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应用水煤浆洁净燃烧技术控制燃煤工业锅炉
二氧化硫污染
——中国燃煤工业锅炉二氧化硫污染综合防治对策（五）
张慧明 王 娟
（青岛市环境科学学会，青岛266001） （青岛理工大学环境与市政工程学院，青岛266033）
摘 要 本文研究水煤浆洁净燃料，及其在燃煤工业锅炉上控制SO2污染的应用。其主要内容包括水煤浆洁净燃烧技术概况，水煤浆生产方法、水煤浆的分类及其物理性能，水煤浆洁净燃烧系统的工艺过程及其技术性能，水煤浆锅炉环境效益及经济效益，及水煤浆锅炉的特点。研究表明，水煤浆洁净燃烧技术燃烧效率高，燃尽率高，炉渣含碳量低，即经济效益好；烟尘和SO2排放浓度低，环境效益好。水煤浆洁净燃烧技术是燃煤工业锅炉理想的替代技术。
关键词 煤炭；烟尘； SO2；燃煤工业锅炉；水煤浆；水煤浆锅炉
Controlling sulfur dioxide pollution from industrial coal-fired boiler by clean combustion technology of coal water mixture ( CWM )
Zhang Huiming
(Qingdao Institute of Environmental Science, Qingdao 266003)
Wang Juan
(Qingdao Technological University，Qingdao 266033)
Abstract Clean fuel of water mixture and controlling sulfur dioxide pollution from industrial coal-fired boiler is discussed in this paper. It includes a survey of clean combustion technology of CWM, productive methods of CWM, classify and physical properties of CWM, technological process and properties of clean combustion system of CWM, system of CWM-fired boiler and characteristics of CWM-fired boiler. It is shown by research that firing rate and limiting firing rate of clean technology of CWM is high and carbon content of slag is low so that economy benefit is good, emission density of sulfur dioxide and flue dust is low so that environmental benefit is good. Clean combustion technology of CWM is ideal alternative technology for air pollution controlling of industrial coal-fired boiler.
Key words coal; flue dust; sulfur dioxide; industrial coal-fired boiler; coal water mixture; coal water mixture-fired boiler

