水煤漿技術

水煤漿是20世紀70年代興起的煤基液態燃料，可作為爐窯燃料或合成氣原料，具有燃燒穩定、污染排放少等優點。

基本介紹

• 中文名：水煤漿技術
• 外文名：Coal-water slurry technology
• 形態：液態
• 屬性：煤基液態燃料
• 興起年代：20世紀70年代
• 特點：燃燒穩定、污染排放少

概述

水煤漿是20世紀70年代興起的煤基液態燃料，可作為爐窯燃料或合成氣原料，具有燃燒穩定、污染排放少等優點。水煤漿是由煤、水和化學添加劑按一定的要求配製成的混合物，具有較好的流動性和穩定性，易於儲存，可霧化燃燒，是一種燃燒效率較高和低污染的較廉價的潔淨燃料，可代重油緩解石油短缺的能源安全問題。

水煤漿是由大約65%的煤、34%的水和1%的添加劑通過物理加工得到的一種低污染、高效率、可管道輸送的代油煤基流體燃料。它改變了煤的傳統燃燒方式，顯示出了巨大的環保節能優勢。尤其是近幾年來，採用廢物資源化的技術路線後，研製成功的環保水煤漿，可以在不增加費用的前提下，大大提高了水煤漿的環保效益。在我國豐富煤炭資料的保障下，水煤漿也已成為替代油、氣等能源的最基礎、最經濟的潔淨能源。

水煤漿由65%左右的煤，34%的水及少量化學添加劑製成，是一種漿體燃料，可以像油一樣泵送、霧化、貯存和穩定燃燒，其熱值相當於燃料油的一半，可代替燃料油用於鍋爐、電站、工業爐和窯爐，用於代替煤炭燃用，具有燃燒效益高、負荷調整便利、減少環境污染、改善勞動條件和節省用煤等優點。桂林鋼廠以水煤漿代煤粉燃燒，折合標準煤約為90公斤/噸材，節煤33%，煙塵排放由732降至240毫克/m3致癌的NOx含量由280.8降至44毫克/m3，使環境和勞動條件得到明顯改善。此外，由於燃燒水煤漿工藝性能好，使鋼材的燒損率由1.8%下降至1.5%，企業獲得較好的經濟效益。所以水煤漿技術不僅可用於代油，用於代煤也有節能和環保效益。

原理

水煤漿的問世，源於20世紀70年代的世界石油能源危機。當時全世界在石油能源危機的經濟大衰退之後，清醒地認識到石油天然氣作為清潔能源，並不是取之不盡用之不竭的，豐富的煤炭依然是長期可靠的主要能源。然而，傳統的燃煤方式造成嚴重大氣污染的歷史教訓是不容重現的。於是煤炭液化、汽化和漿化成為先進工業國家普遍重視的研究課題。水煤漿則是煤炭液化的最佳成果，也是煤炭潔淨利用最廉價的實用技術。

水煤漿氣化涉及高溫、高壓、非均相、流動、傳遞與化學反應等複雜化學物理過程， 難以在實驗室中進行工業條件下的過程研究。對此，華東理工大學在化學工程與工藝相關 理論指導下，結合多年研究開發中積累的方法與經驗，在對氣化過程進行深刻、全面分析基礎上，提出了正確把握各種影響因素間關係的層次機理模型。對複雜的氣化過程進行合理分解，實現了研究課題的命題轉化，開創了一套適用於研究氣流床氣化過程的科學研究開發方法。即在冷模裝置上研究流體流動規律、霧化與混合規律；借鑑工程經驗，在計算機上綜合疊代的一步轉化方法。

採用國際先進的三維雷射多譜勒粒子動態分析儀(DualPDA)和Mafiven測粒儀，在大型冷模裝置上研究氣流床內流體的速度分布、濃度分布、停留時間分布、霧化粒徑及其分布等，分別建立了流動與反應三區模型、速度分布、濃度分布、停留時間分布、霧化粒徑及其分布等數學模型，由此形成了系統的氣流床水煤漿氣化理論與專利技術，為該領域的技術創新奠定了基礎。

中國煤炭資源分布集中在“三西”，即山西、陝西及內蒙西部。目前有63%的煤炭要從“三西”調出，中國長期存在北煤南運、西煤東調的格局。煤炭的管道運輸投資少、建設周期短、營運費低、為全密閉輸送，不污染環境。水煤漿經管道輸送到終端即可供用戶燃用，而且可長期密閉儲存。

