燃水煤漿有機熱載體爐的節能減排和環保分析
汪琦，俞紅嘯，張慧芬
（上海熱油爐設計開發中心 上海 200042）
摘 要：首先介紹了水煤漿的種類和特點，研究了水煤漿燃燒技術和水煤漿燃燒器的結構，討論了水煤漿制備技術、制漿工藝和水煤漿添加劑技術；通過比較燃水煤漿與燃煤、燃油、燃氣、電加熱的運行費用及成本對比，可以看出燃水煤漿有機熱載體爐為用戶降低至少40%的能源生產成本，從而為企業帶來顯著的經濟效益和節能效果；分析探討了燃水煤漿有機熱載體爐的環保排放指標及實測數據，從而得出在煙塵排放濃度、煙氣黑度、二氧化硫SO2排放濃度、氮氧化物NOx排放量等指標上，燃水煤漿有機熱載體爐具有燃燒效率高、污染物排放低的節能減排效果，是一種代煤、代油的潔凈燃燒技術。
關鍵詞：水煤漿；有機熱載體爐；水煤漿燃燒器；節能減排；環保分析
一、水煤漿簡介
水煤漿是由66～69%不同分布的煤，30%左右的水和約1%的添加劑制成的混合物，是上世紀七十年代石油危機中發展起來的一種新型低污染代油燃料。它既保持了煤炭原有的物理特性，又具有石油一樣的流動性和穩定性，被稱為液態煤炭產品。水煤漿技術包括水煤漿制備、儲運、燃燒、添加劑等關鍵技術，是一項涉及多門學科的系統技術。
水煤漿具有燃燒效率高、污染物排放低等特點，可用于有機熱載體爐、電站鍋爐、工業鍋爐和工業窯爐代油、代汽、代煤燃燒。發展水煤漿技術是我國能源長期穩定發展的戰略和現實選擇。
從上世紀80年代開始，國家致力于水煤漿的研制及應用開發工作。1983年國家科委將“水煤漿制備與燃燒技術”正式列為國家“六五”攻關項目?！捌呶濉逼陂g組建了中國水煤漿技術聯合體，“八五”期間從實現大型化和系列化為目標，主要任務是進行大規模制漿與電站燃用水煤漿工業示范。水煤漿作為中國潔凈煤技術的重要組成部分，經過幾十年的技術開發、工業性實驗和商業示范應用，已顯示出它所具有的代油、節能、高效率燃燒和低污染等諸多優勢，已被愈來愈多的企業所認識，并一直受到國內外能源公司的關注和重視。
二、水煤漿的特點
（1）水煤漿燃燒穩定、充分，爐膛充滿度好，燃燒效率達96～99%，有機熱載體爐效率在85%以上，與燃油相當，比煤高許多。
（2）其粘度低于重油，負荷易于調節，最低可調至40%，并且調節非常方便，只需控制供漿泵的轉速即可，轉速和負荷成簡單的線性對比。
（3）水煤漿的燃燒需要輕柴油點火，但一旦著火即可停止供油且能穩定單獨燃燒。水煤漿燃燒非常穩定，無需人工干預，可以像燒油一樣完全實現自動化運行。大大降低了司爐工的勞動強度，提高了安全性能。并且，在常溫下水煤漿無需像重油那樣要預熱，這樣既節約了能源，又使整個供漿管路系統設計較為簡單。
（4）水煤漿的著火溫度在800℃以上，必須通過壓縮空氣霧化后才能燃燒，在常溫常態下不可燃燒，可見其儲存、運輸比燃油要簡單、安全、便于管理；適宜于各種場地和環境存儲。燃燒水煤漿可減少用戶在消防安全方面的投資。
（5）由于水煤漿是液體，只能罐裝和泵送，不需要大的堆煤場以及鏟車等設備，減少了占地面積和輸送、存儲過程帶來的損失和污染。
（6）水煤漿含灰分低，燃水煤漿有機熱載體爐受熱面磨損程度低于燃煤爐型，正常情況下燃煤有機熱載體爐是需要每年大修一次，但是燃水煤漿有機熱載體爐可延長至3年左右大修一次，這就大大節約了檢修費用和時間。
三、水煤漿燃燒技術
水煤漿是一種煤基流態燃料，通過霧化后可以高效燃燒。組織水煤漿燃燒時，噴嘴霧化技術和燃燒器配風技術是保證水煤漿著火和穩定燃燒的兩項關鍵技術。
