煤基能源新型水煤漿技術(shù)的研究與清潔高效應(yīng)用

楊成 李瑞國(guó) 吳春娟 樊鳳升

摘 要：由于我國(guó)富煤、貧油、少氣的能源結(jié)構(gòu)，使得煤炭在未來幾十年內(nèi)依舊是處于我國(guó)能源主導(dǎo)地位。眾所周知，煤炭的直接燃燒會(huì)使得大氣中硫化物、氮氧化物、煙塵等污染物增加，直接導(dǎo)致大氣中PM2.5含量增大，造成環(huán)境的污染，嚴(yán)重的破壞了生態(tài)平衡、危害人類的健康，并且制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人類社會(huì)文明的進(jìn)步。水煤漿作為一種低污染、高效、節(jié)能的潔凈燃料所起到的節(jié)能、減排、環(huán)保功效一直不容小覷。水煤漿鍋爐在我國(guó)經(jīng)過近30年的發(fā)展，燃燒技術(shù)一直在不斷創(chuàng)新升級(jí)更新?lián)Q代;而與其配套的水煤漿制備技術(shù)也在逐步進(jìn)行改進(jìn)與變革，以更好的適應(yīng)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(shù)與水煤漿鍋爐燃燒技術(shù)達(dá)到更理想的匹配，更加節(jié)能、環(huán)保。

關(guān)鍵詞：新型水煤漿;水煤漿制備;潔凈煤;潔凈煤技術(shù);能源;節(jié)能環(huán)保

中圖分類號(hào)：TQ536 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）13-0015-02

1 水煤漿現(xiàn)狀

我國(guó)的水煤漿制備技術(shù)和燃燒應(yīng)用技術(shù)發(fā)展較快，自上世紀(jì)80年代開始，到本世紀(jì)初，工業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。先后完成了工業(yè)鍋爐、電站鍋爐、熱處理爐、爐窯等燃用水煤漿的工程試驗(yàn)，水煤漿作為新型環(huán)保燃料，正被越來越多的有識(shí)之士所認(rèn)識(shí)，采用水煤漿技術(shù)可進(jìn)一步優(yōu)化煤炭企業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高煤炭企業(yè)經(jīng)濟(jì)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(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)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(jīng)物理研磨加工而形成的一種可以罐體儲(chǔ)存、管道輸送、罐車運(yùn)輸?shù)臐{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(yùn)行經(jīng)濟(jì)成本低的煤基流體燃料;水煤漿是一種最現(xiàn)實(shí)的煤基流體燃料，也是一種制備相對(duì)簡(jiǎn)單，便于運(yùn)輸儲(chǔ)存、安全可靠低污染的新型潔凈燃料;是一種達(dá)到鍋爐超低排放最經(jīng)濟(jì)、最便捷、最可靠的國(guó)家能源安全保障。因此水煤漿技術(shù)是當(dāng)今潔凈煤技術(shù)的重要組成部分，也是21世紀(jì)最現(xiàn)實(shí)、最有市場(chǎng)的潔凈煤技術(shù)，在中國(guó)的能源戰(zhàn)略中占有非常重要的地位。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)能源供需矛盾將進(jìn)一步加大，環(huán)境對(duì)燃料的約束也進(jìn)一步加強(qiáng)，水煤漿的使用量將逐步加大。因此，水煤漿的應(yīng)用前景非常廣闊。

2 原水煤漿的特征

在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中與燃油、天然氣等比較，水煤漿的價(jià)格低廉，清潔高效等特點(diǎn)備受各地區(qū)各類企業(yè)的關(guān)注，這給水煤漿潔凈燃燒技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用創(chuàng)造了外部環(huán)境條件，同時(shí)各地政府政策性的支持文件，環(huán)境保護(hù)的壓力，加快了水煤漿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。然而，現(xiàn)有的水煤漿及其應(yīng)用技術(shù)對(duì)原料煤品質(zhì)要求較高，需高熱值、低灰分、高揮發(fā)份、灰熔點(diǎn)高的煤種;而且要求加工粒度細(xì)，否則使用時(shí)易造成鍋爐漿槍堵塞、爐膛結(jié)焦、燃燒不穩(wěn)定等，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。

