应用水煤浆洁净燃烧技术控制燃煤工业锅炉

1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Controllingsulfurdioxidepollutionfromindustrialcoal-firedboilerbycleancombustiontechnologyofcoalwatermixture(CWM)ZhangHuiming(QingdaoInstituteofEnvironmentalScience,Qingdao266003)WangJuan(QingdaoTechnologicalUniversity，Qingdao266033)AbstractCleanfuelofwatermixtureandcontrollingsulfurdioxidepollutionfromindustrialcoal-firedboilerisdiscussedinthispaper.ItincludesasurveyofcleancombustiontechnologyofCWM,productivemethodsofCWM,classifyandphysicalpropertiesofCWM,technologicalprocessandpropertiesofcleancombustionsystemofCWM,systemofCWM-firedboilerandcharacteristicsofCWM-firedboiler.ItisshownbyresearchthatfiringrateandlimitingfiringrateofcleantechnologyofCWMishighandcarboncontentofslagislowsothateconomybenefitisgood,emissiondensityofsulfurdioxideandfluedustislowsothatenvironmentalbenefitisgood.CleancombustiontechnologyofCWMisidealalternativetechnologyforairpollutioncontrollingofindustrialcoal-firedboiler.Keywordscoal;fluedust;sulfurdioxide;industrialcoal-firedboiler;coalwatermixture;coalwatermixture-firedboiler1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22.1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（CoalWaterMixture，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40μm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，3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≤120045≥30经济水煤浆50～60155530气化水煤浆58～65≤100050～601～2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±11.2～1.5平均5075μm≥80%250μm≤1%20-401.22～1.2310≤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℃600～650146017001360190014104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。4点火油水煤浆储罐水煤浆泵搅拌槽水煤浆供浆泵水煤浆点火点火油泵油罐缩机罐水煤浆过滤器空气空气水燃烧器蒸汽炉渣空气压空气烟气图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730mg/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1200mg/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