水煤漿鍋爐在福建省造紙行業(yè)中的發(fā)展前景

李顯俊 葉治成 趙莉敏 林培勤

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水煤漿鍋爐在福建省造紙行業(yè)中的發(fā)展前景

李顯俊 葉治成 趙莉敏 林培勤

（廈門鴻益順環(huán)保科技有限公司水煤漿技術(shù)研究所， 福建 廈門 361026）

面對越來越嚴重的環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展問題，尋找一種兼具節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟的能源或技術(shù)，是目前中國發(fā)展最為迫切的任務。水煤漿技術(shù)是一項深度潔凈煤技術(shù)，能夠大大地提高煤炭的燃盡率和燃燒效率，是解決我國能源問題的戰(zhàn)略選擇。

造紙行業(yè) 水煤漿技術(shù) 水煤漿鍋爐 燃燒機理 節(jié)能減排

2013年以來我國中東部地區(qū)出現(xiàn)長時間、大范圍、重污染霧霾天氣，覆蓋了1/4的國土，影響了6億人口的生活及身心健康，已經(jīng)引起中央高層的極大關(guān)注和重視。從黨中央到最高行政機關(guān)、最高立法機關(guān)、最高司法機關(guān)連續(xù)發(fā)出了環(huán)境保護和生態(tài)文明建設(shè)的最強呼聲，明確傳達了中央治理環(huán)境污染的決心。從近期國務院部署的大氣污染防治十條措施（國發(fā)[2013]37號《大氣污染防治行動計劃》）中第一條“減少污染排放”的第一點“全面整治燃煤小鍋爐”、第二點“加快重點行業(yè)脫硫脫硝除塵改造”可以看出，燃煤是造成霧霾天氣的罪魁禍首之一，整治燃煤小鍋爐已經(jīng)成為治理環(huán)境大氣污染的重中之重。

1 福建省造紙行業(yè)的燃煤鍋爐現(xiàn)狀

中國的燃煤工業(yè)鍋爐目前在用的58.48萬臺，80%以上是鏈條爐，熱效率低下，平均65%左右，比國外先進水平低15%～20%個。單機容量小，技術(shù)落后，工藝配置簡單，灰渣含碳量高，排煙溫度高，環(huán)境污染嚴重，鍋爐自動化水平低，無法根據(jù)負荷變化及時跟蹤調(diào)整各種燃燒參數(shù)，已遠遠落后與當前飛速發(fā)展的智能化和信息化要求，大多成了被淘汰產(chǎn)品和限制發(fā)展產(chǎn)品，已被列入《高耗能落后機電設(shè)備（產(chǎn)品）淘汰目錄（第一批）》。

正當全國開展全民治理大氣污染之際，《中國環(huán)境報》2013年8月2日以《福建重拳整治冒黑煙企業(yè)》為題，頭版頭條報道了福建省整治大氣污染的情況，副標題為“共排查210家，主要集中在木制品、紙制品等行業(yè)”。作為國內(nèi)造紙生產(chǎn)大省的福建省造紙行業(yè)，給我省國民經(jīng)濟建設(shè)創(chuàng)造巨大財富的同時也給大氣和環(huán)境帶來了巨大污染。這不能不引起業(yè)界人士的極大關(guān)注。報道中指出：“據(jù)了解，大部分冒黑煙企業(yè)的鍋爐（爐灶）未建設(shè)除塵設(shè)備或除塵設(shè)備運行不正?；騼H建設(shè)簡單的水路除塵設(shè)施”。

據(jù)不完全統(tǒng)計，全省共有510臺燃煤工業(yè)鍋爐，其中造紙行業(yè)（包括：造紙、印刷包裝、木業(yè)）總共82臺燃煤鍋爐，占總臺數(shù)的16%，居全省第二位（第一位是食品行業(yè)，113臺，占總臺數(shù)的22%），研究和關(guān)注我省造紙行業(yè)的鍋爐污染排放是促進我省造紙行業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的重大課題。

