（工程热物理专业论文）水煤浆代油清洁燃烧的研究及工业应用.pdf

独创性声明 小人，i ，1 9 j 所i l l 受的学位论文足本人在对帅指导卜j 2 f ij 的研究r 竹投墩甜的 研究成永。槲我所知除了文中特别加以杯，t 和致谢的地疗外。论文巾不包含其 他人已绐发表或撰j 过的研究成果也不包含为获得澎垄盘鲎或其他教方i 机 构的学位或i f s i m 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贞献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：篇卫l 玎 签字同期：沙。( 年6 月i p 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎鎏盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝垄盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进i t 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字只期：弧6 年 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 捣j 易 沙5 年6 月f 日 电话： 邮编： 、 - m 1 人乍博t 沧史 水域袋f t 4 1 1 7 冲燃许f f 】州订幢f 卅h v 摘要 随着l 仆界绐济的发腱，能源j 环境m 邀娈得益突i i ：找【q f l 为个发键i l 】 家，经济发腱速艘较快，这l i t f 1 邀娃得尤为炎出我川l ；) & 1 1 1 储 l | 自限，l ；f i 巾场 的忑要，提高现有原油商品化宰幺_ ：| 小容缓：而在，p 阿仍仃人晕的原油破用柬燃烧， 足一- 种极大的浪费为了有效利f h 这部分原油，存侄肴个客脱的问题就足代油 燃睾 技术和由于使用能源i 痂造成的氦氧化物污染问题本文着莺f 对此的研究 及应用 在水煤浆燃烧理论的肇础七，本文针对水煤浆在注汽锅炉的炉内燃烧，荻沉 积和现场应用几个方面进行了试验，计算结果表明，水煤浆替代原油应用f 注 汽锅炉是可行的通过多种结渣预测模型，对所使用的注汽锅炉所用的水煤浆及 其灰渣，进行了结渣特性进行了研究；对锅炉改造和所用的燃烧器的进行了系统 的试验和计算。对炉内的飞灰轨迹进行了模拟以研究炉内呵能产生的积灰与结 渣解决了世界首台注汽锅炉改烧水煤浆的问题，实现水煤浆稳定燃烧。使燃油 注汽锅炉广泛改烧水煤浆成为可能，所开发的水煤浆燃烧器具有油一浆两用功能， 具有创新性。 随着氮氧化物造成的空气污染越来越引起人们的重视。在烟气脱硝技术领域 国内外学者进行了大量的研究工作，控制n o 。排放的措施大致分为两类，一类 是烟气净化技术，脱除烟气中的n 弧；另类是低n o 。燃烧技术，通过各种技 术手段，抑制或还原燃烧过程中的n o x ，达到降低n o 。排放的目的。不论足洁 净燃烧技术还是洁净燃料都无法根本解决氮氧化物的污染问题，而s c r 则是一 种最为有效的氮氧化物控制技术，广为世界关注 由于水煤浆本身特性的关系，在脱硫反面具有优势，在氮氧化物方面没有特 殊的控制方法本文针对目前环保中所存在的氮氧化物污染问题，就选择性催化 还原反应的反应器所涉及的主要参数进行了系统的分析，并根据实际工程和计 算推导出合珲的结构数据及相应的公式，对同类_ 1 = 栉应用有董要作用具有创 新性 关建谢：水煤浆燃烧器，s c r 气s0坼 斯r 1 人乎孵 电盘 水雠j = l 加吼冲协岱的研究慢i 廿砖f f j a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw o r l de c o i l o m l c s ，t h e p r o b l e mo fe n e r g ya n d e n v i r o n m e n tb e c o m e sm o r ea n dm o r es e v e r ea sad e v e l o p i n gc o u n t r y , t h e d e v e l o p m e n tr a c eo fc h i n e s ee c o n o m i c si s f a rr a p i d ，t h e s ek i n dp r o b l e mi sm o r e s t r i n g e n t 1 r h ec r u d eo i lr e s e r v e si nc h i n ai sl i m i t e d ，w i t hm a r k e tr e q u i r e m e n t ，i ti s i m p o r t a n tt 0i n c r e a s et h ea v a d a b d i t yo fc r u d eo di nc h i n a t h e r ei sal o to fc r u d eo i l t 0b eu s e df o rc o m b u s t i o ni nb o i l e r , i ti sag r e a tw a s t ei no r d e rt ot a k ea d v a n t a g eo f t h ep a r to i l 。