煤基能源新型水煤漿技術的研究與清潔高效應用

楊成 李瑞國 吳春娟 樊鳳升

摘 要：由于我國富煤、貧油、少氣的能源結構，使得煤炭在未來幾十年內依舊是處于我國能源主導地位。眾所周知，煤炭的直接燃燒會使得大氣中硫化物、氮氧化物、煙塵等污染物增加，直接導致大氣中PM2.5含量增大，造成環境的污染，嚴重的破壞了生態平衡、危害人類的健康，并且制約經濟社會的發展和人類社會文明的進步。水煤漿作為一種低污染、高效、節能的潔凈燃料所起到的節能、減排、環保功效一直不容小覷。水煤漿鍋爐在我國經過近30年的發展，燃燒技術一直在不斷創新升級更新換代;而與其配套的水煤漿制備技術也在逐步進行改進與變革，以更好的適應水煤漿鍋爐高效燃燒，從而降低水煤漿鍋爐的能耗，提高煤炭的熱效率、提高煤的燃盡率，降低鍋爐的原始排放;以使水煤漿制備技術與水煤漿鍋爐燃燒技術達到更理想的匹配，更加節能、環保。

關鍵詞：新型水煤漿;水煤漿制備;潔凈煤;潔凈煤技術;能源;節能環保

中圖分類號：TQ536 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）13-0015-02

1 水煤漿現狀

我國的水煤漿制備技術和燃燒應用技術發展較快，自上世紀80年代開始，到本世紀初，工業化應用已經達到了國際先進水平。先后完成了工業鍋爐、電站鍋爐、熱處理爐、爐窯等燃用水煤漿的工程試驗，水煤漿作為新型環保燃料，正被越來越多的有識之士所認識，采用水煤漿技術可進一步優化煤炭企業的產品結構，提高煤炭企業經濟效益。水煤漿按用途分為燃料用水煤漿和氣化用水煤漿，氣化水煤漿是屬煤化工產業的基礎產品，這里不做描述。燃料水煤漿是由65%左右的煤、34%左右的水、1%左右的添加劑，經物理研磨加工而形成的一種可以罐體儲存、管道輸送、罐車運輸的漿體化燃料。是一種燃盡率高、燃燒熱效率高、污染物排放低、脫硫效率高、運行經濟成本低的煤基流體燃料;水煤漿是一種最現實的煤基流體燃料，也是一種制備相對簡單，便于運輸儲存、安全可靠低污染的新型潔凈燃料;是一種達到鍋爐超低排放最經濟、最便捷、最可靠的國家能源安全保障。因此水煤漿技術是當今潔凈煤技術的重要組成部分，也是21世紀最現實、最有市場的潔凈煤技術，在中國的能源戰略中占有非常重要的地位。從長遠來看，隨著國民經濟的發展，我國能源供需矛盾將進一步加大，環境對燃料的約束也進一步加強，水煤漿的使用量將逐步加大。因此，水煤漿的應用前景非常廣闊。

2 原水煤漿的特征

在我國能源結構中與燃油、天然氣等比較，水煤漿的價格低廉，清潔高效等特點備受各地區各類企業的關注，這給水煤漿潔凈燃燒技術的發展與應用創造了外部環境條件，同時各地政府政策性的支持文件，環境保護的壓力，加快了水煤漿產業的發展。然而，現有的水煤漿及其應用技術對原料煤品質要求較高，需高熱值、低灰分、高揮發份、灰熔點高的煤種;而且要求加工粒度細，否則使用時易造成鍋爐漿槍堵塞、爐膛結焦、燃燒不穩定等，進而導致生產應用系統運行不穩定。

