水煤浆技术在节能减排中的战略意义

李显俊叶治成（.厦门鸿益顺环保科技有限公司, 福建 厦门 36026； 2.原国家水煤浆技术委员会, 福建 厦门 36026）



水煤浆技术在节能减排中的战略意义

李显俊1、2叶治成1
（1.厦门鸿益顺环保科技有限公司, 福建 厦门 361026； 2.原国家水煤浆技术委员会, 福建 厦门 361026）

摘 要：从水煤浆燃烧机理可知，水煤浆滴结团、爆裂并多孔群粒燃烧，最终少量PM2.5微粒在水蒸气相变中被凝并长大，极易被清除掉。这一系列燃烧特性使水煤浆在燃烧中的减排效果相当于燃气水平，而成本低至与传统燃煤相当。因此，水煤浆技术是解决燃料源PM2.5最现实可行的战略选择。

关键词：燃烧机理 蒸汽相变长大 节能减排 集成效果

0　前 言

近两年来，正当雾霾肆虐整个中国之时，各地媒体相继传出一种可喜的声音，给人们带来一线希望。广西南宁人喊出：“洁净水煤浆让天空更蓝”；山东济南人喊出：“水煤浆环保锅炉将成PM2.5克星”；厦门人在新能源国际博览会上打出大幅通栏大标题：“水煤浆技术是治理PM2.5时代的战略选择”。就在2013年10月30日，人民日报都醒目刊登了这样的标题：“我国水煤浆技术已经成熟——把煤变成清洁能源”，“燃烧水煤浆，成本与传统燃煤相当，排放之少可与燃烧天然气媲美[1]”。这些都是对水煤浆技术的真实写照和肯定。证明经过30年发展的具有中国特色的水煤浆技术，在燃烧领域没有任何一种燃料和燃烧方式可以像水煤浆一样具有廉价且节能、代油、减排SO2和NOx、防治粉尘污染等优势。

水煤浆技术之所以有上述优势，主要得益于水煤浆在燃烧中具有浆滴结团、爆裂、多孔群粒燃烧的特性；以及先进的水蒸气相变促进燃烧源PM2.5凝并长大，最终被高效清除的一整套独特的节能减排工艺过程。这些都是其他燃烧方式所不具备的。

1　水煤浆燃烧机理

水煤浆燃烧机理介于燃油及燃粉煤之间，除这两者特长兼而有之以外，又有其自身的特点。水煤浆属于雾化燃烧，每个浆滴含有数十颗的煤粒，在浆滴水分蒸发时会使多颗煤粒凝结结团，干浆滴结团会形成大量孔隙。随着挥发分释放并燃烧，结团煤粒粒径膨胀增大。膨胀的焦炭浆滴在燃尽阶段发生爆裂，从而增加燃烧表面积，使燃烧速度加快。同时水蒸气扩散到煤粒表面与碳发生气化反应，生成CO和H2，从而进一步提高燃烬率[2]。水煤浆的这种燃烧过程，使其燃烧效率高达98%~99%，锅炉热效率达85%以上。

2　水煤浆燃烧过程中降低烟气污染物的优势

2.1 雾滴结团群粒燃烧

由于雾滴结团群粒燃烧，燃烧后飞灰粒径会变粗，接近或大于煤颗粒，而粉煤燃烧后颗粒会变得十分细小，从对比飞灰测试分布数据可知，水煤浆飞灰中小于PM1超细颗粒占0.11%，而煤粉占0.31%，是水煤浆的3倍。对比飞灰小于15 μm以下的难脱除颗粒，水煤浆飞灰只有17.54%，而煤粉飞灰占42.86%，是水煤浆飞灰2.5倍;大于30 μm以上的较容易脱除颗粒，水煤浆飞灰占65.41%，而煤粉为33.19%，仅为水煤浆飞灰的一半。

这些对比表明，水煤浆飞灰PM2.5含量少于煤粉，易脱除的颗粒多于煤粉，说明水煤浆减排烟尘效果十分明显。

2.2 水煤浆燃烧中可降低NOX生成

煤炭燃烧NOx生成主要有两种类型，即燃料型和热力型。热力型NOx与炉内燃烧温度有关。水煤浆含有35%的水分需要蒸发，会使锅炉的燃烧温度比粉煤炉低100~200 ℃，使水煤浆炉膛温度较低，一般不超过1 200 ℃。故水煤浆锅炉热力型NOx基本不会生成，可以忽略不计。因此，水煤浆是一种低氮氧化物燃烧技术。我们知道NOx不仅是一次污染物，而且是二次污染物PM2.5的前体物。在污染治理上，NOx比SO2更难治理，其工艺复杂，运行成本也高，已是我国大气污染治理的一大难题。水煤浆技术这种独特的先天性的炉内脱硝特性，具有极高的环保和经济优势。

