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1、应用水煤煤浆洁净净燃烧技技术控制制燃煤工工业锅炉炉二氧化硫硫污染中国国燃煤工工业锅炉炉二氧化化硫污染染综合防防治对策策(五)张慧明 王娟(青岛市市环境科科学学会会,青岛岛26660011) (青青岛理工工大学环环境与市市政工程程学院,青青岛26660333) 摘 要要 本本文研究究水煤浆浆洁净燃燃料,及及其在燃燃煤工业业锅炉上上控制SSO2污染的的应用。其其主要内内容包括括水煤浆浆洁净燃燃烧技术术概况,水水煤浆生生产方法法、水煤煤浆的分分类及其其物理性性能,水水煤浆洁洁净燃烧烧系统的的工艺过过程及其其技术性性能,水水煤浆锅锅炉环境境效益及及经济效效益,及及水煤浆浆锅炉的的特点。研研究表明明,水
2、煤煤浆洁净净燃烧技技术燃烧烧效率高高,燃尽尽率高,炉炉渣含碳碳量低,即即经济效效益好;烟尘和和SO22排放浓浓度低,环环境效益益好。水水煤浆洁洁净燃烧烧技术是是燃煤工工业锅炉炉理想的替替代技术术。关键词 煤炭炭;烟尘尘; SSO2;燃煤煤工业锅锅炉;水水煤浆;水煤浆浆锅炉 Conttrolllinng ssulffur diooxidde ppolllutiion froom iinduustrriall cooal-firred boiilerr byy clleann coombuustiion tecchnoologgy oof ccoall waaterr miixtuure ( CC
3、WM )Zhanng HHuimmingg(Qinngdaao IInsttituute of Envviroonmeentaal SScieencee, QQinggdaoo 26660003)Wangg Juuan(Qinngdaao TTechhnollogiicall Unniveersiity,QQinggdaoo 26660333)Absttracct Clleann fuuel of watter mixxturre aand conntroolliing sullfurr diioxiide pollluttionn frrom inddusttriaal ccoall-fii
4、redd booileer iis ddisccusssed in thiis ppapeer. It inccluddes a ssurvvey of cleean commbusstioon ttechhnollogyy off CWWM, prooducctivve mmethhodss off CWWM, claassiify andd phhysiicall prropeertiies of CWMM, ttechhnollogiicall prroceess andd prropeertiies of cleean commbusstioon ssysttem of CWMM, s
5、systtem of CWMM-fiiredd booileer aand chaaraccterristticss off CWWM-ffireed bboiller. Itt iss shhownn byy reeseaarchh thhat firringg raate andd liimittingg fiirinng rratee off clleann teechnnoloogy of CWMM iss hiigh andd caarboon cconttentt off sllag is loww soo thhat ecoonommy bbeneefitt iss goood,
