水煤浆燃料技术

  水煤浆是八十年代初出现的一种新型煤基流体燃料，国际上称为CWM（Coal Water Mixture）或CWF（Coal Water Fuel），它含煤约70％，化学添加剂约１％，其余为水。其中的水并不能提供热量，在燃烧过程中还会因蒸发造成热损失，不过这种损失并不大。以含煤70％的水煤浆为例，1公斤水煤浆中含水0.3公斤，水的气化潜热不到600大卡/公斤，故燃烧1公斤水煤浆因其中水造成的热损失不到180大卡，约占水煤浆热值的4％。可是它却使煤炭从传统的固体燃料转化为一种流体燃料，从而带来很多优点。水煤浆像油一样，可以泵送、雾化、贮存与稳定着火燃烧。两吨水煤浆可代一吨油。由于水煤浆与燃油在相同热值下相比，其价格仅为重油的1/2左右，以水煤浆代油具有显著的经济效益，因此是目前企业通过技术改造解困的有效途径之一。燃用水煤浆与直接烧煤相比，具有燃烧效率高、负荷易调控、节能和环境效益好等显著优点。水煤浆经长距离管道输送到终端后可直接燃用，储运过程全封闭，既减少损失又不污染环境，是解决我国煤炭运力不足的重要运输方式之一。

　　石油是重要的战略物资，我国每年烧油量仍在三千万吨以上，占石油产量的五分之一。我国煤多油少、并致力于控制燃煤污染，所以水煤浆技术在我国受到政府的特别重视，国家领导人多次亲临考察。1996年初*总书记在中国矿业大学北京等考察煤炭科技工作时，对水煤浆技术给予了高度评价，并指出“从战略上看，中国煤炭资源丰富，要充分发挥煤的作用。中国的燃料在相当长的时期要依靠煤，要把水煤浆作为一个战略问题来考虑，这是一件十分重要的工作。”

　　一、水煤浆的质量特征与制浆技术简介 　

　　水煤浆和一般的煤泥水不同，因为它是一种燃料，所以必须具备某些便于燃烧、使用的性质，主要有：

　　1．为利于燃烧，水煤浆的含煤浓度要高。通常要求在62％～70% 左右；

　　2．为便于泵送和雾化，粘度要低。通常要求在100（1/秒）剪切率及常温下，表观黏度不高于1000～1200毫帕秒；

3．为防止在贮运过程中产生沉淀，应有良好的稳定性。一般要求能静置存放一个月不产生不可恢复的硬沉淀；

　　4．为提高煤炭的燃烧效率，其中煤粒应达到一定的细度。一般要求粒度上限为300微米，其中小于200网目（74微米）的含量不少于75％。

　　使水煤浆能满足其中单项性能并不难，但要同时满足各项要求就会遇到许多困难，因为有些性能间是相互制约的。例如，要使水煤浆中含煤浓度高，就不能多用水；水少了，又会引起粘度高，流动性差；要流动性好，粘度就应低，但粘度低又会使稳定性变差。所以它的制备技术难度大，涉及煤化学、颗粒学、胶体与有机化学及流变学等多学科技术。高浓度水煤浆的制备技术，在八十年代初期只有瑞典和美国掌握，并严加保密。引进技术代价太高，1982年我国开始自主研制。

　　要做出符合上述性能要求的高浓度水煤浆，单用细煤粉与水简单混合起来是无法实现的，还必须采取一些特殊的技术措施，主要有：

　　1．要使煤与水能混为一体，至少必须使煤粒能全部为水所浸没。通常情况下，煤粉中颗粒间往往存有较多的空隙，水首先要将这些空隙充满才可浸没全部煤粒，所以耗水量大，难以做成高浓度水煤浆。为了提高制浆浓度，必需使煤的粒度分布具有较高的堆积效率，即颗粒间空隙要少。使空隙最少的技术称“级配”，是制浆的关键技术之一。其中涉及两项技术，首先是要能判定什么样的粒度分布才具有较高的堆积效率；更重要的是如何根据给定的煤炭性质与粒度组成，制定合理的制浆工艺、选择磨碎设备的类型、设计磨机的结构与运行参数，使产品能达到具有较高堆积效率的粒度分布。

　　2．煤炭的主体是有机质，它是结构十分复杂的大分子碳氢化合物。这些有机质的表面具有强烈的疏水性，不易为水所润湿。细煤粉又具有极大的比表面积，在水中很容易自发地彼此聚结，这就使煤粒与水不能密切结合成为一种浆体，在较高浓度时只会形成一种湿的泥团。所以制浆中必需加入少量的化学添加剂，即分散剂，以改变煤粒的表面性质，使煤粒表面紧紧地为添加剂分子和水化膜包围，让煤粒均匀地分散在水中，防止煤粒聚结，并提高水煤浆的流动性。由于各地煤炭的性质千差万别，适用的添加剂会因煤而异，不是一成不变的。

