1 水煤浆简介

    水煤浆是由66-69%的煤、30%左右的水和约1%的添加剂制成的混合物，是七十年代石油危机中发展起来的一种新型低污染代油燃料。它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、添加剂等关键技术，是一项涉及多门学科的系统技术。水煤浆具有燃烧效率高、污染物排放低等特点，可用于电站锅炉、工业锅炉和工业窑炉代油、代汽、代煤燃烧。发展水煤浆技术是我国能源长期稳定发展的战略和现实选择。

    从80年代开始，国家致力于水煤浆的研制及应用开发工作。1983年国家科委将“水煤浆制备与燃烧技术”  正式列为国家“六五”    攻关项目。“七五”      期间组建了中国水煤浆技术联合体，“八五”    期间从实现大型化和系列化为目标，主要任务是进行大规模制浆与电站燃用水煤浆工业示范。水煤浆作为中国洁净煤技术的重要组成部分，经过十多年的技术开发、工业性实验和商业示范应用，已显示出它所具有的代油、节能、高效率燃烧和低污染诸多优势，已被愈来愈多的企业所认识，并一直受到国家领导人的关怀和重视。

2 水煤浆的特点

    (1) 水煤浆燃烧稳定、充分，炉膛充满度好，燃烧效率达96-99%，锅炉效率在85%以上，与燃油相当，比普通燃煤高许多。

    (2) 其粘度低于重油，负荷易于调节，最低可调至40%，并且调节非常方便，只需控制供浆泵的转速即可，转速和负荷成简单的线性对比。

    (3) 水煤浆的燃烧需要轻柴油点火，但一旦着火即可停油稳定单独燃烧。水煤浆燃烧非常稳定，无需人工干预，可以象烧油一样完全实现自动化运行。大大降低了司炉工的劳动强度，提高了安全性能。并且在常温下水煤浆无需像重油那样要预热，这样既可节约了能源，又使整个供浆管路系统设计较为简单。

    (4) 水煤浆的着火温度在800℃以上，必须通过压缩空气雾化后才能燃烧，在常温常态下不可燃烧，可见其储存、运输比燃油要简单，安全便于管理；适宜于各种场地和环境存储。燃用水煤浆可减少用在消防安全方面的投资。

    (5) 由于水煤浆是液体，只能罐装和泵送，不需要大的堆煤场以及铲车等设备，减少了占地面积和输送、存储过程带米的损失和污染。

    (6) 水煤浆含灰分低，锅炉受热面磨损低于燃煤，正常情况下煤锅炉需要每年大修一次，水煤浆锅炉可延长至3年左右大修一次，这就大大节约了检修费用和时间。

3 水煤浆燃烧技术

水煤浆是一种煤基流态燃料，通过雾化后高效燃烧。组织水煤浆燃烧时，喷嘴的雾化技术和燃烧器的配风技术是保证水煤浆着火和稳定燃烧的两项关键技术。

    3.1 喷嘴雾化技术

    良好的喷嘴雾化可以减少水煤浆液滴的细度，从而缩短水煤浆的着火距离，为水煤浆着火、燃烧提供了一个良好的基础。

    由于水煤浆的特殊性质，水煤浆喷嘴必须具备良好的雾化特性，能稳定着火，并有较好的燃烧特性和较高的燃烧效率；具有良好的防堵性能，能长期连续运行；具有较长的使用寿命；具有较低的气耗率；合适的雾化角和射程；负荷调节性能好，在一定的负荷变化范围内，喷嘴仍然能维持较好的雾化性能。

    3.2 水煤浆燃烧器

    水煤浆燃烧器又称为配风器，是水煤浆燃烧的又一个关键设备。水煤浆着火的主要来源是依靠高温烟气的回流，这就需要对燃烧配风进行合理的组织，以使煤浆雾炬得到有效地加热，能够即时着火。同时，合理的配风加强燃烧室内湍动，提高水煤浆燃烧速度和燃烬度的关键。合理的配风还将影响到污染物的排放，分段送风可控制NOx的生成和排放。另外，一二次风混合适时适量，可保证燃烧的稳定性和经常性。总之，炉膛中的燃烧工况主要是通过燃烧器的结构及其布置来决定的。燃烧器按其来气动力学特性可分为旋流式和直流式。旋流型燃烧器是利用旋转气流产生合适的回流区，用回流的高温烟气来加燃料，保证其稳定地着火和燃烧。