方法及措施

水煤漿是固液混合物，柴油是液體，兩者的熱值和燃燒特性差別很大。對燃柴油裝置必須作相應的改造才能形成精細煤漿的代油市場。下面以兩種典型的燃油裝置為例。

精細水煤漿在柴油機中的燃用

霧化柴油在氣缸內是高壓爆燃，壓力達15～20MPa。柴油機燃料系統的關鍵部件是油泵和油噴嘴，兩者都是柱塞型的；柱塞與塞套是精密的耦合件。小型農用柴油機是高速柴油機，運轉速度達2000 r/min。柱塞高速往復運動，柴油在偶合件表面形成薄膜，起到潤滑作用。

燃用漿體燃料，柴油機的改造有兩種途徑：另設漿泵和霧化噴嘴，取代原來的油泵和油噴嘴；對原有的油泵和油噴嘴加以改造，使其適用於漿體燃料。農用柴油機是廉價設備，在我國有上千萬台，第二種改造途徑如果成功，將具有巨大的現實意義。

要採用高壓油封系統潤滑藕合件，並阻止漿體滲入藕合件的間隙。

精細水煤漿在小型燃油供暖鍋爐上的燃用

居室供暖燃油鍋爐的體積很小，設備緊湊，自動化程度高。用精細水煤漿作替代燃料，需要解決三個題。

(1)提高漿體燃料的燃燒強度。採用常規的 霧化懸浮燃燒方式，煤漿的容積熱負荷僅為柴油的1/4～1/5，因此，需要的燃燒室體積為柴油的4～5倍。為保持居室設備的小型化，必須尋求漿體燃料高強度燃燒的技術。

(2)簡化漿體燃料的霧化方式。一般是用壓縮空氣霧化水煤漿，這就需要漿泵和空壓機；這對居室設備顯然太複雜。必須尋找簡單的漿體燃料霧化方法，以取代漿泵和空壓機。

(3)適應燃漿的溫控系統。小型燃油供暖鍋爐的運轉是靠點火、熄火的方式維持熱載體水的溫度，達到溫控目的。柴油點火是靠電火花，熄火則靠停供燃料。漿體燃料頻繁點火、熄火是難以實現的，宜採用調節供漿量的控制策略，達到控溫目的。

水煤漿燃燒比成漿前原煤要困難些。主要是水煤漿含有30%以上的水分。和煤粒同時噴入爐內，需要外來熱源幫助乾燥，水分未乾燥的煤粒是不會著火的。水煤漿的著火熱是普通煤粉的1.8倍。普通原煤也含有水，甚至高達15%，褐煤有高達40%，但是它們的水分在研磨過程中被熱空氣或高溫爐煙乾燥。如在鋼球磨煤、中間粉倉制粉系統中，原煤水分進入磨機系統的乏氣中，吹入爐膛的部位已不影響煤粉的著火，而乾燥煤粉由熱風單獨吹入爐膛。而褐煤鍋爐煤粉經乾燥後的乏氣有的經過濾後排空，有的高溫乏氣和煤粉一起進入爐膛。所以水煤漿要著火，除採用燃燒器的射流卷吸高溫煙氣的特點外，其著火熱的提供方法視鍋爐容量、用途不同而有所不同。

(a) 對小型鍋爐，採用絕熱碹口和預燃室，依靠高溫耐火層對噴入的漿霧熱輻射，使水分快速蒸發。

(b) 對爐窯而言，整個爐窯基本上是由絕熱的耐火材料構成，因而水煤漿水份的多少對其著火穩定影響不大。

(c) 對大型鍋爐，則可採用溫度250~300℃以上的過熱蒸汽作為霧化介質，加速水煤漿中水分的汽化，以及提高熱空氣溫度到350~400℃，並根據揮發份的大小，灰熔點特性，在爐壁上適當布置一些保溫衛燃帶，增加旋流式燃燒器的耐火層碹口，在國內幾個典型的示範機組上，成功的運用了這一技術。

意義

經過"六五"、"七五"期間重點科技攻關，中國的水煤漿技術已經取得突破性的進展，並進入產業化階段。實踐證明，水煤漿在鍋爐和窯爐中的燃燒效率可高達95%－98%，而燃用水煤漿的運行成本僅僅占成本的1/3。

目前水煤漿已經在國內電站、鋼廠、煉化等大中型企業有所套用，但限於實用型燃燒設備的技術沒有及時跟進，中小企業對此套用甚少。據介紹，目前這一難題已基本得到解決。

據悉，中國現有10萬噸以下的鍋爐約70萬台，而因煙塵排放不符合環保標準和運行效率低下，目前，在國內的燃煤鍋爐中，中小型鍋爐(35噸以下)占90%以上，中小型燃煤鍋爐又是國家環保政策中首先要淘汰的產品，而燃油鍋爐由於油的價格昂貴，從而使得廣大鍋爐用戶就為中小型鍋爐改造成燃燒水煤漿的鍋爐的研製、開發、推廣、套用提供了廣闊的市場前景。

