水煤浆技术发展现状及其新进展

1 水煤浆技术发展现状及其新进展 李安 (煤炭工业合肥设计研究院，安徽合肥230041) 能源是社会和经济发展的重要物质基础，煤炭是我国的主要能源，在未来的相当长的时间内，我国能源以煤炭为主的格局不会改变，自1990～2006年，煤炭在我国能源生产构成中的比例已经超过75％。 2005年，我国能源生产构成：原煤76．3％，原油12．6％，天然气3．2％，水电7．9％⋯。由此可见，我国石油资源十分短缺，同年我国石油净进口量1．36亿t，对外依存度达到42．9％，预计到2010年，国产原油只能满足需求量的58％，2020年我国石油对国际市场的依赖程度将达50％以上。因此，立足于我国能源资源的特点，开发煤代油技 术，对于我国的经济建设和能源安全具有战略意义。 水煤浆是70年代石油危机中发展起来的一种煤基流体燃料。它是由约70％的煤粉、30％的水和少量化学添加剂组成的混合体，约2 t或2．5 t普通水煤浆代替l t重油。因水煤浆具有良好的流动性和稳定性，可以像油一样实现全密封储运和高效率的雾化燃烧。制浆过程基本上属于物理过程，工艺简单，生产成本低，投资小，属于一种见效快、节能和环保型的较为理想代油燃料。实际上，水煤浆应用领域 相当广泛，如许多种类工业锅炉、窑炉等，可以实现水煤浆替代燃油。 1 普通水煤浆及其技术现状 用普通的洗选精煤制备的水煤浆称为普通水煤浆，其制浆煤的灰分质量分数在10％左右，水煤浆的平均粒度约为45“m。经过“六五”、 2

“七五”和“八五”技术攻关，普通水煤浆已经进入了商业化阶段，截至2005年底，全国水煤浆制浆厂已建成20座，总设计能力超过500万/t。正在建设中的还有青岛开源热力公司(50万∥a)、广东南海洁能燃料有限公司水煤浆厂(200万∥a)等。与1999年底统计数据相比，水煤浆厂的数量增加175％，生产能力增加400％。据不完全统计， 2003年全国燃烧水煤浆约200万t，替代燃油100万t，节约燃料费近6亿元。 水煤浆添加剂是水煤浆中加入的各类化学品的总称，主要包括分散剂和稳定剂。目前我国水煤浆厂都使用国产的添加剂，我国生产的添加剂在性能和价格上都优于国外产品。分散剂有萘磺酸盐系 列、丙烯酸系列、木质素系列等，吨浆分散剂的成本为19—30元。稳定剂多为无机盐、纤维素、聚丙烯酰胺等，吨浆稳定剂成本在1．2～4元。我国水煤浆厂的制浆工艺，除了北京制浆厂和兖日制浆厂外，几乎全部采用一磨机高浓度制浆工艺，其特点是煤炭、分散剂和水一起加入磨机进行高浓度磨矿，磨机出料再经过除渣、搅拌、滤浆、稳定性处理、高剪切均质熟化处理等工序，最终获得成品浆。 该工艺流程简单，在高浓度下磨介表面可黏附较多的煤浆，有利于研磨作用产生较多膨田粒，改善粒度分布。分散剂直接加入磨机可在磨矿过程中很好地及时与煤颗粒新生表面接触，提高制浆效果。在良好的工况运行时，这种工艺的产品粒度分布可以获得72％左右的堆积效率。但需要很好地掌握磨机的结构与运行参数，以免因煤浆浓度过高而丧失磨矿功效。此外，由于只有一台磨机，对水煤浆产品粒度 3

分布的调整有一定的局限性。其中关键设备磨机的规格有：1．83 m×8 m，2．4 m×8 m(或8．5 m，9 m)，3 m×1l m(或12 m，13 m)， 3．8 m×12 m。磨机的生产能力因人料的粒度组成、煤的可磨性、产品的质量要求等因素不同而有较大的差别。如大庆水煤浆厂选用2台3 m×13 m的磨机，吉化水煤浆厂选用2台3 m×11 m的磨机，南海水煤浆厂选用4台3．8 m×12 m的磨机。普通水煤浆用量最大的是电站锅炉。目前全国共有4家企业在电站锅炉上燃用水煤浆，分别是山东白杨河电厂、广东茂名热电厂、北京燕山石化第三热电厂、广东汕头万丰热电厂。这些企业共有7台电站锅炉燃烧水煤浆。除了万丰热电厂的一台电站锅炉的蒸发量为176∥h，其余的蒸发量均为220L／h。对于具有较大燃烧空间的电站锅炉，普通水煤浆得到了成功的应用。白杨河电厂原为煤粉炉，改烧重油，最后改烧水煤浆，采用四角燃烧方式，燃烧效率达98％以上，锅炉效率90％一91％，灰渣含碳量稳定在8％左右，飞灰含碳量稳定在10％以内，s0：和NO，排放低于国家标准∞J。 水煤浆不仅应用于电站锅炉，还逐渐应用于各种工业锅炉、取暖锅炉，替代油和天然气。最早的工业锅炉改烧水煤浆是北京造纸一厂的20∥h燃油锅炉和60∥h的燃油发电锅炉，燃烧效率分别为93％～95％和95％～98％，锅炉效率分别为80％一82．5％和82％以上。目前正在使用的水煤浆工业锅炉有五六十台，这些锅炉改造后都能达到 98油／水煤浆两用的要求，燃油时能达到满负荷运行。燃水煤浆时，如按锅炉厂燃煤设计，也能达到满负荷，如按燃油设计，一般能达到 4