　　3．煤浆毕竞是一种固、液两相粗分散体系，煤粒又很容易自发地彼此聚结。在重力或其他外力作用下，很容易发生沉淀。为防止发生硬沉淀，必需加入少量的化学添加剂，即稳定剂。稳定剂有两种作用，一方面使水煤浆具有剪切变稀的流变特性，即当静置存放时水煤浆有较高的粘度，开始流动后粘度又可迅速降下来；另一方面是使沉淀物具有松软的结构，防止产生不可恢复的硬沉淀。

　　从以上可以看出，煤炭的制浆效果与煤炭本身的理化性质有着密切关系，制浆用原料的性质直接影响到水煤浆的质量与生产成本。所以，建设制浆厂时，根据用户对煤浆质量的需求，以及煤炭成浆性规律，合理选择制浆用煤是十分重要的。

　　从燃烧角度出发，制浆用煤的挥发分含量不能太低，锅炉用水煤浆时，通常要求>28%，否则煤浆不易稳定着火燃烧。此外，为防止炉内结渣，对于大多数采用固态排渣的炉子，要求煤炭的灰熔点（T2）高于1250℃。至于煤炭的发热量、灰分与硫分指标，则应根据用户的需求而定。至于煤炭的成浆性，则需要对有代表性的煤样进行专门的试验研究后才能判定。一般地说，煤炭的内在水分越低、可磨性越好、煤中氧含量越低，则成浆性越佳。

二、我国水煤浆技术开发与应用简况

　　我国从“六五”开始，就将“水煤浆制备与燃烧技术”列为国家重点攻关项目。我校负责其中的制浆技术开发，包括煤种的优选、添加剂、磨矿级配技术与制浆工艺、制浆专用设备与检测控制技术等。经过“六五”到“九五”近二十年的努力，现已拥有实验室制浆研究手段、8公斤制浆台架试验装置、100公斤/时多功能连续制浆小试系统、2吨/时多功能连续制浆中试厂，以及先进的现代仪器分析室；并开发出具有我国特色的制浆技术，形成了我国自己的制浆理论体系，取得了发明专利，并达到国际水平。曾先后获得国家科技进步三等奖、能源部科技进步一等奖、山东省科技进步一等奖、教育部科技进步二等奖。我校水煤浆技术的开发，还引起国际社会的重视，曾得到联合国计划开发署及国际科学文化中心（ICSC）世界实验室项目的支持。国家水煤浆工程技术研究中心的制浆技术研究所及世界实验室的煤浆研究中心均设在我校。利用我校开发的技术，建设了大同（3万吨）、株州（3万吨）、绍轧（3万吨）、八一（25万吨）等中、小型制浆厂。立足国内技术与装备完全可以建设更大规模的制浆厂，目前正在建设的大型制浆厂是大同（年产100万吨）与胜利油田制浆厂（一期工程50万吨）。与国外相比，建厂投资省、生产成本低。引进的年产25万吨兖日浆厂，投资40.2亿日元，采用我校技术建设的相同规模八一浆厂，投资仅5000多万元，相当引进厂的1/4。我校开发的添加剂，费用只相当国外的1/3～1/2。水煤浆的价格比国外低得多，国外每吨65～70美元，我国只有40美元左右。

　　山东白杨河电厂燃用八一水煤浆厂生产的水煤浆代油，在该厂3＃机组（5万千瓦、230t/h锅炉）上经过4000多小时安全运行，1999年6月通过了国家鉴定，燃烧效率达99％，接近燃油水平；锅炉效率达到90％；负荷在40～100％（20～50MW）区间变动均能稳燃，达到了国际先进水平。经环保检测，烟尘排放浓度为135.2mg/Ndm3、SO2排放浓度为627.4 mg/Ndm3、NOx排放浓度为495.1mg/Ndm3，均符合国家排放标准。在燃油价格1450元/吨的情况下，燃用水煤浆与燃油相比，标煤单价可降低426.37元/吨，单位发电变动成本可降低182.2元/千千瓦时。由于经济效益显著，该厂又仅用52天时间，将1＃机组（规模同3＃机组）改为烧水煤浆，并已于2000年1月投浆，并列、接带负荷一次成功。