（1）噴嘴霧化技術
良好的噴嘴霧化可以減少水煤漿液滴的細度，從而縮短水煤漿的著火距離，為水煤漿著火、燃燒提供了一個良好的基礎。
由于水煤漿的特殊性質，水煤漿噴嘴必須具備良好的霧化特性，能穩定著火，并有較好的燃燒特性和較高的燃燒效率；具有良好的防堵性能，能長期連續運行；具有較長的使用壽命；具有較低的氣耗率；合適的霧化角和射程；負荷調節性能好，在一定的負荷變化范圍內，噴嘴仍然能維持較好的霧化性能。
（2）水煤漿燃燒器
水煤漿燃燒器又稱為配風器，是水煤漿燃燒的又一個關鍵設備。水煤漿著火的主要來源是依靠高溫煙氣的回流，這就需要對燃燒配風進行合理的組織，以使煤漿霧炬得到有效地加熱，能夠即時著火。同時合理的配風加強燃燒室內湍動，提高水煤漿燃燒速度和燃燼度的關鍵。合理的配風還將影響到污染物的排放，分段送風可控制NOx的生成和排放量。另外，一次風、二次風混合適時適量，可保證燃燒的穩定性和經濟性。
總之，爐膛中的燃燒工況主要是通過燃燒器的結構及其布置來決定的。燃燒器按其空氣動力學特性可分為旋流式和直流式。旋流型燃燒器是利用旋轉氣流產生合適的回流區，用回流的高溫煙氣來加熱燃料，保證其穩定地著火和燃燒[1]。
四、水煤漿制備技術
水煤漿是一種新型煤基流體潔凈環保燃料，既保留了煤的燃燒特性，又具備了類似重油的液態燃燒應用特點，是能源領域一項現實的潔凈煤技術。它由65～70%的煤、29～34%的水和小于1%化學添加劑，經過一定的加工工藝制成。它外觀像油，流動性好，儲存穩定（一般3~6個月不沉淀），運輸方便（火車或汽車罐車、管道、船舶），燃燒效率高，污染物（SO2、NOx）排放低，約2t水煤漿可以替代1t油，可在有機熱載體爐、工業鍋爐、電站鍋爐、工業爐窯等代油或煤、汽燃用。
（1）制漿煤種選擇
根據煤的煤質指標和實驗室成漿性試驗，可以判定煤炭成漿的難易程度。對制備水煤漿的原料煤要求：成漿性好，燃燒性能好。研究表明，中國各地有豐富的制漿原料煤。
（2）級配技術
級配技術是水煤漿制備的關鍵技術之一。制備高濃度水煤漿，要求水煤漿中大小顆粒相互充填，達到較高的堆積密度，這就要求水煤漿中煤顆粒分布是有一定講究的。
（3）制漿工藝
水煤漿制漿工藝通常包括破碎、磨礦、攪拌與剪切，以及為剔除最終產品中的超粒與雜物的濾漿等環節[2]。
磨礦是水煤漿制備過程中的關鍵環節，與其他工業中磨礦不同的是，不但要求產品達到一定的細度，更重要的是產品應有較好的粒度分布。磨礦可以用干法，亦可用濕法；但干法磨礦制漿存在許多缺點，制漿廠很難滿足干磨時入料水分不高于5%的要求，磨礦功耗大約比濕法高30%，干磨時新生表面容易被氧化，增加制漿的難度，安全與環境條件也不及濕法磨礦。
磨礦產品的細度和料粒度分布與給料的粒度分布、煤炭的物理性質、磨機的類型與結構、磨機運行工況等因素密切相關。
（4）制漿設備
制漿設備主要包括球磨機、輸漿泵、攪拌器等。我國已開發出多種類型的水煤漿專用磨機（球磨機、振動磨機），基本可以滿足水煤漿制備的要求。我國的水煤漿專用磨機最大的處理量為15萬噸/年。隨著制漿規模的擴大，需要進一步開發大型、高效的球磨機，以降低制漿成本。
五、水煤漿添加劑技術
水煤漿添加劑有多種，不可缺少的是降粘分散劑與穩定劑。其中分散劑最為重要，它直接影響著水煤漿的質量和制備成本。
（1）分散劑
