煤基能源新型水煤浆技术的研究与清洁高效应用

摘 要：由于我国富煤、贫油、少气的能源结构，使得煤炭在未来几十年内依旧是处于我国能源主导地位。众所周知，煤炭的直接燃烧会使得大气中硫化物、氮氧化物、烟尘等污染物增加，直接导致大气中PM2.5含量增大，造成环境的污染，严重的破坏了生态平衡、危害人类的健康，并且制约经济社会的发展和人类社会文明的进步。水煤浆作为一种低污染、高效、节能的洁净燃料所起到的节能、减排、环保功效一直不容小觑。水煤浆锅炉在我国经过近30年的发展，燃烧技术一直在不断创新升级更新换代;而与其配套的水煤浆制备技术也在逐步进行改进与变革，以更好的适应水煤浆锅炉高效燃烧，从而降低水煤浆锅炉的能耗，提高煤炭的热效率、提高煤的燃尽率，降低锅炉的原始排放;以使水煤浆制备技术与水煤浆锅炉燃烧技术达到更理想的匹配，更加节能、环保。

关键词：新型水煤浆;水煤浆制备;洁净煤;洁净煤技术;能源;节能环保

中图分类号：TQ536 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）13-0015-02

1 水煤浆现状

我国的水煤浆制备技术和燃烧应用技术发展较快，自上世纪80年代开始，到本世纪初，工业化应用已经达到了国际先进水平。先后完成了工业锅炉、电站锅炉、热处理炉、炉窑等燃用水煤浆的工程试验，水煤浆作为新型环保燃料，正被越来越多的有识之士所认识，采用水煤浆技术可进一步优化煤炭企业的产品结构，提高煤炭企业经济效益。水煤浆按用途分为燃料用水煤浆和气化用水煤浆，气化水煤浆是属煤化工产业的基础产品，这里不做描述。燃料水煤浆是由65%左右的煤、34%左右的水、1%左右的添加剂，经物理研磨加工而形成的一种可以罐体储存、管道输送、罐车运输的浆体化燃料。是一种燃尽率高、燃烧热效率高、污染物排放低、脱硫效率高、运行经济成本低的煤基流体燃料;水煤浆是一种最现实的煤基流体燃料，也是一种制备相对简单，便于运输储存、安全可靠低污染的新型洁净燃料;是一種达到锅炉超低排放最经济、最便捷、最可靠的国家能源安全保障。因此水煤浆技术是当今洁净煤技术的重要组成部分，也是21世纪最现实、最有市场的洁净煤技术，在中国的能源战略中占有非常重要的地位。从长远来看，随着国民经济的发展，我国能源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。因此，水煤浆的应用前景非常广阔。

2 原水煤浆的特征

在我国能源结构中与燃油、天然气等比较，水煤浆的价格低廉，清洁高效等特点备受各地区各类企业的关注，这给水煤浆洁净燃烧技术的发展与应用创造了外部环境条件，同时各地政府政策性的支持文件，环境保护的压力，加快了水煤浆产业的发展。然而，现有的水煤浆及其应用技术对原料煤品质要求较高，需高热值、低灰分、高挥发份、灰熔点高的煤种;而且要求加工粒度细，否则使用时易造成锅炉浆枪堵塞、炉膛结焦、燃烧不稳定等，进而导致生产应用系统运行不稳定。

根据GB/T18855-2014标准对水煤浆的主要指标要求，水煤浆要求原煤热值高、灰分少;大于0.5mm的物料占水煤浆中干物料的含量≤0.8%，要求煤种磨碎粒度细，耗电量大，这些标准都是依据现有原有水煤浆制备技术来制定的，而原有的水煤浆制备技术所需原料大部分都来源于山东洗精煤，山东地区煤炭资源成矿年代久，煤田煤层赋存条件好，煤矿以气、肥煤为主，且具有低灰、低硫、发热值高的特点;其用在水煤浆制备上成浆性好、制浆浓度高、流动性好。而产煤大省山西、陕西、内蒙部分煤炭，由于其在水煤浆制备时成浆浓度底、水煤浆热值低，这在一定程度上在一些地区受到了原料煤来源及制浆成本较高的限制，也间接导致了水煤浆燃烧技术在更大更广范围内的推广应用存在一定的区域性限制。

目前市面上现有的水煤浆产品主要针对第一代水煤浆锅炉，雾化燃烧水煤浆锅炉。此种燃烧方式的锅炉对原料煤品质要求高（低灰、高热值、高挥发份、高灰熔点），而且要求加工粒度细，以避免造成在使用时锅炉浆枪堵塞;雾化燃烧方式由于水煤浆在炉膛内需在一定高度、一定距离内必须燃烧完全，因而需提高炉膛内炉温，导致热力型氮氧化物产生量过高，且炉膛极易结焦。进而导致锅炉系统运行不稳定，同时增加了锅炉岛系统后续的脱硝成本。主要有以下几点不足：

