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邢台学院生物·化学系2011届本科生毕业论文1转载自:山东华源锅炉有限公司()水煤浆代替柴油燃料的研究及前景展望曹久军(邢台学院生物·化学系2007级应用化学专业学号：2007301112)摘要：“柴油荒”、国际油价的持续升温，给我国的能源带来很大的威胁。水煤浆代替柴油在柴油机中燃烧技术是解决此矛盾的有效途径之一。根据目前我国对煤炭资源的开发和利用，结合水煤浆的低灰、低污染的燃烧特点，依据柴油机燃烧的工作原理，提出水煤浆代替柴油在柴油机中燃烧的可行性论述，并对其中问题进行研究，指出水煤浆代替柴油燃烧发电的广阔前景。关键词：水煤浆；柴油；柴油机；发展前景CWSinsteadofdieselcombustionandprospectCaoJiujun(XingtaibiochemistryappliedchemistryspecialityStudentid2007301112)Abstract:theenergysecurityandenvironmentalprotectionareChinainthe21centuryshouldbeattachedproblem,coalistheleadingproviderofenergy,alsobethemainsourcesofairpollution,theefficientcleanlyutilizingnotsallowtoignore,insteadofdieselenginecoal-waterslurryincombustiontechnologytosolvethecontradictionisoneoftheeffectiveways.Thispaperreviewedtheresearchprogressofcoal,aswellasourcountryofcoaltechnologydevelopmentpolicyincentives.Accordingtothecurrentourcountrytothedevelopmentandutilizationofcoalresources,combinedwithlowgreycoal-waterslurry,lowpollutionofthecombustioncharacteristics,accordingtotheworkingprincipleofdieselcombustion,putforwardinCWSinsteadofdieselenginesburningfeasibilityoftheseproblems,thispaperstudied,andpointsoutthattheprospectofCWSinsteadofdieselcombustion.Keywords:Watercoaloars；Diesel；Dieselengine；Developmentprospect前言我国于1981年起对水煤浆技术进行开发和研究，并在国家“六五”、“七五”计划中将其列为重大科技攻关项目。在“六五”实验室阶段开发研究的基础上，国家又在“七五”、“八五”计划中将水煤浆技术的开发转移到建立相当规模的水煤浆制备、燃烧、气化等工业应用示范工程体系上[1]。水煤浆作为洁净的煤基流体燃料，目前已具备了产业化的发展条件，各项技术趋于成熟，开始步入工业化实用阶段，可以进行大面积推广应用。而在2010年10月份以来爆发的“柴油荒”、国际油价的持续升温、进出口贸易困难等客观危机存在的前提下，我国在十七届三中全会上制定第十二个“五年计划”，把合理有效地利用现有能源，开发新型能源，提高节能环保效率，最终实现强国富民的目标提高到了重要议程。中国是以煤为主的能源结构的大国，而油、气等能源相对贫乏，不可再生能源利用率低、环境污染和浪费严重的现状，建立资源节约型能源体系是十分重要。