6、 emmisssionn deensiity of sullfurr diioxiide annd ffluee duust is loww soo thhat envviroonmeentaal bbeneefitt iss goood. Clleann coombuustiion tecchnoologgy oof CCWM is ideeal altternnatiive tecchnoologgy ffor airr poolluutioon cconttrolllinng oof iinduustrriall cooal-firred boiilerr.Key worrds cooa
7、l; fllue dusst; sullfurr diioxiide; inndusstriial coaal-ffireed bboiller; cooal watter mixxturre; coaal wwateer mmixtturee-fiiredd booileer1引言多年来的的实践表表明,应应用传统统的大气气污染控控制技术术,燃煤煤工业锅锅炉大气气污染是是很难控控制的,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
8、,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。大力研究究开发水水煤浆技技术,积积极推广广水煤浆浆技术在在工业锅锅炉上的的应用,对对控制我我国大气气环境污污染,节节约能源源,具有有极其重重要的意意义。水水煤浆锅锅炉是目目前我国国严重污污染大气气环境的的燃煤工工业锅炉炉的理想想替代产产品。2水煤浆浆技术概概况2.1 水煤浆浆技术的的产生及及发展20世纪纪70年年代初,由由于“能源危危机”,西方发
9、达达国家研研究开发发了一种种新型低低污染的的煤基流流体代油油的洁净净燃料水煤煤浆(CCoall Waaterr Miixtuure,简简称CWWM),后后因能源源危机解解除,国国际市场场上石油油供应充充足,水水煤浆技技术并未未获得替替代石油油的广泛泛应用。我我国石油油资源短短缺,以以煤代油油势在必必行。此此外,采采用水煤煤浆洁净净燃烧技技术,可可经济有有效地控控制我国国燃煤工工业锅炉炉SO22污染。为为此,水水煤浆技技术在我我国应运运而生,将将获得愈愈来愈广广泛的应应用。因因此,水水煤浆锅锅炉这项项燃烧技技术,因因经济效效益和环环境效益益好而列列入我国国十大洁洁净煤技技术的前前列。我国水煤煤浆
10、技术术研究开开发较晚晚,始于于20世世纪800年代初初,但发发展较快快。目前前在燃煤煤锅炉上上已由中中试阶段段开始进进入工业业化应用用阶段,制制浆技术术已达到到国际水水平,部部分水煤煤浆已向向国外出出口。我我国水煤煤浆锅炉炉的燃烧烧效率均均在955以上上,锅炉炉的热效效率均在在84以上。水水煤浆锅锅炉烟尘尘和SOO2的排放放浓度,可可达到我我国锅锅炉大气气污染物物排放标标准。水水煤浆单单位热值值价格(元元/MJJ)与重重油、天天然气比比较,水水煤浆为为0.0013660.01667;重重油为00.033660.004399;天然然气为00.0554。目目前我国国运行的的水煤浆浆锅炉,有有4t/
11、h、66t/hh、8tt/h、110t/h、220t/h、335t/h、440t/h、775t/h、1130tt/h、2200tt/h,大大容量的的水煤浆浆锅炉有有5000t/hh和6000t/h。近近年来,水水煤浆技技术已在在供热锅锅炉和热热电厂开开始应用用,经济济效益与与环境效效益都很很好,引引起中国国环保和和能源界界的共同同关注。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 水煤浆浆制备水煤浆是是由655700不同同粒度分分布的煤煤炭,330335的的水及约约1的的添加剂剂制成的的煤水混混合物,它它既保持持了煤炭炭原有的的物理特特性,又又具有石石油一样样的流动动