（1）水煤浆原料成本高。现有的水煤浆制备技术所需原料大部分都来源于山东洗精煤，山东煤成矿时间长品质好，灰分少、热值高、成浆性好，但价格较高。

（2）成浆性差的低品质煤无法得到有效广泛的利用，以及在更广泛区域水煤浆技术的推广。标准水煤浆是依据现有水煤浆制备技术来制定的，而产煤大省山西、陕西、内蒙古的部分煤炭却得不到充分利用，这在一定程度上导致了原料煤来源有限及成本较高的问题，也间接导致了水煤浆燃烧技术的推广应用存在一定的区域性限制。

（3）水煤浆制备过程能耗高。在物理变化中，研磨是属最大的耗能，现有水煤浆要求煤种磨碎粒度细，粒度细势必增加设备的研磨时间，耗电量大导致吨浆成本高，由此导致系统运行成本较高;在水煤浆推广应用时部分企业阻力较大。

（4）易造成能源浪费。即是在现有悬浮流化水煤浆锅炉燃烧工艺中，水煤浆燃料颗粒度在35-75μm左右，颗粒状水煤浆团在燃烧过程中进一步解体为细颗粒，由于燃料颗粒度小，未燃尽的颗粒很难被分离器捕捉，导致飞灰含碳量高，煤炭颗粒的燃尽率低。另外，由于燃料中灰份少，仅靠燃料中的灰分很难建立灰循环，在运行过程中床温过高，没有有效的降床温措施，从而会导致热力型氮氧化物产生量过高，增加尾部脱硝成本，致使整个系统运行成本增加。

因此，随着水煤浆应用技术日益被人们所认识，水煤浆制备技术的进一步发展，更为先进的水煤浆燃烧技术也日臻完善。在确保符合环保政策的前提条件下，新型水煤浆应用技术的发展必将以节能、减排、环保及易于广泛推广应用为基础;必然以就近、经济合理，能够取得稳定经济的原料供应，降低原料成本为根本;以及提高水煤浆煤颗粒粒度、改进制浆工艺，降低水煤浆的生产加工成本为辅助;降低燃烧系统脱硫、脱硝、除尘的生产运行成本为目的;才能在更加广泛区域内推广水煤浆技术及装备的应用。

3 新型水煤浆技术

随着水煤浆燃烧技术的进一步发展，水煤浆锅炉从雾化水煤浆锅炉、悬浮流化水煤浆锅炉到现在的第三代流态重构循环流化水煤浆锅炉。新的流态重构循环流化水煤浆锅炉与雾化水煤浆锅炉相比，省去了价格昂贵的燃烧器与易出故障的雾化浆枪，采用粒化器送浆;配以高温绝热高效旋风分离器;返料装置调整循环灰量，控制循环倍率;配以二次风技术，抑制和降低了炉膛温度。流态重构循环流化水煤浆锅炉的燃烧，在水煤浆被粒化器送入炉膛后，煤炭颗粒在流化状态的床料上充分燃烧，无炉渣外排，仅有少量飞灰随烟气排出。由于分离器分离效率高，未燃尽煤颗粒被分离器捕捉后返回炉膛反复燃烧，因此提高了碳的燃尽率;所以在新型水煤浆生产制备时，只要粒度在确保稳定性和流动性的前提下，可以增大水煤浆内煤颗粒的粒度;同时分离器的高效分离和多倍率的返料燃烧，也可促使炉内脱硫剂反复和煤颗粒接触，反应彻底，因此脱硫效率高;同时从分离器返回的物料颗粒，降低了炉膛的温度，再配以二次风，使炉膛温度降低，极大的降低了热力型氮氧化物的产生。分离器的高效分离返料，提高了媒体物料的利用率，减少了流化床床料的补充量，提高了燃烧效率;通过媒体物料的循环，床温大幅度的降低;不仅可以降低对原料煤品质的要求，而且对其粒度的组分也进行了优化调整，改变了原有水煤浆200目通筛率80%以上的粒度要求，调整粒径为100～300μm的煤的质量占煤总质量比大于等于45%，同时放宽了对煤炭的灰份要求。

3.1 新型水煤浆制备技术的特点

（1）新型水煤浆，打破水煤浆用煤只能用区域性高品质煤源的限制，以利于洁净燃料水煤浆在全国范围内的广泛推广。

（2）新的级配参数生产新型水煤浆，提高水煤浆浓度及稳定性，降低磨浆电耗，降低了吨浆加工成本。

（3）水煤浆加工过程是将原煤破碎并研磨成粒度为70～300微米，质量份额50%～70%的水煤浆，确定粗颗粒水煤浆的级配标准及添加剂用量配比，同时保持标准水煤浆的粘度、浓度、流动性及稳定性，确保储存、运输及鍋炉的稳定燃烧。