煤炭的表面具有強烈的疏水性，與水不能密切結合成為一種漿體，在較高濃度時只會形成一種濕的泥團。在制漿中加入少量的分散劑，改變煤粒的表面性質，使煤粒表面緊緊地為添加劑分子和水化膜包圍，讓煤粒均勻地分散水中，并提高水煤漿的流動性，用量約為煤的1%。由于各地煤炭的性質千差萬別，適用的添加劑配方亦各有異同。
（2）穩定劑
水煤漿畢竟是一種由固、液兩相粗分散體系，煤粒又很容易自發地彼此聚結。在重力或其他外加質量力作用下，發生沉淀是不可避免的。為防止發生硬沉淀，必須加入少量的穩定劑。穩定劑有兩方面的作用，一方面使水煤漿具有剪切變稀的流變特性，即當水煤漿靜置存放時有較高的粘度，開始流動后粘度又可迅速降下來；另一方面使沉淀物具有松軟的結構，防止產生不可恢復的硬沉淀。
六、水煤漿國家標準
2002年10月18日發布，2003年4月1日實施的國家標準（水煤漿技術條件），見表1。
（1）水煤漿產品應貯存在具有適當攪拌裝置的有蓋容器中，并依據攪拌能力定期攪拌。
（2）水煤漿產品用潔凈的封閉容器運輸或管道輸送。
（3）每批出廠的產品都應附有檢驗報告，報告內容包括：產品名稱、貯存條件、供方名稱、產品技術條件、批號、凈重、發貨日期等。
七、水煤漿運行比較
（1）水煤漿與煤比較
Ⅱ類煙煤的熱值約5000kcal/kg，在運輸和堆放過程中有較大損失，而且煤的燃燒效率低約70%左右，常用新的燃煤有機熱載體爐熱效率一般在75%左右；而水煤漿的熱值為4800kcal/kg，燃燒效率在98%以上，燃水煤漿有機熱載體爐熱效率在85%以上；由此看來，雖然水煤漿熱值較原煤相近，但由于其綜合利用效率高，單位水煤漿的有效發熱量要比原煤的有效發熱量高得多。
（2）水煤漿與油比較
重油和輕油的熱值約10000kcal/kg，水煤漿與油的熱值比為4800/10000=0.48；正常情況下水煤漿爐與油爐的整體熱效率差不多。因此，大體上燒2.2噸水煤漿與燒1噸油產生的熱量相當?，F在輕油的市場價格在4000元/噸左右，額定蒸發量6T/H以上鍋爐燃輕油的長期運行成本一般用戶很難承受；重油價格以2200元/噸計，燃重油鍋爐噸蒸汽的綜合成本不低于150元，這對用戶來說也是一筆沉重的負擔，增加了生產成本，降低了企業和產品的市場競爭力。況且重油屬于重污染燃料，在環保方面的審批、治理、排污費等問題上還將需要花費較大的人力和財力。
（3）將常用的幾種燃料綜合分析，可以大致得出如下表所示的成本對比
由表2中可以看出，水煤漿對于油和氣的長期運行成本優勢是相當明顯的，其帶來的經濟效益是顯著的。燃燒水煤漿與燃重油相比，能夠為用戶降低至少40%的能源生產成本，與燃輕柴油或天然氣相比則更為明顯。
八、水煤漿環保分析
可以看出，2000年之后實施的項目其中灰分（A）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）的排放都達到國家標準規定的一類地區‖時段排放標準。
一類區和二、三類區系指GB 3095-1996《環境空氣質量標準》中所規定的環境空氣質量功能區的分類區域。
Ⅰ時段：2000年12月31日前建成使用的鍋爐；
Ⅱ時段：2001年1月1日起建成使用的鍋爐（含在Ⅰ時段立項未建成或未運行使用的鍋爐和建成使用鍋爐中需要擴建、改造的鍋爐）。
使用單位的水煤漿環保排放分析如下：
水煤漿是由洗選后精煤加工而成，所以它本身灰分（A）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）的含量就較低，這是燃水煤漿有機熱載體爐的環保排放指標較好的根本原因。