根據(jù)GB/T18855-2014標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水煤漿的主要指標(biāo)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(xì)，耗電量大，這些標(biāo)準(zhǔn)都是依據(jù)現(xiàn)有原有水煤漿制備技術(shù)來制定的，而原有的水煤漿制備技術(shù)所需原料大部分都來源于山東洗精煤，山東地區(qū)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(fā)熱值高的特點(diǎn);其用在水煤漿制備上成漿性好、制漿濃度高、流動(dòng)性好。而產(chǎn)煤大省山西、陜西、內(nèi)蒙部分煤炭，由于其在水煤漿制備時(shí)成漿濃度底、水煤漿熱值低，這在一定程度上在一些地區(qū)受到了原料煤來源及制漿成本較高的限制，也間接導(dǎo)致了水煤漿燃燒技術(shù)在更大更廣范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用存在一定的區(qū)域性限制。

目前市面上現(xiàn)有的水煤漿產(chǎn)品主要針對(duì)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(duì)原料煤品質(zhì)要求高（低灰、高熱值、高揮發(fā)份、高灰熔點(diǎn)），而且要求加工粒度細(xì)，以避免造成在使用時(shí)鍋爐漿槍堵塞;霧化燃燒方式由于水煤漿在爐膛內(nèi)需在一定高度、一定距離內(nèi)必須燃燒完全，因而需提高爐膛內(nèi)爐溫，導(dǎo)致熱力型氮氧化物產(chǎn)生量過高，且爐膛極易結(jié)焦。進(jìn)而導(dǎo)致鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，同時(shí)增加了鍋爐島系統(tǒng)后續(xù)的脫硝成本。主要有以下幾點(diǎn)不足：

（1）水煤漿原料成本高?，F(xiàn)有的水煤漿制備技術(shù)所需原料大部分都來源于山東洗精煤，山東煤成礦時(shí)間長(zhǎng)品質(zhì)好，灰分少、熱值高、成漿性好，但價(jià)格較高。

（2）成漿性差的低品質(zhì)煤無法得到有效廣泛的利用，以及在更廣泛區(qū)域水煤漿技術(shù)的推廣。標(biāo)準(zhǔn)水煤漿是依據(jù)現(xiàn)有水煤漿制備技術(shù)來制定的，而產(chǎn)煤大省山西、陜西、內(nèi)蒙古的部分煤炭卻得不到充分利用，這在一定程度上導(dǎo)致了原料煤來源有限及成本較高的問題，也間接導(dǎo)致了水煤漿燃燒技術(shù)的推廣應(yīng)用存在一定的區(qū)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(xiàn)有水煤漿要求煤種磨碎粒度細(xì)，粒度細(xì)勢(shì)必增加設(shè)備的研磨時(shí)間，耗電量大導(dǎo)致噸漿成本高，由此導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行成本較高;在水煤漿推廣應(yīng)用時(shí)部分企業(yè)阻力較大。

（4）易造成能源浪費(fèi)。即是在現(xiàn)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(tuán)在燃燒過程中進(jìn)一步解體為細(xì)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(dǎo)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(huán)，在運(yùn)行過程中床溫過高，沒有有效的降床溫措施，從而會(huì)導(dǎo)致熱力型氮氧化物產(chǎn)生量過高，增加尾部脫硝成本，致使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行成本增加。

因此，隨著水煤漿應(yīng)用技術(shù)日益被人們所認(rèn)識(shí)，水煤漿制備技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，更為先進(jìn)的水煤漿燃燒技術(shù)也日臻完善。在確保符合環(huán)保政策的前提條件下，新型水煤漿應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展必將以節(jié)能、減排、環(huán)保及易于廣泛推廣應(yīng)用為基礎(chǔ);必然以就近、經(jīng)濟(jì)合理，能夠取得穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)的原料供應(yīng)，降低原料成本為根本;以及提高水煤漿煤顆粒粒度、改進(jìn)制漿工藝，降低水煤漿的生產(chǎn)加工成本為輔助;降低燃燒系統(tǒng)脫硫、脫硝、除塵的生產(chǎn)運(yùn)行成本為目的;才能在更加廣泛區(qū)域內(nèi)推廣水煤漿技術(shù)及裝備的應(yīng)用。

