水煤浆锅炉技术及应用—浙江先创能源科技股份有限公司

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水煤浆锅炉技术及应用—浙江先创能源科技股份有限公司

近年来，随着我国大气环境的恶化，一次能源的日益匮乏，对锅炉的使用提出了更高的要求和标准，主要是：大幅提高了锅炉大气污染物的排放要求；限制锅炉使用非清洁燃料；大幅提高锅炉效率的要求。为此，出台了许多强制性的政策、规范和标准，并限期达标。目前，对于我们印染企业，锅炉普遍难以达到上述要求，面临着淘汰、改造现有高污染、高.能耗锅炉的问题，但选用何种锅炉产品能低污染物排放；低成本使用；并可靠的满足企业生产需求？这是大家均面临的问题。浙江先创作为国内开始的一家研发水煤浆锅炉的企业，凭十多年研发水煤浆锅炉的经验，认为用户企业采用水煤浆锅炉是一个很好选择。
1 水煤浆锅炉特点
1.1.水煤浆基本概念
水煤浆作为一种煤基流体清洁燃料，是由70%左右的煤粉，30%左右的水和少量药剂混合制备而成的液体燃料，可以象油一样泵力输送、储运、雾化燃烧。
制作水煤浆的煤一般为洗精煤，在洗煤中将大量的煤矸石、有机硫洗去后，使洗精煤的含灰量和硫很低，制成浆后，水煤浆的含灰量和硫更低，是一种低灰低硫的清洁燃料。（如二级浆：灰6~8%；硫0.35~0.65%）。水煤浆在锅炉上的应用显示出了巨大的节能、环保优势。且符合我国缺油少气多煤的能源国情。水煤浆是一种替代油、气等能源的基础、经济的洁净能源。


1.2.水煤浆锅炉的应用情况
水煤浆锅炉已有20多年的研发和应用。特别是其作为锅炉燃料后，因其效率燃烧、低污染物的排放的特点，被作为一种清洁燃料应用于锅炉。当前，水煤浆锅炉已广泛应用于蒸汽锅炉、热水锅炉、有机热载体锅炉，锅炉容量范围可覆盖工业锅炉和电站锅炉，单台锅炉容量小到1t/h达到670t/h的电站锅炉，近年来水煤浆锅炉逐步向大容量方向发展。因水煤浆燃烧属煤的洁净燃烧，“十二五”期间水煤浆锅炉行业正受到越来越多的重视和发展。整个锅炉行业由原来5~6家企业从事水煤浆的设计制造发展到现在的10~15家企业。水煤浆的产能也发展到现在的5000万吨/年（2012年统计数据）。
在近年新建设（含更新）的化纤企业中，我司水煤浆有机热载体锅炉占据90%以上的市场份额。目前国内已有三十多家大型化纤企业采用我司水煤浆有机热载体锅炉，1000×104kcal/h以上的锅炉就有一百多台。

1.3.水煤浆锅炉的技术特点
1.3.1水煤浆是一种实现效率燃烧的燃料
平均粒径为50μ的水煤浆通过燃烧器雾化后在炉膛内悬浮燃烧。因其与空气混合好，水煤浆煤粉颗粒的比表面积大（颗粒呈多孔状）等原因，在仅需过量空气系数1.2倍的情况下，实现水煤浆的燃烬率98%以上，此时锅炉排烟处氧量仅为8-9%。锅炉效率达87%~90%。
1.3.2水煤浆锅炉实现清洁燃烧、低污染物排放
锅炉的烟气经烟气净化装置后（除尘、脱硫、脱销），水煤浆锅炉大气污染物排放达到GB13271-2014中“燃气锅炉”大气污染物特别排放限值（烟尘≤20mg/Nm3；SO2≤50mg/Nm3；Nox≤100mg/Nm3；烟气林格曼黑度≤1级）。
燃料的效率利用是减少锅炉污染物排放总量的前提；
水煤浆的低硫低灰特性是减少锅炉灰、渣（烟尘）和SO2排放的前提；
水煤浆的低温燃烧决定了锅炉低NOX的排放。在目前所有的燃烧方式中，水煤浆锅炉的燃烧温度属较低的一种，其减少了热力N的生成；
水煤浆锅炉比较容易实现“空气分级燃烧”、“烟气再循环”等抑制NOX的低氮燃烧技术，抑制率可达20%。NOX的初始排放一般为300-400mg/Nm3。
水煤浆的燃烧已被列为“洁净燃烧技术”
1.3.3 水煤浆锅炉房的周边环境友好，与油、气锅炉房媲美
因水煤浆是一种液体燃料，其燃料存储、输送与油锅炉一致，再加上灰采用干灰收集，其锅炉房及周边环境和油气锅炉房媲美。且水煤浆锅炉排放的灰渣是建材行业一种很好的原料，实现了资源的综合利用。
