水煤浆燃烧技术综述

水煤浆燃烧技术综述高飞、邵海龙、张德强、李晓东一、背景水煤浆的概念水煤浆是由大约65%的煤、34%的水和1%的添加剂通过物理加工得到的一种低污染、高效率、可管道输送的代油煤基流体燃料。它改变了煤的传统燃烧方式，显示出了巨大的环保节能优势。尤其是近几年来，采用废物资源化的技术路线后，研制成功的环保水煤浆，可以在不增加费用的前提下，大大提高了水煤浆的环保效益。在我国丰富煤炭资料的保障下，水煤浆也已成为替代油、气等能源的最基础、最经济的洁净能源。水煤浆的发展水煤浆是70年代兴起的新型煤基液体燃料，由65%的煤、34%的水和1%的化学添加剂，经过一定的工艺流程加工而成，其灰分及含硫量低，燃烧时火焰中心温度较低，燃烧效率高，烟尘、S02及NOX排放量都低于燃油和燃煤。许多国家基于长期的能源战略考虑，将其作为以煤代油的燃料技术进行研究、开发和储备，且已实现商业化使用。我国的水煤浆研究工作起步于70年代末，80年代初，与国外同步，直接原因是国际上爆发的石油危机，使各个国家都在寻找以一种代替石油的新能源。而中国是一个富煤、少气、贫油的国家，因此我国一直致力于水煤浆的研发工作，并于1983年5月攻关研制出了第一批水煤浆试燃烧成功。近年来，我国的水煤浆制备技术和燃料技术发展很快，并达到了国际水平，先后完成了动力锅炉、电厂锅炉、轧钢加热炉、热处理炉、干燥窑等炉窑燃用水煤浆的工程试验。在环保产业的高科技领域，我国的大部分技术、产品均落后于国际先进水平，而水煤浆是一个例外，中国的水煤浆技术优先于国外，这种新能源在中国的能源战略中占有非常重要的地位。目前水煤浆技术已被列为我国能源发展重点推广技术，也是煤炭工业洁净煤技术优先发展重点技术之一。《201-2017年中国水煤浆行业发展前景与投资预测分析报告》［1指出，我国是一个富煤少油的国家，水煤浆作为新型代油环保燃料，正被越来越多的企业所认识，采用水煤浆技术进一步改善煤炭企业的产品结构，提高煤炭企业经济效益。水煤浆技术还可以解决一些燃煤企业环保及工艺过程调节的问题。而且可以利用工厂有机废水（如造纸黑液）制成水煤桨燃烧。因此水煤浆技术是当前较现实的，也是21世纪最有市场的洁净煤技术。从长远来看，随着国民经济的发展，我国液体燃料供需矛盾将进一步加大，环境对燃料的约束也进一步加强，水煤浆的使用量将逐步加大；而随着水煤浆技术的进一步提高将会使其社会效益更加明显，经济效益得到改善。因此，水煤浆的应用前景非常广阔。发展水煤浆燃烧技术的意义（1） 替代石油，合理利用我国能源资源由于水煤浆具有同石油一样的流动和雾化特性，因此，以水煤浆替代石油可以利用原有设备，改动工作量很小，投资小。（2） 解决煤炭运输问题我国煤炭资源丰富，但地区分布极不平均，北煤南运和西煤东运的局面将长期存在。靠铁路运输既增加了铁路的负担，又对沿途环境造成了污染。发展水煤浆进行管道运输将在很大程度上缓解能源运输的压力和污染问题。（3） 降低煤利用过程中的污染制备水煤浆的原料煤是经过洗选的，含灰量和含硫量都大为降低，燃烧后产生的飞灰和SO2都比一般的燃煤锅炉低。