2 發(fā)展水煤漿技術(shù)是解決燃煤污染問題的戰(zhàn)略選擇

20世紀70年代末，國際上爆發(fā)了石油危機，使得世界各國都在尋找一種代替石油的新能源，水煤漿應運而生。中國是一個富煤、少氣、貧油的國家，水煤漿的應用和發(fā)展對于中國的煤炭利用有著特殊意義。自1983年5月攻關(guān)研制出了第一批水煤漿并試燃燒成功之后，我國的水煤漿制備技術(shù)和燃料技術(shù)發(fā)展很快，并達到了國際領(lǐng)先水平。

水煤漿是由大約65%的煤、34%的水和1%的添加劑通過一定的工藝加工后得到的一種低污染、高效率、可管道輸送的代油煤基流體燃料。它改變了煤的傳統(tǒng)儲存、運輸和燃燒方式，顯示出了巨大的環(huán)保優(yōu)勢。

同時，由于水煤漿技術(shù)將傳統(tǒng)的固態(tài)燃煤方式變成了液態(tài)霧化燃燒方式，大大地提高了煤炭的燃盡率，提高了鍋爐的熱效率，水煤漿鍋爐熱效率可達86%以上，燃盡率高達98%以上（固體煤的熱效率為70%，燃盡率為80%）。因此，水煤漿技術(shù)是一項深度潔凈煤技術(shù)，對于煤炭資源豐富的我國，水煤漿技術(shù)的發(fā)展能夠在最大程度上提高燃煤效率，降低燃煤污染，有條件成為最基礎(chǔ)、最經(jīng)濟的潔凈能源。

3 水煤漿鍋爐燃燒機理研究

水煤漿燃燒機理介于燃油及煤粉之間，兩者兼而有之，又有自身的特點。各國專家經(jīng)過多年的研究，目前比較認同的是日本學者的《水煤漿火炬燃燒物理模型》。該模型也得到我國水煤漿專家岑可法院士和徐通模教授的推薦，對水煤漿技術(shù)的推廣和應用有一定的使用價值。

圖1展示的水煤漿燃燒過程為：

霧化→漿滴結(jié)團干燥→揮發(fā)分著火燃燒→焦炭燃燒→飛灰形成→燃燒完成

3.1 水煤漿霧化階段

圖1 水煤漿火炬燃燒物理模型

霧滴滴徑從48 ～ 128μm分為6個級別，每個級別統(tǒng)計3～7個漿滴。從平均煤顆粒數(shù)可知，48μm粒徑漿滴平均會有煤顆粒56粒，64μm級平均含煤顆粒64粒，而超過100μm顆粒粒數(shù)超過100顆。大顆粒的煤顆粒形成大的漿滴，而64μm以下的漿滴中大顆粒很少，這就預示要想獲得細小霧滴，除了在霧化空氣做文章外，制漿過程中應盡量避免粗顆粒煤粒的出現(xiàn)，有利于霧化細漿滴的形成，見表1。

表1 霧滴顆粒組成

3.2 漿滴結(jié)團干燥階段（表2）

表2 水煤漿滴與煤顆粒干燥情況對比表

3.3 揮發(fā)分析出及著火燃燒階段（表3）

表3 水煤漿與煤顆粒著火特征對比表

3.4 焦炭燃盡階段（表4）

表4 水煤漿與煤顆粒焦炭燃盡階段特征對比表

3.5 飛灰的形成特性（表5）

分析：①霧化粒徑與飛灰粒徑呈正比關(guān)系，燃盡后的飛灰粒徑仍大于或接近煤顆粒，說明結(jié)團膨脹起到增粗效果，有利于除塵。②霧化粒徑反比于燃盡率，細的霧滴有利于燃盡率的提高。

