摘要：面對全國性霧霾天氣和越來越嚴(yán)重的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展問題，尋找一種兼具節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的能源或技術(shù)，是目前中國發(fā)展最為迫切的任務(wù)。水煤漿技術(shù)是一項深度潔凈煤技術(shù)，能夠大大的提高煤炭的燃盡率和熱效率，是解決我國能源問題的戰(zhàn)略選擇。
關(guān)鍵詞：造紙行業(yè) 水煤漿燃燒機(jī)理 節(jié)能減排
前言
今年以來我國中東部地區(qū)出現(xiàn)長時間、大范圍、重污染霧霾天氣，覆蓋了1/4的國土，影響了6億人口的生活及身心健康，已經(jīng)引起中央高層的極大關(guān)注和重視。從黨中央到最高行政機(jī)關(guān)、最高立法機(jī)關(guān)、最高司法機(jī)關(guān)連續(xù)發(fā)出了環(huán)境保護(hù)和生態(tài)文明建設(shè)的最強(qiáng)呼聲，明確傳達(dá)了中央治理環(huán)境污染的決心。從近期國務(wù)院部署的大氣污染防治十條措施（國發(fā)[2013]37號《大氣污染防治行動計劃》）中第一條“減少污染排放”的第一點“全面整治燃煤小鍋爐”、第二點“加快重點行業(yè)脫硫脫硝除塵改造”可以看出，燃煤是造成霧霾天氣的罪魁禍?zhǔn)?，整治燃煤小鍋爐已經(jīng)成為治理環(huán)境大氣污染的重中之重。
一、發(fā)展水煤漿技術(shù)是解決燃煤污染問題的戰(zhàn)略選擇
上世紀(jì)70年代末，國際上爆發(fā)了石油危機(jī)，這使得世界各國都在尋找一種代替石油的節(jié)能環(huán)保新能源，水煤漿應(yīng)運而生。中國是一個富煤、少氣、貧油的國家，水煤漿的應(yīng)用和發(fā)展對于中國的煤炭利用有著其特殊意義。自1983年5月攻關(guān)研制出了第一批水煤漿并試燃燒成功之后，我國的水煤漿制備技術(shù)和燃料技術(shù)發(fā)展很快，并達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。
水煤漿是由大約65%的煤、34%的水和1%的添加劑通過一定的工藝加工后得到的一種低污染、高效率、可管道輸送的代油煤基流體燃料。它改變了煤的傳統(tǒng)儲存、運輸和燃燒方式，顯示出了巨大的環(huán)保優(yōu)勢。
同時，由于水煤漿技術(shù)將傳統(tǒng)的固態(tài)燃煤方式變成了液態(tài)霧化燃燒方式，大大的提高了煤炭的燃盡率，提高了鍋爐的熱效率，水煤漿鍋爐熱效率可達(dá)86%以上，燃盡率高達(dá)98%以上。因此，水煤漿技術(shù)是一項深度潔凈煤技術(shù)，對于煤炭資源豐富的我國，水煤漿技術(shù)的發(fā)展能夠在******程度上提高燃煤效率，降低燃煤污染，有條件成為最基礎(chǔ)、最經(jīng)濟(jì)的潔凈能源。
二、水煤漿鍋爐燃燒機(jī)理研究
水煤漿燃燒機(jī)理介于燃油及煤粉，除兩者特長兼而有之外，又有其自身的特點。各國專家經(jīng)過多年的研究，目前比較認(rèn)同的是日本學(xué)者的《水煤漿火炬燃燒物理模型》。該模型也得到我國水煤漿專家岑可法院士和徐通模教授的推薦，對水煤漿技術(shù)的推廣和應(yīng)用有一定的使用價值。其模型展示的水煤漿燃燒過程為：
霧化——漿滴結(jié)團(tuán)干燥——揮發(fā)分著火燃燒——焦炭燃燒——飛灰形成——燃燒完成
（一）水煤漿霧化階段
表1 霧滴顆粒組成
滴徑 um | 統(tǒng)計滴數(shù) | 大顆粒煤粉粒子數(shù) | 總煤粒數(shù) | 平均粒數(shù) | |||
10-30 | 30-40 | 40-50 | ≥80 | 粒/滴 | |||
48 | 5 | 4 |
| 282 | 56 | ||
64 | 3 | 4 | 2 |
|
| 193 | 64 |
80 | 4 | 6 | 1 |
|
| 259 | 65 |
96 | 7 | 2 | 7 | 3 | 1 | 678 | 97 |
112 | 5 | 5 | 1 |
| 2 | 556 | 111 |
128 | 5 | 5 | 1 |