80％以上。改造后燃烧效率在90％以上，锅炉效率在80％以上，排放达到环保要求H1。但是，工业锅炉炉膛较小，水煤浆喷枪雾距较长，如果喷咀雾化效果欠佳，制浆煤的灰熔点又比较低，在炉膛容易出现结渣，影响水煤浆的稳定燃烧。 胜利油田针对普通水煤浆在中小型工业锅炉中燃烧存在的问题，开发了一种水煤浆流态化一悬浮燃烧技术，该技术特点是水煤浆不采用雾化悬浮燃烧，而是采用浆滴在流化床中悬浮燃烧，具有燃料适应性强、启动迅速、高效、低污染等特点。实践证明，采用该技术，使水煤浆在中小型工业锅炉中的燃烧效率达85％～91％，远高于目前燃煤工业锅炉的平均燃烧效率，节能率达20％以上。在胜利油田和周边地区，已有20余台锅炉推广应用”1。在冶金、化工、机械、陶瓷、玻璃、有色金属等行业存在大量工业窑炉，每年耗油约2 000万t。水煤浆曾经成功地应用于济南钢铁总厂、广西桂林钢厂、山东莱芜钢厂锻压厂，取得较好的效果。其中广西桂林钢厂的轧钢厂应用普通水煤浆代替原来的煤粉燃料，燃烧效率由70％提高到95％以上，炉渣质量分数由3．7％降至0．59％，钢表面氧化皮平均厚度由2．79 mm减少至0．44 mm，少损率减少63％，烟气排放都达到环保要求。 目前，水煤浆在工业窑炉中的应用主要集中在建材和冶金行业，其中应用最广泛的是陶瓷行业喷雾干燥塔中的热风炉，在广东、福建、河南、山东、湖南等地，已有百余家大型陶瓷企业的200余台热风炉，由原来燃烧柴油、重油、天然气、焦炉煤气等改烧水煤浆，每年用水煤浆量超过200万t，经济效益十分显著"。 5

普通水煤浆由于灰分较高，粒度较粗，限制了其使用范围。①新建火力电厂不可能采用水煤浆，因为煤粉燃料成本低于水煤浆，因此，水煤浆适合于现有燃油电厂的改造；②工业锅炉由于燃烧空间较小，虽然在较大型锅炉上运行工况较好，但随着炉型变小，炉膛结渣比较严重，经常需要人工不定期清理燃烧室内的炉渣和积灰，影响水煤浆稳定燃烧，特别是对于一些用于宾馆、超市、写字楼的小型锅炉或中央空调，因为以燃油和燃气为主，燃烧强度高，炉膛小，因结渣更不适合使用普通水煤浆，而且一般都布置于地下室。为一台小型锅炉装 一套投资高、体积大的除尘器不经济，也很难布置；③大量的工业窑炉对燃料的灰分十分敏感，高燃料灰分将影响产品的质量，如各种金属熔炉、玻璃窑炉、陶瓷窑炉等均不适合使用普通的水煤浆；④普通水煤浆更无法用于内燃机，因内燃机中的油泵、喷咀属于精密部件，喷咀孔也特别细，普通水煤浆粗的粒度和高的灰分将造成磨损、卡死 和堵塞。 2精细水煤浆及其技术现状 精细水煤浆是由灰分特别低的超净煤制备的水煤浆。其不仅具有普通水煤浆的流动性和稳定性好等优点，更主要的是其灰分质量分数小于1％，平均粒度小于10斗m，因此可以应用于普通水煤浆无法应用的场合。制备精细水煤浆的关键问题是超净煤的制备。20世纪70年代的石油危机，诱发了世界范围内以煤代油的研究。80年代美、澳、日、 法等国投巨资开发超低灰煤、化学煤、精细水煤浆等技术，目的是以煤炭代替柴油直接用于内燃机、燃气轮机或用于燃油炉。超净煤的制 6

备分为化学方法和物理方法。有代表性的化学方法有氢氟酸法、常规酸碱法、熔融碱沥滤法，这些方法的基本原理都是通过强酸、强碱溶解煤炭中的无机矿物达到降低煤炭灰分和硫分的目的，其降灰效果十分明显，但由于成本高、环境污染严重，一直难以工业化。物理方法的基本原理是将煤超细粉碎，使煤炭中的无机矿物充分解离，再用一些特殊的分选方法分选出超净煤，其降灰、降硫效果不如化学方法。美国的OTIsKA公司开发了用正戊烷作桥联剂的油团聚分选工艺，分选出灰分低于1％的超纯煤，制备成质量分数为50％的精细水煤浆在通用电气公司内燃机试验获得成功，同时也供给通用汽车公司的燃汽轮机使用，美国腈胺公司和Buthel公司采用化学方法深度脱除煤炭中 的灰分，获得灰分质量分数低于1％的超纯煤。不过，上述美国的2种技术制备的精细水煤浆的价格与柴油价格相当，随着当时油价的下跌，美国的技术没有进一步的商业化，而是作为技术储备∞J。中国矿业大学(北京)开发的絮团一浮选方法是一种低成本的超净煤物理分选方法¨J。采用该工艺对绝大部分煤种灰分质量分数能降到3％以 下，超纯煤的产率在63％以上，对部分煤种灰分质量分数可以降到1％以下，超纯煤的产率可以达50％以上。该工艺经过试验室小试和每小时200 kg生产能力的中试，部分煤种的试验结果见表1。表1 部分煤样絮团一浮选分选超净煤结果采用上述某种超纯煤制备的精细水煤浆的质量分数为51．0％，粒度为90％的小于40．6¨m，低位热值为15．28 MJ／kg，若柴油的热值按45．98MJ／kg计算，则3 t精细水煤浆可以替代lt柴油。该精细水煤浆的流变曲线为假塑性流体，黏度很