t h e r ee x i s t sap r o b l e m a l t e m a t w ef u e la n dn o xp o l l u t i o nt h e d s s e r t a t z o nf o c u s e so nt h er e s e a r c h o nt h eb a s i so fc w s ( c o a l w a t e rs l u r r y ) c o m b u s n o nt h e o r y ，t h ed l s s e r t a n o n f o c u s e so ne x p e r i m e n ta n dc f dc a l c u l a t i o na b o u tc o m b u s t i o n ，a s hd e p o s m o na n d f i e l da p p h c a t a o no ns t e a mg e n e r a t o rr e s u l t ss h o w , 1 1 1 ec w sc a nb eu s e di ns t e a m g e n e r a t o ri ns t e a do fc r u d eo i l a n dd ot h es l a g g i n gc h a r a c t e r i s t i cr e s e a r c ho nc w s u s e di nt e s t d ot h ee x p e r i m e n ta n dc a l c u l a ：i l o n0 1 1r e t r o f i to fs t e a mg e n e r a t o ra n d b u r n e ru s e ds i m u l a t et h e a s ht r a c ei ns t e a n lg e n e r a t o ra n dj u d g et h es l a g g i n gt r e n d , a n dm a k ean e wc w s - o l lb u r n e r , s o l v et h er e f f o f i tp r o b l e mo ff i r s ts t e a mg e n e r a t o r f r o mo i if i r e dt oc w sf i r e di nt h ew o r l d , f i n l s hc o n t i n u o u sc o m b u s t i o n m a k et h e b r o a du s eo fc w so rs t e a mg e n e r a t o rp o s s i b l e ，i ti sm n o v a u v e ；t h en e wc w s 0 1 1 b u r n e ri si n n o v a n v o c w sh a v et h ea d v a n t a g ea tt h es e xc o n t r o l ，b u tn o ta tt h en o xc o n t r 0 1 w a ht h e p o l l u n o no fn o xm o r ea n dm o r es e v e r e , i ta r o u s em o r ea t t e n n o n i ng a sd e n o x t e c h n o l o g y , m a n ye x p e r ti nw o r l dd oal o to fr e s e a r c hi nt h i sf i e l d t h e r ea r et w on o x c e n t r e im e t h o d ：o n ei sc o n t r o li nc o m b u s t i o na n dt h e0 t l l e ri sc e n t r e li ng a s t h e s c i e n t i f i c p n n c l p l eo fn o xr e d u c t i o nv i as c r ( s e l e c n v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ) i s s t r a j 曲t f o r w a r d t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e sn o x p o l l u t i o na n ds c rt e c h n o l o g yi na c c o r d i n gt o t h ea c t u a lp r o j e c ta n dc a l c u l a n o n ，d e d u c et h er e a s o n a b l es t r u c t u r ed a t aa n dr e l a t e d f o m u l aw h i c hi sg o o df o rs c r e n g i n e e r i n gi ti si n n o v a t i v e k e y w o r dc o a l w a t e rs l u r r y ，b u r n e r , s c r 2 r ， 一 ， ，i 。