1.3.4 水煤浆锅炉技术成熟、产品可靠性高
水煤浆锅炉已经历了十多年的应用和完善，其技术已非常成熟，产品处在大规模的应用阶段，诸如煤粉锅炉的易爆膛、易结焦、易积灰等问题早已解决，产品运行的可靠性高。
1.3.5 商品浆采购方便、燃料平安性高：
水煤浆燃料的供应市场经十多年的发展已非常成熟，仅杭州200km合理供浆范围内，就有水煤浆厂十多家，浆厂间竞争充分、供应厂商的选择多。目前，水煤浆还是买方市场，用户有定价权，煤浆价格合理，以杭州为例，当前4000kcal/kg左右的Ⅱ级浆价格约600元/吨左右。
水煤浆着火点900℃以上，属非易燃、易爆液体燃料。在水煤浆的运输、储存、输送和燃烧各环节，其平安性高。
因“炉浆一体”，煤浆供应平安性至关重要。多家联合供浆，保证用户的水煤浆供应无忧。
1.3.6 水煤浆锅炉自控水平
当前，水煤浆锅炉及系统采用PLC或DCS控制系统，实现了基于互联网的锅炉系统智能控制及能效管理。
1.3.7 水煤浆锅炉运行费用
水煤浆锅炉的运行费用低，在燃用“商品浆”的情况下，水煤浆锅炉总体运行费用基本与燃煤链条锅炉持平。经测算：
每吨蒸汽（每60万大卡热量）燃料费用：98.31元/60×104kcal；（水煤浆发热量4300kcal/kg；煤浆价格620元/吨；锅炉效率88%；以正平衡计算）
每吨蒸汽（每60万大卡热量）综合运行费用（包含：燃料费；水电费；油点火费；烟尘、SO2、NOX治理费、司炉工资、设备折旧）：118.1元/60×104kcal。对水煤浆锅炉的扶持政策
2.1能源局印发的关于《煤炭清净效率利用行动（2015~2020年）》的通知
在今年4月27日能源局印发的关于《煤炭清净效率利用行动（2015~2020年）》的通知中，对于水煤浆及锅炉有：“积极推广先进的煤炭提质、洁净型煤和高浓度水煤浆技术”；“在矿区、港口等煤炭集散地…通过水煤浆等先进的煤炭优化加工技术…实现煤炭精细化加工配送”；“…废渣全部无害化处理或资源化利用，推广应用废水制水煤浆”；“提升锅炉污染治理水平。10t/h及以上的燃煤锅炉要开展烟气效率脱硫、除尘改造，积极开展低氮燃烧技术及水煤浆燃烧技术改造示范，实现全面达标排放”。
2.2为了贯彻国务院《大气污染防治行动计划》（国发【2013】37号）和《能源发展战略行动计划（2014~2020年）》（国办发【2014】31号精神，2014年12月26日能源局、环境保护部、工业和信息化部联合发布《关于煤炭绿色开发和清洁效率利用的意见》（国能煤炭【2014】571号）。
《意见》的“主要任务”之一是“提高煤炭产品质量和利用标准。大力发展煤炭洗选加工”，“积极推广先进的型煤和水煤浆技术”。这是近几年来文件中明确将包括型煤和水煤浆等洁净煤列入重点支持和发展的高度加以推荐的特别举措，说明将近期过分强调控煤、去煤、尾端治理方针向煤炭洁净效率利用和源头治理的重大转变。


文件的解读：
2014年6月13日习主席在主持召开财经小组第六次会议上，在研究我国能源平安战略中，指出：“中国的基础能源还是煤炭，并要用好煤炭”。同时提出推动能源生产和消费革命5点要求，四次提到“立足国情”的崭新要求和指示。尤其是这点，“推动能源供给革命，建立多元供应体系”时提出:“立足国内多元供应保平安，大力推进煤炭清洁效率利用”的精辟口号。立足国内其含义就是为了保能源平安性。怎么立足国内保平安，就是要很好的依据我国富煤少油缺气的国情，来“大力推进煤炭清洁效率利用”。在这个前提下再加之“着力发展非煤能源”，形成以煤为核心，“煤、油、气、核、新能源、可生能源多轮驱动的能源供应体系”。习主席的这个讲话把今后我国能源发展路线勾画得十分清晰。这条路线与近些年贯彻的一条处处“煤改气”的“去煤化”风潮形成鲜明的对照。证明那是一种不讲国情，更不立足国内的危险的能源发展道路。