1引言
多年来的实践表明，应用传统的大气污染控制技术，燃煤工业锅炉大气污染是很难控制的，其可持续发展受到质疑。工业锅炉以煤炭为燃料，是由我国能源结构和我国的经济决定的。但是，用作工业锅炉的燃料煤炭，应当是无污染的清洁型的燃料，大气环境才不会受到污染。20世纪70年代初西方发达国家研究开发的水煤浆技术，便可以达到上述要求，即以煤炭为基础，将其加工成水煤浆再用作锅炉燃料，工业锅炉方可洁净燃烧，大气环境污染问题可以得到控制。同时可获得良好的经济效益和环境效益。笔者选用水煤浆洁净燃烧技术，作为《中国燃煤工业锅炉二氧化硫污染综合防治对策》之一，其原因也在于此。
大力研究开发水煤浆技术，积极推广水煤浆技术在工业锅炉上的应用，对控制我国大气环境污染，节约能源，具有极其重要的意义。水煤浆锅炉是目前我国严重污染大气环境的燃煤工业锅炉的理想替代产品。
2水煤浆技术概况
2.1 水煤浆技术的产生及发展
20世纪70年代初，由于 “能源危机”，西方发达国家研究开发了一种新型低污染的煤基流体代油的洁净燃料——水煤浆（Coal Water Mixture，简称CWM），后因能源危机解除，国际市场上石油供应充足，水煤浆技术并未获得替代石油的广泛应用。我国石油资源短缺，以煤代油势在必行。此外，采用水煤浆洁净燃烧技术，可经济有效地控制我国燃煤工业锅炉SO2污染。为此，水煤浆技术在我国应运而生，将获得愈来愈广泛的应用。因此，水煤浆锅炉这项燃烧技术，因经济效益和环境效益好而列入我国十大洁净煤技术的前列。
我国水煤浆技术研究开发较晚，始于20世纪80年代初，但发展较快。目前在燃煤锅炉上已由中试阶段开始进入工业化应用阶段，制浆技术已达到国际水平，部分水煤浆已向国外出口。我国水煤浆锅炉的燃烧效率均在95％以上，锅炉的热效率均在84％以上。水煤浆锅炉烟尘和SO2的排放浓度，可达到我国《锅炉大气污染物排放标准》。水煤浆单位热值价格（元/MJ）与重油、天然气比较，水煤浆为0.0136～0.0167；重油为0.0366～0.0439；天然气为0.054。目前我国运行的水煤浆锅炉，有4t/h、6t/h、8t/h、10t/h、20t/h、35t/h、40t/h、75t/h、130t/h、200t/h，大容量的水煤浆锅炉有500t/h和600t/h。近年来，水煤浆技术已在供热锅炉和热电厂开始应用，经济效益与环境效益都很好，引起中国环保和能源界的共同关注。我国水煤浆技术已进入到大型化、系列化和规模化的工业推广应用阶段。
2.2 水煤浆制备
水煤浆是由65～70％不同粒度分布的煤炭，30～35％的水及约1％的添加剂制成的煤水混合物它既保持了煤炭原有的物理特性，又具有石油一样的流动特性和稳定性，可以像石油一样易于管道输送和喷雾高效燃烧，被称为液态煤炭制品。
2.2.1 制备水煤浆的原料
（1）洗精煤 制造水煤浆用煤炭应是低灰分、低硫分、高挥发分、高灰熔点、高热值的优质动力煤－洗精煤。洗精煤要求如下：
热值（低位发热量）≥6000kcal/kg 可磨指数50～100
挥发分≥30％ 灰熔点（T2） 动力型≥1300℃
灰分≤10％ 气化型≥1180℃
硫分≤1％
（2）添加剂 制造水煤浆用添加剂，应具有活性好、反应快、添加量少、制浆成本低、对煤炭灰熔点降低小的特性。在动力水煤浆制备过程中，添加剂可采用下列化合物：木质素磺酸盐，腐植酸盐，亚甲基苯磺酸盐，聚苯乙烯磺酸盐，聚脂肪族二烯烃磺酸盐，聚甲基丙烯酸盐等。这些添加剂各具利弊。
（3）水 制备水煤浆用水，呈中性或微碱性，浊度低，研磨不产生有害气体。
2.2.2 制备水煤浆的工艺过程 目前，国内外水煤浆厂采用的制浆工艺过程有三种：高浓度磨矿制浆工艺过程；中浓度磨矿制浆工艺过程；高、中浓度磨矿制浆工艺过程。
高浓度磨矿制浆工艺过程的特点是：将洗精煤、水和添加剂一起加入球磨机，在高浓度（略高于成品水煤浆的浓度）条件下进行磨制，磨矿产品就是高浓度水煤浆的初级产品，再经过搅拌、稳定性处理及隔渣，就可获得成品水煤浆。我国自己建设的水煤浆厂也大多采用这种工艺过程。
三种不同制浆工艺过程各有其优缺点。我国水煤浆专家研究分析它们的优缺点后，确定以下制浆原则：
（1）选用高浓度磨矿工艺过程；（2）添加剂分段加入，可提高制浆效果，降低添加剂的使用量；（3）对水煤浆进行高剪切处理，可提高水煤浆的屈服应力，增强水煤浆的触变性，加速水煤浆的熟化，改善水煤浆的稳定性；（4）减少磨矿产品平均粒度，为了提高水煤浆的稳定性，可适当减少磨矿产品的平均粒度，磨矿产品的平均粒度应控制在40 μm左右。
2.2.3 制备水煤浆的主要设备 制备水煤浆的主要设备有破碎机、水煤浆专用球磨机、搅拌器和调浆桶、强化泵和机泵、储浆罐及供应设备。其中，强化泵为对水煤浆进行高剪切处理的设备，以提高水煤浆的稳定性、屈服应力和触变性等；而机泵是在水煤浆制备过程中用来输送水煤浆的泵。
2.3 水煤浆的管道输送和储存
（1）水煤浆的管道输送 管道内水煤浆应连续运行，不可过长时间存放；系统开启过程应缓慢进行，开始以小流量输送，再逐渐增大流量至稳定输送值；水煤浆输送泵的额定压力，应为稳定计算值的3倍左右；对泵前储罐内水煤浆应适当搅拌，可减少泵的磨损及管道输送阻力；水煤浆管道应采用热水伴热或电伴热；长距离输送水煤浆时应采用大曲率半径的弯头（D≥3Dn）；设置管道堵塞信号及低点排放措施。
（2）水煤浆的储存 小容量的储罐可采用较大的高径比，大容量的储罐可采用较小的高径比；储罐底部结构要合理，考虑储罐强度和稳定性，水煤浆可全部排出及清洗排污方便；设置搅拌器及导流装置，以防水煤浆沉淀和堵塞；储罐内壁容易氧化腐蚀，应采取防氧化腐蚀措施；寒冷地区储罐的保温及伴热。
3水煤浆的分类及其物理性能
水煤浆的分类及其物理性能目前尚未形成国家技术标准。 本文列出的水煤浆分类及其物理性能，是根据国内外资料集合而成。
3.1 水煤浆的分类
水煤浆分为精煤水煤浆、经济水煤浆、气化水煤浆及环保水煤浆，其技术性能列于表1。
表1 水煤浆的分类
性能
名称
浓度，％
灰分，％
粘度，mPa.S
平均粒径，μm
稳定性，天
精煤水煤浆
≥65
≤10
≤1200
45
≥30
经济水煤浆
50～60
15