根據GB/T18855-2014標準對水煤漿的主要指標要求，水煤漿要求原煤熱值高、灰分少;大于0.5mm的物料占水煤漿中干物料的含量≤0.8%，要求煤種磨碎粒度細，耗電量大，這些標準都是依據現有原有水煤漿制備技術來制定的，而原有的水煤漿制備技術所需原料大部分都來源于山東洗精煤，山東地區煤炭資源成礦年代久，煤田煤層賦存條件好，煤礦以氣、肥煤為主，且具有低灰、低硫、發熱值高的特點;其用在水煤漿制備上成漿性好、制漿濃度高、流動性好。而產煤大省山西、陜西、內蒙部分煤炭，由于其在水煤漿制備時成漿濃度底、水煤漿熱值低，這在一定程度上在一些地區受到了原料煤來源及制漿成本較高的限制，也間接導致了水煤漿燃燒技術在更大更廣范圍內的推廣應用存在一定的區域性限制。

目前市面上現有的水煤漿產品主要針對第一代水煤漿鍋爐，霧化燃燒水煤漿鍋爐。此種燃燒方式的鍋爐對原料煤品質要求高（低灰、高熱值、高揮發份、高灰熔點），而且要求加工粒度細，以避免造成在使用時鍋爐漿槍堵塞;霧化燃燒方式由于水煤漿在爐膛內需在一定高度、一定距離內必須燃燒完全，因而需提高爐膛內爐溫，導致熱力型氮氧化物產生量過高，且爐膛極易結焦。進而導致鍋爐系統運行不穩定，同時增加了鍋爐島系統后續的脫硝成本。主要有以下幾點不足：

（1）水煤漿原料成本高。現有的水煤漿制備技術所需原料大部分都來源于山東洗精煤，山東煤成礦時間長品質好，灰分少、熱值高、成漿性好，但價格較高。

（2）成漿性差的低品質煤無法得到有效廣泛的利用，以及在更廣泛區域水煤漿技術的推廣。標準水煤漿是依據現有水煤漿制備技術來制定的，而產煤大省山西、陜西、內蒙古的部分煤炭卻得不到充分利用，這在一定程度上導致了原料煤來源有限及成本較高的問題，也間接導致了水煤漿燃燒技術的推廣應用存在一定的區域性限制。

（3）水煤漿制備過程能耗高。在物理變化中，研磨是屬最大的耗能，現有水煤漿要求煤種磨碎粒度細，粒度細勢必增加設備的研磨時間，耗電量大導致噸漿成本高，由此導致系統運行成本較高;在水煤漿推廣應用時部分企業阻力較大。

（4）易造成能源浪費。即是在現有懸浮流化水煤漿鍋爐燃燒工藝中，水煤漿燃料顆粒度在35-75μm左右，顆粒狀水煤漿團在燃燒過程中進一步解體為細顆粒，由于燃料顆粒度小，未燃盡的顆粒很難被分離器捕捉，導致飛灰含碳量高，煤炭顆粒的燃盡率低。另外，由于燃料中灰份少，僅靠燃料中的灰分很難建立灰循環，在運行過程中床溫過高，沒有有效的降床溫措施，從而會導致熱力型氮氧化物產生量過高，增加尾部脫硝成本，致使整個系統運行成本增加。

因此，隨著水煤漿應用技術日益被人們所認識，水煤漿制備技術的進一步發展，更為先進的水煤漿燃燒技術也日臻完善。在確保符合環保政策的前提條件下，新型水煤漿應用技術的發展必將以節能、減排、環保及易于廣泛推廣應用為基礎;必然以就近、經濟合理，能夠取得穩定經濟的原料供應，降低原料成本為根本;以及提高水煤漿煤顆粒粒度、改進制漿工藝，降低水煤漿的生產加工成本為輔助;降低燃燒系統脫硫、脫硝、除塵的生產運行成本為目的;才能在更加廣泛區域內推廣水煤漿技術及裝備的應用。