， ，丑，0 淅汀凡学h 论空水w 震亿棚小净燃协的硝宄粳【4 1 l l 第一章绪论 1 1 代油燃料水煤浆的研究意义 1 1 1 燃油锅炉改造的必要性 随着我国石化和交通业的小断发展，在资源消耗中，石油需求增长的速度很 快，已大大超过了我国原油乍产增加的幅度。到2 0 0 0 年底为止，原油消费近2 亿吨，净进口3 0 0 0 万吨左右，根据我国经济的发展趋势，原油进口嚣将逐年 增长。我国资源人均占有晕是世界人均资源晕的l 2 ，仅及美国人均资源最的 l ，1 0 1 2 1 。在我国备种能源资源中，煤炭资源最为丰富，1 9 9 5 年保有鼍1 0 0 8 7 0 8 亿吨，居世界第三位，估计在地下深1 5 0 0 米以内的煤炭资源总量为4 0 0 0 0 亿吨。 向我困已探明的石油资源为7 0 亿吨，其中可采储量仅1 6 亿吨。相对于原油的短 缺，煤炭相对丰富应根据资源分布充分利用。由于石油深加工技术的不断提高， 稠油和渣油可以作为化工原料进一步使用。其经济价值非常突出，而往常作为燃 料消耗部分显得越来越不经济，这使得能源结构调整势在必行。同时成品油需 求晕的日益增长和国际形势局部( 尼其中东地区) 的动荡不安，造成油价飞速上 涨，使寻找适用的代油燃料成为一种迫切需要。水煤浆以其环保、节能、节油等 优点成为一种有效的燃油替代燃料，在市场中得到认日r 并得到日益广泛应用。 水煤浆是7 0 年代石油危机中研究开发的一种新型低污染代油燃科。其特性 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。水煤浆技术包括水煤浆制备、储运、燃烧等关键技术，是一项涉及多 r 】学科的系统技术。水煤浆燃烧，具有燃烧效率高、污染物排放低等特点，水煤 浆町用于电站锅炉、工业锅炉和工业窑炉代油、代气、代煤燃烧，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有效的代油、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 期稳定发展的必要和现实的选择。 i i 2 研究水煤浆技术的意义 1 我国发展水煤浆技术的首要目标是解决煤代油的问题 以煤代油已成为我圈的基本围策。1 9 8 1 年到1 9 9 0 年围家已压缩烧油 1 0 0 0 1 0 4 t ，目前每年连纠计划外迁烧掉3 0 0 0 x 】0 4 t 油。水煤浆由f 可以象油一样 的输送、储存和燃烧，原油炉改造町利用原有设施，不仅政造r = f f 晕少、荻淤处 日简甲，而且具有投资少、改选训”幻等优点，足以煤代油的胛恩燃料。 淅t r 夫中搏i 论史水埘裳代油沾冲辨岱的州究厦【廿府i h 2 水煤浆是一种低污染燃料 制备水煤浆的原聿 煤址绐过沈选的，浆蟓$ ：l 煤通常的灰和硫的含肇较高，洗 选后疑含灰年1 1 含硫昂鄙人为i ；肇低，燃烧石产7 的匕久譬及观的含髻比一般的燃 煤锅炉低。通过在水煤浆t - 漆) j i i 石灰石。 f ，比原煤添加自灰白脱硫宰高2 0 u 以达到进一步脱硫效果，在相同条件 如涤加白荻乳则脱硫效果更好，所以通 常把水煤浆称为低污染燃料。北京菜j 6 0 t h 锅炉燃用水煤浆时的测试结果： 含尘浓度为2 9 06 m g n m 3 ，s o ? 浓度为1 4 6m g n m 3 。比通常燃油和燃煤锅炉 的污染物排放浓度低得多。闪f j 】，应用水煤浆町以解决目前煤炭燃烧造成的环境 污染问题。 。 3 解决能源的运输问题 我国煤炭产量已达l o 1 0 s t 以上。且煤炭资源主要集中于西北地区，因而北 煤南运和西煤东运的局面将长期存在。煤炭的运输主要依靠铁路，1 9 8 8 年运煤 量为56 4 x l o h ，1 9 8 9 年上升到6 1 0 8 t 、平均运距从5 0 年代的2 0 0 k m 上升到 5 0 0 k m ，最长达2 0 0 0 k m 。煤炭的运输占整个铁路货运量的4 5 ，铁路的运力已 不堪负担。煤炭的运输已成为制约电力发展的主要因素。水煤浆技术的发展，使 得用煤浆管道输煤成为煤炭运输的口r 行方式之一，这样可大大缓解能源运输长期 紧张的局面。目前浓度为5 0 的中浓度煤浆的管道输煤技术已经成熟，如美国 俄亥俄州建成的1 7 3 k m 、输煤能力为1 0 0 1 0 4 t 的示范管线和俄国黑迈萨建成的 4 3 7k m 、年输浆量5 0 0 x 1 0 4 t 高浓度水煤浆的管道运输的示范管线已进行连续运 转试验。1 9 9 0 年我国开始对陕西彬县到渭河电厂运距1 3 5k m 、输浆量2 5 0 一 5 0 0 x 1 0 4 t 高浓度煤浆管线进行a 丁行性研究，由中俄双方联合开展了可行性没计。 