李顯俊葉治成（.廈門鴻益順環(huán)保科技有限公司, 福建 廈門 36026； 2.原國家水煤漿技術(shù)委員會, 福建 廈門 36026）

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水煤漿技術(shù)在節(jié)能減排中的戰(zhàn)略意義

李顯俊1、2葉治成1
（1.廈門鴻益順環(huán)保科技有限公司, 福建 廈門 361026； 2.原國家水煤漿技術(shù)委員會, 福建 廈門 361026）

摘 要：從水煤漿燃燒機(jī)理可知，水煤漿滴結(jié)團(tuán)、爆裂并多孔群粒燃燒，最終少量PM2.5微粒在水蒸氣相變中被凝并長大，極易被清除掉。這一系列燃燒特性使水煤漿在燃燒中的減排效果相當(dāng)于燃?xì)馑?，而成本低至與傳統(tǒng)燃煤相當(dāng)。因此，水煤漿技術(shù)是解決燃料源PM2.5最現(xiàn)實(shí)可行的戰(zhàn)略選擇。

關(guān)鍵詞：燃燒機(jī)理 蒸汽相變長大 節(jié)能減排 集成效果

0　前 言

近兩年來，正當(dāng)霧霾肆虐整個(gè)中國之時(shí)，各地媒體相繼傳出一種可喜的聲音，給人們帶來一線希望。廣西南寧人喊出：“潔凈水煤漿讓天空更藍(lán)”；山東濟(jì)南人喊出：“水煤漿環(huán)保鍋爐將成PM2.5克星”；廈門人在新能源國際博覽會上打出大幅通欄大標(biāo)題：“水煤漿技術(shù)是治理PM2.5時(shí)代的戰(zhàn)略選擇”。就在2013年10月30日，人民日報(bào)都醒目刊登了這樣的標(biāo)題：“我國水煤漿技術(shù)已經(jīng)成熟——把煤變成清潔能源”，“燃燒水煤漿，成本與傳統(tǒng)燃煤相當(dāng)，排放之少可與燃燒天然氣媲美[1]”。這些都是對水煤漿技術(shù)的真實(shí)寫照和肯定。證明經(jīng)過30年發(fā)展的具有中國特色的水煤漿技術(shù)，在燃燒領(lǐng)域沒有任何一種燃料和燃燒方式可以像水煤漿一樣具有廉價(jià)且節(jié)能、代油、減排SO2和NOx、防治粉塵污染等優(yōu)勢。

水煤漿技術(shù)之所以有上述優(yōu)勢，主要得益于水煤漿在燃燒中具有漿滴結(jié)團(tuán)、爆裂、多孔群粒燃燒的特性；以及先進(jìn)的水蒸氣相變促進(jìn)燃燒源PM2.5凝并長大，最終被高效清除的一整套獨(dú)特的節(jié)能減排工藝過程。這些都是其他燃燒方式所不具備的。

1　水煤漿燃燒機(jī)理

水煤漿燃燒機(jī)理介于燃油及燃粉煤之間，除這兩者特長兼而有之以外，又有其自身的特點(diǎn)。水煤漿屬于霧化燃燒，每個(gè)漿滴含有數(shù)十顆的煤粒，在漿滴水分蒸發(fā)時(shí)會使多顆煤粒凝結(jié)結(jié)團(tuán)，干漿滴結(jié)團(tuán)會形成大量孔隙。隨著揮發(fā)分釋放并燃燒，結(jié)團(tuán)煤粒粒徑膨脹增大。膨脹的焦炭漿滴在燃盡階段發(fā)生爆裂，從而增加燃燒表面積，使燃燒速度加快。同時(shí)水蒸氣擴(kuò)散到煤粒表面與碳發(fā)生氣化反應(yīng)，生成CO和H2，從而進(jìn)一步提高燃燼率[2]。水煤漿的這種燃燒過程，使其燃燒效率高達(dá)98%~99%，鍋爐熱效率達(dá)85%以上。

2　水煤漿燃燒過程中降低煙氣污染物的優(yōu)勢

2.1 霧滴結(jié)團(tuán)群粒燃燒

由于霧滴結(jié)團(tuán)群粒燃燒，燃燒后飛灰粒徑會變粗，接近或大于煤顆粒，而粉煤燃燒后顆粒會變得十分細(xì)小，從對比飛灰測試分布數(shù)據(jù)可知，水煤漿飛灰中小于PM1超細(xì)顆粒占0.11%，而煤粉占0.31%，是水煤漿的3倍。對比飛灰小于15 μm以下的難脫除顆粒，水煤漿飛灰只有17.54%，而煤粉飛灰占42.86%，是水煤漿飛灰2.5倍;大于30 μm以上的較容易脫除顆粒，水煤漿飛灰占65.41%，而煤粉為33.19%，僅為水煤漿飛灰的一半。