選擇幾家有代表性的已建成運行的用戶，環保排放測試參數如下表：
九、水煤漿環保性能分析
隨著人們生活水平的提高，對環境的質量要求越來越高，特別是大氣污染物的排放，許多城市都相繼出臺了一系列治理鍋爐廢氣污染的文件，如：
上海市經貿委和環保局于2001年6月以滬經節（2001）407號文件形式規定了市區內燃煤鍋爐及工業爐窯改清潔能源的實施辦法。蘇州市計委、經委、環保局、技監局聯合以蘇環（2001）303號文件形式提出加強控制燃煤大氣污染，規定在2005年前在禁煤區和控煤區淘汰燃煤鍋爐和窯爐。
所有這些文件都提出淘汰原煤、重油等高污染燃料，使用清潔能源，對于企業來說，尋找一種能滿足上述要求，而又使其成本較低的替代能源成為了燃眉之急，水煤漿作為一種新興的潔凈能源，提供了完美的解決方案。
根據最新的環保要求，上海地區所要執行的鍋爐及爐窯污染物排放標準（GWPB3-1999）的具體要求如下表所示：（單位：mg/m3）
水煤漿在各個排放指標上都能達到國家最高要求，并且特別在SO2和NOx排放上更是有顯著優勢，其一般的環保測試指標如下：
以下作分項說明：
（1）二氧化硫SO2排放
①排放濃度
從實測數據看，在沒有任何脫硫裝置的情況400mg/m3以下，如果有脫硫措施或燃用環保型水煤漿的話，可以降得更低。
②原理分析
從能源結構構成來看，水煤漿是由精煤加工而成，含硫量一般小于0.5%（某公司提供的成品漿為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，燃燒水煤漿時的二氧化硫排放量要遠遠低于燃油和燃煤，即每燃燒2噸水煤漿相當于燃燒1噸重油的SO2排放量的二分之一還不到。
以0.45%含硫量水煤漿為例，如果其中的硫分理論上全部轉化為SO2，并且不作任何脫硫處理直接對外排放的話，其排放濃度在900mg/m3左右，也能基本上達到環保要求；但從實際結果來看要遠低于此，根據在棗莊、青島、北京、廣東，以及在蘇州當地用不同的樣本測出的指標基本上都在350mg/m3左右，這說明水煤漿自固硫的功能較強，達到50%左右。如果再有脫硫措施的話，其排放濃度完全可以降到200mg以下。
③結論
在這一點上水煤漿對比重油和原煤是有較大優勢的，如果原煤想要達到同樣的效果那么對脫硫裝置的要求是相當高的，并且只能勉強達標?；蛘哌x用每噸600多元的代硫精煤，那成本又大大上升，并且要高于燃水煤漿。
由于上海地區被列入國家二氧化硫污染和酸雨兩控區，對SO2排放治理將會越來越嚴格。水煤漿在這個指標上的優勢將更加明顯。
（2）煙塵排放
①排放濃度
從實測數據來看，在一般除塵效率下，在200mg以下，如果除塵效率較高的話，可達到很高的標準，如林通公司4T/h燃漿鍋爐，經過水膜除塵后，其煙塵排放的測試濃度為20mg/m3，完全達到環保指標。
②原理分析
煙塵排放主要取決于原煤中的灰分，以及煤粉的燃燒效率。水煤漿由洗選后的精煤制成，本身原料煤中的灰分含量就很低，某公司提供的成品漿灰分在6.7%左右，遠低于一般原煤的灰分值。
在燃燒效率方面，由于水煤漿是經過霧化后噴射燃燒，其燃燒效率非常高（可達98%以上），煙塵中的含碳量很少，林格曼黑度可達零級。
由于水煤漿中的煤顆粒直徑只有40μm左右，很微小，經充分燃燒后，其排放出的煙氣為灰白色粉末，比較容易除塵。
③結論
對比燃燒煤時煙鹵黑煙滾滾，燒水煤漿時基本上看不出煙鹵冒煙，這徹底的扭轉了由于燒煤爐帶來的破壞城市景觀形象問題。
