水煤漿技術在節(jié)能減排中的戰(zhàn)略意義

李顯俊葉治成（.廈門鴻益順環(huán)?？萍加邢薰? 福建 廈門 36026； 2.原國家水煤漿技術委員會, 福建 廈門 36026）

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水煤漿技術在節(jié)能減排中的戰(zhàn)略意義

李顯俊1、2葉治成1
（1.廈門鴻益順環(huán)?？萍加邢薰? 福建 廈門 361026； 2.原國家水煤漿技術委員會, 福建 廈門 361026）

摘 要：從水煤漿燃燒機理可知，水煤漿滴結團、爆裂并多孔群粒燃燒，最終少量PM2.5微粒在水蒸氣相變中被凝并長大，極易被清除掉。這一系列燃燒特性使水煤漿在燃燒中的減排效果相當于燃氣水平，而成本低至與傳統(tǒng)燃煤相當。因此，水煤漿技術是解決燃料源PM2.5最現(xiàn)實可行的戰(zhàn)略選擇。

關鍵詞：燃燒機理 蒸汽相變長大 節(jié)能減排 集成效果

0　前 言

近兩年來，正當霧霾肆虐整個中國之時，各地媒體相繼傳出一種可喜的聲音，給人們帶來一線希望。廣西南寧人喊出：“潔凈水煤漿讓天空更藍”；山東濟南人喊出：“水煤漿環(huán)保鍋爐將成PM2.5克星”；廈門人在新能源國際博覽會上打出大幅通欄大標題：“水煤漿技術是治理PM2.5時代的戰(zhàn)略選擇”。就在2013年10月30日，人民日報都醒目刊登了這樣的標題：“我國水煤漿技術已經(jīng)成熟——把煤變成清潔能源”，“燃燒水煤漿，成本與傳統(tǒng)燃煤相當，排放之少可與燃燒天然氣媲美[1]”。這些都是對水煤漿技術的真實寫照和肯定。證明經(jīng)過30年發(fā)展的具有中國特色的水煤漿技術，在燃燒領域沒有任何一種燃料和燃燒方式可以像水煤漿一樣具有廉價且節(jié)能、代油、減排SO2和NOx、防治粉塵污染等優(yōu)勢。

水煤漿技術之所以有上述優(yōu)勢，主要得益于水煤漿在燃燒中具有漿滴結團、爆裂、多孔群粒燃燒的特性；以及先進的水蒸氣相變促進燃燒源PM2.5凝并長大，最終被高效清除的一整套獨特的節(jié)能減排工藝過程。這些都是其他燃燒方式所不具備的。

1　水煤漿燃燒機理

水煤漿燃燒機理介于燃油及燃粉煤之間，除這兩者特長兼而有之以外，又有其自身的特點。水煤漿屬于霧化燃燒，每個漿滴含有數(shù)十顆的煤粒，在漿滴水分蒸發(fā)時會使多顆煤粒凝結結團，干漿滴結團會形成大量孔隙。隨著揮發(fā)分釋放并燃燒，結團煤粒粒徑膨脹增大。膨脹的焦炭漿滴在燃盡階段發(fā)生爆裂，從而增加燃燒表面積，使燃燒速度加快。同時水蒸氣擴散到煤粒表面與碳發(fā)生氣化反應，生成CO和H2，從而進一步提高燃燼率[2]。水煤漿的這種燃燒過程，使其燃燒效率高達98%~99%，鍋爐熱效率達85%以上。

2　水煤漿燃燒過程中降低煙氣污染物的優(yōu)勢

2.1 霧滴結團群粒燃燒

由于霧滴結團群粒燃燒，燃燒后飛灰粒徑會變粗，接近或大于煤顆粒，而粉煤燃燒后顆粒會變得十分細小，從對比飛灰測試分布數(shù)據(jù)可知，水煤漿飛灰中小于PM1超細顆粒占0.11%，而煤粉占0.31%，是水煤漿的3倍。對比飛灰小于15 μm以下的難脫除顆粒，水煤漿飛灰只有17.54%，而煤粉飛灰占42.86%，是水煤漿飛灰2.5倍;大于30 μm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。