3 新型水煤漿技術

隨著水煤漿燃燒技術的進一步發展，水煤漿鍋爐從霧化水煤漿鍋爐、懸浮流化水煤漿鍋爐到現在的第三代流態重構循環流化水煤漿鍋爐。新的流態重構循環流化水煤漿鍋爐與霧化水煤漿鍋爐相比，省去了價格昂貴的燃燒器與易出故障的霧化漿槍，采用粒化器送漿;配以高溫絕熱高效旋風分離器;返料裝置調整循環灰量，控制循環倍率;配以二次風技術，抑制和降低了爐膛溫度。流態重構循環流化水煤漿鍋爐的燃燒，在水煤漿被粒化器送入爐膛后，煤炭顆粒在流化狀態的床料上充分燃燒，無爐渣外排，僅有少量飛灰隨煙氣排出。由于分離器分離效率高，未燃盡煤顆粒被分離器捕捉后返回爐膛反復燃燒，因此提高了碳的燃盡率;所以在新型水煤漿生產制備時，只要粒度在確保穩定性和流動性的前提下，可以增大水煤漿內煤顆粒的粒度;同時分離器的高效分離和多倍率的返料燃燒，也可促使爐內脫硫劑反復和煤顆粒接觸，反應徹底，因此脫硫效率高;同時從分離器返回的物料顆粒，降低了爐膛的溫度，再配以二次風，使爐膛溫度降低，極大的降低了熱力型氮氧化物的產生。分離器的高效分離返料，提高了媒體物料的利用率，減少了流化床床料的補充量，提高了燃燒效率;通過媒體物料的循環，床溫大幅度的降低;不僅可以降低對原料煤品質的要求，而且對其粒度的組分也進行了優化調整，改變了原有水煤漿200目通篩率80%以上的粒度要求，調整粒徑為100～300μm的煤的質量占煤總質量比大于等于45%，同時放寬了對煤炭的灰份要求。

3.1 新型水煤漿制備技術的特點

（1）新型水煤漿，打破水煤漿用煤只能用區域性高品質煤源的限制，以利于潔凈燃料水煤漿在全國范圍內的廣泛推廣。

（2）新的級配參數生產新型水煤漿，提高水煤漿濃度及穩定性，降低磨漿電耗，降低了噸漿加工成本。

（3）水煤漿加工過程是將原煤破碎并研磨成粒度為70～300微米，質量份額50%～70%的水煤漿，確定粗顆粒水煤漿的級配標準及添加劑用量配比，同時保持標準水煤漿的粘度、濃度、流動性及穩定性，確保儲存、運輸及鍋爐的穩定燃燒。

（4）實驗研究不同煤種、不同添加劑、不同粒度合理的煤顆粒集配，研究加大煤顆粒的水煤漿產品，大幅度節省磨煤電耗，降低水煤漿噸漿成本，以利于潔凈燃料水煤漿在不同行業的應用推廣。

3.2 新型水煤漿優勢

（1）所使用的新型水煤漿可利用較低品質的原料煤加工生產。

（2）將水煤漿粒徑適量加大比例，可減少研磨時間，節省耗能。

（3）新型水煤漿粒徑加大后既可以保持良好的濃度、粘度標準，又可以滿足流動性及穩定性。

（4）新技術的應用有效的解決了原有水煤漿在爐膛內無法達到的循環燃燒，造成能源浪費的問題。

（5）可根據原煤含硫量情況，適當加脫硫劑。解決了原燃燒裝置過小的粒度不能被分離器分離，不能形成循環灰，無法滿足多次循環的脫硫需求;脫硫劑的利用率高;

（6）在爐內燃燒過程中直接脫硫，脫硫系統簡單、成本低;脫硫率可達95%;循環流化的水煤漿鍋爐低溫燃燒，抑制了熱力型NOX的生成，原始排放低;水煤漿燃盡率高達98%，產生煙塵量相對減少。因而，水煤漿鍋爐原始排放低，輔以鍋爐島除塵系統裝置，可以達到超低排放。