這些對比表明，水煤漿飛灰PM2.5含量少于煤粉，易脫除的顆粒多于煤粉，說明水煤漿減排煙塵效果十分明顯。

2.2 水煤漿燃燒中可降低NOX生成

煤炭燃燒NOx生成主要有兩種類型，即燃料型和熱力型。熱力型NOx與爐內(nèi)燃燒溫度有關(guān)。水煤漿含有35%的水分需要蒸發(fā)，會使鍋爐的燃燒溫度比粉煤爐低100~200 ℃，使水煤漿爐膛溫度較低，一般不超過1 200 ℃。故水煤漿鍋爐熱力型NOx基本不會生成，可以忽略不計(jì)。因此，水煤漿是一種低氮氧化物燃燒技術(shù)。我們知道NOx不僅是一次污染物，而且是二次污染物PM2.5的前體物。在污染治理上，NOx比SO2更難治理，其工藝復(fù)雜，運(yùn)行成本也高，已是我國大氣污染治理的一大難題。水煤漿技術(shù)這種獨(dú)特的先天性的爐內(nèi)脫硝特性，具有極高的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

2.3 水煤漿的二氧化硫爐內(nèi)減排

水煤漿原料大多是經(jīng)過洗選脫灰脫硫的，一般原料煤含硫量在0.6%~0.8%，屬于低硫煤。但想要達(dá)到嚴(yán)格的環(huán)保要求，還需對煙氣進(jìn)一步脫硫。如能夠在燃燒中進(jìn)行脫硫，有可能達(dá)到事半功倍的效果。水煤漿的優(yōu)勢之一就是可以利用制漿過程選取堿性較強(qiáng)的水煤漿添加劑，讓這些堿性物質(zhì)在燃燒中與SO2發(fā)生中和反應(yīng)生成硫酸鹽沉淀達(dá)到爐內(nèi)脫硫的效果。另外對較高的含硫煤還可以在制漿過程中添加專用脫硫劑，成為脫硫型環(huán)保水煤漿，脫硫效率可達(dá)70%~80%。北京燕山石化水煤漿鍋爐就是采用環(huán)保脫硫水煤漿達(dá)到燃?xì)馑蕉ㄟ^奧運(yùn)檢測的。

2.4 水煤漿的濕性煙氣可以改善電除塵的比電阻，提高除塵效率

實(shí)踐證明采用電除塵是降低煙塵的經(jīng)濟(jì)而有效的辦法，而電除塵的重要指標(biāo)是粉塵的比電阻，只有在較低的比電阻（108~1011Ω）下電除塵才能達(dá)到較好的水平。一般粉煤的比電阻在1012~1013Ω以上[3]，需要對煙氣增濕才能降低比電阻，達(dá)到較好除塵效果；而水煤漿煙氣濕度很大，比電阻一般低于1010Ω，很適合電除塵工藝要求。因此水煤漿技術(shù)是最適合電除塵要求的，除塵效率可達(dá)90%~95%以上。

2.5 水煤漿煙氣水蒸氣相變促進(jìn)PM2.5凝并長大而極易脫除

現(xiàn)有的除塵技術(shù)如靜電除塵、布袋除塵、旋風(fēng)除塵和濕法除塵，對PM2.5的清除效率都很低。目前國內(nèi)外脫除PM2.5或更細(xì)的顆粒物的主要途徑是在除塵器前設(shè)置預(yù)處理設(shè)施，使其通過物理或化學(xué)作用長大成較大顆粒后加以脫除，如電團(tuán)聚、聲團(tuán)聚、磁團(tuán)聚、熱團(tuán)聚、光團(tuán)聚和化學(xué)團(tuán)聚等。它們對除塵效率的提高或多或少都能起一定作用，但耗費(fèi)能源太大，工藝復(fù)雜，適應(yīng)性有限。在煙氣中噴水或加水蒸氣相變的科研成果可以促進(jìn)微粒凝聚增大，被認(rèn)為是一項(xiàng)頗具有應(yīng)用前景的項(xiàng)目。其主要原理是：以PM2.5微粒為凝結(jié)核，通過水蒸氣的冷凝作用，使微粒質(zhì)量增大，從而使微粒較易慣性碰撞而被捕集[4]。