表5 水煤漿霧化特性及飛灰粒徑分布特性

3.6 水煤漿飛灰與煤粉飛灰性質(zhì)的優(yōu)化對比（表6）

表6 水煤漿飛灰粒徑分布的對比表

（1）飛灰粒度分布。

① 水煤漿飛灰小于1μm的顆粒占0.11%，僅為煤粉的1/3，PM2.5污染明顯低于煤粉；

② 飛灰15μm以下的較難脫除顆粒，水煤漿飛灰占17.54%，而煤粉飛灰占42.86%，是水煤漿飛灰的2.5倍；

③ 飛灰30μm以上的較容易脫除顆粒，水煤漿飛灰占65.41%，而煤粉為33.19%，僅為水煤漿飛灰的一半。

對比表說明，水煤漿飛灰PM2.5含量少于煤粉，而易脫除的粗顆粒多于煤粉，水煤漿減排煙塵效果十分明顯。

（2）水煤漿煙氣濕度的優(yōu)越性。實踐證明，煙氣增濕可以使粉塵電阻降低到適合電除塵器有效工作數(shù)值。為此目前很多電廠以加噴蒸汽的手段來提高電除塵效率，而水煤漿30%以上的水分，對電除塵有很大優(yōu)勢。電除塵器工作的電阻一般為108～1011Ωcm，在這個數(shù)值以外，電除塵器性能都會下降。水煤漿由于水分的存在，比電阻在1011Ω·cm以下，不是高比電阻粉塵，用常規(guī)電除塵法可以實現(xiàn)收集。煤粉飛灰的比電阻在1010～1013Ω·cm，比水煤漿飛灰高1～2個數(shù)量級，電除塵效率要低于水煤漿飛灰，見表7。

表7 水煤漿灰樣與煤粉灰樣的比電阻實測值 Ω·cm

4 水煤漿鍋爐是減排PM2.5的重要手段

水煤漿鍋爐的最大優(yōu)勢是減排PM2.5，這可以從下述水煤漿鍋爐燃燒前后的工藝流程及效果的剖析過程得到證實，見表8。

表8 水煤漿鍋爐減排PM2.5工藝流程及效果

4.1 選煤提質(zhì)

從源頭上減少燃煤煙氣中的灰分和二氧化硫等污染物的手段是煤炭的洗選。洗煤可以去除50%～80%的灰分和40%～50%的硫分。降低原煤灰分不僅減少煙氣含塵量，還能提高燃燒效率。每入選1 億t原煤，可以減少燃燒排放二氧化硫150 萬t，而選煤的脫硫成本只有煙氣脫硫的1/2。

國外入選率都較高，美國55%，德國95%，英國75%，澳大利亞75%，加拿大60%，而我國1980年18.4%，1985年16.4%，1990年17.7%，1995年15.6%，2000年31.7%，2005年32.0%，要趕上國際先進水平還有很長的路要走。

發(fā)展選煤是用好我國豐富煤炭資源的基本策略和解決燃煤污染的根本途徑。水煤漿技術(shù)率先較全面地應用選煤產(chǎn)品和優(yōu)質(zhì)煤炭，所以一般水煤漿灰分<10%，硫分<0.8%，這為節(jié)能減排提供了先決條件。

4.2 濕磨制漿

濕法磨礦無粉塵污染，封閉輸送節(jié)約能耗，生產(chǎn)、運輸及燃用便捷安全。

4.3 水煤漿懸浮霧化燃燒

水煤漿燃燒因有29%～35%的水分，燃燒溫度低，可實現(xiàn)低氮氧化物燃燒，火焰射流及煙氣速度較高，鍋爐的自清能力較強，爐壁污染系數(shù)較低，有利于熱效率的提高。

4.4 漿滴結(jié)團

霧化漿滴包含多顆煤粒，干燥后會結(jié)團，呈群粒燃燒，點火和燃燒溫度較低，更重要的是結(jié)團燃燒灰顆粒較粗，產(chǎn)生的PM2.5顆粒極少。

4.5 爆裂燃燒

結(jié)團顆粒不像煤塊那么緊密，在溫度升高后團粒硬殼在內(nèi)部壓力下會產(chǎn)生爆裂，表面積增大，有利于完全燃燒。由于爆裂后的顆粒是不規(guī)則形狀，有利于過濾除塵。

