摘要：面对全国性雾霾天气和越来越严重的环境与经济发展问题，寻找一种兼具节能、环保、经济的能源或技术，是目前中国发展最为迫切的任务。水煤浆技术是一项深度洁净煤技术，能够大大的提高煤炭的燃尽率和热效率，是解决我国能源问题的战略选择。

关键词：造纸行业  水煤浆燃烧机理 节能减排 

前言

         今年以来我国中东部地区出现长时间、大范围、重污染雾霾天气，覆盖了1/4的国土，影响了6亿人口的生活及身心健康，已经引起中央高层的极大关注和重视。从党中央到最高行政机关、最高立法机关、最高司法机关连续发出了环境保护和生态文明建设的最强呼声，明确传达了中央治理环境污染的决心。从近期国务院部署的大气污染防治十条措施（国发[2013]37号《大气污染防治行动计划》）中第一条“减少污染排放”的第一点“全面整治燃煤小锅炉”、第二点“加快重点行业脱硫脱硝除尘改造”可以看出，燃煤是造成雾霾天气的罪魁祸首，整治燃煤小锅炉已经成为治理环境大气污染的重中之重。

一、发展水煤浆技术是解决燃煤污染问题的战略选择

       上世纪70年代末，国际上爆发了石油危机，这使得世界各国都在寻找一种代替石油的节能环保新能源，水煤浆应运而生。中国是一个富煤、少气、贫油的国家，水煤浆的应用和发展对于中国的煤炭利用有着其特殊意义。自1983年5月攻关研制出了第一批水煤浆并试燃烧成功之后，我国的水煤浆制备技术和燃料技术发展很快，并达到了国际领先水平。

        水煤浆是由大约65%的煤、34%的水和1%的添加剂通过一定的工艺加工后得到的一种低污染、高效率、可管道输送的代油煤基流体燃料。它改变了煤的传统储存、运输和燃烧方式，显示出了巨大的环保优势。

       同时，由于水煤浆技术将传统的固态燃煤方式变成了液态雾化燃烧方式，大大的提高了煤炭的燃尽率，提高了锅炉的热效率，水煤浆锅炉热效率可达86%以上，燃尽率高达98%以上。因此，水煤浆技术是一项深度洁净煤技术，对于煤炭资源丰富的我国，水煤浆技术的发展能够在******程度上提高燃煤效率，降低燃煤污染，有条件成为最基础、最经济的洁净能源。

二、水煤浆锅炉燃烧机理研究

       水煤浆燃烧机理介于燃油及煤粉，除两者特长兼而有之外，又有其自身的特点。各国专家经过多年的研究，目前比较认同的是日本学者的《水煤浆火炬燃烧物理模型》。该模型也得到我国水煤浆专家岑可法院士和徐通模教授的推荐，对水煤浆技术的推广和应用有一定的使用价值。其模型展示的水煤浆燃烧过程为：

雾化——浆滴结团干燥——挥发分着火燃烧——焦炭燃烧——飞灰形成——燃烧完成

（一）水煤浆雾化阶段

表1 雾滴颗粒组成

1、雾滴滴径从48μm到128μm分为6个级别，每个级别统计3-7个浆滴。从平均煤颗粒数可知，48μm粒径浆滴平均会有煤颗粒56粒，64μm级平均含煤颗粒64粒，而超过100μm颗粒粒数超过100颗。

2、大颗粒的煤颗粒形成大的浆滴，而64μm以下的浆滴中大颗粒很少，这就预示要想获得细小雾滴，除了在雾化空气做文章外，制浆过程中应尽量避免粗颗粒煤粒的出现，这有利于雾化细浆滴的形成。

（二）浆滴结团干燥阶段

            表2 水煤浆滴与煤颗粒干燥情况对比表

（三）挥发分析出及着火燃烧阶段

                  表3 水煤浆与煤颗粒着火特征对比表

	水煤浆	煤粒
1	浆滴着火时间长，当浓度30%或40%时着火热之比分别为1.66和1.87倍	煤粒着火时间短
2	水煤浆着火温度低 200℃，对降低NOx有利	着火温度高， NOx高
3	理论燃烧温度低200-250℃	理论温度高
4	燃烧后烟气温度低100-200℃，有利除尘	烟气温度高，布袋除尘困难

（四）焦炭燃尽阶段 

                       表4 水煤浆与煤颗粒焦炭燃尽阶段特征对比表

	水煤浆	煤粒
1	结团膨胀粒径大，孔隙多，比表面积大，内部阻力小，内外部同时燃烧，燃烧时间短	外表燃烧为主，燃烧速度慢，孔隙少，内部扩散燃烧难，燃烧时间长
2	浆滴发生爆裂，增加燃烧比表面积，燃烧速度加快	比较面积小，燃烧困难，燃尽率低
3	水蒸气扩散到碳粒表面与碳发生气化反应，生成CO，与氧反应，由多相反应变成单相反应，起到催化作用	无催化作用