人民日报（2013年10月30日）打出醒目标题：“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，排放之少可与天　然气比肩”，“水煤浆成为我国代油、代气能源的客观条件已经成熟。”
2.3.我司作为“工业锅炉行业十三五发展指导意见”的编写单位，水煤浆锅炉被列入十三五重点项目。
3关于“水煤浆中含水，不节能”是伪科学
机理剖析和实际证明，水煤浆节能是有其理论和实际应用依据的。然而可惜的是，社会上一些人出于各种目的，刻意回避水在水煤浆燃烧中的物理和化学作用所起到的助燃辅助作用，夸大水的相变所需的气化潜热损失，以水煤浆中含水，不节能为伪命题加以宣传。其实，水在水煤浆燃烧中的两面性基本上可以大致弥补水的相变所需的气化潜热损失，达到和接近粉煤燃烧的较高燃烧效率。
3.1水是好的使固体煤炭转变为液体燃料的相变剂和载体
由于液体燃料性能比较稳定，其输送、存储方便，平安性高；且液体燃烧较容易控制和调整，属雾化燃烧、热效率较高，应用广泛，所以深得使用者青睐。因此把固体燃料煤炭相变为液体燃料已成为国内外能源工作者的大追求。当今世界各国要把煤炭转换液体燃料主要方法，一是煤的液化，另一种办法就是用物理方法使煤变成煤浆。然而受关注的还是水煤浆。这种以水为载体的煤基液体燃料，原料丰富，制备简便，技术也比较成熟，它也具备所有液体燃料的特性。这种以水为介质使固体煤炭相变成液体燃料的技术可称为一次能源革命，具有极强的生命力。
3.2水在水煤浆燃烧中起节能、助燃作用
a.水是水煤浆锅炉的良好清洁剂
锅炉燃烧的受热面一般都会因积灰粘污而影响火焰的正常传热，需要经常吹扫和清理，否则吸热效率降低，排烟损失增多。
学者M.J.哈格罗作的水煤浆灰治污试验得知，在干煤粉试验中，约60-70%的水冷壁表面覆盖有1/4-3/4英寸的溶渣，而对应的水煤浆只有不到1/8英寸的粉状沉积物，很容易清理。结论是水煤浆燃烧时的沾污积灰的危害比煤粉轻，水起到了炉膛的清洁剂功效。水煤浆燃烬后的灰非常疏松，易通过通过吹灰设备清理，故煤粉锅炉的积灰比较致密，受热面上的积灰不易清理。故随着运行时间的推移，煤粉锅炉的效率衰减要大于水煤浆锅炉，从锅炉整个寿命周期看，水煤浆锅炉的效率要高于煤粉锅炉。


其原因有两点：
其一是水煤浆的30%水分在炉膛中气化成水蒸气，体积增大1700倍，在炉膛中形成很大内压，使灰尘在水冷壁上粘着难度增大。
其二是水煤浆从燃烧器喷射入炉的速度一般在200-300m/s，而煤粉进炉速度仅20-30 m/s。水煤浆的冲壁速度大于煤粉达10倍，因此受热面的清洁程度比粉煤轻，可以说是水在起到清洁剂的作用。
b.水蒸气三元子非常高的辐射换热性能是良好的传热介质
在炉膛的辐射换热中，火焰有效辐射成分：三原子气体、炭粒子和灰粒。三原子气体包括CO2和H20等。其中水蒸气三元子热辐射力强，可增强炉内火焰对水冷壁管的热量传递速度，提高.能量的利用率，达到节能的效果。
c.水是焦炭燃烧的助燃剂
在炉膛的辐射换热中，火焰有效辐射成分：三原子气体、炭粒子和灰粒。三原子气体包括CO2和H20等。其中水蒸气三元子热辐射力强，可增强炉内火焰对水冷壁管的热量传递速度，提高.能量的利用率，达到节能的效果。
按文献（2）——“水煤浆滴结团和爆裂的机理”：“水分对水煤浆燃烧有利有三方面：1.水分蒸发后滴液形成内部中空且多孔结构的粒子，不仅增大了粒子的反应比表面积，且大大地减弱了颗粒内部反应的各种阻力，因此能加强浆滴的着火以及增加挥发分和焦炭的反应速度；
高炉温下水分蒸发过程中发生爆裂现象形成颗粒表面的大空穴或碎成几小块，更加大了反应比表面积”，加强水煤浆的燃烧；3.在高温下，水蒸气和碳的气化反应，使碳的双相反应转换成气相反应，因此水蒸气对浆滴中碳的燃烧起到催化作用。”从上述研究结论看，水分对水煤浆的燃烧和燃烬有非常大的帮助，能提高燃料的燃烬率。
4水在降低水煤浆燃烧污染物中的减排机理
a.水是浆滴结团增大的脱尘剂