研究表明這種水蒸氣相變技術(shù)的影響因素主要與灰粒的潤濕性和表面粗糙程度有很大關(guān)系。如表面粗糙會降低顆粒與水蒸氣間的接觸角，能改善顆粒的潤濕性能，這時(shí)顆粒越容易核化。光滑的煤粉灰顆粒表面成核速率和幾率都很低。水煤漿灰粒是一種表面多孔粗糙的顆粒，很易凝并長大，何況水煤漿含水30%~35%，其蒸氣是自帶的，并且有較高的溫度級差，完全能滿足水蒸氣相變的各種條件。粉煤加濕要耗費(fèi)能源及大量水資源，而且顆粒又是光滑的球體，兩者水蒸氣相變凝聚效果和經(jīng)濟(jì)性差距很大，說明水煤漿在脫除PM2.5上具有很大優(yōu)勢，不是粉煤所能比的。

2.6 水煤漿環(huán)境效益小結(jié)

（1）實(shí)踐證明，經(jīng)過30年發(fā)展的水煤漿技術(shù)，在燃燒領(lǐng)域沒有任何一種燃料和燃燒方式可以像水煤漿一樣具有廉價(jià)且節(jié)能、減排SO2和NOX、防治粉塵污染等綜合優(yōu)勢，而且有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

（2）水煤漿燃燒中漿滴結(jié)團(tuán)、爆裂、多孔群粒燃燒及最終水蒸氣裹塵外排等特性是一種最先進(jìn)、高效率、低污染的燃燒方式，尤其是在解決當(dāng)前PM2.5污染上值得大力推廣應(yīng)用。

（3）水煤漿中的水分不僅使煤炭加工和運(yùn)輸能在環(huán)保、安全的情況下實(shí)現(xiàn)，而且在燃燒終結(jié)時(shí)用水蒸氣相變的功能把煙氣中有害的、致命的PM2.5降下來，發(fā)揮積極作用。

3　水煤漿技術(shù)的戰(zhàn)略意義

回顧和總結(jié)中國水煤漿技術(shù)30年的發(fā)展經(jīng)歷，可以歸納以下戰(zhàn)略成果：

（1）水煤漿技術(shù)讓貧油富煤的中國尋找到一個(gè)最現(xiàn)實(shí)最可行的煤代油氣途徑，在保證國家能源安全上起著舉足輕重的作用。

（2）水煤漿技術(shù)和其他潔凈煤技術(shù)共同解決了提高煤炭高效利用的問題，使傳統(tǒng)燃煤效率從80%左右提高到98%以上，熱效率由65%左右提高到85%~90%，節(jié)煤效率20%~30%。

（3）水煤漿技術(shù)可以解決現(xiàn)代化煤炭生產(chǎn)加工中越來越多粉煤利用和處理難題，促進(jìn)了中國潔凈煤技術(shù)的全面發(fā)展。

（4）水煤漿應(yīng)用范圍之廣、適應(yīng)性之強(qiáng)也勝過其他燃燒方式，因此被廣泛應(yīng)用于電站鍋爐、工業(yè)鍋爐和工業(yè)窯爐等不同的燃燒領(lǐng)域，服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)。

（5）水煤漿是理想的氣化原料，不僅氣化率高且極大地?cái)U(kuò)大了氣化原料煤品種，在化工行業(yè)起到了革命性變化。

（6）水煤漿由于制備簡單、儲運(yùn)方便、節(jié)能環(huán)保，可以成為今后中國分布式能源結(jié)構(gòu)的理想經(jīng)濟(jì)燃料，具備與天然氣相輔相成共同發(fā)展的作用。

（7）水煤漿技術(shù)可以解決煤炭應(yīng)用中的安全問題，在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲存和燃用過程中不自燃、不爆炸。

（8）水煤漿濕法封閉生產(chǎn)運(yùn)輸，解決煤炭運(yùn)輸銷售環(huán)節(jié)中大量損耗問題。

（9）如水資源不存在問題，水煤漿管道運(yùn)輸是煤炭長途運(yùn)輸?shù)淖罱?jīng)濟(jì)手段，它比輸電、鐵路運(yùn)輸和汽車運(yùn)輸節(jié)約30%~50%的成本。