現狀與發展

我國的水煤漿技術經過多年的研究開發和工業性試驗，已形成具有自主智慧財產權的水煤漿製備技術，在製漿工藝、裝備和套用規模方面均已達到國際領先水平。目前我國水煤漿 製漿廠已建成近20座，總設計能力超過5mt/a。正在建設的還有青島開源熱力公司（50萬t/a）、廣東南海龍光集團（200萬t/a）等。據不完全統計，2003年全國燃燒水煤漿約 200萬t，替代燃油100萬t，節約燃料費近6億元。同時拉動了機械製造、添加劑生產以及煤炭相關產業的發展。國家經貿委《節約和替代燃料油“十五”規劃》中明確提出了到2005年全國節約和替代燃料油1600萬t，以促進能源結構最佳化。在替代燃料油技術中將以潔淨煤技術和天然氣為主，而潔淨煤技術將主要採用水煤漿作為替代產品。我國2003年進口石油超過900萬t，預計2004年將超過1.2億t，我國的石油對境外的依賴已超過40%，因此發展潔淨煤技術對我國的能源安全具有十分重要的意義。

水煤漿技術的發展水煤漿在不同領域的推廣套用為水煤漿製備及燃用提出了許多新的課題，近期水煤漿技術的主要研究領域有以下幾個方面：

單系列50/t以上水煤漿技術裝備的研究與開發。目前，我國水煤漿單線製漿生產能力最大為25萬t/a左右，隨著水煤漿生產規模的擴大，急需研製大型化水煤漿製備成套技術裝備，如廣東南海龍光集團正在建設的200萬t/a 水煤漿廠，若採用現有單線25萬t/a的配套設備則需要8條生產線。因此，研製開發單線50 萬t/a水煤漿生產關鍵技術與設備，具有重要的經濟和社會意義。 單線一磨機50萬t/a水煤漿技術裝備研究開發的目的在於：

(1)降低製漿生產的能耗。單線一磨機製漿生產能力由目前約25萬t/a擴大到 50萬t/a，製漿生產的綜合能耗可以降低10%~20%；

(2)節省水煤漿廠的建廠投資。在建設相同規模製漿廠情況下，單線製漿生產能力提高1倍，可以減少製漿工藝設備台數和廠房面積約50%，從而減少製漿廠的建設投資35%左右；

(3) 降低製漿生產成本。由於降低了製漿能耗，減少了生產崗位定員和折舊費，製漿生產成本可降低10%以上；

(4) 為建設年產量200萬～500萬t乃至更大的大型水煤漿廠打下良好的基礎。 國家發展改革委員會2004年“節能和新能源關鍵技術裝備開發專項”[發改辦高技 20047753將“單線50萬t/a水煤漿技術裝備的開發”列入研製開發計畫；

(5) 低階煤製漿及燃燒技術的研究與開發 我國現在已建成的水煤漿廠大多利用成漿性較好的氣煤、1/3焦煤等製漿，一方面在一定程度上與冶金用煤“爭口糧”，造成煤炭資源的不合理利用，同時也加大了製漿生產成本。 我國的低階動力用煤（不包括褐煤）約占我國煤炭總儲量的42.4%，而且煤質優良、價格相 對低廉（約為一般煉焦煤種價格的1/3至1/2），但由於其成漿性差（如神木煤）而沒能被充分利用。因此開發低階煤製漿技術不僅可以最佳化我國煤炭資源的合理利用，擴大水煤漿製漿,原料煤的來源，同時還可有效降低水煤漿的生產成本。開發低階煤製漿技術在今後的水煤漿技術發展中具有十分重要的戰略意義。

低階煙煤的主要特點是內在水分高、內孔隙發達及比表露積大、富含極性官能圃及合氧量高、絲質組含量多導致煤的可磨性差等等。這些特性使低階煤的成漿性難度判別指標D 值往往在7～10%之間，甚至達10以上，即屬於較難（如大同煤）或極難成漿性（如多數神木煤）等級。同時低階煤（如多數神木煤）一般灰熔點較低，給燃燒帶來一系列問題，低階煤水煤漿的燃燒技術也是一個重要研究方向。低階煤製漿也列入2004年國家發改委“節能和新能源關鍵技術裝備開發專項”的研製 開發計畫。2.3大型水煤漿專用鍋爐與高效燃燒器的研製與開發， 隨著水煤漿套用規模的擴大，水煤漿專用鍋爐也向更大噸位發展。如廣東南海龍光集團 發電一廠原有2台670蒸噸的燃油鍋爐，目前正將1台改為670蒸盹的水煤漿鍋爐，這是目前國內最大的水煤漿鍋爐。隨著水煤漿技術的發展將會需要更大規模的水煤漿專用鍋爐。大型水煤漿專用鍋爐與高效燃燒器的研製與開發是水煤漿一個重要的研究方向。2.4中小燃煤、燃油鍋爐改燒水煤漿中小燃油鍋爐改燒水煤漿，約2.2t水煤漿可代替1t燃料油，每代替1t油可為用戶節省燃料費1/3－1/2；以水煤漿代油有廣闊的前景。