12、特性和和稳定性性,可以以像石油油一样易易于管道道输送和和喷雾高高效燃烧烧,被称称为液态态煤炭制制品。2.2.1 制制备水煤煤浆的原原料(1)洗洗精煤 制造造水煤浆浆用煤炭炭应是低低灰分、低低硫分、高高挥发分分、高灰灰熔点、高高热值的的优质动动力煤洗精煤煤。洗精精煤要求求如下:热值(低低位发热热量)60000kccal/kg 可磨指指数5001000挥发分30 灰熔熔点(TT2) 动动力型13000灰分110 气气化型11880硫分11(2)添添加剂 制造造水煤浆浆用添加加剂,应应具有活活性好、反反应快、添添加量少少、制浆浆成本低低、对煤煤炭灰熔熔点降低低小的特特性。在在动力水水煤浆制制备过程程
13、中,添添加剂可可采用下下列化合合物:木木质素磺磺酸盐,腐腐植酸盐盐,亚甲甲基苯磺磺酸盐,聚聚苯乙烯烯磺酸盐盐,聚脂脂肪族二二烯烃磺磺酸盐,聚聚甲基丙丙烯酸盐盐等。这这些添加加剂各具具利弊。(3)水水 制制备水煤煤浆用水水,呈中中性或微微碱性,浊浊度低,研研磨不产产生有害害气体。2.2.2 制制备水煤煤浆的工工艺过程程目前,国国内外水水煤浆厂厂采用的的制浆工工艺过程程有三种种:高浓浓度磨矿矿制浆工工艺过程程;中浓浓度磨矿矿制浆工工艺过程程;高、中中浓度磨磨矿制浆浆工艺过过程。高浓度磨磨矿制浆浆工艺过过程的特特点是:将洗精精煤、水水和添加加剂一起起加入球球磨机,在在高浓度度(略高高于成品品水煤浆浆
14、的浓度度)条件件下进行行磨制,磨磨矿产品品就是高高浓度水水煤浆的的初级产产品,再再经过搅搅拌、稳稳定性处处理及隔隔渣,就就可获得得成品水水煤浆。我我国自己己建设的的水煤浆浆厂也大大多采用用这种工工艺过程程。三种不同同制浆工工艺过程程各有其其优缺点点。我国国水煤浆浆专家研研究分析析它们的的优缺点点后,确确定以下下制浆原原则:(1)选选用高浓浓度磨矿矿工艺过过程;(22)添加加剂分段段加入,可可提高制制浆效果果,降低低添加剂剂的使用用量;(33)对水水煤浆进进行高剪剪切处理理,可提提高水煤煤浆的屈屈服应力力,增强强水煤浆浆的触变变性,加加速水煤煤浆的熟熟化,改改善水煤煤浆的稳稳定性;(4)减减少磨
15、矿矿产品平平均粒度度,为了提提高水煤煤浆的稳稳定性,可可适当减减少磨矿矿产品的的平均粒粒度,磨磨矿产品品的平均均粒度应应控制在在40 m左右右。2.2.3 制制备水煤煤浆的主主要设备备制备水水煤浆的的主要设设备有破破碎机、水水煤浆专专用球磨磨机、搅搅拌器和和调浆桶桶、强化化泵和机机泵、储储浆罐及及供应设设备。其其中,强强化泵为为对水煤煤浆进行行高剪切切处理的的设备,以以提高水水煤浆的的稳定性性、屈服服应力和和触变性性等;而而机泵是是在水煤煤浆制备备过程中中用来输输送水煤煤浆的泵泵。2.3 水煤浆浆的管道道输送和和储存(1)水水煤浆的的管道输输送 管道内内水煤浆浆应连续续运行,不不可过长长时间存
16、存放;系系统开启启过程应应缓慢进进行,开开始以小小流量输输送,再再逐渐增增大流量量至稳定定输送值值;水煤煤浆输送送泵的额额定压力力,应为为稳定计计算值的的3倍左左右;对对泵前储储罐内水水煤浆应应适当搅搅拌,可可减少泵泵的磨损损及管道道输送阻阻力;水水煤浆管管道应采采用热水水伴热或或电伴热热;长距距离输送送水煤浆浆时应采采用大曲曲率半径径的弯头头(D3Dnn);设设置管道道堵塞信信号及低低点排放放措施。(2)水水煤浆的的储存 小容容量的储储罐可采采用较大大的高径径比,大大容量的的储罐可可采用较较小的高高径比;储罐底底部结构构要合理理,考虑虑储罐强强度和稳稳定性,水水煤浆可可全部排排出及清清洗排污