　　以水煤浆代煤用于轧钢加热炉，最早是在桂林钢厂，后来为绍兴轧钢厂采用，连续运行了9年。燃烧效率由85％提高到98.5％以上，节煤30％，由于负荷和炉温便于调控，炉内火焰充满度好，沿炉长温度梯度符合钢坯加热工艺要求，钢坯氧化烧损率由1.8％降至1.5％，不仅钢坯加热质量有明显提高，同时加热炉能力也由原来的30吨/时提高到40吨/时。采用常规水幕除尘，显著改善了排烟质量。以桂林钢厂环保检测数据为例，与原燃用粉煤相比，排放的烟尘浓度由732 降至240 mg/Ndm3，SO2由283.8降至9.78 mg/m3，NOx由14.1 降至4.4 mg/m3，林格曼黑度由2级降为0级。烟气排放各项指标均优于国家环保标准。此外，在山东莱芜钢厂大型台车式锻造加热炉以水煤浆代气，在绍兴钢厂的钢坯加热炉上以水煤浆代煤，均取得成功。

　　水煤浆代油在石化与油田企业中的效益最佳，因为一方面它们自用锅炉烧油量很大，另一方面重油催化裂化装置又缺原料，以水煤浆代油不但代一吨油可节省燃料费400～600元，而且将省下的重油进行深加工，每吨重油还可获得效益400元。1994～1995年浙江大学与胜利油田管理局合作，曾在3MW与7MW筒形卧式盘管燃油锅炉上以水煤浆代油连续运行1年多，取得很好的效益。目前，北京燕山石化总公司组织的以水煤浆代油用于自备电站5万千瓦机组的工业试验已初步获得成功。

　　据不完全统计，我国仍在运行的100MW以上的电站燃油机组还有2750MW；中石化系统尚在运行的35～410t/h燃油锅炉和机组有130余台（总蒸发量15800t/h）。上述油炉改烧煤粉要比改为烧水煤浆难度大得多，改造投资大，工期长。

　　燃煤污染已日益受到政府与社会的关注，许多大、中城市已先后决定不准烧散煤，各城市现有大量的中小型烧煤锅炉将面临要改用其他燃料，改为烧气和油当然可行，但燃料费用太高。若改烧水煤浆，既可满足环保要求，又比烧油或气经济，所以水煤浆在这方面也会有很好的市场前景。

　　三、制浆厂的投资、生产成本与效益

　　制浆厂投资取决于生产规模、制浆工艺及建厂条件等因素。生产规模应根据用户需要而定。用户集中的地区可建设规模较大的中央制浆厂，生产商品浆，供本地区若干用户燃用；分散的小用户或自身需浆量大的用户，可建用户自备制浆厂，或炉前制浆系统，专供本厂使用。

　　根据已有制浆厂的建设资料，在一般情况下，全部采用国内技术与装备，因规模大小和工艺不同，吨浆投资大致在150～200元范围。用户建设的自备浆厂及炉前制浆系统因生产的不是商品浆，制浆工艺可以简化，不需要庞大的储浆设施，并可充分利用工厂已有的内、外部条件，所以投资较省，吨浆投资有可能控制在100元左右。

　　制浆厂的投资构成中，设备购置和安装约占40～60％；建筑约占20～30％；其它费用约占15～25％。

　　水煤浆的生产成本主要包括原料煤成本（每吨浆约需用0.7吨煤）和制浆加工费。制浆加工费的多少主要取决于所采用的制浆工艺与原料煤性质。制浆加工费中，主要是动力电费与所需化学添加剂费用。制浆电耗约吨浆40～60度，添加剂费用与所选用制浆原料煤成浆性的难易程度有密切关系，一般在吨浆20～60元左右。加上成本中的材料消耗、折旧、工资及其他费用等项，每吨浆的加工成本（不包括原料煤）估计在90～140元之间。

　　由于水煤浆是一种新型燃料，商品水煤浆的售价目前尚由供需双方议价确定。按当前重油和渣油价每吨1700元测算，水煤浆运到用户的价格每吨在400～500元之间，用户将有很高的效益，制浆厂也有较好的效益。

　　四、工程技术服务

　　水煤浆的工业应用是一项系统工程，它涉及制浆与燃烧技术、工程设计、专用设备与检测控制技术等方方面面，单靠一个单位是难以做好的。为了推动我国水煤浆事业的健康发展，也为了对制浆与燃烧客户负责，我们主张技术单位与工程单位和生产单位联合承担项目，各自发挥自己的优势，扬长避短，通力协作。目前我们“制浆技术研究所”已与浙江大学“燃烧技术研究所”、煤炭工业部选煤设计研究院“洗选、制浆工程设计研究所”、枣庄矿业集团公司八一煤矿“水煤浆工业生产培训基地”等纳入国家水煤浆工程技术研究中心的专业研究所及制浆与燃烧专用设备制造厂家结成了长期、良好的合作伙伴关系，通力配合承担水煤浆工程项目，使工程项目能得到可靠的保证。