水煤浆作为节约和代替石油以及洁净煤利用技术，既符合当前国情要求，又可以保证能源安全。在2000邢台学院生物·化学系2011届本科生毕业论文2年国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录中就明确列出了“水煤浆技术开发”作为重点鼓励发展的技术和产业，而用水煤浆替代柴油在柴油机中燃耗，从发动机的工作原理方面来讲是完全可行的[2]。尤其是中速增压柴油机，而柴油发电站多用此机型，如果大量的柴油机改为燃用水煤浆，无疑会节省大量的柴油，这样既节约石油资源，又合理高效的利用了煤资源，对于一些煤炭丰富的国家开发煤基代油的技术对经济发展是非常有利的。1水煤浆技术及水煤浆燃烧特点1.1水煤浆技术概述水煤浆（CWS）是一种国家大力推广的新型清洁煤基燃料，是燃料家族的重要成员之一，由65～70％的煤，29～34％的水和1％的添加剂经过物理方法加工而成的一种新产品，其中煤粉的平均粒度为50微米，在制浆过程中选择低灰、低硫、低磷、低内水分、中高发热量、高挥发分、高灰熔点、可磨性好（HGI值高）的优质动力煤，作为制浆原料煤。制备工艺包括洗精煤（低灰原煤）高浓度磨矿工艺、洗精煤中浓度磨矿工艺、浮选精煤高浓度磨矿工艺、浮选精煤和水洗精煤高浓度联合制浆工艺等，采用湿式球磨机磨浆，磨浆温度低(50℃～60℃)，不但要求产品达到一定的细度，更重要的是产品应有较好的粒度分布。水煤浆具有良好的流动性和稳定性，可以用泵抽送，通过管道远距离运输，也可以用火车罐车或汽车槽车运送，几乎没有储存和运行中的任何危险性。它具有低灰、低硫、低烟以及二氧化硫和氮氧化物排放量低的特点，能够达到环保的要求。水煤浆技术具有投资少、成本低、工艺简单等优点，如锅炉用精煤水煤浆含灰分低，锅炉受热面磨损低于燃煤，维修费低，不需炉前备煤系统和备煤场，排灰灰场占地仅为燃煤的1/4。因其优势，水煤浆将在不久的将来实现大规模生产，由于中国石油资源短缺，通常用煤替代石油做燃料，而水煤浆正是这个领域中理想的产品。1.2水煤浆的燃烧特点1.2.1燃烧特点明显水煤浆是一种新型、高效的清洁燃料，由于水煤浆粘度低于重油，易于调节，最低负荷可调至40%，且运行稳定可靠。水煤浆具有良好的雾化特性，燃烧相当充分，燃烧效率可达到99％以上，水煤浆的燃烧方式与油的燃烧方式相近，湿式球磨机磨出的水煤浆由煤浆喷嘴高速喷出，以压缩空气为雾化介质，雾化形成煤浆雾炬，同时水煤浆液雾的周围喷入供煤浆燃烧所需的空气，与进入炉膛的煤浆液滴充分混合并加热。首先水份蒸发，然后挥发份挥发并着火，进而引起液滴中的焦碳颗粒着火燃烧，燃烧温度大概为500～600℃，直到燃烬[3]，燃烧效率达97%～99%。水煤浆可以替代重油在锅炉中燃烧，通常水煤浆的热值是重油的一半，为18.48～20.91MJ/kg，锅炉效率在90%左右，达到燃油等同水平[4]。1.2.2环保效果明显水煤浆通过洗精煤制备，并且在水煤浆制备过程中可以加入脱硫剂，达到脱硫效果，脱硫率可达40%[5]。使其干基灰分小于10%，硫分小于0.5%，燃用水煤浆后NOx和SO2邢台学院生物·化学系2011届本科生毕业论文3的排放浓度较低。而且，水煤浆自煤炭进入球磨机后就可以采用管道、罐车输送的方式，不会产生由于煤炭流失所造成的环境污染，具有很好的环保效果。另外，水煤浆燃烧后的排渣活性好，灰渣可以综合利用，作为水泥掺合料，环境粉尘和噪音也很低，没有二次污染[6]。1.2.3经济效果明显水煤浆可以充分利用燃油原有设备，生产流程简单，投资省，运行成本也很低。大约2t水煤浆相当于1t燃油的燃烧发热量，根据炉型、燃料来源及燃料煤和油价的不同，可节约燃料费约1000～1500元[7]。与燃油设备改烧粉煤相比，改造时间比改烧粉煤节省一半时间，而且，改烧水煤浆的费用大约为改烧粉煤的1/2，可见燃油设备改烧水煤浆经济效益明显[8]。2柴油和水煤浆对比2.1柴油概述柴油主要通过原油蒸馏、催化裂化、热裂化、加氢裂化、石油焦化等过程生产的柴油馏分调配而成；也可由页岩油加工和煤液化制取。