2.3 水煤浆的二氧化硫炉内减排

水煤浆原料大多是经过洗选脱灰脱硫的，一般原料煤含硫量在0.6%~0.8%，属于低硫煤。但想要达到严格的环保要求，还需对烟气进一步脱硫。如能够在燃烧中进行脱硫，有可能达到事半功倍的效果。水煤浆的优势之一就是可以利用制浆过程选取碱性较强的水煤浆添加剂，让这些碱性物质在燃烧中与SO2发生中和反应生成硫酸盐沉淀达到炉内脱硫的效果。另外对较高的含硫煤还可以在制浆过程中添加专用脱硫剂，成为脱硫型环保水煤浆，脱硫效率可达70%~80%。北京燕山石化水煤浆锅炉就是采用环保脱硫水煤浆达到燃气水平而通过奥运检测的。

2.4 水煤浆的湿性烟气可以改善电除尘的比电阻，提高除尘效率

实践证明采用电除尘是降低烟尘的经济而有效的办法，而电除尘的重要指标是粉尘的比电阻，只有在较低的比电阻（108~1011Ω）下电除尘才能达到较好的水平。一般粉煤的比电阻在1012~1013Ω以上[3]，需要对烟气增湿才能降低比电阻，达到较好除尘效果；而水煤浆烟气湿度很大，比电阻一般低于1010Ω，很适合电除尘工艺要求。因此水煤浆技术是最适合电除尘要求的，除尘效率可达90%~95%以上。

2.5 水煤浆烟气水蒸气相变促进PM2.5凝并长大而极易脱除

现有的除尘技术如静电除尘、布袋除尘、旋风除尘和湿法除尘，对PM2.5的清除效率都很低。目前国内外脱除PM2.5或更细的颗粒物的主要途径是在除尘器前设置预处理设施，使其通过物理或化学作用长大成较大颗粒后加以脱除，如电团聚、声团聚、磁团聚、热团聚、光团聚和化学团聚等。它们对除尘效率的提高或多或少都能起一定作用，但耗费能源太大，工艺复杂，适应性有限。在烟气中喷水或加水蒸气相变的科研成果可以促进微粒凝聚增大，被认为是一项颇具有应用前景的项目。其主要原理是：以PM2.5微粒为凝结核，通过水蒸气的冷凝作用，使微粒质量增大，从而使微粒较易惯性碰撞而被捕集[4]。

研究表明这种水蒸气相变技术的影响因素主要与灰粒的润湿性和表面粗糙程度有很大关系。如表面粗糙会降低颗粒与水蒸气间的接触角，能改善颗粒的润湿性能，这时颗粒越容易核化。光滑的煤粉灰颗粒表面成核速率和几率都很低。水煤浆灰粒是一种表面多孔粗糙的颗粒，很易凝并长大，何况水煤浆含水30%~35%，其蒸气是自带的，并且有较高的温度级差，完全能满足水蒸气相变的各种条件。粉煤加湿要耗费能源及大量水资源，而且颗粒又是光滑的球体，两者水蒸气相变凝聚效果和经济性差距很大，说明水煤浆在脱除PM2.5上具有很大优势，不是粉煤所能比的。

2.6 水煤浆环境效益小结

（1）实践证明，经过30年发展的水煤浆技术，在燃烧领域没有任何一种燃料和燃烧方式可以像水煤浆一样具有廉价且节能、减排SO2和NOX、防治粉尘污染等综合优势，而且有显著的经济和社会效益。

（2）水煤浆燃烧中浆滴结团、爆裂、多孔群粒燃烧及最终水蒸气裹尘外排等特性是一种最先进、高效率、低污染的燃烧方式，尤其是在解决当前PM2.5污染上值得大力推广应用。

（3）水煤浆中的水分不仅使煤炭加工和运输能在环保、安全的情况下实现，而且在燃烧终结时用水蒸气相变的功能把烟气中有害的、致命的PM2.5降下来，发挥积极作用。

3　水煤浆技术的战略意义

回顾和总结中国水煤浆技术30年的发展经历，可以归纳以下战略成果：

（1）水煤浆技术让贫油富煤的中国寻找到一个最现实最可行的煤代油气途径，在保证国家能源安全上起着举足轻重的作用。

（2）水煤浆技术和其他洁净煤技术共同解决了提高煤炭高效利用的问题，使传统燃煤效率从80%左右提高到98%以上，热效率由65%左右提高到85%~90%，节煤效率20%~30%。