55
30
气化水煤浆
58～65

≤1000
50～60
1～2
环保水煤浆※
≥65
≤10
≤1200

※ 对含硫量等要求较高
3.2 水煤浆的物理性能
水煤浆的物理性能列于表2
表2 水煤浆的物理性能
浓度
干燥%
粘度
Pa.S
粒度
μm

发热量
MJ/kg
结冰点
℃
比重
灰分
Aα%
硫分
%
稳定性
挥发分
%
67±1
1.2～1.5
平均50
75μm≥80%
250μm≤1%
20
-40
1.22～1.23
10
≤0.6
静存6～10个月
＞33

燃点
℃
灰熔点
℃
常温（20℃）空气助燃
250℃热风助燃
燃烧温度 ℃
炉温 ℃
燃烧温度 ℃
炉温 ℃

600～650

1460
1700
1360
1900
1410

4水煤浆锅炉燃烧系统的工艺过程及技术性能
4.1 水煤浆锅炉燃烧系统的工艺过程
水煤浆锅炉燃烧系统的工艺过程如图1所示。
水煤浆燃烧器主要由水煤浆喷嘴组成，它通常采用撞击式多级雾化水煤浆喷嘴。容量较小的水煤浆锅炉，喷嘴一般用空气雾化，容量较大的水煤浆锅炉，一般用蒸汽雾化。
图1 水煤浆锅炉燃烧系统的工艺过程

4.2 水煤浆锅炉燃烧的技术性能
本文以4t/h水煤浆锅炉为例，其技术性能如下：
额定蒸发量
＞3880kg/h

燃料
水煤浆
燃烧消耗量
706.1kg/h

水煤浆价格
450元/t
燃烧空气入口温度
32℃

排烟温度
197.3℃
烟气量
6538.5℃

排烟空气过量系数
1.68
烟气烟尘排放浓度
63.5mg/m3

烟气SO2排放浓度
730mg/m3
排放烟气黑度
林格曼1级

飞灰可燃物含量
30.2%
给水温度
28.5

给水压力
1.31Mpa
实际蒸发量
4009.30kg/h

蒸汽压力
1.25Mpa
湿炉渣重量
9.03kg/h

排出炉渣温度
600℃
炉渣可燃物含量
5.1%

炉温
1300～1350℃
每t蒸汽水煤浆消耗量
176.52kg/t(蒸汽)