  

（五）飞灰的形成特性

  ①雾化粒径与飞灰粒径呈正比关系，燃尽后的飞灰粒径仍大于或接近煤颗粒，说明结团膨胀起到增粗效果，有利于除尘。

②雾化粒径反比于燃尽率，细的雾滴有利于燃尽率的提高。

三、水煤浆技术的战略优势

（一）飞灰粒度分布

表6 水煤浆飞灰与煤粉飞灰粒径分布对比表

分析：①水煤浆飞灰小于1μm的颗粒占0.11%，仅为煤粉的1/3，PM_2.5污染明显低于煤粉

②飞灰15um以下的较难脱除颗粒，水煤浆飞灰占17.54%，而煤粉飞灰占42.86%，是水煤浆飞灰的2.5倍。

③飞灰30μm以上的较容易脱除颗粒，水煤浆飞灰占65.41%，而煤粉为33.19%，仅为水煤浆飞灰的一半。

对比表说明，水煤浆飞灰PM_2.5含量少于煤粉，而易脱除的粗颗粒多于煤粉，水煤浆减排烟尘效果十分明显。

（二）水煤浆烟气湿度的优越性

        实践证明，烟气增湿可以使粉尘电阻降低到适合电除尘器有效工作数值。为此目前很多电厂以加喷蒸汽的手段来提高电除尘效率，而水煤浆30%以上的水分，对电除尘有很大优势。

        电除尘器工作的电阻一般为10⁸-10¹¹Ωcm，在这个数值以外，电除尘器性能都会下降。水煤浆由于水分的存在，比电阻在10¹¹Ωcm以下，不是高比电阻粉尘，用常规电除尘法可以实现收集。而煤粉飞灰的比电阻在10¹⁰-10¹³Ωcm,比水煤浆飞灰高1-2个数量级，电除尘效率要低于水煤浆飞灰。

表7 水煤浆灰样与煤粉灰样的比电阻实测值

（二）水煤浆低NOx生成和SO2炉内减排

1、低NOx生成：

       煤炭燃烧NOx生成有两种型式：燃料型和热力型。

       燃料型取决于燃料中的N量，约占NOx生成量的75%-90%。当空气量不足时，NOx生成量可降低50%-70%。水煤浆过剩空气低于层燃炉，所以水煤浆燃料型NOx，要优于层燃炉。

        热力型NOx和炉内燃烧温度有关，一般粉煤炉、层燃炉在1350℃以上。而水煤浆燃烧温度比粉煤炉低100℃-200℃，炉内温度一般不超过1200℃。水煤浆锅炉热力型NOx基本不会生成可以忽略不计，因此，对燃煤锅炉最难处理的NOx污染物来讲，水煤浆技术具有独特的先天性优势。

       氮氧化物不仅是一次污染物而且还是二次污染物PM2.5的前体物，在污染治理上NOx比SO2更难治理，工艺复杂，运行成本也高，已是我国大气污染治理的一大难题。我们深信，水煤浆锅炉定将在氮氧化物减排中作出******贡献。

    2、SO2炉内减排：

     水煤浆制备过程要添加一定数量的碱性添加剂，这些碱性物质在燃烧中与SO2发生中和反应生成硅酸盐沉淀，另外对较高的含硫煤还可容易地在制备过程中添加脱硫剂而成为脱硫型环保水煤浆。