3 新型水煤漿技術(shù)

隨著水煤漿燃燒技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)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(xiàn)在的第三代流態(tài)重構(gòu)循環(huán)流化水煤漿鍋爐。新的流態(tài)重構(gòu)循環(huán)流化水煤漿鍋爐與霧化水煤漿鍋爐相比，省去了價(jià)格昂貴的燃燒器與易出故障的霧化漿槍，采用?；魉蜐{;配以高溫絕熱高效旋風(fēng)分離器;返料裝置調(diào)整循環(huán)灰量，控制循環(huán)倍率;配以二次風(fēng)技術(shù)，抑制和降低了爐膛溫度。流態(tài)重構(gòu)循環(huán)流化水煤漿鍋爐的燃燒，在水煤漿被?；魉腿霠t膛后，煤炭顆粒在流化狀態(tài)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(fù)燃燒，因此提高了碳的燃盡率;所以在新型水煤漿生產(chǎn)制備時(shí)，只要粒度在確保穩(wěn)定性和流動(dòng)性的前提下，可以增大水煤漿內(nèi)煤顆粒的粒度;同時(shí)分離器的高效分離和多倍率的返料燃燒，也可促使?fàn)t內(nèi)脫硫劑反復(fù)和煤顆粒接觸，反應(yīng)徹底，因此脫硫效率高;同時(shí)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(fēng)，使?fàn)t膛溫度降低，極大的降低了熱力型氮氧化物的產(chǎn)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(bǔ)充量，提高了燃燒效率;通過媒體物料的循環(huán)，床溫大幅度的降低;不僅可以降低對(duì)原料煤品質(zhì)的要求，而且對(duì)其粒度的組分也進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，改變了原有水煤漿200目通篩率80%以上的粒度要求，調(diào)整粒徑為100～300μm的煤的質(zhì)量占煤總質(zhì)量比大于等于45%，同時(shí)放寬了對(duì)煤炭的灰份要求。

3.1 新型水煤漿制備技術(shù)的特點(diǎn)

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

（2）新的級(jí)配參數(shù)生產(chǎn)新型水煤漿，提高水煤漿濃度及穩(wěn)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(zhì)量份額50%～70%的水煤漿，確定粗顆粒水煤漿的級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)及添加劑用量配比，同時(shí)保持標(biāo)準(zhǔn)水煤漿的粘度、濃度、流動(dòng)性及穩(wěn)定性，確保儲(chǔ)存、運(yùn)輸及鍋爐的穩(wěn)定燃燒。

（4）實(shí)驗(yàn)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(chǎn)品，大幅度節(jié)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(yè)的應(yīng)用推廣。

3.2 新型水煤漿優(yōu)勢(shì)

（1）所使用的新型水煤漿可利用較低品質(zhì)的原料煤加工生產(chǎn)。

（2）將水煤漿粒徑適量加大比例，可減少研磨時(shí)間，節(jié)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(biāo)準(zhǔn)，又可以滿足流動(dòng)性及穩(wěn)定性。

（4）新技術(shù)的應(yīng)用有效的解決了原有水煤漿在爐膛內(nèi)無法達(dá)到的循環(huán)燃燒，造成能源浪費(fèi)的問題。

（5）可根據(jù)原煤含硫量情況，適當(dāng)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(huán)灰，無法滿足多次循環(huán)的脫硫需求;脫硫劑的利用率高;

（6）在爐內(nèi)燃燒過程中直接脫硫，脫硫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低;脫硫率可達(dá)95%;循環(huán)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(dá)98%，產(chǎn)生煙塵量相對(duì)減少。因而，水煤漿鍋爐原始排放低，輔以鍋爐島除塵系統(tǒng)裝置，可以達(dá)到超低排放。