17、污方便;设置搅搅拌器及及导流装装置,以以防水煤煤浆沉淀淀和堵塞塞;储罐罐内壁容容易氧化化腐蚀,应应采取防防氧化腐腐蚀措施施;寒冷冷地区储储罐的保保温及伴伴热。3水煤浆浆的分类类及其物物理性能能水煤浆的的分类及及其物理理性能目目前尚未未形成国国家技术术标准。 本文列列出的水水煤浆分分类及其其物理性性能,是是根据国国内外资资料集合合而成。3.1 水煤浆浆的分类类水煤浆分分为精煤煤水煤浆浆、经济济水煤浆浆、气化化水煤浆浆及环保保水煤浆浆,其技技术性能能列于表表1。表1 水煤浆浆的分类类 性能能名称浓度,灰分,粘度,mmPa.S平均粒径径,m稳定性,天天精煤水煤煤浆6510120004530经济水煤煤
18、浆50660155530气化水煤煤浆58665100005066012环保水煤煤浆651012000 对含含硫量等等要求较较高3.2 水煤浆浆的物理理性能水煤浆的的物理性性能列于于表2表2 水煤浆浆的物理理性能浓度干燥%粘度Pa.SS粒度m发热量MJ/kkg结冰点比重灰分A%硫分%稳定性挥发分%67111.21.55平均50075mm80%250m1%20-401.2221.23100.66静存610个个月33燃点灰熔点常温(220)空气气助燃250热风助助燃燃烧温度度 炉温 燃烧温度度 炉温 600650014600170001360019000141004水煤浆浆锅炉燃燃烧系统统的工艺艺过
19、程及及技术性性能4.1 水煤浆浆锅炉燃燃烧系统统的工艺艺过程水煤浆锅锅炉燃烧烧系统的的工艺过过程如图图1所示示。水煤浆燃燃烧器主主要由水水煤浆喷喷嘴组成成,它通常常采用撞撞击式多多级雾化化水煤浆浆喷嘴。容容量较小小的水煤煤浆锅炉炉,喷嘴嘴一般用用空气雾雾化,容容量较大大的水煤煤浆锅炉炉,一般般用蒸汽汽雾化。图1 水煤浆浆锅炉燃燃烧系统统的工艺艺过程4.2 水煤浆浆锅炉燃燃烧的技技术性能能本文以44t/hh水煤浆浆锅炉为为例,其其技术性性能如下下:额定蒸发发量38880kgg/h燃料水煤浆燃烧消耗耗量706.1kgg/h水煤浆价价格450元元/t燃烧空气气入口温温度32排烟温度度197.3烟气量
20、65388.5排烟空气气过量系系数1.688烟气烟尘尘排放浓浓度63.55mg/m3烟气SOO2排放浓浓度730mmg/mm3排放烟气气黑度林格曼11级飞灰可燃燃物含量量30.22%给水温度度28.55给水压力力1.311Mpaa实际蒸发发量40099.300kg/h蒸汽压力力1.255Mpaa湿炉渣重重量9.033kg/h排出炉渣渣温度600炉渣可燃燃物含量量5.1%炉温1300013350每t蒸汽汽水煤浆浆消耗量量176.52kkg/tt(蒸汽汽)水煤浆锅锅炉单体体价格34.668万元元成套水煤煤浆锅炉炉系统投投资61万元元年操作费费用与燃煤锅锅炉相当当5水煤浆浆锅炉环环境效益益与经济济效
21、益5.1 水煤浆浆锅炉环环境效益益可佳显然,44t/hh水煤浆浆锅炉烟烟尘排放放浓度663.55mg/m3,SOO2排放浓浓度为7730 mg/m3,烟尘尘黑度为为林格曼曼1级,符符合锅锅炉大气气污染物物排放标标准(GGWPBB3-119999)标准准中一类类区时段的的要求。而而标准中中一类区区时段要要求烟尘尘浓度不不高于880mgg/m33,SOO2浓度不不高于112000 mgg/m33。可见见水煤浆浆锅炉烟烟气SOO2的排放放浓度远远远低于于国家标标准,环环境效益益可佳。5.2 水煤浆浆锅炉的的经济效效益相当当可观采用不同同燃料时时,生产产每t蒸蒸汽的成成本差异异较大,表表3列出水水煤浆