（10）最重要的是水煤漿在解決煤炭高污染問題上，不僅能很好地解決粉塵、SO2和NOX的高污染難題，更是解決燃煤PM2.5的最經(jīng)濟(jì)有效的手段。

更為重要的是，水煤漿技術(shù)的集成作用，除解決自身節(jié)能環(huán)保問題之外，還在深入地轉(zhuǎn)向解決社會其他行業(yè)的污染治理難題。如15年前為解決造紙黑液污染而開發(fā)的黑液水煤漿，以及近些年很多院所集優(yōu)勢科研力量攻克的煤泥水煤漿和污泥水煤漿，都在科學(xué)地延伸水煤漿技術(shù)的核心原理，攻克社會經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的不同污染難題，并取得一定的科研成果，很多已在向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。

4　謹(jǐn)防水煤漿被“控煤”誤傷

目前，我國東部沿海省份為解決大氣污染問題，陸續(xù)出臺控制煤炭消費(fèi)總量的政策，鼓勵(lì)以氣代煤以減少污染排放和降低霧霾發(fā)生。這些措施都是合理和及時(shí)的，因?yàn)槿济捍_實(shí)是當(dāng)今形成霧霾的重要成因之一，但是近期，某些地區(qū)將水煤漿列入“臟煤”行列并禁燃，這是對水煤漿技術(shù)的嚴(yán)重打擊，更是嚴(yán)重違背水煤漿技術(shù)真實(shí)狀況和突出的減排PM2.5特性，是一件極不公正的冤案。

還有人說“目前已發(fā)展的一些新型鍋爐燃燒技術(shù)，且已應(yīng)用于工業(yè)鍋爐，但問題較多，特別是水煤漿燃燒技術(shù)，能效與污染定量分析結(jié)果表明，它的能源環(huán)境效益都低于燃燒同煤種的鏈條爐。[5]”然而大量事實(shí)證明，占據(jù)中國燃煤工業(yè)鍋爐的80%以上是以鏈條爐為代表的層燃爐，它們早已被公認(rèn)為中國大氣污染的罪魁禍?zhǔn)缀凸?jié)能減排的絆腳石，所以國家才三令五申屬于淘汰之列。大量監(jiān)測數(shù)據(jù)擺在那里，水煤漿鍋爐和粉煤爐燃燒效率98%左右，熱效率85%以上，而鏈條爐燃燒效率只有80%，熱效率65%[6]，兩者相差近20個(gè)百分點(diǎn)。各地大量事實(shí)也都證明水煤漿鍋爐和粉煤爐可以節(jié)煤20%~30%，難道還比不上鏈條爐嗎？更為突出的是水煤漿鍋爐的良好環(huán)保效果“可以與天然氣相媲美”，更是鏈條爐所望塵莫及的。我們要不斷淘汰舊技術(shù)，才能把國家“大氣10條”真正落實(shí)到位。

5　結(jié)束語

中國能源電力學(xué)科帶頭人，中科院徐士高院士20年前就肯定了水煤漿技術(shù)的應(yīng)用前景：“水煤漿是一種新型清潔燃料，它以煤炭為主料，以水、化學(xué)添加劑為輔料組成，經(jīng)過專門的設(shè)備研磨細(xì)化，并充分混合均勻，在化學(xué)添加劑的作用下，制造均勻穩(wěn)定的水煤漿。改變傳統(tǒng)燃煤鍋爐的固態(tài)燃燒方式，而以水煤漿在高壓液態(tài)霧化噴燃方式取代。充分整合了液態(tài)燃料，空氣、水的種種燃燒的化學(xué)物理特點(diǎn)，促進(jìn)了燃燒燃盡率的大幅提高。又減少了主要污染物的氣體排放量，以及充分實(shí)現(xiàn)了環(huán)保又節(jié)能的社會效益和企業(yè)效益。”幾十年來水煤漿的發(fā)展取得了很大成果，相信這種具有中國特色的潔凈能源技術(shù)一定能為實(shí)現(xiàn)“中國夢”和“美麗中國”做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鮑丹.把煤變成“清潔能源”[N].人民日報(bào).2013-10-30.

[2] 傅維鑣.含水燃料的燃燒[M].北京:高等教育出版社, 2009:20-29.

[3]岑可法,姚強(qiáng),曹欣玉,等.煤漿燃燒、流動(dòng)、傳熱和氣化的理論與應(yīng)用技術(shù)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社, 1997：372-374.

[4] 楊林.蒸汽相變促進(jìn)燃燒源PM2.5凝并長大的研究現(xiàn)狀及展望[J]. 現(xiàn)代化工,2015(11):15-17.

[5] 俞建洪.水煤漿鍋爐能效分析[J].工業(yè)鍋爐, 2009(6):20-23.

[6] 林宗虎,徐通模 .實(shí)用鍋爐手冊[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2009:1061-1067.