过程在利用过热蒸汽作为雾化介质的情况下，如前所述水煤浆部分颗粒团表面水分已 在喷嘴出口膨胀汽化，部分颗粒团内部的少量水分需要进入炉内干燥汽化，因此 及时送入一次风将水蒸气吹走或者稀

19、释，以利于挥发份分析出着火。由于颗粒团 周围有水蒸气进一步吸热推迟了挥发份的析出，所以着火点必然是迟后的，一般 延迟0.30.5m。大量的水蒸气存在也使火焰温度比煤粉炉低100200C。然而水 分的存在也可能带来两种有利的结果：一种是结团在强烈的作用下内部水分汽化 使团炸裂或形成容易燃烧的多孔性结构；另一种是焦碳气化反应。实践证明设计 合理的水煤浆锅炉其燃尽率、锅炉效率和煤粉炉不相上下。5、结渣和沾污 凡烧煤锅炉结渣现象自古有之，烧煤锅炉设计制造运行的过程也伴随着和结渣粘 污的斗争。锅炉业主们在价格许可的前提下总是选择热值高、灰份水份少、挥发 份高、灰熔点高的优质煤。然而现实中往往受煤源或油价

20、或环保的限制，不得不 接受高水份低灰熔点水煤浆。水煤浆在原煤成浆后因添加剂中含金属 K、Na 的影 响，灰分流动温度必然下降。35t/h以上的水煤浆锅炉运行中普遍结渣粘污现象 比常规煤粉炉严重，添加剂对结渣的负面影响起了一定作用。顺便提到，小型链 条炉改烧水煤浆后普遍出力不足，这和炉膛壁面粘污比链条炉大有关。 现阶段，和结渣、粘污作斗争的手段主要有：（1）选用高挥发份高灰熔点的气煤或混合煤制浆，尽量不使tf过低，至少应大 于 1250C。（2）在高挥发份的前提下，选用低的断面热负荷和容积热负荷和分段燃烧，使 炉内最高温度水平低于1250C，炉膛出口温度W900C。（3）确保燃烧器煤浆空气不扫炉

21、壁，确保炉壁附近为氧化性气氛，炉壁避免出 现爆光耐火砼表面。（4）炉膛布置吹灰器（蒸汽），适当装打焦孔。（5）对流烟道装吹灰器（声波吹灰器）。6、排污与环保 普通水煤浆号称清洁能源，但洁净是相对的，和普通煤粉相比是洁净的 ，比油 气则要差一点。因而普通水煤浆在多数情况下还是需要脱硫和除尘二套设备。6.1 SO2排放根据化学反应方程：S+O2-SO2,lkg的S氧化成SO2变成了 2kg SO2。水煤浆锅炉以室式燃烧方式，在不加脱S剂的情况下，并无脱S功能，试验表明 对于CaC03或Ca（OH）2脱硫剂。试验表明，在Ca/s=1.5，温度800/1100C时， 固硫率分别为 34.28%/27.

22、92%和 64.47%/19.56%，显然 800C温度时 Ca （OH） 2 脱硫率只有34.28%，且这温度在现实燃烧室是不存在的，而且粘度分别比普通 水煤浆高了11%和24%，对雾化不利。由此可知，水煤浆采用燃烧中脱硫（将脱S剂混入制成的浆中），由于生成SO2 和CaCO3几乎立即反应，以及炉气中的H2O蒸汽和CaO反应生成Ca （OH） 2有助 于脱S，但上述试验结果对工业应用尚无实际意义，还有待进一步研究。此外， 脱S剂还降低灰熔点，在Ca/s=1.6时，灰流动温度下降了6%，所以，燃烧中脱 S技术还不成熟，尚在研究中。6.2N0x排放众所周知，NOx的生成主要有二种型式：燃料型，热

23、力型。NOx由90%NO和10%NO2 组成。燃料型取决于燃料中含N量，占NOx总量的7590%，热力型和炉内燃烧 温度有关，在1350C以上生成。水煤浆炉燃烧温度比煤粉炉低100150C,温度 型NOx的生成量理应忽略。相对煤粉炉，NOx排放会低些，但不等于一定达标。 目前脱硝技术尚无炉前脱硝或选择低N燃料之法，NOx的生成量尚无可靠计算方 法,只能实际测定。目前在300MW以上机组中，只有燃烧中和锅炉尾部脱硝两种 方式。在室式燃烧情况下脱硝方法如下：6.2.1 低 NOx 燃烧技术(a) 浓淡燃烧器在煤粉炉上普遍使用，它的局部高浓度煤粉燃烧既降低了煤粉的着火热，又降低 了燃烧温度，减少温度

24、型 NOx 生成。它的局部还原性气氛，减少了燃烧型 NOx 生成。(b) 分级送风 在主燃烧区欠氧燃烧，其作用气上，在燃烧器顶部加顶部二次风完成燃烧。(c) 烟气再循环把锅炉尾部省煤器出口 400C的烟气送入炉内，以降低燃烧温度和氧浓度。(d) 再燃 在燃烧器上部喷入天然气被认为最具现实意义。来源易得，效果显著。以上技术，(a)(b)二项在大容量电站锅炉中已普及，(d)项为工业试验所 证实，(c)项在国外采用。6.2.2 尾部烟气脱硝选择性(SCR)脱硝工艺的原理是4N0+4NH3+02I催化剂一4N2+6H2O, 6N02+8NH3-7N2+12H20。在锅炉省煤器出口喷NH3并使通过由Ti

25、O2为主的金属 材料做成蜂窝状的催化剂。尾部脱硝技术在新建 300MW 以上机组已普遍采用。 至于水煤浆锅炉目前最大容量尚未达到300MW，不在国标NOx排放标准范围内。7、飞灰排放 按神华煤制成的水煤浆含灰量为6.15%，飞灰份额以0.9计算，锅炉出口的飞灰 浓度5g/Nm3，要达到国家最高允许排放浓度，就必须配置除尘效率达到 9598.5%的除尘设备。8、普通水煤浆家族的新成员8.1 水焦浆由炼油厂残渣油经过延迟焦化工艺处理转化而成的石油焦(炼油厂垃圾)加水加 添剂制成的浆叫水焦浆。南方某炼油厂的水焦浆收到基组成如下：C=60.9%, H=3.35%，O=0.89%，N=1.12%，S=2

26、.35%，A=0.3%，W=31%，V=11.3，Q=23506.6KJ/kg。 其特点是高热值，高含S、N，低挥发份，低含灰。这种浆已在该厂75t/h，130t/h 锅炉成功运行。要达到高的燃烧效率应维持高的燃烧温度，因此燃烧这种燃料， 脱S脱硝设备是不可或缺的。8.2 精细水煤浆真正的代油洁净煤燃料采用含灰VI%的超净煤制成的精细水煤浆正在中国矿大研制成功，可应用于柴油 机、燃气轮机，也是锅炉的理想燃料。其中最可贵的是超净煤的制备技术或者是脱灰技术，工艺要求简单，成本不太昂 贵，适合推广。矿大研制的超净煤工业分析如下：分析水分：5.09% ，干基固定碳：61.82%，干基挥发份：37.41% ，发热量： 29.423MJ/kg干基灰份：0.77%由其制成的水煤浆特性如下:平均粒度：V 10um,浆浓度：50%,粘度：V300Pas9、结语水煤浆,人们爱它,因为它救活了一些濒临困境的企业。人们也在观望它,因为 它还有不尽人意的缺点。随着科技的发展,高纯度可实用的代油燃料必将问世, 进而推动应用技术的发展。我们相信,水煤浆必将为更多的用户所接受。