22、、燃燃煤、燃燃油燃气气及用电电四种锅锅炉生产产每t蒸蒸汽耗用用燃料成成本的比比较。表3 四种锅锅炉生产产每t蒸蒸汽耗用用燃料成成本比较较 项目目炉型热效率%燃尽率%燃料名称称单价耗量/tt蒸汽成本/tt蒸汽CWM与与其它成成本比较较水煤浆锅锅炉83-88498CWM450元元/t148kkg66.661燃煤锅炉炉6780混合煤335元元/t200 kg671:1重油锅炉炉8498重油15000元/tt75 kkg112.51:1.69燃气锅炉炉9299天然气2.0元元/t78 mm31561:2.34柴油锅炉炉8599柴油26000元/tt70 kkg1961:2.94电锅炉97电0.400元
23、/KKWh720KKWh2881:4.32由表3可可见,就就热效率率而言,水水煤浆锅锅炉为883.55%,比比燃煤锅锅炉高116.55%,与与燃柴油油锅炉和和燃重油油锅炉884885%接接近。水水煤浆锅锅炉燃尽尽率为998%,与与燃柴油油锅炉和和燃重油油锅炉接接近,而而比燃煤煤锅炉高高18%,这就就是水煤煤浆锅炉炉烟尘排排放浓度度低而燃燃煤锅炉炉烟尘排排放浓度度高的基基本原因因。就每每t燃料料价格而而言,水水煤浆为为4500元,每每t比煤煤炭贵1115元元,而比比重油便便宜10050元元,比柴柴油便宜宜23550元,属属于价格格便宜,用用户可以以接受。每每生产11t蒸汽汽,水煤煤浆锅炉炉需要6
24、66.66元,与与燃煤锅锅炉需要要67元元大体相相当,而而重油锅锅炉和柴柴油锅炉炉分别需需要1112.55元和1196元元,重油油锅炉是是水煤浆浆锅炉的的1.669倍,柴柴油锅炉炉是水煤煤浆锅炉炉的2.94倍倍。可见见,水煤煤浆锅炉炉热效率率高、节节能、便便宜、经经济效益益好。水煤浆锅锅炉年操操作费用用与燃煤煤锅炉大大体相当当,而比比燃油锅锅炉便宜宜得多,就就年燃料料费用而而言,一一台4tt/h柴柴油锅炉炉每天运运行100小时,一一年运行行3000天,年年消耗柴柴油9000t,年年柴油费费用为2252元元,而水水煤浆锅锅炉水煤煤浆费用用仅需881元。可可见,一一台4tt/h水水煤浆锅锅炉一年年
25、燃料的的费用,比比燃油锅锅炉要节节省1771万元元。分析比较较可以得得出,在在四种不不同燃料料的锅炉炉中,只只有水煤煤浆锅炉炉具有经经济效益益相当可可观而且且环境效效益可佳佳的显著著双重特特点。6水煤浆浆锅炉的的特点(1)热热效率高高,节煤煤,经济济效益相相当可观观。水煤煤浆燃烧烧高效稳稳定,燃燃烧完全全,燃烧烧效率高高,大于于95%,与粉粉煤燃烧烧相同。燃燃尽率高高,一般般为988%,与与燃油锅锅炉接近近。热效效率高,通通常为884%左左右,与与燃油锅锅炉接近近。水煤煤浆锅炉炉的炉渣渣含碳量量低,一一般为00.600%左右右,而燃燃煤锅炉炉炉渣含含碳量一一般为113.77%,炉炉渣量明明显减
26、少少。在同同等热值值下,水水煤浆锅锅炉大大大减少燃燃料的消消耗量,节节煤效果果好。(2)烟烟尘和SSO2排放浓浓度低于于国家标标准,环环境效益益可佳。由由于水煤煤浆含硫硫量低于于0.66%,SSO2排放浓浓度低,一一般为7700 mg/m3左右,同同时烟尘尘排放浓浓度也较较低,通通常为660 mmg/mm3左右,排排放烟气气的黑度度为林格格曼1级级,符合合国家标标准要求求。燃煤煤锅炉环环境效益益差,是是不能与与水煤浆浆锅炉比比拟的。(3)炉炉温比燃燃煤锅炉炉高,可可达1330013550或更高高,但比燃燃油锅炉炉低,NNOx生生成量较较少。(4)控控制、调调节自动动化,与与燃油锅锅炉相似似,优
27、于于粉煤炉炉。(5)储储存、运运输方式式与燃油油相似,也也优于粉粉煤炉。(6)水水煤浆锅锅炉的规规格尺寸寸与燃油油锅炉相相似,比比粉煤炉炉简单、安安全。(7)水水煤浆浓浓度高,流流变性好好,长期期储存不不发生沉沉淀,它它能像燃燃油一样样泵送、雾雾化,在在锅炉上上完全可可以替代代燃油。(8)水水煤浆采采用管道道输送,燃燃烧器喷喷燃,减减掉炉前前口,消消除了笨笨重的体体力劳动动,改善善了工作作环境。(9)用用途广泛泛。水煤煤浆可用用于燃煤煤工业锅锅炉、燃燃煤发电电厂锅炉炉、燃煤煤工业炉炉窑。它它适用于于冶金、机机械、化化工、建建材等行行业的工工业炉窑窑、加热热炉、热热处理炉炉、干燥燥炉窑、烧烧成窑