水煤漿代替煤燃燒，具有顯著的節能效益。中小燃煤鍋爐改為燒水煤漿可以節煤約1/3。 水煤漿代煤還具有較好的環境效益。據統計，我國中小燃煤鍋爐多達49萬多台，隨著我國治理燃煤污染的力度加大，水煤漿代煤也會有很好的推廣套用前景。

技術突破

由兗礦集團有限公司、華東理工大學共同承擔的“十五”國家高技術研究發展計畫(863計畫)重大課題“新型水煤漿氣化技術”，在山東魯南建設多噴嘴對置式水煤漿氣化技術工業裝置及配套工程，利用兩台日處理1150噸煤多噴嘴對置式水煤漿氣化爐(4.0MPa)配套生產24萬噸甲醇、聯產71.8MW發電。多噴嘴對置式水煤漿氣化技術含煤漿製備工序、多噴嘴對置式水煤漿氣化和煤氣初步淨化工序、含渣水處理工序，技術特點是：多噴嘴對置式氣流床氣化爐、預膜式長壽命高效氣化噴嘴、交叉流式洗滌水分布器、複合床高溫煤氣冷卻洗滌設備、分級淨化的煤氣初步淨化工藝、蒸發分離直接換熱式含渣水處理及熱回收工藝，已獲一系列發明專利和實用新型專利，是具有完全自主智慧財產權的煤氣化技術。

建於兗礦國泰化工有限公司的多噴嘴對置式水煤漿氣化技術工業裝置於2003年8月2日破土動工，建設工期23個月零19天。在兗礦集團有限公司領導和相關部門領導的大力支持下，經過全體技術開發人員和工程建設、操作人員的共同努力、頑強拼搏，多噴嘴對置式水煤漿氣化技術工業裝置於2005年7月21日11:26一次投料成功，一次打通整個工藝流程，在完成80小時連續、穩定運行後，於2005年7月25日8:00計畫停車。80小時連續運行過程中，不存在任何工藝原因引起的系統故障，運行異常平穩，合成氣按計畫順利地併入後續的變換、淨化系統。多噴嘴對置式水煤漿氣化技術自動化程度高，全部採用集散控制系統(DCS)控制，特別是氧煤比完全可以投自動串級控制。工業運行證實，該裝置具有開車方便、操作靈活、投煤負荷增減自如的特點，操作的方便程度優於引進水煤漿氣化裝置。多噴嘴對置式水煤漿氣化技術已被工程實踐證實完全可行，工藝指標也極為先進，對初步的運行結果統計表明：有效氣CO+H2≥82%，碳轉化率≥98%。通過工業化規模的氣化爐的示範運行，我國在水煤漿氣流床氣化技術方面將達國際先進水平，擁有自主智慧財產權的大型煤氣化技術。

中國市場

中國礦物能源以煤為主，到2010年，一次能源消費結構中煤占60%左右。大力發展潔煤技術，高效清潔地利用中國煤炭資源，對於促進能源與環境協調發展，滿足國民經濟快速穩定發展需要，具有極其重要的戰略意義。

煤氣化作為潔淨煤技術的重要組成部分，具有龍頭地位。它將廉價的煤炭轉化成為清潔煤氣，既可用於生產化工產品，如合成氨、甲醇、二甲醚等，還可用於煤的直接與間接液化、聯合循環發電（IGCC）和以煤氣化為基礎的多聯產等領域。

迄今為止，世界上已經商業化的IGCC大型電站，均採用氣流床技術，最具有代表性的是以乾煤粉為原料的Shell氣化技術和以水煤漿為原料的 氣化技術。Shell氣化技術即將被引進中國建於洞庭，顯現其碳轉化率高，冷煤氣效率高的優勢。相比之下，水煤漿氣化技術在中國引進得早，實踐時間長，研究開發工作也做得更深入。

經過實踐探索，中國在水煤漿氣化技術方面，積累了豐富的操作、運行、管理與製造經驗，氣化技術日趨成熟與完善。經過長期科技攻關，在水煤漿氣化領域，形成完整的氣化理論體系，研究開發出擁有自主智慧財產權，達到國際領先水平的水煤漿氣化技術。