并组织科研高校、设计和制造单位联合攻j ，对乎塑到天津等5 条管线进行了可 行性研究。由于管道输浆最具有运量大，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。在我国是一 种很有发展前景的运煤疔- 式。发展大规模的管道输煤以后，水煤浆不仅能作为代 油燃料，而且可以发展成为常规燃料之一。 4 降低煤炭的运输损耗 由f 煤炭的长途运输过程中存在着中转、分散贮存、制备等多种环符，造成 煤蓐乏运输全过程中的损耗很高，据统计町离达7 。 水煤浆u n 奠集中制备，长距离管j 酋输送，也町以域性集中制各，用管道近 戚t 离输送，火乍罐车远输或，t 午磁1 一逸输。l j r 以解决由f 沿途损耗、分散制器及 勘天节博 电盘 水竹裳代i i h 冲博惮的硝宵憧i 廿曲 妒存向造成的煤炭的 ! 托。自利j j 改薄城l ljf i lj x 的环境、减少没蔷投资和0 ij i j i 地。 d jf 集中制蔷特别芷馆b 集中制蔷、锊道逸输腺浆的疗式，使煤源稳定、 煤炭设备的绛济件羊安令竹商，h 小致n 垛种多变咖0 i 起锚妒燃烧小稳定、j 龟i f 操作变动勃! 繁争故频繁等问题从而提岛燃丰 的利j h ，睾，。 5 解决了煤炭产品中煤粉的处理问题 目前我围煤炭的入洗率仅1 8 左右、今后煤炭加、1 - 利用的发展，入洗率将 不断提高。在洗煤厂中胄浮洗精煤、洗煤粉和洗媒泥三种产品、由f 这几种产品 村度细、水分商与用户需要不对路，成为滞销产品。侗町将以七产品制成中灰水 煤浆，作工业窖炉或工业锅炉中代用燃料；高灰煤泥可制成煤泥水煤浆，作为矿 区工业锅炉燃料，替代原来的优质煤。从而将低档产品变为高档产品，充分利用 现有的煤炭资源。 6 水煤浆是一种理想气化燃料， 在高压或常压下可实现蒸汽一燃气联合循环。 总之，水煤浆是一种日益发展起来的燃料，随着其推广应用，还将开发出新 的用途，应用到新的领域内。在国民经济建设中发挥更大的作用。 1 2 水煤浆在燃油锅炉应用的国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 以煤粉同水或其它流体调制成煤浆进行直接燃烧的设想，最早可以追溯到 1 8 7 9 年颁发给m u u s e l l 和s r m t h 的号利，其中包括了煤浆的制备方法及潜在的用 途。由于石油大量开采，长期以来油价低廉、使用方便，大力发展了燃用油的技 术。直到1 9 1 4 年英国伦敦建成了一条小规模的输煤管道，煤浆才得到了第一次 应用。在几次石油短缺过程中，人们才想起采用煤浆技术。 7 0 年代的世界石油危机导致r 对煤浆燃料的兴趣。1 9 8 0 年前人们的主要兴 趣集中在油煤混合燃料( c o m ) 上，荚幽、日本、加拿大、英嘲等许多国家投 入r 力晕对油煤浆进行了制备、流变、输送、贮存和燃烧试验。分别在实验窜 燃烧试验台、r 业锅炉和电站锅炉卜进行r 燃烧试验，达到，丁帅应用的结果。 8 0 年代后f 1f 水煤浆能全部替代燃料油，许多【t , l ，彖盘炎阍、本，瑞! i 、加拿 人、前另联和l l f 一【日等都把注意力轼移划水蝾浆 ，束，j 投入j ，入：的入，j 和物力， 晰盯大学博l 论史水雠紫f l 油沾冲燃烧晌 究硬i 啦一川 肝发了水煤浆的制备、输送和燃烧的的天键技术。建矗厂大 弘f 业f l - l i l l 浆f + ，岛 浓叟输浆管线， 在1 ：汕锚炉、一f ：q l , 窖炉和大l ”咆站进行了燃j h 水煤浆的r 业1 ， 试验，结果袁明【二达到，工业应f f j 的水、f 。 瑞典足t 界较早发展水煤浆技术的幽家之一，f1 9 8 4 年1 0 月建成7 世界l 第一个大型 业化水煤浆制浆厂，年生产能力2 5 x i 0 4 t 。并住l t 本、荚国和加拿 大等国成立了联合公司，输出技术联合开发制浆 艺。同时还在【蠲内l o t h 燃 油锅炉、3 0 m w 城市中心供热站的锅炉和5 0 m w 电站锅炉上进行了水煤浆燃烧 试验。其制浆技术作为技术输出向国外扩散。如中困京西2 5 x i 0 4 t 制浆厂采用的 即是瑞典c a r b o g e l 制浆工艺。 美国是水煤浆技术的发源地，也是最早应用中浓度煤浆输送煤炭的固家。美 国在7 0 年代研究油煤浆的同时，在7 0 年代后期开始研究开发水煤浆技术。美国 能源部也投入了大量人力、财力，进行了广泛的水煤浆制备、输送和燃烧技术的 开发与研究。着重开展了广泛的基础研究，超低灰煤浆和内燃机燃用水煤浆的研 究，对大型电站锅炉燃用水煤浆的锅炉改造、大犁燃烧器的设计、煤浆制各与燃 烧的工程设计也进行了大量的研究。并在许多工业锅炉和7 5 m w ，1 2 0 m w 电站 锅炉进行水煤浆燃烧试验。美国结合煤气化联合循环发电( i g c c ) 和德士古气 化工艺，对超低灰水煤浆直接在燃气轮机上燃烧的技术进行了系统研究，目前该 技术系统在继续研究之中。 日本是最早发展煤浆技术的国家之一。7 0 年代开始研究油煤浆，1 9 8 1 年开 始研究水煤浆，由于水煤浆能全部替代燃料油，于1 9 8 5 年开始大规模生产水煤 浆。