同时由于水煤浆中的水分在燃烧时具有还原作用，理论燃烧温度也比相同煤质的煤粉燃烧低200°C左右，因此可以在一定程度上降低NOX的排放量。二、水煤浆的特性水煤浆作为一种替代燃料，除了具有原有煤的特性，如发热量、灰熔性、各组分含量外，还具有一些特殊的性质要求。（1） 水煤浆的浓度水煤浆的浓度是指固体煤的质量浓度，它直接影响到水煤浆的着火性能和热值。浓度越大，含水量越少，就越容易点燃且发热量高。但浓度的提高会影响到水煤浆的流动性，通常根据其实际需要和煤质特性，将浓度控制在60－75%之间。（2） 水煤浆中煤的粒度水煤浆中煤的粒度对水煤浆的流变性、稳定性以及燃烧特性影响很大，同时合理的粒径分布还有利于达到较高的水煤浆浓度。一般情况下，煤炭的最大粒径不超过300um，且小于200目（74um）的颗粒含量不小于75%。（3） 水煤浆的流变特性流变性用于描述非均质流体的流动特性，它是影响水煤浆储存的稳定性输变的流动性、雾化及燃烧效果的重要因素，一般用剪切应力-切变率关系来表示，常用参数为黏度。水煤浆属于非牛顿流体，它的黏度随流动时的速度梯度（即剪切速率）的大小而变。为了便于利用，在不同的剪切速率或温度下，要求水煤浆能表现出不同的黏度值。当其静止时，要求其表现出高黏度，以利于存放；当其受到外力，则能迅速降低黏度，体现出良好的流动性，也就是具有良好的触变性，或者说是“剪切变稀”的特性。同时，水煤浆还需要类似于油的黏温特性，升温后，黏度明显降低，易于雾化，可以提高燃烧效率。（4） 水煤浆的稳定性作为一种固、液两相的混合物，水煤浆很容易发生固液分离、生成沉淀物的现象。水煤浆的稳定性是指其维持不产生硬沉淀的性能，所谓硬沉淀，就是无法通过搅拌是水煤浆重新恢复均匀状态的沉淀，反之称为软沉淀。一般工业要求的水煤浆存放稳定期是三个月。以上水煤浆的特性是衡量水煤浆质量的重要指标，但由于其中有些特性之间是相互制约的，如浓度高会引起黏度增大，流动性变差；黏度低有利于泵送、雾化和燃烧，却会使稳定性降低等。因此，必须根据水煤浆的实际用途，来协调其各个性质参数，目前主要的水煤浆种类、特性及用途如表3-10所示。表3-1竹水煤浆的种类.特性及用途水璨葷利类持 件用 邈中进宝水煤議吕0%煤丐0%水捋網蚱腔水口悦慵律镯炉高雜度水煤浆孔黔煤、前％水」%舉加剂RilhK按做编炉將料墟邹茹呱施煤浆煤粒度＜]dm,获井＜10^^度50%普代初做内就机憋料煤荻分2■:%-H%说度50討-65討倒撚煤抽护煤浆廉分很低4.L泠7.3%供脱泊或燃丸锚戸原煤煤滅原煤就地、炉崩制浆燃煤祸炉或—立鲁炉燃％脫婭W）龙煤浆加脱硫剂三、水煤浆的制备1、水煤浆制备的基本原理水煤浆的制备过程直接决定了水煤浆的特性，为了使水煤浆能够满足实际应用的要求，在其制备过程中需考虑以下4个方面。煤炭的选择及其成浆性。制浆前必须根据需要选择每种，如其灰分、硫分、热值、挥发分及灰熔点等，这对水煤浆是否能够稳定燃烧、燃烧效率及污染排放都有很大的影响。如挥发分影响到水煤浆在炉膛中能否稳定着火燃烧，根据经验，通常用于锅炉燃烧时要求制浆用煤的挥发分含量大于25%，用于炉窖燃烧时要求大于15%。