| 2 | 581 | 116 |
1、霧滴滴徑從48μm到128μm分為6個級別，每個級別統(tǒng)計3-7個漿滴。從平均煤顆粒數(shù)可知，48μm粒徑漿滴平均會有煤顆粒56粒，64μm級平均含煤顆粒64粒，而超過100μm顆粒粒數(shù)超過100顆。
2、大顆粒的煤顆粒形成大的漿滴，而64μm以下的漿滴中大顆粒很少，這就預(yù)示要想獲得細(xì)小霧滴，除了在霧化空氣做文章外，制漿過程中應(yīng)盡量避免粗顆粒煤粒的出現(xiàn)，這有利于霧化細(xì)漿滴的形成。
（二）漿滴結(jié)團(tuán)干燥階段
表2 水煤漿滴與煤顆粒干燥情況對比表
| 水煤漿 | 煤粒 |
1 | 漿滴水分蒸發(fā)多顆煤粒凝結(jié)結(jié)團(tuán) | 不結(jié)團(tuán) |
2 | 水分蒸發(fā)后干漿滴團(tuán)形成大量孔隙 | 孔隙很少 |
3 | 水分蒸發(fā)時間較長，為47%和58% | 較短 |
4 | 火炬燃燒也存在上述現(xiàn)象 | 火炬燃燒也無結(jié)團(tuán)和增孔 |
（三）揮發(fā)分析出及著火燃燒階段
表3 水煤漿與煤顆粒著火特征對比表
| 水煤漿 | 煤粒 |
1 | 漿滴著火時間長，當(dāng)濃度30%或40%時著火熱之比分別為1.66和1.87倍 | 煤粒著火時間短 |
2 | 水煤漿著火溫度低 200℃，對降低NOx有利 | 著火溫度高， NOx高 |
3 | 理論燃燒溫度低200-250℃ | 理論溫度高 |
4 | 燃燒后煙氣溫度低100-200℃，有利除塵 | 煙氣溫度高，布袋除塵困難 |
（四）焦炭燃盡階段
表4 水煤漿與煤顆粒焦炭燃盡階段特征對比表
| 水煤漿 | 煤粒 |
1 | 結(jié)團(tuán)膨脹粒徑大，孔隙多，比表面積大，內(nèi)部阻力小，內(nèi)外部同時燃燒，燃燒時間短 | 外表燃燒為主，燃燒速度慢，孔隙少，內(nèi)部擴(kuò)散燃燒難，燃燒時間長 |
2 | 漿滴發(fā)生爆裂，增加燃燒比表面積，燃燒速度加快 | 比較面積小，燃燒困難，燃盡率低 |
3 | 水蒸氣擴(kuò)散到碳粒表面與碳發(fā)生氣化反應(yīng)，生成CO，與氧反應(yīng)，由多相反應(yīng)變成單相反應(yīng)，起到催化作用 | 無催化作用 |
（五）飛灰的形成特性
①霧化粒徑與飛灰粒徑呈正比關(guān)系，燃盡后的飛灰粒徑仍大于或接近煤顆粒，說明結(jié)團(tuán)膨脹起到增粗效果，有利于除塵。
②霧化粒徑反比于燃盡率，細(xì)的霧滴有利于燃盡率的提高。
三、水煤漿技術(shù)的戰(zhàn)略優(yōu)勢
（一）飛灰粒度分布
表6 水煤漿飛灰與煤粉飛灰粒徑分布對比表
粒徑 um | <1 | ≤15 | <30 | <45 | <60 | <75 | <90 | >90 |
水煤漿% | 0.11 | 17.43 | 17.05 | 12.75 | 10.16 | 7.49 | 6.71 | 28.3 |
煤粉 % | 0.31 | 42.55 | 23.95 | 11.74 | 8.36 | 8.2 | 0.34 | 5.46 |
分析：①水煤漿飛灰小于1μm的顆粒占0.11%，僅為煤粉的1/3，PM2.5污染明顯低于煤粉
②飛灰15um以下的較難脫除顆粒，水煤漿飛灰占17.54%，而煤粉飛灰占42.86%，是水煤漿飛灰的2.5倍。
③飛灰30μm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。
對比表說明，水煤漿飛灰PM2.5含量少于煤粉，而易脫除的粗顆粒多于煤粉，水煤漿減排煙塵效果十分明顯。
（二）水煤漿煙氣濕度的優(yōu)越性
實踐證明，煙氣增濕可以使粉塵電阻降低到適合電除塵器有效工作數(shù)值。為此目前很多電廠以加噴蒸汽的手段來提高電除塵效率，而水煤漿30%以上的水分，對電除塵有很大優(yōu)勢。
電除塵器工作的電阻一般為108-1011Ωcm，在這個數(shù)值以外，電除塵器性能都會下降。水煤漿由于水分的存在，比電阻在1011Ωcm以下，不是高比電阻粉塵，用常規(guī)電除塵法可以實現(xiàn)收集。而煤粉飛灰的比電阻在1010-1013Ωcm,比水煤漿飛灰高1-2個數(shù)量級，電除塵效率要低于水煤漿飛灰。