水煤浆锅炉单体价格
34.68万元
成套水煤浆锅炉系统投资
61万元

年操作费用
与燃煤锅炉相当

5水煤浆锅炉环境效益与经济效益

5.1 水煤浆锅炉环境效益可佳
显然，4t/h水煤浆锅炉烟尘排放浓度63.5mg/m3，SO2排放浓度为730 mg/m3，烟尘黑度为林格曼1级，符合《锅炉大气污染物排放标准》（GWPB3-1999）标准中一类区Ⅱ时段的要求。而标准中一类区Ⅱ时段要求烟尘浓度不高于80mg/m3，SO2浓度不高于1200 mg/m3。可见水煤浆锅炉烟气SO2的排放浓度远远低于国家标准，环境效益可佳。
5.2 水煤浆锅炉的经济效益相当可观
采用不同燃料时，生产每t蒸汽的成本差异较大，表3列出水煤浆、燃煤、燃油燃气及用电四种锅炉生产每t蒸汽耗用燃料成本的比较。
表3 四种锅炉生产每t蒸汽耗用燃料成本比较
项目
炉型
热效率%
燃尽率%
燃料名称
单价
耗量/t蒸汽
成本/t蒸汽
CWM与其它成本比较
水煤浆锅炉
83-84
98
CWM
450元/t
148kg
66.6
1
燃煤锅炉
67
80
混合煤
335元/t
200 kg
67
1:1
重油锅炉
84
98
重油
1500元/t
75 kg
112.5
1:1.69
燃气锅炉
92
99
天然气
2.0元/t
78 m3
156
1:2.34
柴油锅炉
85
99
柴油
2600元/t
70 kg
196
1:2.94
电锅炉
97
—
电
0.40元/KW·h
720KW·h
288
1:4.32