为了探索在原来设计烧油的电站锅炉燃用水煤浆的可能性于1 9 9 0 年对北 海道一台1 1 0 t h 无出灰装置的平底油炉进行改造，设计燃用超低灰水煤浆后。 锅炉蒸发量由l l o t h 降为7 0 t h ，试验表明燃烧着火良好，燃用低灰水煤浆2 0 多天，炉底末出灰仍能运行。这表明电站油炉采有超低灰煤浆可以替代原来的燃 料油。目前，日本有5 0 万t ，a 的制浆厂和经管道运输至电厂的工业示范项目。日 本还注意水煤浆号用锅炉的制造研究，与中国合作进行的2 2 0 t h 水煤浆专用锅炉 可同时装备烧油系统，是中日两国合作的绿色援助计划之一由于日本的能源主 要依赖进口，日本未曾中断水煤浆的研究工作，水煤浆在日本有着明显的发展前 景。 前苏联在6 0 年代开始了水煤浆的研究工作，并在1 9 5 7 年建立了6 i k m 长的 米拉一新林斯卡输煤浆管线，远硅1 8 0 x 1 0 4 t ，煤浆浓度为5 0 的中浓度煤浆。 1 9 8 3 年开始设计世界上第一条大犁扇浓度煤浆工业性试验输浆管线，该工程与 患大利s n a m p r o g e r l 公司合作，丁二1 9 8 9 年初建成，投资2l 亿卢布。1 9 9 1 年义 开始进行j ，擎个工稃试髓。该，j ：范l 柞的建成，并试j 龟转成功，使发膳商浓度水 晰7 r 乍博卜论蹙爪t 5 f 震代巾小玎 傅侍舯硝秆 乏r 廿陆f f f 燃浆的管道运输稿1f t 妥拄屯站锅炉燃烧水煤浆的技术拊向新阶段。卜置j l 发 6 7 0 t h 电立 锚炉及中小锅炉燃烧水煤浆技术。 意犬利也足较早发展水煤浆技术的阉家之一。b 委由s n a m p r o g e t t i 公叫和 e m c h e m a n c 公州投资和发眨水煤浆技术与1 9 8 5 年起先后缱起j ，二个1 0 x 1 0 4 t 水煤浆制备厂，在业锅炉4 0 0 0 m 3 的高炉和3 0 0 t h 燃油锅炉卜燃用水煤浆的 试验。并向原苏联输f 技术，建赶了5 0 0 i o t 制浆管道运输平燃烧的高浓度水 煤浆的示范 程。 法国艾米路希电厂是l 廿界上二最为成功的煤泥水煤浆用户，自1 9 9 0 年以来， 该厂3 6 7 t h 循环流化床锅炉一直燃用煤泥制成的水煤浆，浓度为6 7 ，低位发 热肇1 04 7 m j k g ，燃烧效率为9 8 。 此外。在加拿大、韩国、德国等国对水煤浆技术都很重视，也进行了大蕈的 研究工作。 1 2 2 国内研究现状 我国从1 9 7 9 年开始由国家科委、中科院组织浙江大学及中科院等有关单位 研究油煤浆制备、输送和燃烧技术后。1 9 8 1 年开始进行水煤浆的摹础研究。水 煤浆作为一种新型的代油燃料，受到了国家计委、科委等有关部门的重视，水煤 浆制备与燃烧技术被列为国家“六五”攻关项目。在北京造纸一厂2 0 t h 燃油工 业锅炉上开展改烧水煤浆的研究，开发了水煤浆的制备工艺、水煤浆喷嘴、燃烧 器及锅炉改造技术，解决了水煤浆燃料的着火燃烧问题：同时，在长春保温材科 厂隧道式干燥窑上进行了水煤浆燃烧的工业性应用试验。建立了抚顺水煤浆实验 厂，制浆能力5 t h 。八一水煤浆厂浮选精煤制浆能力3 1 0 4 由。水煤浆制备与 燃烧技术又被列为国家“七五攻关项目：对北京造纸一厂带有3 1 5 m w 背压式 汽轮发动机组的6 0 t h 燃油锅炉进行改烧水煤浆的工业试验。建立了厂区水煤 浆卸、贮存、输送、炉前煤浆系统、锅炉燃烧、除尘和出灰等水煤浆示范工程。 为商业应用提高了有关的技术和运行经验，为大中型电站锅炉提供丁，技术准备和 设汁依据，同时，在：陆林轧钢加热炉和莱芜钢厂大型锻造加热炉完成了改烧水煤 浆的 业件试验，降低了能耗、控制t 环境的污染，改善了工人的劳动条件。建 成r 淮南和延庆两个添加刺厂，形成1 5 0 0 t 生产能力。八一水煤浆厂浮选精煤- 【 艺扩建为5 i o t y ，形成了水煤浆制备、添加剂、工业锅炉和工业窖炉应用水 煤浆的整奁技术和能力：同时，还建立了水煤浆制备、燃烧和管道运输三个研究 中心，具备r 开发大中葺j 水煤浆制备、燃烧和管道运输有关基础研究和荚键技术 及r 科设计的能力。 1 0 9 8 年以前，我旧j 有北京水煤浆，i 、范、兖日水煤浆厂、枣n 矿务局八一 勘，1 人睛t 电史水理震代锄沾净燃许f r 研宠腱l 廿7 二，f | i 水蝾浆厂、株洲选煤r 水煤浆f i l j 、抚顺 利何1 水域浆j _ 5 家水垛浆制备个q k 总设；i 能力约为06 5 m t a 。j c i l i 舰帙较人的北京水煤浆小范，( 2 5 0 k t a ) 、兖f i 水 蝾浆，( 2 5 0 k t a ) 均为引进l q 外水煤浆制备技术建- 。1 9 9 8 年以来，我困水蝾浆制籍 厂的发展较快，先足八一水煤浆j 经过多，l 的建j 5 ，建成j ，2 5 0 k t a 的制浆，产线， 并拥有了，我围自 知识产权的制笛技术。接为建起j ，e l 杨；j 发电厂自蔷浆厂、邢 台东庞矿水煤浆厂、大刚汇海水煤浆厂、j 牛利油脚水j ：j 【浆厂、广东茂名热电厂e j 蔷浆厂、北京燕化新东疗水煤浆厂、新汶良庄水煤裳厂、孙村水煤浆厂，南鸯发 电厂水煤浆厂等，同时也建起 r 一哆非国有企业的水煤浆制备厂如大同的新源水 煤浆厂、河北霸州水煤浆厂、河北宏达水煤浆厂。