另外如果灰分、硫分等杂质过多，还需要在制备过程中进行洗选脱除。在煤种选取过程中，成浆性是用来表征其制浆难度程度的参数，一般不同煤种的成浆性有着很大的差异。有的煤在常规条件下很容易制成高浓度的水煤浆，而有的则要求较为复杂的制浆工艺和较高的成本。对于煤的成浆性，其影响因素很多，但一般认为：煤阶越高，内在水分越少，煤种0和C比值越小，亲水官能团越少，孔隙越不发达，可磨性指数越高，煤中所含可溶性高价金属离子越少，制浆越容易。颗粒级配技术。水煤浆中的煤炭不仅有粒度大小的限制，还要求其有良好的粒度分布，即希望使不同粒径的煤粒能够相互填充，减小煤粒之间的空隙，达到较好的堆积效率。堆积效率越高，由于空隙少就可以减少水的消耗量，容易配置高浓度的水煤浆。在制备过程中，这项技术又称之为颗粒级配技术。一般在目前的制浆工艺中常用所谓的双峰分布来实现较好的级配。制浆工艺流程。制浆工艺是指对煤炭颗粒、水和添加剂等原料进行细选、破碎、磨矿、搅拌、混合、过滤、调浆等工艺来制备水煤浆的过程。通过优化制浆工艺流程，可以实现水煤浆中煤颗粒的较高堆积效率，满足使用特性的要求，同时减少消耗。添加剂。通常情况下，要使水煤浆能够达到高浓度、高稳定性以及良好的流变特性，必须添加一些化学药剂。一般可分为分散剂和稳定剂两类。分散剂是用来促进煤粒在水中均匀分散的化学药剂，通常煤粉与水混合，煤颗粒之间存在着很强的引力，使得煤粒成团、凝聚、煤浆黏度增高、流动性变差。分散剂是一些表面活性剂，可以显著地降低溶液的表面张力，提高煤粒表面的润湿性。而水煤浆稳定剂则是用来改善水煤浆稳定性，以使其在存储和输送期间保持特性均匀的状态。2、水煤浆的制浆工艺水煤浆的制浆工艺一般可以氛围干法、干湿法和湿法制浆三大类，由于干法和干湿法的能耗高，制浆效果均不如湿法，因此近些年很少在工业中应用。图3-45为我国两个典型的湿法制浆工艺流程。胶城稱 同股甲冰煤浆厂 (b)八極喲^3-45典型水煤浆制浆工艺总的说水煤浆制备通常包括洗选、破碎和磨矿混合和搅拌、过滤加工等部分。洗选。即通过洗选对煤进行净化，出去煤中的部分灰分和硫分等杂质。一般情况下选煤应放在磨矿前，但当煤中矿物杂质需经磨洗方能分离出杂质时，也可采用磨矿后在选煤的工艺。破碎和磨矿。破碎和磨矿是为了将煤炭磨碎至要求的粒度，并使其分布具有较高的妒忌效率，是制浆过程中最为重要也是能耗最高的缓解。在湿式制浆工艺中，通常将水、添加剂和破碎的煤粒混合后进行湿磨。混合和搅拌。混合与搅拌是使煤浆混合均匀，并使其在搅拌过程中经受强力剪切加强药剂与煤粒表面的作用，改善起流变性能。其中混合一般用在干磨或中浓度磨矿之后，使其磨制后的产物经过滤机脱水所得的滤饼能与分散剂均匀混合，形成具有一定流动性的浆体，便于后续搅拌。过滤加工。过滤加工是指在装运储存之前，对工艺过程中产生的粗颗粒或其他杂物进行过滤脱除，以免对水煤浆的输送和燃烧带来影响。四、水煤浆的燃烧技术1、水煤浆的燃烧特性水煤浆的燃烧过程一般先通过雾化器将水煤浆雾化城细小的浆滴，一个浆滴通常包括若干细小的煤粉颗粒，进入炉膛后，浆滴受热蒸发，将煤粉颗粒暴露在炉膛内，然后发生与煤粉炉内煤粒类似的燃烧过程，直到燃尽。