由表3可见，就热效率而言，水煤浆锅炉为83.5%，比燃煤锅炉高16.5%，与燃柴油锅炉和燃重油锅炉84～85%接近。水煤浆锅炉燃尽率为98%，与燃柴油锅炉和燃重油锅炉接近，而比燃煤锅炉高18%，这就是水煤浆锅炉烟尘排放浓度低而燃煤锅炉烟尘排放浓度高的基本原因。就每t燃料价格而言，水煤浆为450元，每t比煤炭贵115元，而比重油便宜1050元，比柴油便宜2350元，属于价格便宜，用户可以接受。每生产1t蒸汽，水煤浆锅炉需要66.6元，与燃煤锅炉需要67元大体相当，而重油锅炉和柴油锅炉分别需要1125元和196元，重油锅炉是水煤浆锅炉的1.69倍，柴油锅炉是水煤浆锅炉的2.94倍。可见，水煤浆锅炉热效率高、节能、便宜、经济效益好。
水煤浆锅炉年操作费用与燃煤锅炉大体相当，而比燃油锅炉便宜得多，就年燃料费用而言，一台4t/h柴油锅炉每天运行10小时，一年运行300天，年消耗柴油900t，年柴油费用为252元，而水煤浆锅炉水煤浆费用仅需81元。可见，一台4t/h水煤浆锅炉一年燃料的费用，比燃油锅炉要节省171万元。
分析比较可以得出，在四种不同燃料的锅炉中，只有水煤浆锅炉具有经济效益相当可观而且环境效益可佳的显著双重特点。
6水煤浆锅炉的特点
（1）热效率高，节煤，经济效益相当可观水煤浆燃烧高效稳定，燃烧完全，燃烧效率高，大于95%，与粉煤燃烧相同。燃尽率高，一般为98%，与燃油锅炉接近。热效率高，通常为84%左右，与燃油锅炉接近。水煤浆锅炉的炉渣含碳量低，一般为0.60%左右，而燃煤锅炉炉渣含碳量一般为13.7%，炉渣量明显减少。在同等热值下，水煤浆锅炉大大减少燃料的消耗量，节煤效果好。
（2）烟尘和SO2排放浓度低于国家标准，环境效益可佳。由于水煤浆含硫量低于0.6%，SO2排放浓度低，一般为700 mg/m3左右，同时烟尘排放浓度也较低，通常为60 mg/m3左右，排放烟气的黑度为林格曼1级，符合国家标准要求。燃煤锅炉环境效益差，是不能与水煤浆锅炉比拟的。
3）炉温比燃煤锅炉高，可达1300～1350℃或更高，但比燃油锅炉低，NOx生成量较少。
（4）控制、调节自动化，与燃油锅炉相似，优于粉煤炉。
（5）储存、运输方式与燃油相似，也优于粉煤炉。
（6）水煤浆锅炉的规格尺寸与燃油锅炉相似，比粉煤炉简单、安全。
（7）水煤浆浓度高，流变性好，长期储存不发生沉淀，它能像燃油一样泵送、雾化，在锅炉上完全可以替代燃油。
（8）水煤浆采用管道输送，燃烧器喷燃，减掉炉前口，消除了笨重的体力劳动，改善了工作环境。
（9）用途广泛。水煤浆可用于燃煤工业锅炉、燃煤发电厂锅炉、燃煤工业炉窑。它适用于冶金、机械、化工、建材等行业的工业炉窑、加热炉、热处理炉干燥炉窑、烧成窑等。由于它方便地实现了“以煤代油”的应用和清洁地取代粉煤或块煤燃烧，其用途在我国相当广泛，前景看好。
（10）水煤浆技术为我国主要能源煤炭的高效洁净利用，开辟了一条符合国情、富有生命力的出路，极大地开拓了煤炭的应用市场，为我国新世纪经济持续迅速发展提供了清洁能源。预计我国水煤浆技术市场将会迅速发展，水煤浆技术的用途将会日益不断拓宽。在当前及未来较长的时期内，它是燃煤工业锅炉及炉窑最佳的替代技术及设备。
7结语
（1）燃煤工业锅炉SO2污染防治的根本出路在于应用洁净煤技术，才能简便、经济、有效地控制SO2污染。水煤浆是洁净煤技术中煤炭经加工转换成一种新型的洁净燃料，水煤浆锅炉燃烧效率高，一般在90%以上；热效率高，通常在80%以上，与燃油锅炉接近；SO2和烟尘排放浓度低于国家标准，SO2排放浓度通常为700 mg/m3，烟尘排放浓度一般为60 mg/m3，因而具有经济效益和环境效益双佳的特点。
（2）对于国内现有的燃油锅炉来说，由于燃油的价格逐年增加，蒸汽的生产成本也逐年增多，燃油锅炉的经济效益逐年下滑。为此，国内不少燃油锅炉改烧水煤浆。燃油锅炉改烧水煤浆之后，蒸汽的燃料成本可节约50%，替代下来的重油深加工可带来500元/t的二次经济效益。经济效益和环境效益双赢。燃油锅炉改烧水煤浆，充分利用原有设备资产、新增设备少，改造投资省，建设时间短，见效快。目前，改造一台220t/h的燃油锅炉，需投资2500～3000万元，建设期约1年即可投运，与燃油相比，年节省直接经济效益在5000万元以上，尤其是用户选择自己生产水煤浆，而不是外购水煤浆时，其经济效益更加显著。
（3）近几年来，水煤浆技术已在供热锅炉和热电厂开始应用，环境效益和经济效益看好，预计在近几年内水煤浆技术、设备及市场将会有较大的发展，燃煤工业锅炉SO2污染防治是可能的，也是有望的。

参考文献
1、徐健，王淑萍，“水煤浆代油燃烧技术”，2004年中国石油和化工勘察设计学会热工设计专业委员会和全国化工热工设计技术中心站年会论文集，259～266；
2、于益民，“水煤浆燃烧技术在锅炉改造中的应用”，2004年中国石油和化工勘察设计学会热工设计专业委员会和全国化工热工设计技术中心站年会论文集，255～258；
3、张慧明，《中国燃煤工业锅炉SO2污染综合防治对策》，2003年中国环境科学学会年会论文集，长沙，2003；
4、张慧明，中国燃煤工业锅炉SO2污染及应用水煤浆技术控制，环境与发展，2003，19（3），16～21。

作者简介 ：
张慧明，(1944～),男，河北磁县人，著名环境学家，能源与环境学家，中国近代SO2污染控制工程奠基人，终身研究员，从事高等教育和大气污染控制工程研究与开发工作。