4 水煤浆制备技术

    水煤浆是一种新型煤基流体洁净环保燃料，既保留了煤的燃烧特性，又具备了类似重油的液态燃烧应用特点，是目前我国一项现实的洁净煤技术。它由65-70%的煤、29-34%的水和小于1%的化学添加剂，经过一定的加工工艺制成。它外观象油，流动性好，储存稳定（一般3～6个月不沉淀），运输方便（火车或汽车罐车、管道、船舶），燃烧效率高，污染物(S0₂、NOX)排放低，约2t水煤浆可以替代1t油，可在工业锅炉、电站锅炉和工业窑炉等代油或煤、汽燃用。

    4.1 制浆煤种选择

    根据煤的煤质指标和实验室成浆性试验可以判定煤炭成浆的难易程度。对制备水煤浆的原料煤要求：成浆性好，燃烧性能好。研究表明，中国有丰富的制浆原料煤。

    4.2 级配技术

    级配技术是水煤浆制备的关键技术之一。制备高浓度水煤浆，要求水煤浆中大小颗粒相互充填，达到较高的堆积密度，这就要求水煤浆中煤颗粒分布是有一定讲究的。

    4.3 制浆工艺

    水煤浆制浆工艺通常包括破碎、磨矿、搅拌与剪切，以及为剔除最初产品中的超粒与杂物的滤浆等环节。

    磨矿是水煤浆制备过程中的关键环节，与其他工业中磨矿不同的是，不但要求产品达到一定的细度，更重要的是产品应有较好的粒度分布。磨矿可用干法，亦可用湿法。但干法磨矿制浆存在许多缺点，制浆厂很难满足干磨时入料水分不高于5%的要求，磨矿功耗大约比湿法高30%，干磨时新生表面容易被氧化，增加制浆的难度，安全与环境条件也不及湿法磨矿。磨矿产品的细度和料粒度分布与给料的粒度分布、煤炭的特理性质、磨机的类型与结构、磨机运行工况等因素密切相关。

5 制浆设备

    制浆设备主要包括球磨机、输浆泵、搅拌器等。我国已开发出多种类型的水煤浆专用磨机（球磨机、振动磨机），基本可以满足水煤浆制备的要求。我国的水煤浆专用磨机最大的处理量为15万吨／年，随着制浆规模的扩大，需要进一步开发大型、高效的球磨机，以降低制浆成本。

6 水煤浆添加剂技术

    水煤浆添加剂有多种，不可缺少的是降粘分散剂与稳定剂。其中分散剂最为重要，它直接影响着水煤浆的质量和制备成本。

6.1 分散剂

煤炭的表面具有强烈的疏水性，与水不能密切结合成为一种浆体，在较高浓度时只会形成一种湿的泥团。在制浆中加入少量的分散剂改变煤粒的表面性质，使煤粒表面紧紧地为添加剂分子和水化膜包围，让煤粒均匀地分散水中，并提高水煤浆的流动性，用量约为煤的l%。由于各地煤炭的性质千差万别，适用的添加剂配方亦各有异同。

6.2 稳定剂

水煤浆毕竟是一种由固、液两相粗分散体系，煤粒又很容易自发地彼此聚结。在重力或其他外加质量力作用下，发生沉淀是不可避免的。为防止发生硬沉淀，必需加入少量的稳定剂。稳定剂有两方面的作用，一方面使水煤浆具有剪切变稀的流变特性，即当水煤浆静置存放时有较高的粘度，开始流动后粘度又可迅速降下来；另一方面使沉淀物具有松软的结构，防止产生不可恢复的硬沉淀。