4.6 多孔膨脹

升溫后的團粒內(nèi)部揮發(fā)分析出后形成大量孔隙，氧氣充分進入，燃燒充分。也由于孔隙增加，使顆粒膨脹，有利于形成多面接觸氧氣而完全燃燒。膨脹后團粒有利于燃盡后形成大的灰粒，使除塵更容易。

4.7 水煤漿鍋爐的布袋除塵

上述充分燃燒的全過程使得水煤漿的燃盡率可達到98%以上。

由于灰顆粒較粗，爐內(nèi)排渣量可占灰分的20%～25%，比粉煤爐高1倍，減少除塵壓力。

由于水分存在，排煙溫度不超過150℃，有利于布袋除塵。

4.8 水煤漿鍋爐的電除塵

因煙氣中水蒸氣較多，飛灰的比電阻較粉煤灰低1～2個數(shù)量級，有利于靜電除塵除灰，加之飛灰粒徑較粉煤灰粗，電除塵效率較粉煤好。

4.9 水煤漿飛灰脫硫

由于原料含硫量的減少，且水煤漿添加劑多為堿性物質(zhì)，在燃燒過程中有一定脫硫效果，加之采用噴淋堿液脫硫，一般SO2排放可低于100 mg/m3的較好水平。

4.10 水蒸氣裹塵外排

經(jīng)過爐內(nèi)集渣和爐外除塵，排煙氣流中的飛灰已經(jīng)很少，只占總灰量的0.5%～1.0%。這些少量飛灰夾雜在大量水蒸氣中被水分包裹起來外排，形成較大的霧滴可以降落在地面，使其無法在大氣中形成有害的PM2.5顆粒。

通過上述十個相互疊加的燃燒工藝過程，最終實現(xiàn)水煤漿鍋爐最大限度減排PM2.5污染的目標。

5 水煤漿鍋爐代油代煤的經(jīng)濟效益

5.1 代油效益

以廈門鎢業(yè)2臺6 t水煤漿鍋爐替代2臺10 t燃油鍋爐的實例分析：原10 t燃油鍋爐，平均月供汽量3 300 t，年總供汽量3.96 萬t。現(xiàn)6 t水煤漿鍋爐，平均月供汽量5 500 t，年總供汽量6.6萬t。原燃油鍋爐噸蒸汽耗油平均是74 kg，以3 800元/t燃料價格計算，每噸蒸汽燃料費用為281.2元。

水煤漿鍋爐噸蒸汽耗漿量為175 kg，水煤漿價格按照950 元/t計算，噸蒸汽燃料費用為166.25元，另外水煤漿鍋爐比燃油鍋爐增加30元/t的運行費用，總計水煤漿鍋爐噸蒸汽價格比燃油鍋爐低84.95元。全年節(jié)約費用6.6萬t×84.95元/t=560.67萬元，改造水煤漿鍋爐費用為500萬元，一年即可收回投資。

5.2 水煤漿代煤效益

國內(nèi)最早開展水煤漿研究和推廣應用的中國礦業(yè)大學，多年前對山東省煤礦中小燃煤鍋爐改燒水煤漿進行了調(diào)查研究，證明水煤漿代煤不僅解決了環(huán)境污染問題，節(jié)約了煤炭，在經(jīng)濟效益上也與燃煤基本相當，具體見表9。

從表9可以看出，三家企業(yè)燃煤鍋爐改燒水煤漿后，節(jié)煤效果十分明顯，達到40%左右。經(jīng)濟方面，雖然水煤漿燃料費與電耗比燃煤高，但維修費用和人工費用比燃煤低，總費用水煤漿仍低于燃煤。

表9 中小型燃煤鍋爐改燒水煤漿節(jié)能及經(jīng)濟效益表

表9中數(shù)據(jù)雖然為多年前的調(diào)研結(jié)果，但目前煤價與水煤漿價格比值與上述情況基本相當，基本經(jīng)濟數(shù)據(jù)相似，而環(huán)保、自動化水平等方面，水煤漿都優(yōu)于燃煤很多。

