水煤浆应用技术综述杨再成、欧伟宝、钱国俊、李东涛、姚丽、龙巧云、王中红杭州华电华源环境工程有限公司能源研究所1、前言众所周知，我国化石能源结构十分不合理，从已探明的储量中，煤炭占92.94%，石油占5.35%，天然气占1.71%，其构成特点是富煤、贫油、少气。

由于燃烧油不足，每年需从国外进口大量原油、重油，而且比重越来越大。

仅2004年就进口原油1亿多吨，重油2000 多万吨，而当年我国的石油产量仅1.75亿吨。

不仅占用国家大量宝贵外汇，同时进口的高含硫油产生的废气严重污染了环境，更严重的是给国家能源安全性造成危险。

上世纪八十年代起，国家经委就有一个压油办，意在压缩燃料用油的消耗。

水煤浆作为一种代油燃料从它立项研究开始，一直得到国家有关部门的支持。

煤炭部一直致力于推动水煤浆的研究和工业方面应用。

江泽民等国家领导人也曾亲临水煤浆锅炉现场视察，并指出“对水煤浆的重要性，要提到战略高度来认识”。

水煤浆技术开发和产业被明确列入国家重点鼓励发展的技术和产业。

作为代油燃料多次被国家有关文件肯定。

今年6月，全国人大办公厅就“发展新型替代能源——水煤浆的建议”下达给国家发改委重点办理。

即将由财政部、国税总局、国家环保总局、国家电网公司出台的有关政策必将给水煤浆产业的发展带来新的机遇。

2、水煤浆工业应用的几个里程碑第一座按水煤浆燃料设计的锅炉应是北京东城区的北京印染厂由杭州锅炉厂和中科院合作生产的20t/h蒸汽锅炉。

但对水煤浆工业应用影响最大却是下面几个项目，其在水煤浆工业应用史上具有里程碑意义。

（1）山东白洋河电厂油炉改烧水煤浆项目：从1990年立项到1998年国家鉴定历经8年，为四角切向燃烧水煤浆成功应用于220t/h高压电站锅炉立下了第一座丰碑。

（2）北京燕山石化三电站新建220t/h高压锅炉：采用前墙布置旋流式燃烧器燃烧水煤浆，于2000年成功投入运行。

在系统运行、严格的环保要求等方面积累了丰富的运行经验，给后续建设提供了宝贵的示范作用。

16年来，在国内曾经或者正在运行的35t/h以上的水煤浆锅炉不到30台，2~10t/h的工业用水煤浆锅炉超过100台，陶瓷行业、钢铁行业等炉窑超过200台。

大大小小的制浆厂近百家，生产能力达到800万吨/年，但国内实际每年需求量仅400万吨，供给能力远远大于消费能力。

由此说明，水煤浆市场有待开发，水煤浆代油任重而道远。

3、水煤浆的特点在议论水煤浆应用的领域时，还必须弄清楚水煤浆究竟是个什么东西，有什么利用价值。

标准水煤浆是通过制浆技术，在制浆厂把精洗过的固态煤燃料和清水（33%~35%）一起在特制的研磨机中研磨成浆，并加适量（约1%）的添加剂搅拌均匀后转成为可用泵输送的流态的煤燃料。