这此新建的水煤浆厂部足由我 困自e 设计，采用我国的制浆技术、设备、添加刺，闪此我国的制浆工艺和添加刺 性能己达到固际先进水平。截止2 0 0 2 年底，我国芪有水煤浆厂1 5 座，设计能力约为 42 6 m r a , 是5 年前的65 倍，水煤浆厂的数晕和总生产能力均居世界第一位。 水煤浆代油在我国取得很高的经济效益，市场潜力也很大。现在水煤浆已先 后在工业锅炉、电站锅炉、轧钢炉、工业窑炉等多种炉型上使用，并取得巨大的 经济效益。发展水煤浆技术，不但可以高效、低污染的利用煤炭，而且还可节约 用油、缓解煤炭运输，是一项具有重大意义的、带有方向性的低污染代油技术 4 - 5 1 。 1 3 燃油锅炉改烧水煤浆可能出现的问题 1 3 1 我国水煤浆技术发展存在的主要问题 1 水煤浆制备、输送、储备和燃烧技术有待提高 水煤浆磨矿设备、搅拌设备需进一步提高机械性能，减少电耗：现制浆厂缺 少在线质量检测手段。螺杆泵比其它种类的泵更适合输送水煤浆但其定子、转 子、轴封等部件寿命较短。水煤浆虽然般储存在带有搅拌装置的贮罐中但仍 会产生一些沉淀，影响使用。水煤浆燃烧器尚未形成系列化不能满足不同用户燃 用水煤浆的需求，喷嘴寿命较短( 小于2 0 0 0 h ) 。水煤浆燃烧配套设备运行可靠程度 较低，预燃室存在结渣问题，低投入的干法除尘设备有待进一步开发。 2 水煤浆技术应用有一定局限性。 足适宜制水煤浆的煤种有一定限制，t 要为中等变质程度煤，低变质程度的 褐煤成浆忭芹，高变质程度的无烟煤燃烧困难：二足受水煤浆稳定性和运输价格 的影响，运输距离受到限制：三足部分壕设计燃油的锚炉或窑炉，受炉体结构或士j 边场地的限制，改烧水煤浆难度较大。四足j 烧油相比，改烧水煤浆后锅炉出力柯 所。f 降，依锅移，类犁不【i j ，负衙将 降2 0 r f ，：矗地环保效益不十分突出，还i ；，要 淅r l 夫中博十沧屯水讲裳代曲小冲燃懵f f j + j t - 1 f 乏【q l , i f , , 配套除7 ；、和除治设笛。 3 需要政府加强宏观指导 合珂规划芹通过技术引导年l i 眦会政 枭的史 f 促进i 扣场良件发展。 1 3 2 燃油锅炉改烧水煤浆可能出现的技术问题 水煤浆已经在电站锅炉、工业锅炉等锅炉得到广泛的应用，根据资料1 3o 避 示，燃油锅炉改烧水煤浆时，可能会出现6 个方面的问题：燃烧方面、灰渣处理 方面、煤高水分方面、传热及受热面方面、设备方面、运行方面。 这几个问题是相互关联的。其中以灰渣处理问题最难解决。灰渣在炉内以粘 污和结渣的形式出现。 1 结渣 主要由烟气中夹带的融化或部分融化的颗粒碰撞在炉墙水冷壁或管子上被 冷却凝固丽成，结渣的形态主要以粘稠或熔融的沉淀物的形式出现在辐射受热面 上。 2 沾污 指温度低于灰融点的灰粒在受热面上的沉积。沾污可分为高温灰沉积和低温 灰沉积。 由于煤种和锅炉设计、运行方面的原因，都会引起沾污和结渣，对锅炉的安 全经济运行造成巨大的危害，表现庄恶化传热，造成高温腐蚀。 有资料表明，美国每年因此带来的各种经济损失达2 0 1 0 0 亿美元，我国1 9 9 2 年火电事故中，锅炉事故占全部发电事故的5 6 ，而锅炉四管爆管占全部事故的 42 ，这主要是由锅炉积灰、结渣、高低温腐蚀、磨损及振动引起的，这一问题 在国内外部很严重。 由于注汽锅炉改造后，燃料由原油变为水煤浆；而原油本身基本不含灰份， 而水煤浆中还有7 0 左右的煤粉，煤粉中又含有一定的灰份，所以改烧水煤浆 后，必然存在着锅炉结渣的问题。 ， 水煤浆燃烧的沾污、结i 裔问题既有其与燃煤不纠之处，又与其有相似的面， 国内就这个廿】题也做了研究，诸如浙江大学岑叮法院t 、樊建人等人通过试睑和 数值计算进行了大肇的i = 作。 但对f 注汽锅炉，尚未有系统的研究与计算。 1 4 烟气脱硝的重要性和必要性 燃烧矿物燃料是人类利川能源的t 受途行之。，行燃料燃烧产乍能昔给人 淅，r 大中蚺j 一论文水域棠代i 沾冲馋岱仃j 础宽 乏1 廿脚i h 类 f 会边步提供j ， _ 1 人摊动力的时，义什i ；f 拍人譬污杂物的 | i 放。我嘲的电力 l 三产足以燃煤为卜。煤燃烧产，土- 的娴e i f j 含白粉今，硫氧化物( s o 。) 、氮氧化 物( n o 。) 和c 0 2 等污染物，这此污染物引起环境的恶化， 三成为制约社会进步 的障碍，给人类本身带柬e ! 丈危害。 随着全球惟的环保爱求越采越高，丈中容肇锅炉在排放物控制方面经历除 尘一脱硫一脱硝j 阶段。环保要求的小i l 】，锅炉的南霞和设备亦相应变化。 火力电站燃煤锅炉烟尘排放的控制方面，由f 我国近3 0 年来一直大力采用 高效率的烟气除尘装置，粉7 l 三排放已得到有效控制，控制率达到9 9 以上。火力 电站燃煤锅炉s o x 排放的控制方面，我旧采用引进技术和设备建立了一批烟气脱 硫示范工程，不断加大s o x 排放的控制力度，要求新建机组必须采用烟气脱硫装 置，并逐步对在运机组进行脱硫技术改造，取得一定效果，目前s o x 的排放控制 率已达到l o ，s o x 排放的增长势头已基本得到了控制。随着脱硫机组的不断建 设，s o ；排放总量将不断降低。