    7 水煤浆国家标准

2002年10月18日发布，2003年4月1日实施的国家标准（水煤浆技术条件）

项目	技术要求	试验方法
浓度c/%     粘度（在浆体温度20℃，剪切率1OOS-1时）mPas 发热量Qnet.cwm/(MJ/kg)   灰分Acwm/%	I级: >66.0 Ⅱ级:64.1-66.0 Ⅲ级: 60.1-64.0 <1200 I级: >19.50 Ⅱ级:18.51-19.50 Ⅲ级: 17.00-18.50 I级：<6.00 Ⅱ级6.00-8.00 Ⅲ级：8.01-10.00	GB/T18856.2   GB/T18856.4 GB/T18856.6   GB/T18856.7
硫分Stcwm/%     煤灰熔融性软化温度ST/℃ （适合于固态排渣方式） 粒度    Pcwm.+0.3mm/%     Pd.-0.075/% 挥发分Vdaf/%	I级：<0.35 Ⅱ级0.35-0.65 Ⅲ级：0.66-0.80 >1250℃   I级: <0.03 Ⅱ级 0.03-0.10 Ⅲ级: 0.11-0.50 >75．O l级：>3.00 Ⅱ级20.01-30.00 Ⅲ级：≤20.00	GB/T18856.8     GB/T18856.10 GB/TI8856.3     GB/T18856.7

 

(1) 水煤浆产品应贮存在具有适当搅拌装置的有盖容器中，并依据搅拌能力定期搅拌。

    (2) 水煤浆产品用洁净的封闭容器运输或管道输送。

    (3) 每批出厂的产品都应附有检验报告，报告内容包括：产品名称、贮存条件、供方名称、产品技术条件、批号、净重、发货日期等。

    8 水煤浆运行比较

    8.1 与煤比：

    Ⅱ类烟煤的热值约5000kcal/kg，在运输和堆放过程中有较大损失，而且煤的燃烧效率低约70%左右，常用新的燃煤锅炉热效率一般在75%左右；而水煤浆的热值为4800kcal/kg，燃烧效率在98%以上，锅炉热效率在85%以上，由此看来，虽然水煤浆热值较原煤相近，但由于其综合利用效率高，单位水煤浆的有效发热量要比原煤的有效发热量高得多。

    8.2 与油比：

    重油和轻油的热值约1OOOOkca/kg，水煤浆与油的热值比为4800/10000=0.48；正常情况下水煤浆炉与油炉的整体热效率差不多。因此，大体上烧2.2吨水煤浆与烧1吨油产生的热量相当。现在轻油的市场价格在40000元／吨左右，额定蒸发量6T/H以上锅炉燃轻油的长期运行成本一般用户很难承受；重油价格以2200元／吨计，燃重油锅炉吨蒸汽的综合成本不低于150元，这对用户来说也是一笔沉重的负担，增加了生产成本，降低了企业和产品的市场竞争力。况且重油属于重污染燃料，在环保方面的审批、治理、排污费等问题上还将需要花费较大的人力和财力。

8.3 常用的几种燃料综合分

可以大致得出如下表所示的成本对比：

 

燃料种类	热值 ( Kcal)	单价 （元）	发热地成本 /KCAL（元）	锅炉效率	燃料成本比较 (以煤为1OO)
煤/千克 水煤浆／千克 重油／千克 天然气／米3 轻柴油／千克 城市煤气／米3 电／千瓦时	5000 4800 10000 8400 10000 3400 860	0.50 0.65 2.00 2.30 3.50 1.20 0.60	O.10 0.135 0.20 O.17 0.35 0.35 0.70	65% 82% 83% 88% 86% 88% 98%	1OO 107 158 203 266 262 466

 

    由上表中可以看出，水煤浆对于油和气的长期运行成本优势是相当明显的，其带来的经济效益是显著的。烧水煤浆与燃重油相比，能够为用户降低至少40%的能源生产成本，与燃轻柴油或天然气相比则更为明显。

    9 水煤浆环保分析

    可以看出，2000年之后实施的项目其中灰分(A)、二氧化硫(S0₂)、氮氧化物(NOx)的排放都达到国家标准规定的一类地区Ⅱ时段排放标准。

锅炉类别	适用区域     一类区	烟尘排放浓度 (mg／m3) I时段    II时段 100    80	烟气黑度 林格曼黑度、级 1
燃    自然通风锅炉 煤    其它锅炉 锅 炉 燃    轻柴油、煤油 油 锅    其它燃科油 炉	二、三类区 一类区 二类区   一类区 二、三类区 一类区 二、三类区	150    120 100     80 250    200   80     80 100    100 1O0     80 200    150	l     1   1