属轻质石油产品，复杂烃类混合物，分为轻柴油（沸点范围约180～370℃）和重柴油（沸点范围约350～410℃）两大类[9]。为柴油机燃料，广泛用于大型车辆、铁路机车、船舰。2.2柴油和水煤浆在燃烧性上的对比高速柴油机要求柴油喷入燃烧室后迅速与空气形成均匀的混合气，并压缩燃烧，控制温度在400～500℃，燃烧率能够达到90%左右，其热值为大概为41MJ/kg[10]。而水煤浆的燃烧是由煤浆喷嘴喷出，以压缩空气为雾化介质，雾化形成煤浆雾炬，同时液雾的周围喷入供煤浆燃烧所需的空气，与进入炉膛煤浆液滴混合并加热。首先水份蒸发，然后挥发份挥发并着火，进而引起液滴中的焦碳颗粒着火燃烧，直到燃烬，燃烧温度大概为500～600℃，燃烧率能够达到99%左右，基本上杜绝了锅炉房常有的油烟气味或煤烟气味。其热值相当于燃油的1/2，为18.48～20.91MJ/kg，通常燃烧量为燃油的2倍，但是其价格是燃油的1/4，可见二者燃烧性能上相似，但水煤浆经济优势明显。2.3柴油和水煤浆在排放物上的对比[11]对比项目水煤浆重油燃料灰份%70.2除尘效率%99%0%烟尘排放浓度mg/Mm3117.20133.33GB13271、Ⅱ时段Ⅱ类区要求-烟尘mg/Mm3200150燃料含硫量%0.442.5炉内脱硫率%50%0%SO2排放浓度mg/Mm3590.63703.7GB13271、Ⅱ时段Ⅱ类区要求-SO2mg/Mm3900900邢台学院生物·化学系2011届本科生毕业论文42.4柴油和水煤浆在流动性上的对比柴油的流动性需要考虑凝点问题，在3～5℃柴油流动性明显减弱，其运输也受到限制，不易长距离运输，且在途中要考虑其自燃问题，运输资本投入很大[12]。而水煤浆在常温常态下浓度高、流变性好、长期储存不沉淀，可以安全的流动不会自燃，便于运输，几乎没有储存和运行中的任何危险性，完全可以用泵抽送，通过管道远距离运输，也可以用火车罐车或汽车槽车运送。3柴油机燃烧水煤浆的可行性论述3.1柴油机燃烧原理柴油机是用柴油作燃料的内燃机，属于压缩点火式发动机。柴油在工作时，燃烧过程一般分为着火延迟期、速燃期、缓燃期和后燃期四个阶段，吸入柴油机气缸内的空气，因活塞的运动而受到较高程度的压缩，达到500～700℃的高温。然后燃油以雾状喷入高温空气中，与空气混合形成可燃混合气，自动着火燃烧[13]。燃烧中释放的能量作用在活塞顶面上，推动活塞并通过连杆和曲轴转换为旋转的机械功。燃烧室的好坏对柴油机的性能有重要的作用，因此也是柴油机设计的关键。燃烧室按组织燃烧过程的特点和结构的不同，分为开式、半开式，这两类属于直接喷射式燃烧室；预燃室式、涡流室式，这两类属于分隔式燃烧室，低速柴油机和部分中、高速柴油机主要用有涡流的开式燃烧室[14]。燃烧室由气缸盖底面和活塞顶面形成，具有一定形状的整体空间。多孔喷油器(6～10孔)能使燃油雾化良好，并均匀分布在燃烧室空间。因此，开式燃烧室中的燃烧属于典型的空间式燃烧过程，要求燃烧室与油束形状和分布相配合。它的优点是燃料消耗率低，起动容易；缺点是燃料雾化要求高，难于适应变转速工作。3.2柴油机燃烧水煤浆的可行性柴油机具有热效率高的显著优点，其应用范围越来越广。随着强化程度的提高，柴油机单位功率的重量也显著降低。为了节能，各国都在注重改善燃烧过程，研究燃用低质燃油和非石油制品燃料。从发动机的工作原理方面来讲，在柴油机上使用水煤浆是完全可行的，尤其是中速增压柴油机，随着理论和实践工作不断深入，水煤浆在柴油机中的应用会使柴油机向低摩擦损失、高增压度、高速化以及低消耗、低噪声和低污染的方向发展[15]。柴油机使用煤作燃料可上溯到柴油机的早期发展阶段。狄赛尔发明柴油机时其名称为多种燃料发动机，由于当时煤是德国的主要能源，所以煤则为首选燃料[16]。20世纪50—60年代末，美国西南研究所、弗吉尼亚工业大学和霍华德大学都相继对柴油机使用煤作燃料做了大量的研究工作，研究结果表明煤基燃料在柴油机上燃用的可行性。进入20世纪80年代，澳大利亚墨尔本理工学院的卡斯迪克利用褐煤