（三）水煤浆锅炉热启动和停运对比优势

表8是日本姬路电站33MW（180t/h锅炉）水煤浆锅炉燃油、粉煤、水煤浆三种燃料的对比试验。

表中证明：

      1、水煤浆锅炉点火及停炉时间与燃油接近，远比粉煤时间短。

      2、水煤浆锅炉拌油时间和耗油量减少一半以上。

 实践证明水煤浆工业锅炉与电站锅炉相同，点火、停炉及油拌燃烧时间都优于粉煤锅炉。这些结果也得到国内大量试验的证明。

（四）水煤浆技术的一系列重要战略意义

   1、水煤浆技术让贫油富煤的中国寻找到一个最现实最可行的煤代油气途径。

    2、水煤浆技术解决了提高煤炭高效利用问题。

    3、水煤浆技术解决煤炭生产加工中粉煤利用和处理的难题，促进了中国洁净煤技术的全面发展。

    4、水煤浆应用范围很广，可适用于电站锅炉、工业锅炉和工业窑炉不同的燃烧方式，并服务于国民经济的各种不同的行业。

    5、水煤浆还是理想的气化原料，不仅气化率高，且极大的扩大了气化原料煤品种，在化工行业起到了革命性的变化。

    6、水煤浆可以成为今后中国分布式能源结构的理想经济燃料，具有替代天然气的作用。

    7、解决煤炭应用的安全问题，在生产、运输、储存和燃用中不自燃不爆炸。

    8、水煤浆湿法封闭生产运输，解决煤炭运输环节中的损耗问题。

    9、如水资源不存在问题，水煤浆管道运输是煤的长途运输的最经济手段。

    10、解决煤炭的高污染问题，不仅解决SO2和NOx高污染问题，还是减排PM2.5的重要手段。

四、水煤浆锅炉是减排PM_2.5的重要手段

        水煤浆锅炉的******优势是减排PM_2.5，这可以从下述水煤浆锅炉燃烧前后的工艺流程及效果的剖析过程得到证实。

水煤浆锅炉减排PM_2.5工艺流程及效果

（一）选煤提质

       从源头上减少燃煤烟气中的灰分和二氧化硫等污染物的手段是煤炭的洗选。

       洗煤可以去除50%~80%的灰分和40%~50%的硫分。

       降低原煤灰分不仅减少烟气含尘量，还能提高燃烧效率。

       每入选1亿吨原煤，可以减少燃烧排放二氧化硫150万吨，而选煤的脱硫成本仅只有烟气脱硫的1/2。

       国外入选率都较高，美国55%，德国95%，英国75%，澳大利亚75%，加拿大60%，而我国1980年18.4%，1985年16.4%，1990年17.7%，1995年15.6%，2000年31.7%，2005年32.0%，要赶上国际先进水平还有很长的路要走。

       发展选煤是用好我国丰富煤炭资源的基本策略和解决燃煤污染的根本途径。水煤浆技术率先较全面的应用着选煤产品和优质煤炭，所以一般水煤浆灰分<10%，硫分<0.8%，这为节能减排提供了先决条件。

（二）湿磨制浆

       湿法磨矿无粉尘污染，封闭输送节约损耗，生产、运输及燃用便捷安全。

（三）水煤浆悬浮雾化燃烧

       水煤浆燃烧因有29~35%的水份，燃烧温度低，可实现低氮氧化物燃烧，火焰射流及烟气速度较高，锅炉的自清能力较强，炉壁污染系数较低，有利于热效率的提高。

（四）浆滴结团

      雾化浆滴包含多颗煤粒，干燥后会结团，呈群粒燃烧，点火和燃烧温度较低，更重要的是结团燃烧灰颗粒较粗，产生的PM_2.5颗粒极少。

（五）爆裂燃烧

       结团颗粒不像煤块那么紧密，在温度升高后团粒硬壳在内部压力下会产生爆裂，表面积增大，有利于完全燃烧。由于爆裂后的颗粒是不规则形状，有利于过滤除尘。

（六）多孔膨胀

       升温后的团粒内部挥发分析出后形成大量孔隙，氧气充分进入，燃烧充分。也由于孔隙增加，使颗粒膨胀，有利于形成多面接触氧气而完全燃烧。膨胀后的团粒有利于燃尽后形成大的灰粒，使除尘更容易。

（七）水煤浆锅炉的布袋除尘

      上述充分燃烧的全过程使得水煤浆的燃尽率可达到98%以上。

      由于灰颗粒较粗，炉内排渣量可占灰分的20%~25%，比粉煤炉高一倍，减少除尘压力。

      由于水分存在，排烟温度不超过150℃，有利于布袋除尘。

（八）水煤浆锅炉的电除尘

       因烟气中水蒸汽较多，飞灰的比电阻较粉煤灰低1~2个数量级，有利于静电除尘除灰，加之飞灰粒径较粉煤灰粗，电除尘效率较粉煤好。

（九）水煤浆飞灰脱硫

      由于原料含硫量的减少，且水煤浆添加剂多为碱性物质，在燃烧过程中有一定脱硫效果，加之采用喷淋碱液脱硫，一般SO₂排放可低于100mg/m³的较好水平。

（十）水蒸气裹尘外排

       经过炉内集渣和炉外除尘，排烟气流中的飞灰已经很少，只占总灰量的0.5~1.0%，这些少量飞灰夹杂在大量水蒸气中被水分包裹起来外排，形成较大的雾滴可以降落在地面，使其无法在大气中形成有害的PM_2.5颗粒。