（4）实验研究不同煤种、不同添加剂、不同粒度合理的煤颗粒集配，研究加大煤颗粒的水煤浆产品，大幅度节省磨煤电耗，降低水煤浆吨浆成本，以利于洁净燃料水煤浆在不同行业的应用推广。

3.2 新型水煤浆优势

（1）所使用的新型水煤浆可利用较低品质的原料煤加工生产。

（2）将水煤浆粒径适量加大比例，可减少研磨时间，节省耗能。

（3）新型水煤浆粒径加大后既可以保持良好的浓度、粘度标准，又可以满足流动性及稳定性。

（4）新技术的应用有效的解决了原有水煤浆在炉膛内无法达到的循环燃烧，造成能源浪费的问题。

（5）可根据原煤含硫量情况，适当加脱硫剂。解决了原燃烧装置过小的粒度不能被分离器分离，不能形成循环灰，无法满足多次循环的脱硫需求;脱硫剂的利用率高;

（6）在炉内燃烧过程中直接脱硫，脱硫系统简单、成本低;脱硫率可达95%;循环流化的水煤浆锅炉低温燃烧，抑制了热力型NOX的生成，原始排放低;水煤浆燃尽率高达98%，产生烟尘量相对减少。因而，水煤浆锅炉原始排放低，辅以锅炉岛除尘系统装置，可以达到超低排放。

（7）既可以保证锅炉的稳定运行，而且产热和排放均能达到并优于国家标准。

4 新型水煤浆锅炉燃烧技术拓展了水煤浆对煤源选择的广泛性

国家水煤浆标准（GB/T18855-2002、GB/T18855-2008、GB/T18855-2014）的出台和修订也是针对以上两种燃烧技术对水煤浆的要求而制定，特别是GB/T18855-2014对水煤浆浓度不再要求，粒度范围适当放宽，这在一定程度上确实提高了新型水煤浆燃烧技术的竞争优势，但还不能完全体现出第三代水煤浆燃烧技术的先进性，第三代水煤浆燃烧技术对水煤浆粒度的要求还可以放大、粒度区间还可以拓宽。

第三代水煤浆燃烧技术属于流态重构+水煤浆循环流化燃烧技术，该技术是目前较为先进的水煤浆锅炉燃烧技术。该技术的研发成功，提高了水煤浆煤颗粒的粒度，放宽了对原煤灰份的要求，从而降低了水煤浆的生产成本，对水煤浆燃烧技术的推广应用起到了积极的推动作用。

随着水煤浆锅炉燃烧技术的发展，更为先进的水煤浆燃烧技术也必将显现。在确保符合环保政策的前提条件下，新型水煤浆锅炉燃烧技术研发必然以降低生产运行成本为目的，这就要求拓宽原料煤的来源，以降低原料成本;以加快技术研发、新技术新装备的应用降低水煤浆制备成本，提高水煤浆锅炉在市场的竞争力。

5 新型水煤浆技术应用的经济与社会效益

新型水煤浆用煤解决了只能用区域性高品质煤源的限制以及锅炉污染物原始排放浓度较高、锅炉尾部脱硫、脱硝、除尘装置压力大，设备投资成本高、运行成本高等问题，同时降低了水煤浆吨浆成本。新型水煤浆技术的实施有利于洁净燃料新型水煤浆在全国范围内、不同行业间的广泛性推广。

从水煤浆的节能性来看：由于水煤浆改变了煤的形态，因而燃尽率从传统燃煤锅炉80%左右提高到98%，锅炉热效率从65-85%提高到90%以上，节能性非常明显。新型水煤浆燃烧减少了烟气量，能热损失下降，热效率提高;传统燃煤锅炉灰渣含碳量在15-20%，水煤浆飞灰含碳量低于2%，能源利用充分;传统燃煤锅炉有炉渣排放的同时烟气中含有大量飞灰，排渣时存在大量热损失，影响锅炉效率，水煤浆锅炉无炉渣排放，仅有少量飞灰，因而能热损失小。

从水煤浆的环保性来看：可根据原煤含硫量情况适当添加脱硫剂;同时还可在炉内燃烧过程中直接脱硫，脱硫系统简单、成本低;脱硫率可达95%;循环流化的水煤浆锅炉属低温燃烧，抑制了热力型NOX的生成，原始排放低;水煤浆燃尽率高达98%，产生烟尘量明显减少。由于水煤浆的烟尘比表面积大，电阻小，烟尘收集性能好，除尘效率高，因而水煤浆锅炉原始排放低，辅以锅炉岛除尘系统装置，可以达到超低排放。

综上所述，新型水煤浆技术的应用，摒弃了传统燃煤锅炉的煤炭燃烧污染物先产生，后治理的弊端;没有了传统锅炉供热站的堆煤场和堆渣场，节省了占地，减少了扬尘污染。水煤浆锅炉出口原始排放即可达标排放;是燃煤锅炉达到超低排放最为经济的技术路线。此项技术的推广应用，对于我国环境保护、节能降耗，都具有深远的历史意义和广泛的社会效益。

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