（7）既可以保證鍋爐的穩定運行，而且產熱和排放均能達到并優于國家標準。

4 新型水煤漿鍋爐燃燒技術拓展了水煤漿對煤源選擇的廣泛性

國家水煤漿標準（GB/T18855-2002、GB/T18855-2008、GB/T18855-2014）的出臺和修訂也是針對以上兩種燃燒技術對水煤漿的要求而制定，特別是GB/T18855-2014對水煤漿濃度不再要求，粒度范圍適當放寬，這在一定程度上確實提高了新型水煤漿燃燒技術的競爭優勢，但還不能完全體現出第三代水煤漿燃燒技術的先進性，第三代水煤漿燃燒技術對水煤漿粒度的要求還可以放大、粒度區間還可以拓寬。

第三代水煤漿燃燒技術屬于流態重構+水煤漿循環流化燃燒技術，該技術是目前較為先進的水煤漿鍋爐燃燒技術。該技術的研發成功，提高了水煤漿煤顆粒的粒度，放寬了對原煤灰份的要求，從而降低了水煤漿的生產成本，對水煤漿燃燒技術的推廣應用起到了積極的推動作用。

隨著水煤漿鍋爐燃燒技術的發展，更為先進的水煤漿燃燒技術也必將顯現。在確保符合環保政策的前提條件下，新型水煤漿鍋爐燃燒技術研發必然以降低生產運行成本為目的，這就要求拓寬原料煤的來源，以降低原料成本;以加快技術研發、新技術新裝備的應用降低水煤漿制備成本，提高水煤漿鍋爐在市場的競爭力。

5 新型水煤漿技術應用的經濟與社會效益

新型水煤漿用煤解決了只能用區域性高品質煤源的限制以及鍋爐污染物原始排放濃度較高、鍋爐尾部脫硫、脫硝、除塵裝置壓力大，設備投資成本高、運行成本高等問題，同時降低了水煤漿噸漿成本。新型水煤漿技術的實施有利于潔凈燃料新型水煤漿在全國范圍內、不同行業間的廣泛性推廣。

從水煤漿的節能性來看：由于水煤漿改變了煤的形態，因而燃盡率從傳統燃煤鍋爐80%左右提高到98%，鍋爐熱效率從65-85%提高到90%以上，節能性非常明顯。新型水煤漿燃燒減少了煙氣量，能熱損失下降，熱效率提高;傳統燃煤鍋爐灰渣含碳量在15-20%，水煤漿飛灰含碳量低于2%，能源利用充分;傳統燃煤鍋爐有爐渣排放的同時煙氣中含有大量飛灰，排渣時存在大量熱損失，影響鍋爐效率，水煤漿鍋爐無爐渣排放，僅有少量飛灰，因而能熱損失小。

從水煤漿的環保性來看：可根據原煤含硫量情況適當添加脫硫劑;同時還可在爐內燃燒過程中直接脫硫，脫硫系統簡單、成本低;脫硫率可達95%;循環流化的水煤漿鍋爐屬低溫燃燒，抑制了熱力型NOX的生成，原始排放低;水煤漿燃盡率高達98%，產生煙塵量明顯減少。由于水煤漿的煙塵比表面積大，電阻小，煙塵收集性能好，除塵效率高，因而水煤漿鍋爐原始排放低，輔以鍋爐島除塵系統裝置，可以達到超低排放。

綜上所述，新型水煤漿技術的應用，摒棄了傳統燃煤鍋爐的煤炭燃燒污染物先產生，后治理的弊端;沒有了傳統鍋爐供熱站的堆煤場和堆渣場，節省了占地，減少了揚塵污染。水煤漿鍋爐出口原始排放即可達標排放;是燃煤鍋爐達到超低排放最為經濟的技術路線。此項技術的推廣應用，對于我國環境保護、節能降耗，都具有深遠的歷史意義和廣泛的社會效益。