我国水煤浆燃料制备技术的展望

我国水煤浆燃料制备技术的展望

赵龙

关键词：水煤浆煤炭燃料技术

一、水煤浆在我国能源中的地位

我国是石油的输入国。据预测，到2020年我国石油的自给率只能达到50%。发展以煤代油，减少对进口油的依赖，对我国的能源安全有重要意义。

以煤代油的途径有：改烧煤或水煤浆，煤炭气化与液化。烧煤会增加对环境的污染，水煤浆属物理加工，投资省、成本低、对环境污染少，是取代燃料油的一条重要途径。水煤浆的洁净煤特性表现在四个方面：（1）煤炭是散装堆放，贮运中所损失的3%—5%煤炭会造成对环境的污染。水煤炭的制备、贮运过程为全封闭，既减少损失又不污染环境。（2）与燃煤和燃油相比，水煤浆可显著减少NOX的排放。因为它的火焰温度比烧煤粉还低150ºC左右，可实现低NOX燃烧。水煤浆燃烧产生的水蒸气有还原作用，可使部分NOX还原成N2。白扬河电厂燃用水煤浆，NOX排放浓度为495.1mg/dm3。（3）用洗精煤（硫分<0.6%）制的浆，相同热值排放的SO2排放3500t。在水煤浆中还可很方便地加入脱硫剂，脱硫效率达50%。白扬河燃用水煤浆，未加脱硫剂时SO2排放浓度为627.4mg/dm3,1999年8月在水煤浆中添加3%—5%的石灰乳，使SO2排放浓度进一步降低到255.37mg/dm3。（4）燃用水煤浆产生的烟尘比燃油高，但采用常规的除尘技术即可达到环保要求。

现有油炉改烧水煤浆与改烧煤粉何者为优，目前看法上尚有分歧。对于大量中小燃油锅炉及炉窑，单独建煤粉制备系统与烟气脱硫系统合不合算，煤粉又不便集中制备与分散贮运，此类锅炉与煤窑改烧水煤浆更为可取。至于大型电厂，则应具体分析再作取舍。国家对燃煤污染的治理力度加大，许多大中城市禁止工业与民用锅炉烧煤，要求改烧气或油，很多单位难以承受，急于寻找价廉的替代燃料。全国中、小型锅炉有近49万台之多，水煤浆在这方面也有很大的市场。

二、水煤浆的质量特征与涉及的科学技术

水煤浆分供德斯古炉造气用水煤浆原料与高浓度水煤浆燃料两种。德斯古炉造气用水煤浆，由于造气时需要水蒸气，其中的煤与水都是必需的原料，所以它对含煤浓度不要求、也不能太高，粒度也可以比较粗，上限可达1500um。此外，气化炉与制浆车间相邻，无需远距输送与长期贮存，对煤浆的稳定性要求也不高。所以制备技术也相对简单一些。作为燃料用的水煤浆则不一然，因为它是一种燃料，所以应具备下列性质：（1）为利用燃烧，水煤浆的含煤浓度要高，用水要少，因为水分会造成热损失。通常水煤浆中含有30%左右的水。水的汽化潜热不到2520J/kg，燃烧1kg水煤浆水分造成的热损失不到756J，约占水煤浆热值的4%，正是依靠这点，使水煤炭从传统的固体燃料转化为一种流体燃料。（2）为便于泵送和雾化，粘度要低，并具有良好的流变特征。通常要求流动时表现粘度要低，存放时粘度要高，即具有剪切变稀的流变特性。（3）为防止在贮、运过程中产生沉淀，应有良好的稳定性。一般要求能静置存放一个月不产生不可恢复的硬沉淀。（4）为提高煤炭的燃烧效率，其中煤粒应达到一定的细度。一般要求粒度上限为300um，其中小于200网目（74um）的含量不少于75%。

使水煤浆能满足其中单项性能并不难，但要同时满足各项要求就会遇到许多困难，因为有些性能间是相互制约的。例如，要使水煤浆中含煤浓度高，就不能多用水；水少了，又会引起粘度高，流动性差；要流动性好，粘度就应低，但粘度低又会使稳定性变差。所以它的制备技术难度难度大，涉及煤化学、颗粒学、胶体与有机化学及流变等多学科技术。高浓度水煤浆的制备技术，在20世纪80年代初期只有瑞典和美国掌握，并严加保密。

要做出符合上述性能要求的高浓度水煤浆，单用细煤粉与水单独地混合起来是无法实现的，还必须采取一些特殊的技术措施，主要有：（1）要使煤与水能混合为一体，至少必须使煤粒能全部为水所浸没。通常情况下，煤粉中颗粒间往往存有较多的空隙，水首先要将这些空隙充满才可浸没全部煤粒，所以耗水量大，难以做成高浓度水煤浆。为了提高制浆浓度，必需使煤的粒度分布具有较高的堆积效率，即颗粒间空隙要少。使空隙最少的技术称“级配”，是制浆的关键技术之一。其中涉及两项技术，首先是要能判定什么样的粒度分布才具有较高的堆积效率；更重要的是如何根据给定的煤炭性质与颗粒组成，合理选择磨碎设备与制浆工艺，使产品能达到具有较高堆积效率的粒度分布。这些问题涉及到颗粒学与粉体技术。（2）煤炭的主体是有机质，它是结构十分复杂的大分子碳氢化合物。这些有机质的表面具有强烈的疏水性，不易为水所润湿。细煤粉又具有极大的比表面，在水中很容易自发地彼此聚结，这就使煤粒与水不能密切结合成为一种浆体，在较高浓度时只会形成一种湿的泥团。所以制浆中必需加入少量的化学添加剂，通常称为分散剂，以改变煤粒的表面性质，使煤粒表面紧紧地为添加剂分子和水化膜包围，让煤粒均匀地分散在水中，防止煤粒聚结，并提高水煤浆的流动性。由于各地煤炭的性质千差万别，适用的添加剂会因煤而异，不会一成不变。这里涉及煤结构、有机化学与胶体表面化学。（3）水煤浆毕竟是一种固、液两相粗分散体系，煤粒又很容易自发地彼此聚接。在重力或其他外加质量力作用下，很容易发生沉淀。为防止发生硬沉淀，必需加入少量的化学添加剂，通常称为稳定剂。稳定剂有两种作用，一方面使水煤浆具有剪切变稀的流变特性，即当静置存放时水煤浆有较高的粘度，开始流动后粘度又可迅速降下来；另一方面好是使沉淀物具有松软的结构，防止产生不可恢复的硬沉淀。这里涉及煤结构、流变学、有机化学与胶体表面化学。（4）从以上可以看出，煤炭的制浆效果与煤炭本身的理化性质有着密切关系，制浆用原料的性质直接影响到水煤浆的质量与生产成本。

参考文献：

[1]王敦曾.选煤新技术的研究与应用.北京：煤炭工业出版社1999

[2]曹征彦.中国洁净煤技术.北京：中国物资出版社，1998