這些對比表明，水煤漿飛灰PM2.5含量少于煤粉，易脫除的顆粒多于煤粉，說明水煤漿減排煙塵效果十分明顯。

2.2 水煤漿燃燒中可降低NOX生成

煤炭燃燒NOx生成主要有兩種類型，即燃料型和熱力型。熱力型NOx與爐內(nèi)燃燒溫度有關。水煤漿含有35%的水分需要蒸發(fā)，會使鍋爐的燃燒溫度比粉煤爐低100~200 ℃，使水煤漿爐膛溫度較低，一般不超過1 200 ℃。故水煤漿鍋爐熱力型NOx基本不會生成，可以忽略不計。因此，水煤漿是一種低氮氧化物燃燒技術。我們知道NOx不僅是一次污染物，而且是二次污染物PM2.5的前體物。在污染治理上，NOx比SO2更難治理，其工藝復雜，運行成本也高，已是我國大氣污染治理的一大難題。水煤漿技術這種獨特的先天性的爐內(nèi)脫硝特性，具有極高的環(huán)保和經(jīng)濟優(yōu)勢。

2.3 水煤漿的二氧化硫爐內(nèi)減排

水煤漿原料大多是經(jīng)過洗選脫灰脫硫的，一般原料煤含硫量在0.6%~0.8%，屬于低硫煤。但想要達到嚴格的環(huán)保要求，還需對煙氣進一步脫硫。如能夠在燃燒中進行脫硫，有可能達到事半功倍的效果。水煤漿的優(yōu)勢之一就是可以利用制漿過程選取堿性較強的水煤漿添加劑，讓這些堿性物質在燃燒中與SO2發(fā)生中和反應生成硫酸鹽沉淀達到爐內(nèi)脫硫的效果。另外對較高的含硫煤還可以在制漿過程中添加專用脫硫劑，成為脫硫型環(huán)保水煤漿，脫硫效率可達70%~80%。北京燕山石化水煤漿鍋爐就是采用環(huán)保脫硫水煤漿達到燃氣水平而通過奧運檢測的。

2.4 水煤漿的濕性煙氣可以改善電除塵的比電阻，提高除塵效率

實踐證明采用電除塵是降低煙塵的經(jīng)濟而有效的辦法，而電除塵的重要指標是粉塵的比電阻，只有在較低的比電阻（108~1011Ω）下電除塵才能達到較好的水平。一般粉煤的比電阻在1012~1013Ω以上[3]，需要對煙氣增濕才能降低比電阻，達到較好除塵效果；而水煤漿煙氣濕度很大，比電阻一般低于1010Ω，很適合電除塵工藝要求。因此水煤漿技術是最適合電除塵要求的，除塵效率可達90%~95%以上。

2.5 水煤漿煙氣水蒸氣相變促進PM2.5凝并長大而極易脫除

現(xiàn)有的除塵技術如靜電除塵、布袋除塵、旋風除塵和濕法除塵，對PM2.5的清除效率都很低。目前國內(nèi)外脫除PM2.5或更細的顆粒物的主要途徑是在除塵器前設置預處理設施，使其通過物理或化學作用長大成較大顆粒后加以脫除，如電團聚、聲團聚、磁團聚、熱團聚、光團聚和化學團聚等。它們對除塵效率的提高或多或少都能起一定作用，但耗費能源太大，工藝復雜，適應性有限。在煙氣中噴水或加水蒸氣相變的科研成果可以促進微粒凝聚增大，被認為是一項頗具有應用前景的項目。其主要原理是：以PM2.5微粒為凝結核，通過水蒸氣的冷凝作用，使微粒質量增大，從而使微粒較易慣性碰撞而被捕集[4]。