从总体来看，在雾化器喷口处，水煤浆呈雾炬形燃烧，如图3-46所示。由于水煤浆中含有较多的水分，因此无论是分析雾炬燃烧、还是分析单个的煤粒燃烧都反映出与煤粉燃烧不同的特性。X火焰稳定器/雾化器二次风二次风—次兀凶二二水煤浆X火焰稳定器/雾化器二次风二次风—次兀凶二二水煤浆二次风（点火）图3-46水煤浆的雾炬形燃烧水煤浆经雾化以后高速喷入炉膛，在喷口处形成如图3-46所示的雾炬形态。进入炉膛后雾炬燃烧一般要经历以下过程，首先雾炬在高温烟气对流及辐射作用下，迅速升温，并开始水分蒸发，其中的煤粉颗粒发生结团。当浆滴温度升高到300—400°C时，其中的挥发分开始析出并率先着火，形成火焰；此后进入强烈燃烧阶段，同时焦炭开始燃烧，直至彻底燃尽。对比煤粉炉内煤粉的燃烧，水煤浆燃烧主要有以下特点.由于水煤浆中含有30%—35%的水分，水煤浆着火前需要多余的热量蒸发水分，同时由于水煤浆雾炬的入口速度相当高，一般为200—300m/s，是普通煤粉炉一次风的近10倍，所以尽管水分蒸发的很快，但仍存在0.5—lm的脱火距离，这也是水煤浆燃烧组织的关键。虽然水分蒸发会浪费部分热值（3—4%）,但从其后的挥发分析出容纳少及焦炭燃烧来看，水煤浆的燃烧特性要优于普通煤粉燃烧。这是因为水分蒸发时，煤粒之间发生结团形成了多孔性结构，其表面积和微孔容积都要比煤粉颗粒大，从而有利于挥发分的析出，提高焦炭的燃烧速度。水煤浆的燃烧火焰稳定，但燃烧火焰温度低。水煤浆的雾化燃烧可以使其流动组织更加稳定，而能达到良好的稳定着火与燃烧。同时由于水分的存在，使得其火焰温度平均比煤粉火焰低100—200°C。水煤浆具有与煤粉一样的燃尽水平和燃烧效率。水煤浆的燃烧效率除了受煤质自身因素影响外还与雾化质量、水煤浆水分、受热条件等因素有关。由于前面讲的水分蒸发的影响，即使在较低的火焰温度下，水煤浆的燃烧速度也要比煤粉高，其燃烧效率与煤粉燃烧相当，对于大型水煤浆锅炉可以稳定达到99%以上。在影响水煤浆燃烧过程的各个因素中，影响最大也是与普通煤粉炉所不同的是其雾化特性和特殊的配风要求。水煤浆的雾化效果越好，其浆滴粒径越小，越容易着火，还能提高燃烧效率。如表3-11所示，可见雾化器（雾化喷嘴）是水煤浆燃烧中最为重要的设备。表3-11水煤浆的雾化效果与燃烧特性煤包y寸券优尺寸飞択尺寸15111-陵鸡915◎1399.12、水煤浆燃烧污染物排放水煤浆燃烧同其他燃煤过程一样，也会产生飞灰颗粒物、S02、NOX等大气污染物。但由于水煤浆中的煤粒在制备过程中经过了洗选，以及水煤浆燃烧温度低等原因，使得水煤浆燃烧的污染情况要好于普通煤粉燃烧。飞灰颗粒物的排放。水煤浆燃烧形成飞灰颗粒物的污染总量与相同煤种煤粉燃烧相比并没有明显减少，而且在替代层燃炉时还有提高，这是必学正试的一个问题。但水煤浆燃烧生成的飞灰颗粒物的质量平均直径通常大于普通煤粉燃烧产生的颗粒物的质量平均直径，这是由于浆滴蒸发时煤粉颗粒发生结团的缘故。这个特点有助于飞灰颗粒物在除尘器中被脱除，减少其最终排放量。