28、等等。由于于它方便便地实现现了“以煤代代油”的应用用和清洁洁地取代代粉煤或或块煤燃燃烧,其其用途在在我国相相当广泛泛,前景景看好。(10)水水煤浆技技术为我我国主要要能源煤煤炭的高高效洁净净利用,开开辟了一一条符合合国情、富富有生命命力的出出路,极极大地开开拓了煤煤炭的应应用市场场,为我我国新世世纪经济济持续迅迅速发展展提供了了清洁能能源。预预计我国国水煤浆浆技术市市场将会会迅速发发展,水水煤浆技技术的用用途将会会日益不不断拓宽宽。在当当前及未未来较长长的时期期内,它它是燃煤煤工业锅锅炉及炉炉窑最佳佳的替代代技术及及设备。7结语(1)燃燃煤工业业锅炉SSO2污染防防治的根根本出路路在于应应用洁
29、净净煤技术术,才能能简便、经经济、有有效地控控制SOO2污染。水水煤浆是是洁净煤煤技术中中煤炭经经加工转转换成一一种新型型的洁净净燃料,水水煤浆锅锅炉燃烧烧效率高高,一般般在900%以上上;热效效率高,通通常在880%以以上,与与燃油锅锅炉接近近;SOO2和烟尘尘排放浓浓度低于于国家标标准,SSO2排放浓浓度通常常为7000 mmg/mm3,烟尘尘排放浓浓度一般般为600 mgg/m33,因而而具有经经济效益益和环境境效益双双佳的特特点。(2)对对于国内内现有的的燃油锅锅炉来说说,由于于燃油的的价格逐逐年增加加,蒸汽汽的生产产成本也也逐年增增多,燃燃油锅炉炉的经济济效益逐逐年下滑滑。为此此,国
30、内内不少燃燃油锅炉炉改烧水水煤浆。燃燃油锅炉炉改烧水水煤浆之之后,蒸蒸汽的燃燃料成本本可节约约50%,替代代下来的的重油深深加工可可带来5500元元/t的的二次经经济效益益。经济济效益和和环境效效益双赢赢。燃油油锅炉改改烧水煤煤浆,充充分利用用原有设设备资产产、新增增设备少少,改造造投资省省,建设设时间短短,见效效快。目目前,改改造一台台2200t/hh的燃油油锅炉,需需投资22500030000万万元,建建设期约约1年即即可投运运,与燃燃油相比比,年节节省直接接经济效效益在550000万元以以上,尤尤其是用用户选择择自己生生产水煤煤浆,而而不是外外购水煤煤浆时,其其经济效效益更加加显著。(3
31、)近近几年来来,水煤煤浆技术术已在供供热锅炉炉和热电电厂开始始应用,环环境效益益和经济济效益看看好,预预计在近近几年内内水煤浆浆技术、设设备及市市场将会会有较大大的发展展,燃煤煤工业锅锅炉SOO2污染防防治是可可能的,也也是有望望的。参考文献献1、徐健健,王淑淑萍,“水煤浆浆代油燃燃烧技术术”,20004年中中国石油油和化工工勘察设设计学会会热工设设计专业业委员会会和全国国化工热热工设计计技术中中心站年年会论文文集,25992666;2、于益益民,“水煤浆浆燃烧技技术在锅锅炉改造造中的应应用”,20004年年中国石石油和化化工勘察察设计学学会热工工设计专专业委员员会和全全国化工工热工设设计技术术中心站站年会论论文集,22552588;3、张慧慧明,中中国燃煤煤工业锅锅炉SOO2污染综综合防治治对策,2003年中国环境科学学会年会论文集,长沙,2003;4、张慧慧明,中中国燃煤煤工业锅锅炉SOO2污染及及应用水水煤浆技技术控制制,环境境与发展展,20003,119(33),116221。作者简介介 :张慧明,(19444),男,河河北磁县县人,著著名环境境学家,能能源与环环境学家家,中国国近代SSO2污染控控制工程程奠基人人,终身身研究员员,从事事高等教教育和大大气污染染控制工工程研究究与开发发工作。16