 

    一类区和二、三类区系指GB3095-1996《环境空气质量标准》中所规定的环境空气质量功能区的分类区域。

    Ⅰ时段：2000年l2月31日前建成使用的锅炉；

    Ⅱ时段：2001年1月1日起建成使用的锅炉（含在Ⅰ时段立项未建成或术运行使用的锅炉和建成使用锅炉中需要扩建、改造的锅炉）。

锅炉类别	适用区域	S02排放浓度 l时段	.(mg/m3) l时段	NOx排放浓度 1时段	( mg/m3) Ⅱ时段
燃煤锅炉 燃油 轻柴油、煤油 锅炉 其它燃料油	全部区域 全部区域 全部区域	1200 700 1200	1200 700 1200	／ ／ ／	／ 400 400*

 

     10 水煤浆环保排放分析

     水煤浆是由洗选后精煤加工而成，所以它本身灰分(A)、二氧化硫(S0₂)、氮氧化物(NOx)的含量就较低，这是燃水煤浆锅炉环保排放指标较好的根本原因。

    我们选择几家有代表性的已建成运行的用户，环保排放测试参数如下表：

 

应用单位	锅炉容量	林格曼烈度	烟尘浓度 mg/m3	S02 mg/m3	NOx mg/m3
茂名热电厂   青岛纸箱厂 青岛华盾化工厂 白杨河电厂 北京造纸一厂 青岛八面通 八一水煤浆厂 苏州林通染料化工	220T/H   4T/H 2T/H 230T/H 60T/H IT/H 4T/H 4T/H	a<l   <1 <l <1 <1 <1 <l <1	38.08 (137.61) 65.3 72.3 135.2 255 82.3 65.3 19.43	360   410 385 405 407 376 410 343	／   / ／    495.1 21.9 605.98 ／ ／

11 水煤浆环保性能分析

     随着人们生活水平的提高，对环境的质量要求越来越高，特别是大气污染物的排放，许多城市都相继出台了一系列治理锅炉废气污染的文件，如：

    上海市经贸委和环保局于2001年6月以沪经节(2001) 407号文件形式规定了市区内燃煤锅炉及工业炉窑改清洁能源的实施办法。

    苏州市计委、经委、环保局、技临局联合以苏环(2001) 303号文件形式提出加强控制燃煤大气污染，规定在2005年前在禁煤区和控煤区淘汰燃煤锅炉和窑炉。

    所有这些文件都提出淘汰原煤、重油等高污染燃料，使用清沽能源。对于企业米说，寻找‘种能满足上述要求而又成本较低的替代能源成为了燃眉之急，水煤浆作为一种新兴的洁净能源，提供了完美的解决方案。

    根据最新的环保要求，上海地区所要执行的锅炉及炉窑污染物排放标准（GWPB3-1999）的具体要求如下表所示：(单位：ITig／m³)

适用区域	烟尘初始排放浓度	s02排放浓度	烟尘排放浓度		烟气燃度
一类区 二类区 三类区	2000（I时段）   1800（Ⅱ时段）	1200（I时段）   900（Ⅱ段）	100(1时段) 250(I时段) 350(I时段)	80(Ⅱ时段) 200(Ⅱ时段) 250(Ⅱ时段)	1级

 

水煤浆在各个排放指标上都能达到国家最高要求，并且特别在S0₂和NOx排放上更是有显著优势，其一般的环保测试指标如下：

	烟尘排放浓度	S02排放浓度	烟气黑度
国家最高标准 燃水煤浆	80mg/m3 80mg/m3以下	900mg/m3 <400mg/m3	1级 0-0.5级

 

    以下作分项说明：

    (1) 二氧化硫S0₂排放：

    排放浓度：从实测数据看，在没有任何脱硫装置的情况下在400mg/m³以下，如果有脱硫措施或燃用环保型水煤浆的话，可以降得更低。

    原理分析：从能源结构构成来看，水煤浆是由精煤加工而成，含硫量一般小于0.5%（某公司提供的成品浆为0.4%左右），而重油的含硫量一般在2%左右，原煤含硫量1-2%。因此，燃烧水煤浆时的二氧化硫排放量要远远低于燃油和燃煤，即每燃烧2吨水煤浆相当于燃烧1吨重油的S0₂排放量的二分之一还不到。