在燃煤电站n o x 排放的控制方面，我国对在运机 组进行低n o x 燃烧技术改造。但由于低n o 。燃烧技术固有的局限性，很难达到 很高的n o 。脱除效率。根据我国燃煤电站锅炉的调查结果，固态排渣煤粉炉的 n o ；的排放浓度为6 0 0 1 2 0 0 m g n m 3 ，液态排渣煤粉炉的n o x 的排放浓度为 8 5 0 1 1 5 0 m g n m 3 ，均比国外同类机组的排放浓度岛出很多，如不采用更高效率 的控制技术，随着我国燃煤机组的大幅度增加，n 仉排放总量将成比例增长。因 此，n o 。的控制将是继粉尘和s o x 之后燃煤电站环保治理的零点。 据有关研究的初步估算：1 9 9 0 年我国n o x 的排放量约为9 1 0 万吨，到2 0 0 0 年和2 0 1 0 年，我国的n q 排放量将分别达到】5 6 1 万吨和2 1 9 4 万吨，其中近7 0 来自于煤炭的直接燃烧。鉴于我国的能源消耗曼今后将随经济的发展不断增长， n o 。排放量也将持续增加，如果不加强控制n q 的抖 放量，n o 。将对我国大气环 境造成严重的污染。 环境保护推动了各种n o 。控制技术的研究牙发和应用，反过来各种控制排 放技术的成功应用也为严格的排放标准出台与实施萸定了技术基础。中国国家环 保局新出台的新建燃煤电站机组n q 排放杯准为4 5 0 m g n m 3 ，该值为国产燃煤 发电机组锅炉采用低n 0 。燃烧技术后所能达到的最低排放浓度值。而且不同的 地区要求不| 廿】，在实施n o 。排放总嚣控制的地区，n o x 排放标准会高于国家规 定的标准。随着环保排放标准的进一步提高，以及任困内采取火电厂大气污染物 排放总量控制的部分地区，仅仅依靠燃烧中控制n o 、技术将不能满足排放要求， 因此采用烟7t 脱硝技术l 三经摆七议事日程，这必然推进烟气脱硝技术的应用。 所谓朋l 脱硝，诜是消除锅炉烟气中的氦氯化物。氮氧化物t 要以n o 、n 0 2 、 n 2 0 、n 2 0 ”n 2 0 4 、n ：o ，等形式出现，统称为n 氓。在宅气中，n o 浓度越人， 巾f j 、午睥 砣史 水域裳亿巾， 冲梆培的l h 程幢t 啦脚i f i ，b r i 越强。n o ：的盘r 哑犬，它搬动j 人体和动物咖淑l 的加也系混合仑取l 份。 使i f f i 液缺瓴，引起巾舡神经麻痹癌。n 0 2 还强烈刺磁呼吸器宵耕j 1 5 1 ，引起帅部玖 瓶。还对入体的心、肝、肾脏及选l | n 纲织仃损害，严币时会甘致死i ：。n o 、的摊 放杓酸雨的形成和对臭氧层的破坏中所起的作用已终得到科学的计明。n o 年l i n 0 2 会破坏同温层中的臭瓴层，使其失去对紫外光粕射的月f 敲f 用，危害地l 打l 卜 物。大气中自- n o 。与s o x 、粉尘芪存，生成硫酸或硫酸盐溶液和硝酸或硝酸盐溶 液，形成酸雨，危害农作物、影响植物的，长、酸化t 地和腐蚀地向各类建筑物， 所造成的损失不町估肇。 由f n o 。对人类和自然界存在的危害，控制n o 、的乍成帛j 排放已是大中世 火力电站建设必须要考虑的重大议题。 在火电机组排放的多种大气污染物中，n o 占n o 。总晕的9 0 以上，其余 为n 0 2 。由于n o 和n 0 2 危害性严重和治理困难而备受关注。 我国年煤耗晕的8 4 直接用于燃烧，对f 燃煤电厂则是1 0 0 的燃烧。如此 大量的煤炭燃烧将会导致n o x 排放量剧增。从1 9 9 0 年到1 9 9 4 年，全国火电厂 n o x 排放鼍分别由2 0 0 x 1 0 4 多吨( 占全国总排量3 2 ) 上升到3 0 0 x 1 0 4 多吨( 占 全国总排肇3 91 ) 。如果不加以控制，到2 0 0 0 年全国n o x 排放最将达到9 5 7 x1 0 4 吨，其中燃煤电厂的n o x 排放鼍将占到工业总排放量的4 7 。由此而造成 的经济损失，将高达7 2 58 亿元，年增长率为9 。几乎与剐期g n p 增长率同步。 由此可见，作为燃煤大户的燃煤电厂其n o ；排放控制工作尤其紧迫和重要，开 展脱硝工作势在必行 西方发达国家在2 0 世纪6 0 年代末就对n 瓯的污染给予了充分的藿视，开 展燃煤电站n o x 控制技术的研究，逐渐制定出严格的排放标准，各种n o x 控制 技术应运而生。目前在西方发达国家的燃煤发电机组上普遍采用了低n o x 燃烧 技术，烟气脱硝技术也己趋于成熟并逐渐得到应用。日本从上个世纪8 0 年代初 开始商业应用烟气脱硝技术，德国是从8 0 年代中开始在中低含硫鼋的燃煤电站 锅炉上采用烟气脱硝技术，美国是从上个世纪9 0 年代开始侄使用中高含硫晕的 燃煤锅炉上进行控制n o x 排放的示范项目研究和商业应用。到七个世纪9 0 年代 初，日本和德嘲的烟气脱硝装置装机容量分别已经超过了3 0 g w ，目前烟气脱硝 装嚣发电锅炉单机最大装机容量超过了1 0 0 0 m w 。这此装置分别为选择性催化还 原( s c r ) 脱硝、选择性作催化还原( s n c r ) 脱硝、混合脱硝和间步脱硫脱硝 等类型。向u 绝人部分部用s c r 法。s n c r 法仅占约5 ，少数燃煤电厂采用活 性焦刚步脱硫脱硝法进行烟气脱硝。