对于PM10和PM2.5的排放降低可能是有利的。SO2的排放。本质上讲水煤浆燃烧过程中SO2的排放并不会显著降低。有报道说水煤浆以洗精煤为原料，一般在燃烧前即可以脱除10%~30%的无机硫而降低SO2的排放，但这并不是水煤浆特有的优点。同时研究表明可以在制浆过程中加入一定比例的石灰石或石灰乳固硫剂，在燃烧过程中进行脱硫，但实践表明这一方法的脱硫效果并不明显，且与燃烧控制密切相关。由于燃烧过程中脱硫剂利用率不高，从总体上看，水煤浆燃烧的总脱硫率在30%以下。NOX的排放。前面介绍到，水煤浆的火焰温度通常比相同煤种煤粉低200C左右，根据燃煤过程中NOX的生成机理，将有助于抑制NOX的生成，如图3-47所示，但由于燃煤过程中主要生成的染料型NOX在1000°C以上受温度变化的影响比较小，所以也要采用分级燃烧等降低NOX燃烧技术进行控制,不过水煤浆的雾化燃烧特性为合理进行分级燃烧配风创造了良好的条件，有可能达到低于同种煤粉燃烧的NOX五、水煤浆的应用水煤浆作为低污染的液体燃料，可以应用在许多行业中。根据国内外工业应用的现状，大致可以氛围三个方向：即直接燃烧、气化和管道运输。其中直接燃烧包括在电站锅炉、工业锅炉和工业窖炉中的应用。管道运输是水煤浆的另一个主要用途，其在美国、前苏联都有成功的商业运用实例。除此之外，对于某些超低灰分的水煤浆产品，还可以应用在内燃机或燃气轮机中，但目前还未进入商业运行阶段。1、水煤浆直接燃烧的应用作为替代燃料是水煤浆技术发展的最初目的，依托于水煤浆制备技术和燃烧技术的共同发展，目前水煤浆已经作为燃油的替代燃料通过对电站锅炉、工业锅炉及工业窖炉的改造，广泛地应用在诸如电力、冶金、建材、化工等行业中。水煤浆在电站锅炉上的应用。对燃油锅炉进行改造以燃用较为廉价的水煤浆，是水煤浆最主要的用途。1995年8月日本在对其勿来电厂4号75MW机组的锅炉上进行了全烧水煤浆试验。此后又在8号600MW机组中进行了水煤浆和煤粉，水煤浆和重油的混烧试验，获得了稳定燃烧后一直运行至现在。美国、加拿大、瑞典、意大利和前苏联等都进行了类似的试验。我国在20世纪80年代中期对北京造纸一厂的20t/h和60t/h燃油锅炉进行了改烧水煤浆的工业示范。其后经过多年的实践研究，针对我国燃料的特点，无论是在结构设计还是参数选择上，都发展了具有自身特色的较为成熟的水煤浆燃烧技术。山东华能白杨河电厂拥有3台230t/h锅炉由燃油改燃水煤浆，锅炉运行稳定，燃烧效率达到99%以上，锅炉效率为90%~91%，灰渣含碳量在8%左右，飞灰含碳量在10%以下；S02和N0X排放均符合标准要求。如表3-12所示。報，丄2白畅何电厂*号炉燃烧水煤浆测试结果宙尘需垃敝盛恣排麒渣度NO阶議敲匿］亦2627.449E1.1注：木煤浆内加人3州〜5%的石庶乳进行炉内脱确.经山坯电为研究腕世测，90$拥-欣淡JS降低至2药.3了tng/Wfl水煤浆在工业炉上的应用。