水煤浆是以雾炬形成进入锅炉，其中每个浆滴包含几十颗煤粒，这些浆滴水分干燥后会结成多孔大颗粒团粒，还因为有大量水分的存在，加强细颗粒的团聚，使粒径增大。这种多孔结团煤粒燃尽后的粉尘颗粒很粗，有20%-30%会形成炉渣从炉底排出，对烟气含尘量大大减少，有利于尾部烟气排尘处理。而粉煤炉仅只有10%左右的炉渣排出，比水煤浆炉低2-3倍，尾部除尘的压力大于水煤浆锅炉。另一个原因，从成灰机理中可知，焦炭燃烧时，内部矿物质不断聚集形成大于1μm的灰颗粒，当温度高时，大焦炭消失速度快，容易破碎，产生细颗粒。当温度低时，内部矿物质有充足时间聚合，趋向于形成大颗粒。由于水煤浆中水分的存在，炉膛温度比普遍煤粉低100-200℃，此时的雾化和结团过程，对降低颗粒物排放有一些作用。
浙大在220t/h水煤浆锅炉进行水煤浆与粉煤对比测试，水煤浆PM2.5 21.7%、PM10 48.25%，而粉煤炉PM2.5 35.56%、PM10 92.47%，粉煤细颗粒大于水煤浆很多倍，研究表明水煤浆结团增大的脱尘剂作用，使可吸入颗粒减少，PM2.5污染情况低于粉煤炉。
b.水是水煤浆氮氧化物的减排剂
锅炉主要在燃烧时生成NOX，其有三种途径，即热力型、燃料型和快速型。其中快速型NOX所占比例不足5%；
热力型NOX的生成与燃烧温度有很大的关系，在温度足够高时可占到总量的20%，但随着温度的降低，热力型NOX的生成量也降低，当低于1350℃时，几乎不产生热力型NOX。由于水煤浆含有35%左右的水分，使水煤浆火焰温度比煤粉燃烧时低100~200℃，一般炉膛温度不超过1200℃，故水煤浆锅炉热力型NOX基本不会生成。
燃料型NOX是水煤浆锅炉的主要来源，其高低决定于，燃料中的N转化为挥发分N的多少。水煤浆与粉煤相比， 因为温度低氮的挥发速率较低，因此有较多的氮分子留着炭里， 然后进入灰渣中。 从分析灰渣残留的氮元素，水煤浆比粉煤含氮多，证明水煤浆排放的NOX比粉煤少。
另外水蒸气在燃烧时的还原作用，会使部分NOX还原为N2。
浙大李教授的研究结果是，燃料中水分小于10%-12%时，水分会加强NOX生成（这是粉煤NOX生成量多的主因），而水分大于15%后，NOX生成量一直是逐渐减小的。试验结果发现，在高水分的水煤浆燃料中NOX生成量下降了25%左右。因此，可以说燃烧水煤浆氮氧化物的污染较低是其特别的优势。因为氮氧化物不仅是一次污染物，而且是二次污染物PM2.5的前体物，加之在污染治理上，NOX比SO2更为艰难，其工艺复杂，运行成本也高，已是当前我国大气污染治理的一大难题。
因此，水煤浆燃烧特别的这种低氮氧化物特性，是其它任何燃烧方式所不具备的，而且无需过多的额外投入，仅仅依靠水的减排作用，应该值得大力推崇。
5与燃煤粉锅炉相比水煤浆锅炉的优势
煤粉在大型电站锅炉有广泛的应用，但在小型工业锅炉上使用所谓效率环保粉煤锅炉，看不出有什么创新的技术突破，而且还有许多问题需改进和突破：1. 小型工业煤粉锅炉的保护装备不可能象电站锅炉一样丰富，但燃料安好性又同样需保证。而小型工业锅炉不同于大型电站锅炉，如大型电站锅炉煤粉输送管管径大，无堵塞问题，小型工业锅炉着不然；2. 小型工业煤粉锅炉的炉膛容积、炉膛高度、炉膛尺寸不能和大型电站锅炉相比，也不能像电站锅炉一样进行合理的配风，要完成煤粉效率燃烧难度很大。为此，煤粉向“非常细煤粉”、高挥发分、高热值的方向发展，这仅一步加剧了对燃料平安性的担心，煤粉制备、运输、使用中的环保和平安性日渐显现。据报道，在很短时间连续多次自燃和爆炸，致2人死亡1人重伤，此沉痛教训应该吸取；3.高温燃烧、小炉膛空间所带来的炉膛易挂焦和烟道积灰较难清理，致使锅炉出力和效率下降；局部受热面高受热强度对热媒和受热面的影响；高NOX排放和SOFA风效果差；4.从目前小型工业煤粉锅炉使用情况看，其可靠性差，连续运行能力差，产品还不成熟；5.从煤粉的燃烧机理看，其对污染物减排是无贡献的。特别是目前普遍关心的氮氧化物指标控制及解决燃煤PM2.5的问题。
内容来源：浙江先创能源科技股份有限公司