    以0.45%含硫量水煤浆为例，如果其中的硫分理论上全部转化为S0₂，并且不作任何脱硫处理直接对外排放的话，其排放浓度在900mg/m³左石，也能基本上达到环保要求，但从实际结果来看要远低于此，根据在枣庄、青岛、北京、广东以及在苏州当地用不同的样本测出的指标基本上都在350 mg/m³ 左右，这说明水煤浆自固硫的功能较强，达到50%左右，如果再有脱硫措施的话，其排放浓度完全可以降到200mg以下。

结论：

    在这一点上水煤浆对比重油和原煤是有较大优势的，如果原煤想要达到同样的效果那么对脱硫装置的要求是相当高的，并且只能勉强达标。或者选用每吨600多元的低硫精煤，那成本又大大上升，并且要高于燃水煤浆。由于上海地区被列入国家二氧化硫污染和酸雨两控区，对S0₂排放治理将会越来越严格，水煤浆在这个指标上的优势将更加明显。

    (2) 烟尘排放：

    排放浓度：从实测数据来看，在一般除尘效率下，在200mg以下，如果除尘效率较高的话，可达到很高的标准，如林通公司4T/h燃浆锅炉，经过水膜除尘后，其烟尘排放的测试浓度为20mg/m³，完全达到环保指标。

    原理分析：烟尘排放主要取决于原煤中的灰分以及煤粉的燃烧效率。水煤浆由洗选后的精煤制成，本身原料煤中的灰分含量就很低，某公司提供的成品浆灰分在6.7%左右，远低于一般原煤的灰分值。在燃烧效率方面，由于水煤浆是经过雾化后喷射燃烧，其燃烧效率非常高（可达98%以上），烟尘中的含碳量很少，林格曼黑度可达零级。由于水煤浆中的煤颗粒直径只有4pm左右，很微小，经充分燃烧后，其排放出的烟气为灰白色粉末，比较容易除尘。

    结论：对比燃烧时烟卤黑烟滚滚，烧水煤浆时基本上看不出烟卤冒烟，这彻底的扭转了由于烧煤炉带来的破坏城市景观形象问题。水煤浆燃烧后的微细烟尘经与水处理沉淀后可用作建筑原料，不会产生象燃煤炉燃烧后那样较大的灰渣。由于水煤浆的运输、储存以及泵送燃烧都是在密闭的管道和容器中进行，不会象堆煤那样产生扬尘，对作业环境以及周围居住环境也不会带来污染。

    (3) 氮氧化物NOx排放：

    排放浓度：在三大污染物中，NOx目前还不太为人们所重视，但其污染性不可小瞧。据悉，国家有关部门正在制定有关NO。排放的控制指标，不久将会出台NO。排放的收费标准。

    原理分析：NOx的排放与燃烧技术紧密相关，并且和燃烧温度成指数对应关系，由于水煤浆燃烧温度比燃油和燃煤温度低了100度左右，使得燃用水煤浆锅炉的NOx排放量远低于燃油或燃煤、燃气锅炉。如下表所示是桂林轧钢厂加热炉改烧水煤浆后与改造前燃煤粉NOx的排放对比。

	燃煤粉	燃水煤浆
NOx 除尘前(mg/m3)	467.3	7.702
除尘前(mg/m3)	280.8	4.405

 

    结论：由上表中可以看出，燃用水煤浆锅炉的NOx排放量和燃煤相比是有两个数量级的差距，而且已被证明在常规燃料中是最低的。随着环保监测体系的日趋完善，对NOx排放收费已列入议事日程，燃用水煤浆无疑又可为企业省下一大笔开支。

    根据上述分析，并结合苏州市吴中区环境监督检测站对苏州林通染料化工有限公司一台4T/h燃水煤浆锅炉的监测报告(2002)环监（尘）字第(014)号，可以看出发展水煤浆不仅在宏观上可以确保国家能源安全，在微观上，它也有较大的环保优势，是一种比较理想的洁净燃料技术。