上述三例只是對燃燒系統(tǒng)的局部改造，就體現(xiàn)了水煤漿節(jié)能效果，要想達到理想節(jié)能減排目的，應進行系統(tǒng)的全面改造，才能真正體現(xiàn)水煤漿的全部優(yōu)勢。

6 結(jié)束語

福建省造紙行業(yè)燃煤鍋爐82臺，共計需要水蒸氣約500 t/h，如果用水煤漿替代燃煤鍋爐，將需要90 t/h的水煤漿，可實現(xiàn)節(jié)約標煤14t/h，減排SO21.20 t/h，減排粉塵 0.93 t/h，減排NOX0.15 t/h，按全年運行6 000 h計算，每年可以節(jié)約標煤8.4 萬t，減排SO27 200 t，減排粉塵 5 580 t，減排NOX900 t。

經(jīng)過三十年的水煤漿技術(shù)攻關(guān)，在燃燒領(lǐng)域沒有任何一種燃料和燃燒方式可以像水煤漿燃燒一樣，解決節(jié)能和減排SO2、NOX和PM2.5粉塵污染問題，同時還具有顯著的經(jīng)濟效益。因此，在當今社會面臨環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展雙重壓力的形勢下，水煤漿鍋爐在福建省造紙行業(yè)中的發(fā)展前景是客觀的。

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江蘇省造紙學會第十二屆學術(shù)年會在南京召開

2013年11月23日，江蘇省造紙學會第十二屆學術(shù)年會在南京林業(yè)大學南林大廈三樓多功能廳召開。江蘇省科協(xié)新技術(shù)推廣中心主任張玲玲、江蘇省造紙行業(yè)協(xié)會副會長李長林、浙江省造紙行業(yè)協(xié)會副秘書長鄭夢樵和南京林業(yè)大學副校長李萍萍教授、科技處處長勇強教授等出席會議并在開幕式上致辭；來自全省造紙及相關(guān)企業(yè)，有關(guān)院校、研究所會員與非會員單位的代表、專家學者、研究生代表以及省內(nèi)外來賓120多人參加了會議。開幕式由江蘇省造紙學會秘書長、南京林業(yè)大學輕工科學與工程學院副院長景宜教授主持。

江蘇省造紙學會理事長、南京林業(yè)大學輕工科學與工程學院院長張輝教授代表第五屆理事會介紹了江蘇省造紙學會近年來重點工作情況，闡述了本屆年會的主題是“節(jié)約資源，循環(huán)利用，實現(xiàn)江蘇造紙綠色可持續(xù)發(fā)展”，目的是努力為我省造紙行業(yè)提供一個技術(shù)交流與科技創(chuàng)新的平臺，促進江蘇造紙工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，資源高效利用，綠色低碳循環(huán)發(fā)展，進一步提升江蘇造紙大省強省的地位，同時對本次年會的召開提出了要求。

開幕式后，年會特邀中國林科院林產(chǎn)化工研究所副所長房桂干教授、勝達集團江蘇雙燈紙業(yè)有限公司總經(jīng)理趙林、江陰新浩再循環(huán)紙業(yè)有限公司副總經(jīng)理劉丙香、南京林業(yè)大學輕工科學與工程學院周小凡教授和芬歐匯川（常熟）研究開發(fā)有限公司張燕總經(jīng)理就造紙節(jié)能減排、資源利用和結(jié)構(gòu)調(diào)整等方面做了主題報告。下午，會議選擇了代表性論文7篇進行了學術(shù)交流。

本屆學術(shù)年會共征集會議論文84篇，評選產(chǎn)生了優(yōu)秀論文一等獎4名、二等獎8名和優(yōu)秀獎9名。閉幕式為獲獎論文舉行了頒獎儀式，學會理事長張輝教授做了總結(jié)講話。本屆學術(shù)年會的召開，有利于增進學會與會員單位的相互了解，交流學術(shù)觀點，促進江蘇造紙行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展，為實現(xiàn)“綠色造紙”提供動力。