北京造纸一厂20t/h的燃油锅炉是国内最早使用水煤浆的工业锅炉，在随后的10年里，采用配套旋流燃烧器和炉前设置稳燃室燃烧方式，对燃油锅炉、燃煤锅炉进行了多台改造，并开发了专用水煤浆锅炉，容量从1~65t/h不等，由于锅炉容量、炉膛形式、喷嘴性能的差异，燃烧水煤浆的燃烧效率和锅炉效率也有所不同，一般情况下，水煤浆燃烧效率达90%~99%，锅炉效率达80~90%。对于改造的锅炉一般都能达到油/浆两用的要求，但其出力有一定的差别。1999年12月北京市环境保护监测中心对35t/h锅炉水煤浆与重渣油1:1混烧进行测试，其结果如表3-15所示。*>15北京造纸一厂35t/h锅炉燃烧水煤浆测试结果/Cmg/m3)畑卞排放液度SO：播放诙度爛气％蔭、林略虽，级1寫151<3注'均为麻石球尘黑真割址。水煤浆在工业窖炉上的应用。近年来，水煤浆代替燃油，大量适用于冶金、机械、建材、化工等各类工业窖炉。如陶瓷厂的隧道窑、喷雾干燥塔，耐火材料厂的隧道窑、倒焰窑，保温材料厂的隧道窑、膨化窑，冶金企业的锻造加热炉、型钢加热炉、烧结矿加热炉等，上述燃烧设备由原来燃用才有、重油、天然气、焦炉煤气等，改烧水煤浆，不仅满足了加热工艺要求，优化了加热工艺，而且还可以获得十分显著的经济效益。水煤浆在工业窖炉上的应用有大量工程实践范例。桂林轧钢厂、绍兴轧钢厂连续轧钢加热炉由烧散煤改烧水煤浆，连续运行了8年，燃烧效率由烧煤粉时的约70%提高到97%以上，不仅为企业大大节约了生产成本，还取得了良好的环保效益，如表3-16所示。表3-16桂林轧宓厂虬钢加热炉水煤浆工亚性应用测试结果"it即水城棠煤 检'一：■;.■?1；.111.7-机化假<.1...14.4欲.3二虫化蹴S.7S1+wl烟花黑宜从喀辱/■级 |k022、水煤浆管道输送的应用管道运输是水煤浆的另一主要用途，也是煤炭运输方式的一次突破，能在很大程度上解决有资源分布不均造成的煤炭运输问题。煤炭管道运输其实已经有了近百年的历史，但其大规模的应用是在20世纪的50年代。美国率先建成了俄亥俄洲煤浆管道，长170km,年输送煤炭130万吨；1970年又建成至亚利桑那州卡塔因一内华达州某电厂的长439km，年输送煤炭480万吨的黑迈萨（BlackMesa）管线，一直安全运行至今，输煤已超过1亿吨。早期的管道输煤（浆）是先把煤破碎稻1mm以下的力度，与水混合，按50％左右的质量浓度配制成煤浆，用泵沿管道输送到用户。然后经脱水干燥后作为燃料使用。其方案如图3—48（1,11）所示，均为到达目的地后需脱水处理的煤炭运输管道。六、水煤浆的发展前景近些年来，我国水煤浆的生产能力发展较快，而且自主设计生产水平也有了飞速的提高。1998年以前，我国只有北京水煤浆示范厂、兖日水煤浆厂、枣庄矿务局八一水煤浆厂、株洲选煤厂水煤浆车间、抚顺胜利矿水煤浆厂5家水煤浆制备企业，总设计能力约为65万吨/年。其中规模较大的北京水煤浆示范厂（25万吨/年）、兖日水煤浆厂（25万吨/年）均为引进国外水煤浆制备技术建厂。其后我国扩建或新建了一批水煤浆生产线，如浆八一水煤浆厂改建成了25万吨/年的制浆生产线，并拥有了我国自主知识产权的制备技术。新建了白杨河发电厂自备浆厂、邢台东庞矿水煤浆厂、北京