这些国家燃蝾发电机组锅炉装有s c r 烟气 脱硝装置后的n o x 的排放值f 均为2 0 0 m g n m 3 。我恫台湾1 9 9 7 年在台中电，。4 台5 5 0 m w 发电机组酋次安装s c r 烟气脱硝装胃，n o x 的排放值f 均为 晰人学牌畦迎 水讲袋代庙沾订| 螂岱f j 埘彳i = 乏i 业脚 4 0 0 m g n m 3 。 e i 前，氮氧化物遗成的宅7e 污染越米越，j l 起入f j 的重 ! l ! 。在烟气脱硝投术领 域斟内外学行进仃j ，大韬的研究f 。竹1 7 - 1 7 1 , 控制n o 。拥放的措施犬敛分为岍类， 类足烟t 净化技术，脱除朋7 i , q j 的n o 。：，卜一类足低n o 。燃烧技术。通过捧 种投术手段，抑制或还原燃烧过耵f | i 的n o 。，达到降低n o 。排放的e l 的。烟7e 净化技术包括湿法脱氨技术年u i ：脱氮技术。湿法脱氯技术有选择件催化还原法 ( s e l e c t w ec a t a l y t i cr e d u c t m n 简称s c r ) 、选择性 e 催化还原法( s e l e c u v e n o n c a t a l y t i cr e d u c t m n ，简称s n c r ) 、湿式络合吸收法等。干法脱氮技术有电 子束照射法( e b a ) 、等离f 活化法( p p c p ) 和微生物法等。 2 0 世纪8 0 年代初开始，对fn o 。固定发生源的治理，依靠n h 3 作还原剂 的选择催化还原技术已逐渐应用f 燃煤锅炉。该技术脱硝牢町达9 0 9 5 0 4 0 ，是一 种成熟的主要电站烟气脱硝技术，目前已在日本、美国、北欧等国家的燃煤电厂 广泛应用。 1 5 选择性催化还原烟气脱硝技术 自上个世纪7 0 年代，s c r 烟气脱硝技术t s 1 7 就用于控制固定污染源、燃用化 石燃料的燃烧装置的排放。目前，广泛用于日本、欧洲和美国等发达围家。现在 s c r 已用于大型电站和工业锅炉、内燃发动机、化工厂、炼钢厂以及联合循环燃 气轮机。s c r 可以作为独立的n o 。控制，也可与其他技术( 例如燃烧控制) 一起 来控制n o x 。 1 5 1 反应机理 s c r 的化学反应机理比较复杂。一般认为：在典型的s c r 条件下，s c r 反 应的化学计量关系如下： 4 n h 3 + 4 n o + 0 2 争4 n 2 + 6 h 2 0 ( 1 一1 ) 利用同位素标记反应物法，已经证实在基于钒的催化荆和贵金属上的s c r 反应，n 2 分子的两个n 原子一个来自n o ，一个来自n i l 3 。 基于v 2 0 5 的催化刺庄有氧的条件下也会对n 0 2 的还原具有催化作用： 4 n h ；+ n o ：+ 0 2 争3 n ：+ 6 h2 0( 1 2 ) 在缺氧的情况下，反应的化学计蹙关系变为： 4 n h l + 6 n o 。5 n ：+ 6 h 2 00 - 3 ) 6 n h l + 8 n o ：7 n ：+ 1 2 h ：oo - t ) n o 和n h 3 的反应也口能以不删的方式进行，向产乍不希单的产物n 2 0 ： 4 n h ；+ 4 n o + 3 0 ：争4 n ：o + 6 h ：o( 卜5 ) 一般认为在典掣的s c r 条卜，即n h ，n o 物! j ! 的晕的比接近l ，较少0 2 谁l 尺乍竹t 论盘 爪w 震代巾，冲燃岱f r j 研宵 乏r 脚川 禽i t | 以及1 ( 4 0 0 。认为陔反心足总n 勺反j 知式。 反m 过甲l l | i ，n h 、l , f 1 j , n 选扦 地和n o x 反应7 t ：l , gn 2 和h 2 0 ，俩小址被0 2 所氰化，此反应义傲称为“选 择悱”。反j 越原胛如罔i - l 所示。 图i - is c r 反应原理 当生成除n 2 以外的产物( 例如n 2 0 ) 以及n o 与n i l 3 物质的奄的比小于i 时，就发生了非选择性反应。这就意味着氨的转化除按照总的反应式以外，还会 通过以下的方式被氧气部分氧化： 4 n h 3 + 3 0 2 争2 n 2 + 6 h 2 0 ( 1 - 6 ) 2 n h 3 + 2 0 2 争n 2 0 + 3 h 2 0 ( 1 7 ) 4 n h 3 + 5 0 2 - - 4 n o + 6 h ：o ( 1 8 ) 4 n h 3 + 7 0 2 4 n 0 2 + 6 h - , o ( 1 - 9 ) 反应( 1 6 ) 目前正在深入研究之中，因为如果在氨过董的条件下运行，在理论 上这个反应能够减少s c r 反应器后的氨逃逸，而不会在气态混合物引入其他反 应物，而且不会进一步产生污染物。这就是所谓的s c o ( s e l e c t i v ec a t a l y t l c o x i d a t i o no f a m m o n i a ) 过程。许多s c r 催化剂即便在略扁fs c r 反应的温度下 对s c o 反应也具有活性i “1 。 当燃用含硫的燃料时，烟气中就会含有s 0 2 ，以及少星的s