（7）既可以保證鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行，而且產(chǎn)熱和排放均能達(dá)到并優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

4 新型水煤漿鍋爐燃燒技術(shù)拓展了水煤漿對(duì)煤源選擇的廣泛性

國(guó)家水煤漿標(biāo)準(zhǔn)（GB/T18855-2002、GB/T18855-2008、GB/T18855-2014）的出臺(tái)和修訂也是針對(duì)以上兩種燃燒技術(shù)對(duì)水煤漿的要求而制定，特別是GB/T18855-2014對(duì)水煤漿濃度不再要求，粒度范圍適當(dāng)放寬，這在一定程度上確實(shí)提高了新型水煤漿燃燒技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，但還不能完全體現(xiàn)出第三代水煤漿燃燒技術(shù)的先進(jìn)性，第三代水煤漿燃燒技術(shù)對(duì)水煤漿粒度的要求還可以放大、粒度區(qū)間還可以拓寬。

第三代水煤漿燃燒技術(shù)屬于流態(tài)重構(gòu)+水煤漿循環(huán)流化燃燒技術(shù)，該技術(shù)是目前較為先進(jìn)的水煤漿鍋爐燃燒技術(shù)。該技術(shù)的研發(fā)成功，提高了水煤漿煤顆粒的粒度，放寬了對(duì)原煤灰份的要求，從而降低了水煤漿的生產(chǎn)成本，對(duì)水煤漿燃燒技術(shù)的推廣應(yīng)用起到了積極的推動(dòng)作用。

隨著水煤漿鍋爐燃燒技術(shù)的發(fā)展，更為先進(jìn)的水煤漿燃燒技術(shù)也必將顯現(xiàn)。在確保符合環(huán)保政策的前提條件下，新型水煤漿鍋爐燃燒技術(shù)研發(fā)必然以降低生產(chǎn)運(yùn)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(shù)研發(fā)、新技術(shù)新裝備的應(yīng)用降低水煤漿制備成本，提高水煤漿鍋爐在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

5 新型水煤漿技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益

新型水煤漿用煤解決了只能用區(qū)域性高品質(zhì)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(shè)備投資成本高、運(yùn)行成本高等問題，同時(shí)降低了水煤漿噸漿成本。新型水煤漿技術(shù)的實(shí)施有利于潔凈燃料新型水煤漿在全國(guó)范圍內(nèi)、不同行業(yè)間的廣泛性推廣。

從水煤漿的節(jié)能性來看：由于水煤漿改變了煤的形態(tài)，因而燃盡率從傳統(tǒng)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(jié)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(tǒng)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(tǒng)燃煤鍋爐有爐渣排放的同時(shí)煙氣中含有大量飛灰，排渣時(shí)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(huán)保性來看：可根據(jù)原煤含硫量情況適當(dāng)添加脫硫劑;同時(shí)還可在爐內(nèi)燃燒過程中直接脫硫，脫硫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低;脫硫率可達(dá)95%;循環(huán)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(dá)98%，產(chǎn)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(tǒng)裝置，可以達(dá)到超低排放。

綜上所述，新型水煤漿技術(shù)的應(yīng)用，摒棄了傳統(tǒng)燃煤鍋爐的煤炭燃燒污染物先產(chǎn)生，后治理的弊端;沒有了傳統(tǒng)鍋爐供熱站的堆煤場(chǎng)和堆渣場(chǎng)，節(jié)省了占地，減少了揚(yáng)塵污染。水煤漿鍋爐出口原始排放即可達(dá)標(biāo)排放;是燃煤鍋爐達(dá)到超低排放最為經(jīng)濟(jì)的技術(shù)路線。此項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用，對(duì)于我國(guó)環(huán)境保護(hù)、節(jié)能降耗，都具有深遠(yuǎn)的歷史意義和廣泛的社會(huì)效益。