研究表明這種水蒸氣相變技術的影響因素主要與灰粒的潤濕性和表面粗糙程度有很大關系。如表面粗糙會降低顆粒與水蒸氣間的接觸角，能改善顆粒的潤濕性能，這時顆粒越容易核化。光滑的煤粉灰顆粒表面成核速率和幾率都很低。水煤漿灰粒是一種表面多孔粗糙的顆粒，很易凝并長大，何況水煤漿含水30%~35%，其蒸氣是自帶的，并且有較高的溫度級差，完全能滿足水蒸氣相變的各種條件。粉煤加濕要耗費能源及大量水資源，而且顆粒又是光滑的球體，兩者水蒸氣相變凝聚效果和經(jīng)濟性差距很大，說明水煤漿在脫除PM2.5上具有很大優(yōu)勢，不是粉煤所能比的。

2.6 水煤漿環(huán)境效益小結

（1）實踐證明，經(jīng)過30年發(fā)展的水煤漿技術，在燃燒領域沒有任何一種燃料和燃燒方式可以像水煤漿一樣具有廉價且節(jié)能、減排SO2和NOX、防治粉塵污染等綜合優(yōu)勢，而且有顯著的經(jīng)濟和社會效益。

（2）水煤漿燃燒中漿滴結團、爆裂、多孔群粒燃燒及最終水蒸氣裹塵外排等特性是一種最先進、高效率、低污染的燃燒方式，尤其是在解決當前PM2.5污染上值得大力推廣應用。

（3）水煤漿中的水分不僅使煤炭加工和運輸能在環(huán)保、安全的情況下實現(xiàn)，而且在燃燒終結時用水蒸氣相變的功能把煙氣中有害的、致命的PM2.5降下來，發(fā)揮積極作用。

3　水煤漿技術的戰(zhàn)略意義

回顧和總結中國水煤漿技術30年的發(fā)展經(jīng)歷，可以歸納以下戰(zhàn)略成果：

（1）水煤漿技術讓貧油富煤的中國尋找到一個最現(xiàn)實最可行的煤代油氣途徑，在保證國家能源安全上起著舉足輕重的作用。

（2）水煤漿技術和其他潔凈煤技術共同解決了提高煤炭高效利用的問題，使傳統(tǒng)燃煤效率從80%左右提高到98%以上，熱效率由65%左右提高到85%~90%，節(jié)煤效率20%~30%。

（3）水煤漿技術可以解決現(xiàn)代化煤炭生產(chǎn)加工中越來越多粉煤利用和處理難題，促進了中國潔凈煤技術的全面發(fā)展。

（4）水煤漿應用范圍之廣、適應性之強也勝過其他燃燒方式，因此被廣泛應用于電站鍋爐、工業(yè)鍋爐和工業(yè)窯爐等不同的燃燒領域，服務于國民經(jīng)濟的各個行業(yè)。

（5）水煤漿是理想的氣化原料，不僅氣化率高且極大地擴大了氣化原料煤品種，在化工行業(yè)起到了革命性變化。

（6）水煤漿由于制備簡單、儲運方便、節(jié)能環(huán)保，可以成為今后中國分布式能源結構的理想經(jīng)濟燃料，具備與天然氣相輔相成共同發(fā)展的作用。

（7）水煤漿技術可以解決煤炭應用中的安全問題，在生產(chǎn)、運輸、儲存和燃用過程中不自燃、不爆炸。

（8）水煤漿濕法封閉生產(chǎn)運輸，解決煤炭運輸銷售環(huán)節(jié)中大量損耗問題。

（9）如水資源不存在問題，水煤漿管道運輸是煤炭長途運輸?shù)淖罱?jīng)濟手段，它比輸電、鐵路運輸和汽車運輸節(jié)約30%~50%的成本。

（10）最重要的是水煤漿在解決煤炭高污染問題上，不僅能很好地解決粉塵、SO2和NOX的高污染難題，更是解決燃煤PM2.5的最經(jīng)濟有效的手段。

更為重要的是，水煤漿技術的集成作用，除解決自身節(jié)能環(huán)保問題之外，還在深入地轉向解決社會其他行業(yè)的污染治理難題。如15年前為解決造紙黑液污染而開發(fā)的黑液水煤漿，以及近些年很多院所集優(yōu)勢科研力量攻克的煤泥水煤漿和污泥水煤漿，都在科學地延伸水煤漿技術的核心原理，攻克社會經(jīng)濟領域的不同污染難題，并取得一定的科研成果，很多已在向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。