       通过上述十个相互叠加的燃烧工艺过程，最终实现水煤浆锅炉******限度减排PM_2.5污染的目标。

五、水煤浆锅炉代油代煤实践经济效益分析

（一）代油效益

       以厦门钨业两台6吨水煤浆锅炉替代两台10吨燃油锅炉的实例分析：

       原10吨燃油锅炉，平均月供汽量3300蒸吨/月，年总供汽量3.96万蒸吨。

       现6吨水煤浆锅炉，平均月供汽量5500蒸吨/月，年总供汽量6.6万蒸吨。

       原燃油锅炉吨蒸汽耗油平均是74公斤/吨蒸汽，以3800元/吨燃料价格计算，每吨蒸汽燃料费用为281.2元。

       水煤浆锅炉吨蒸汽耗浆量为175公斤，水煤浆价格按照950元/吨计算，吨蒸汽燃料费用为166.25元，另外水煤浆锅炉比燃油锅炉增加30元/吨的运行费用，总计水煤浆锅炉吨蒸汽价格比燃油锅炉低84.95元。全年节约费用6.6万吨×84.95元/吨=560.67万元，改造水煤浆锅炉费用为500万元，一年即可收回投资。

（二）水煤浆代煤效益

         国内最早开展水煤浆研究和推广应用的中国矿业大学，多年前对山东省三家煤矿中小燃煤锅炉改烧水煤浆进行了调查研究，研究结果显示三家企业燃煤锅炉改烧水煤浆后，节煤效果十分明显，达到40%左右。虽然水煤浆燃料费与电耗比燃煤高，但维修费用和人工费用比燃煤低，总费用水煤浆仍低于燃煤。

       证明水煤浆在经济效益上与燃煤基本相当，而代煤不仅解决了环境污染问题，还节约了煤炭，起到很好地节能减排的效果。

结束语

        我们从水煤浆的燃烧机理研究到水煤浆技术在造纸行业的应用经验等多方面多角度剖析了水煤浆技术在当前治理大气污染的环境效益和社会效益，可以归纳出如下几点体会：   

其一，实践证明，经过三十年发展的水煤浆技术，在燃烧领域没有任何一种燃料和燃烧方式可以像水煤浆一样廉价易得，并具备节能、减排SO2，NOx和灰尘污染防治等优势，而具有显著的经济效益和社会效益。   

其二，水煤浆燃烧中浆滴结团、爆裂、多孔群粒燃烧及最终水蒸汽裹尘外排的特性是一种*********的高效低污染燃烧方式，尤其是在解决当前PM2.5污染上值得大力推广和应用。   

其三，水煤浆中的水虽然在燃烧中会损失少量的汽化潜热，但它能简便的利用物理方法使固体燃料煤炭变成使用方便高效环保的液体燃料，使煤炭真正做到洁净高效利用，水是功不可没的。社会上的那些否定水的功劳和水煤浆技术观点是站不住脚的，狂言水煤浆锅炉热效率比“链条炉大约低5-7%”更是天大的谎言。   

其四、黑液水煤浆在造纸行业的推广应用，可在确保环境污染的前提下，发展中小造纸业，对中国非木浆造纸业的发展前景是可观的。   

其五、随着水煤浆技术的发展和社会各方面的需求，加之中国富煤缺油少气的能源禀赋特点，以及水煤浆环境友好的特性，水煤浆已从一般的代燃料油、代气、代煤的替代燃料到超低灰替代柴油方向发展。同时水煤浆技术从解决自身节能环保问题，转到解决社会其他行业的污染治理难题。目前水煤浆已形成包括：普通水煤浆、低挥发分水煤浆、低阶水煤浆、气化水煤浆、生物质水煤浆等组成了一个水煤浆大家族。我们坚信水煤浆大家族将逐渐充当中国能源结构改革的生力军作用。

       最后，让我们聆听江泽民前主席的那句话：“中国的燃料在相当长的时期要依靠煤炭，要把水煤浆作为一个战略问题来考虑，这是一项十分重要的工作。”这是18年前针对水煤浆是煤代油燃料的战略选择而言的。于今，雾霾将包括水煤浆在内的洁净煤技术推到了前台。在治理大气污染中，治霾应从燃烧源抓起，因此我们也可以说：水煤浆技术是治理PM2.5时代的战略选择。

参考文献

（1）   岑可法.姚强.曹欣玉等《煤浆燃烧、流动、传热和气化的理论与应用技术》 浙江大学出版社

（2）   林宗虎.徐通模《实用锅炉手册》化学工业出版社

（3）   何国锋.詹隆.王燕芳《水煤浆技术发展与应用》 化学工业出版社

（4）   徐志强《高浓度水煤浆制备技术》中国矿业大学

（5）   傅维镳等《含水燃料的燃烧》高等教育出版社

（6）   广东省特种设备协会《锅炉节能减排知识问题》华南理工大学出版社

作者简介：李显俊（1938年出生），原国家水煤浆技术委员会委员，从事煤炭加工技术研究50年，主要成果是低挥发份水煤浆燃烧技术、黑液水煤浆技术以及工业锅炉，工业窑炉的水煤浆改造。