基本特点分述如下。

3.1外观象石油，可以象油一样通过管道泵送运输、装卸、用罐储存；可通过阀门控制流量；通过特制的压力表、流量计测量压力和流量。

锅炉房炉前燃料系统设备和燃油机组十分相似。

3.2可以像重油一样用压缩空气或压力蒸汽进行雾化后燃烧，易着火，燃烧稳定，保留了煤粉的燃烧特性。

但启动时间比煤粉炉要短，负荷变动适应性强（可在40%负荷稳定运行）。

燃烧效率一般为97%~99%，锅炉效率和煤粉炉相当，而大部分链条炉的炉效都低于80%。

3.3水煤浆约含30%水分，在常温全封闭状态下输送不爆炸、自燃，减少了防火要求。

3.4没有煤炭在储运过程中的物料损失（约3%），锅炉现场没有庞大且粉尘飞扬的煤场、输煤及干燥系统。

环境卫生、噪音与燃油机组相似。

3.5炉后除尘除渣设备及灰场容量比燃煤机组要小许多，灰场容量仅为燃煤机组的1/4。

灰场扬尘对大气造成的二次污染较小。

3.6炉内燃烧温度比煤粉炉低100~200℃，NOx排放相对较低。

3.7在炉前煤浆中均匀加石灰水（约3%），炉内脱硫率一般比煤粉炉要高。

燃油含硫率一般约为2%，也存在脱硫费用昂贵的问题。

3.8由于燃用水煤浆机组燃料系统类似于燃油机组，运行管理、维护检修简单，低灰水煤浆对受热面的磨损大大低于燃煤机组，减少了检修工作量，从而可减少人力和资金的投入。

并且其安全可靠性还优于燃油机组。

3.9水煤浆在常温下磨制，比燃煤机组在热风干燥过程中制粉散热损失小。

3.10水煤浆是整体式煤气化联合循环气化工艺装置的理想燃料。

应当指出，水煤浆是一种代油燃料，与真正的油燃料还是有很大差别的，尤其是水煤浆的含灰量，尽管比煤粉少，但仍不能无视其在应用时结渣、结灰、磨损等问题而必须相应配置除渣、吹灰、除尘排灰渣装置、灰场等设施。

从而初投资费用及排除灰渣的运行费用会比燃油机组高。

水煤浆含有少量灰分和较高的水分，锅炉效率低于燃油机组，和燃煤粉炉相当，比链条炉要高出10个以上百分点。

4、水煤浆应用技术4.1制浆技术概述制浆技术是水煤浆产业的源头，没有浆就不存在其应用。

4.1.1流动的代价煤粉之所以能像流体一样在管内流动，靠的是30%左右的水分。

对每kg燃料而言，为了这个流动特性就付出了30%水份的汽化热，约为600×0.3=180kcal/kg 浆，占水煤浆燃烧热值180/4500=0.04，此外雾化水煤浆用蒸汽喷入炉内还要损失20%的蒸汽热量（从150℃排烟中收不回来的）660×0.2=132kcal，占燃烧热值≈0.03。

两者加起来，约为水煤浆热值的7%。

在小型锅炉中，水煤浆用压缩空气来雾化，虽然不损失蒸汽，但增加锅炉房耗电量。

4.1.2添加剂和搅拌机煤是一种疏水性物质，表面不被水润湿。

因此煤粉中加了水，并不能形成均匀的乳液，而是煤粉自引扎堆下沉，水被煤粒挤在上面。

为了在煤粒周围有一层水膜形成浆粒，以便滑移，就必须加一种化学药剂，既亲水又亲煤。

这种促成煤粉成浆及降低流动粘性作用的药剂叫分散用添加剂。

添加剂量约占浆量的1%，煤种不同，添加剂也略有不同。

尽管如此，当水煤浆在静止状态时受重力作用会沉淀。

稳定剂的作用是将浆粒和周围的水联起来，防止颗粒下沉。

对于自制水煤浆的用户，煤浆制浆过程中应先加分散剂，成浆后再加稳定剂，并在炉前喷入炉膛之前通过强力搅拌机，化解稳定剂的作用，降低粘度，有利雾化。

4.1.3煤浆的浓度和煤品质的关系从上节水煤浆品种可以看到各种浆的技术指标的差别，其中浓度的高低是制浆技术中一大学问。

煤浆的用户希望含水越少越好，但不是任何煤种都能达到的。

（a）煤的成浆性指标煤的成浆性与煤本身的理化性质有关，北京矿大研究生院设计了两个公式可以测各种煤成浆性指标（公式1）及能达到的浓度（公式2）公式1——D=7.5-0.051HG1+0.223Mad+0.0257Odaf公式2——C=77－1.2D（%）煤中含内水、含氧量大都不利成浆，哈式可磨性指标愈小，成浆性指标愈大，反之，成浆性指标愈小。