4　謹防水煤漿被“控煤”誤傷

目前，我國東部沿海省份為解決大氣污染問題，陸續(xù)出臺控制煤炭消費總量的政策，鼓勵以氣代煤以減少污染排放和降低霧霾發(fā)生。這些措施都是合理和及時的，因為燃煤確實是當今形成霧霾的重要成因之一，但是近期，某些地區(qū)將水煤漿列入“臟煤”行列并禁燃，這是對水煤漿技術的嚴重打擊，更是嚴重違背水煤漿技術真實狀況和突出的減排PM2.5特性，是一件極不公正的冤案。

還有人說“目前已發(fā)展的一些新型鍋爐燃燒技術，且已應用于工業(yè)鍋爐，但問題較多，特別是水煤漿燃燒技術，能效與污染定量分析結果表明，它的能源環(huán)境效益都低于燃燒同煤種的鏈條爐。[5]”然而大量事實證明，占據(jù)中國燃煤工業(yè)鍋爐的80%以上是以鏈條爐為代表的層燃爐，它們早已被公認為中國大氣污染的罪魁禍首和節(jié)能減排的絆腳石，所以國家才三令五申屬于淘汰之列。大量監(jiān)測數(shù)據(jù)擺在那里，水煤漿鍋爐和粉煤爐燃燒效率98%左右，熱效率85%以上，而鏈條爐燃燒效率只有80%，熱效率65%[6]，兩者相差近20個百分點。各地大量事實也都證明水煤漿鍋爐和粉煤爐可以節(jié)煤20%~30%，難道還比不上鏈條爐嗎？更為突出的是水煤漿鍋爐的良好環(huán)保效果“可以與天然氣相媲美”，更是鏈條爐所望塵莫及的。我們要不斷淘汰舊技術，才能把國家“大氣10條”真正落實到位。

5　結束語

中國能源電力學科帶頭人，中科院徐士高院士20年前就肯定了水煤漿技術的應用前景：“水煤漿是一種新型清潔燃料，它以煤炭為主料，以水、化學添加劑為輔料組成，經(jīng)過專門的設備研磨細化，并充分混合均勻，在化學添加劑的作用下，制造均勻穩(wěn)定的水煤漿。改變傳統(tǒng)燃煤鍋爐的固態(tài)燃燒方式，而以水煤漿在高壓液態(tài)霧化噴燃方式取代。充分整合了液態(tài)燃料，空氣、水的種種燃燒的化學物理特點，促進了燃燒燃盡率的大幅提高。又減少了主要污染物的氣體排放量，以及充分實現(xiàn)了環(huán)保又節(jié)能的社會效益和企業(yè)效益。”幾十年來水煤漿的發(fā)展取得了很大成果，相信這種具有中國特色的潔凈能源技術一定能為實現(xiàn)“中國夢”和“美麗中國”做出貢獻。

參考文獻：

[1] 鮑丹.把煤變成“清潔能源”[N].人民日報.2013-10-30.

[2] 傅維鑣.含水燃料的燃燒[M].北京:高等教育出版社, 2009:20-29.

[3]岑可法,姚強,曹欣玉,等.煤漿燃燒、流動、傳熱和氣化的理論與應用技術[M].杭州:浙江大學出版社, 1997：372-374.

[4] 楊林.蒸汽相變促進燃燒源PM2.5凝并長大的研究現(xiàn)狀及展望[J]. 現(xiàn)代化工,2015(11):15-17.

[5] 俞建洪.水煤漿鍋爐能效分析[J].工業(yè)鍋爐, 2009(6):20-23.

[6] 林宗虎,徐通模 .實用鍋爐手冊[M].北京: 化學工業(yè)出版社,2009:1061-1067.