（3）水煤浆技术可以解决现代化煤炭生产加工中越来越多粉煤利用和处理难题，促进了中国洁净煤技术的全面发展。

（4）水煤浆应用范围之广、适应性之强也胜过其他燃烧方式，因此被广泛应用于电站锅炉、工业锅炉和工业窑炉等不同的燃烧领域，服务于国民经济的各个行业。

（5）水煤浆是理想的气化原料，不仅气化率高且极大地扩大了气化原料煤品种，在化工行业起到了革命性变化。

（6）水煤浆由于制备简单、储运方便、节能环保，可以成为今后中国分布式能源结构的理想经济燃料，具备与天然气相辅相成共同发展的作用。

（7）水煤浆技术可以解决煤炭应用中的安全问题，在生产、运输、储存和燃用过程中不自燃、不爆炸。

（8）水煤浆湿法封闭生产运输，解决煤炭运输销售环节中大量损耗问题。

（9）如水资源不存在问题，水煤浆管道运输是煤炭长途运输的最经济手段，它比输电、铁路运输和汽车运输节约30%~50%的成本。

（10）最重要的是水煤浆在解决煤炭高污染问题上，不仅能很好地解决粉尘、SO2和NOX的高污染难题，更是解决燃煤PM2.5的最经济有效的手段。

更为重要的是，水煤浆技术的集成作用，除解决自身节能环保问题之外，还在深入地转向解决社会其他行业的污染治理难题。如15年前为解决造纸黑液污染而开发的黑液水煤浆，以及近些年很多院所集优势科研力量攻克的煤泥水煤浆和污泥水煤浆，都在科学地延伸水煤浆技术的核心原理，攻克社会经济领域的不同污染难题，并取得一定的科研成果，很多已在向产业化方向发展。

4　谨防水煤浆被“控煤”误伤

目前，我国东部沿海省份为解决大气污染问题，陆续出台控制煤炭消费总量的政策，鼓励以气代煤以减少污染排放和降低雾霾发生。这些措施都是合理和及时的，因为燃煤确实是当今形成雾霾的重要成因之一，但是近期，某些地区将水煤浆列入“脏煤”行列并禁燃，这是对水煤浆技术的严重打击，更是严重违背水煤浆技术真实状况和突出的减排PM2.5特性，是一件极不公正的冤案。

还有人说“目前已发展的一些新型锅炉燃烧技术，且已应用于工业锅炉，但问题较多，特别是水煤浆燃烧技术，能效与污染定量分析结果表明，它的能源环境效益都低于燃烧同煤种的链条炉。[5]”然而大量事实证明，占据中国燃煤工业锅炉的80%以上是以链条炉为代表的层燃炉，它们早已被公认为中国大气污染的罪魁祸首和节能减排的绊脚石，所以国家才三令五申属于淘汰之列。大量监测数据摆在那里，水煤浆锅炉和粉煤炉燃烧效率98%左右，热效率85%以上，而链条炉燃烧效率只有80%，热效率65%[6]，两者相差近20个百分点。各地大量事实也都证明水煤浆锅炉和粉煤炉可以节煤20%~30%，难道还比不上链条炉吗？更为突出的是水煤浆锅炉的良好环保效果“可以与天然气相媲美”，更是链条炉所望尘莫及的。我们要不断淘汰旧技术，才能把国家“大气10条”真正落实到位。

5　结束语

中国能源电力学科带头人，中科院徐士高院士20年前就肯定了水煤浆技术的应用前景：“水煤浆是一种新型清洁燃料，它以煤炭为主料，以水、化学添加剂为辅料组成，经过专门的设备研磨细化，并充分混合均匀，在化学添加剂的作用下，制造均匀稳定的水煤浆。改变传统燃煤锅炉的固态燃烧方式，而以水煤浆在高压液态雾化喷燃方式取代。充分整合了液态燃料，空气、水的种种燃烧的化学物理特点，促进了燃烧燃尽率的大幅提高。又减少了主要污染物的气体排放量，以及充分实现了环保又节能的社会效益和企业效益。”几十年来水煤浆的发展取得了很大成果，相信这种具有中国特色的洁净能源技术一定能为实现“中国梦”和“美丽中国”做出贡献。

参考文献：

[1] 鲍丹.把煤变成“清洁能源”[N].人民日报.2013-10-30.

[2] 傅维镳.含水燃料的燃烧[M].北京:高等教育出版社, 2009:20-29.

[3]岑可法,姚强,曹欣玉,等.煤浆燃烧、流动、传热和气化的理论与应用技术[M].杭州:浙江大学出版社, 1997：372-374.

[4] 杨林.蒸汽相变促进燃烧源PM2.5凝并长大的研究现状及展望[J]. 现代化工,2015(11):15-17.

[5] 俞建洪.水煤浆锅炉能效分析[J].工业锅炉, 2009(6):20-23.

[6] 林宗虎,徐通模 .实用锅炉手册[M].北京: 化学工业出版社,2009:1061-1067.