水煤漿燃燒后的微細煙塵經與水處理沉淀后可用作建筑原料，不會產生像燃煤爐燃燒后那樣較大的灰渣。
由于水煤漿的運輸、儲存，以及泵送燃燒都是在密閉的管道和容器中進行，不會像堆煤那樣產生揚塵，對作業環境以及周圍居住環境也不會帶來污染。
（3）氮氧化物NOx排放
①排放濃度
在三大污染物中，NOx目前還不太為人們所重視，但其污染性不可小瞧。據悉，國家有關部門正在制定有關NOx排放的控制指標，不久將會出臺NOx排放的收費標準。
②原理分析
NOx的排放與燃燒技術緊密相關，并且和燃燒溫度成指數對應關系，由于水煤漿燃燒溫度比燃油和燃煤溫度低于100度左右，使得燃用水煤漿鍋爐的NOx排放量遠低于燃油或燃煤、燃氣鍋爐。如下表所示是桂林軋鋼廠加熱爐改燒水煤漿后與改造前燃煤粉NOx的排放對比。
③結論
由上表中可以看出，燃用水煤漿鍋爐的NOx排放量和燃煤相比是有兩個數量級的差距，而且已被證明在常規燃料中是最低的。隨著環保監測體系的日趨完善，對NOx排放收費已列入議事日程，燃用水煤漿無疑又可為企業省下一大筆開支。
根據上述分析，并結合蘇州市吳中區環境監督檢測站對蘇州林通染料化工有限公司一臺4T/h燃水煤漿鍋爐的監測報告（2002）環監（塵）字第（014）號，可以看出發展水煤漿不僅在宏觀上可以確保國家能源安全；在微觀上，它也有較大的環保優勢，是一種比較理想的潔凈燃料技術。
十、結束語
現在隨著人們的環保意識加強，特別是二氧化硫SO2排放濃度的要求提高，以水煤漿代替燃煤、或代替含硫量高的重油和渣油后，其節能減排的環保效果非常顯著，在經濟上也略優于燃用煤粉的有機熱載體爐，因此，燃水煤漿技術得以迅速發展。
燃水煤漿有機熱載體爐具有如下的優點：
（1）控制污染排放，環保效益明顯。有機熱載體爐燃燒水煤漿后，可以使煙塵及二氧化硫SO2的排放濃度都達到二類地區二類時段的排放標準；而且燃水煤漿有機熱載體爐的爐膛溫度較低，氮氧化物NOx的排放也較少。
（2）水煤漿進入有機熱載體爐內水分先蒸發，實際燃燒的是煤粉；因此，其燃燒效率高于鏈條爐排型有機熱載體爐，并且由于燃燒效率的提高，其熱效率也隨之提高，所以，經濟效益非常顯著。
（3）水煤漿價格的性價比非常實惠。水煤漿的銷售價格低于重油、輕油及天然氣。如果考慮脫硫因素和其脫硫效果，燃用水煤漿的實際價格與燃用煤粉的實際價格相同。
（4）如果水煤漿采用管道輸送，主要是靠設立水煤漿泵站，從而可以像輸油一樣方便、可靠、占地面積少，地形適應性強。若采用“爐前配制水煤漿”的加工方式，可以大幅度地降低水煤漿的輸送費用和投資成本，使得燃水煤漿有機熱載體爐的運行成本大為下降。
隨著水煤漿技術被納入潔凈煤技術之后，對于改善城市環境質量，減少污染排放起到極大的促進作用，從而使得燃水煤漿有機熱載體爐的應用進入快速發展階段，并將水煤漿技術推向更高的水平。
參考文獻：
[1] 汪琦,俞紅嘯,張慧芬等. 燃水煤漿導熱油爐的結構設計[J],工業加熱,2015,44(3):29-30.
[2] 汪琦,季炳奎,季俊.燃水煤漿導熱油爐供熱系統設計[J],工業爐,2014,36(3):35-37,40.
作者簡介：
汪琦，碩士，高級工程師，長期從事于熱載體加熱技術、新能源技術、節能減排技術、熱油爐、熱風爐、熱水爐、熔鹽爐、道生爐、聯苯爐、焚燒爐、生物質氣化爐的設計研究開發工作。
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