（b）级配要达到高浓度，煤粉的细度应有大有小，相互填充，减少空隙，堆积效率高，用少量的水就能使浆体流动起来。

这种颗粒分布称为级配，但怎样实现理想的颗粒分布呢？北京矿大研制的专用磨机，达到了仅用1台磨机在高浓度条件下磨矿直接生产出高浓度水煤浆产品。

（c）高浓度制浆工艺4.2水煤浆管道运输技术煤炭科学研究总院唐山分院研究了水煤浆在管内的流速与阻力损失的关系，见图2所示，可见阻力与流速成线性关系。

温度变化对水煤浆管道输送阻力损失影响显著，尤其是低温段，阻力损失对温度变化比较敏感。

北京燕山石化三电站运行经验表明，水煤浆粘度增加，管道阻力也会增加，从而影响供浆泵出力和电耗增加。

当水煤浆温度高些，供浆泵出力会提高。

此外，电站储浆供浆管道运行经验表明，为确保管道畅通不堵塞不沉淀，管道流速不宜太低，宁可磨穿，也比堵塞处理成本小，实际上，磨损也不大。

管道设计时，应尽量避免弯头及管径变化。

4.3水煤浆燃烧技术大凡燃料的燃烧必须具备三大要素：1、温度；2、助燃剂氧气和燃料的适时混合；3、足够的反应时间。

燃烧设备的设计就是要针对燃料特性，创造条件满足以上要求。

4.3.1炉型和燃烧器型式的选择水煤浆燃烧方式和煤粉一样，采用空间燃烧或室式燃烧。

空间燃烧方式中按锅炉容量的大小不同采用的燃烧器型式也不一样。

在35t/h以上的锅炉中，炉膛立式布置，有四角切向布置直流式燃烧器和单面炉墙布置或者双面炉墙对冲布置旋流式燃烧器二大类。

在我国，前者比较适合国情，应用比后者广泛，更传统。

然而，10t/h以下的小型锅炉中，炉体呈卧式布置，受炉型的限制，往往采用单个或两个旋流式燃烧器布置在一面墙上。

15~25t/h的工业锅炉，我们建议炉本体采用立式布置，1~2对旋流式燃烧器对冲布置方式，不仅有利于燃烧，也有利于排渣、吹灰、打焦。

对冲布置还可以弥补旋流式燃烧器个体户特性及后期混合差的缺点。

喷入炉内的水煤浆颗粒因结团现象而大于原浆中的煤粒燃烬过程会长些，所以如果在锅炉容量、布置条件许可的情况下，属长火焰的直流式燃烧器应是首选。

长火焰燃烧器在结构上容易实现分级送风和实现用于锅炉脱硝的燃烧技术。

这种燃烧方式对燃料组成的波动适应性好。

基于水煤浆着火延迟，中间段燃烧快速，尾部燃烬过程延长，因而在35t/h以上锅炉上宜采用适当高的断面热负荷和偏低的容积热负荷，即瘦长型。

当灰熔点过低时，断面热负荷也应降低，防止结渣。

4.3.2水煤浆的着火源水煤浆燃烧比成浆前原煤要困难些。

主要是水煤浆含有30%以上的水分。

和煤粒同时喷入炉内，需要外来热源帮助干燥，水分未干燥的煤粒是不会着火的。

水煤浆的着火热是普通煤粉的1.8倍。

普通原煤也含有水，甚至高达15%，褐煤有高达40%，但是它们的水分在研磨过程中被热空气或高温炉烟干燥。

如在钢球磨煤、中间粉仓制粉系统中，原煤水分进入磨机系统的乏气中，吹入炉膛的部位已不影响煤粉的着火，而干燥煤粉由热风单独吹入炉膛。

而褐煤锅炉煤粉经干燥后的乏气有的经过滤后排空，有的高温乏气和煤粉一起进入炉膛。

所以水煤浆要着火，除采用燃烧器的射流卷吸高温烟气的特点外，其着火热的提供方法视锅炉容量、用途不同而有所不同。

（a）对小型锅炉，采用绝热碹口和预燃室，依靠高温耐火层对喷入的浆雾热辐射，使水分快速蒸发。

（b）对炉窑而言，整个炉窑基本上是由绝热的耐火材料构成，因而水煤浆水份的多少对其着火稳定影响不大。

（c）对大型锅炉，则可采用温度250~300℃以上的过热蒸汽作为雾化介质，加速水煤浆中水分的汽化，以及提高热空气温度到350~400℃，并根据挥发份的大小，灰熔点特性，在炉壁上适当布置一些保温卫燃带，增加旋流式燃烧器的耐火层碹口，在国内几个典型的示范机组上，成功的运用了这一技术。

4.3.3水煤浆雾化方式及影响雾化质量的因素和燃油雾化类似，水煤浆雾化方式既有机械方式、汽力/气力机械混合方式和汽力/气力方式。

重油可以通过加热（温度高达~150℃）来降低粘度，再通过机械方式将油甩成油膜、薄膜和空气强烈摩擦被撕裂成细油滴；而水煤浆粘度比油高出几十倍，不可能像重油一样加热到150℃，因为温度超过80~115℃后添加剂就会变质，反而失去了流动性，粘度不降反升。