表7 水煤漿灰樣與煤粉灰樣的比電阻實測值
溫度℃ | 常溫 | 35 | 55 | 75 | 95 | 115 | 135 | 155 | 175 | 195 | 215 |
水煤漿 | 2.0 | 2.5 | 5.5 | 2.1 | 6.0 | 8.5 | 4.2 | 9.0 | 7.5 | 8.7 | 4.5 |
煤粉 | 1.0 | 7.0 | 3.0 | 5.4 | 8.7 | 4.5 | 3.6 | 6.5 | 4.1 | 1.8 | 8.8 |
（二）水煤漿低NOx生成和SO2爐內(nèi)減排
1、低NOx生成：
煤炭燃燒NOx生成有兩種型式：燃料型和熱力型。
燃料型取決于燃料中的N量，約占NOx生成量的75%-90%。當(dāng)空氣量不足時，NOx生成量可降低50%-70%。水煤漿過?？諝獾陀趯尤紶t，所以水煤漿燃料型NOx，要優(yōu)于層燃爐。
熱力型NOx和爐內(nèi)燃燒溫度有關(guān)，一般粉煤爐、層燃爐在1350℃以上。而水煤漿燃燒溫度比粉煤爐低100℃-200℃，爐內(nèi)溫度一般不超過1200℃。水煤漿鍋爐熱力型NOx基本不會生成可以忽略不計，因此，對燃煤鍋爐最難處理的NOx污染物來講，水煤漿技術(shù)具有獨特的先天性優(yōu)勢。
氮氧化物不僅是一次污染物而且還是二次污染物PM2.5的前體物，在污染治理上NOx比SO2更難治理，工藝復(fù)雜，運行成本也高，已是我國大氣污染治理的一大難題。我們深信，水煤漿鍋爐定將在氮氧化物減排中作出******貢獻(xiàn)。
2、SO2爐內(nèi)減排：
水煤漿制備過程要添加一定數(shù)量的堿性添加劑，這些堿性物質(zhì)在燃燒中與SO2發(fā)生中和反應(yīng)生成硅酸鹽沉淀，另外對較高的含硫煤還可容易地在制備過程中添加脫硫劑而成為脫硫型環(huán)保水煤漿。
（三）水煤漿鍋爐熱啟動和停運對比優(yōu)勢
表8是日本姬路電站33MW（180t/h鍋爐）水煤漿鍋爐燃油、粉煤、水煤漿三種燃料的對比試驗。
序號 | 內(nèi)容 | 燃油 | 粉煤 | 水煤漿 |
1 | 從點火到滿負(fù)荷所需時間 min | 129 | 155 | 134 |
2 | 油拌燒時間 min | --- | 155 | 60 |
3 | 啟動過程耗油量 t/n | 1 | 0.7 | 0.3 |
4 | 鍋爐負(fù)荷提升速率 %/min | 3.1 | 1.5 | 2.3 |
5 | 以滿負(fù)荷到停止運行時間 min | 22 | 47 | 25 |
6 | 鍋爐負(fù)荷撤降速率 %/min | 3-4.5 | 1.9 | 3.4 |
表中證明：
1、水煤漿鍋爐點火及停爐時間與燃油接近，遠(yuǎn)比粉煤時間短。
2、水煤漿鍋爐拌油時間和耗油量減少一半以上。
實踐證明水煤漿工業(yè)鍋爐與電站鍋爐相同，點火、停爐及油拌燃燒時間都優(yōu)于粉煤鍋爐。這些結(jié)果也得到國內(nèi)大量試驗的證明。
（四）水煤漿技術(shù)的一系列重要戰(zhàn)略意義
1、水煤漿技術(shù)讓貧油富煤的中國尋找到一個最現(xiàn)實最可行的煤代油氣途徑。
2、水煤漿技術(shù)解決了提高煤炭高效利用問題。
3、水煤漿技術(shù)解決煤炭生產(chǎn)加工中粉煤利用和處理的難題，促進(jìn)了中國潔凈煤技術(shù)的全面發(fā)展。
4、水煤漿應(yīng)用范圍很廣，可適用于電站鍋爐、工業(yè)鍋爐和工業(yè)窯爐不同的燃燒方式，并服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)的各種不同的行業(yè)。
5、水煤漿還是理想的氣化原料，不僅氣化率高，且極大的擴(kuò)大了氣化原料煤品種，在化工行業(yè)起到了革命性的變化。
6、水煤漿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，具有替代天然氣的作用。
7、解決煤炭應(yīng)用的安全問題，在生產(chǎn)、運輸、儲存和燃用中不自燃不爆炸。
8、水煤漿濕法封閉生產(chǎn)運輸，解決煤炭運輸環(huán)節(jié)中的損耗問題。
9、如水資源不存在問題，水煤漿管道運輸是煤的長途運輸?shù)淖罱?jīng)濟(jì)手段。
10、解決煤炭的高污染問題，不僅解決SO2和NOx高污染問題，還是減排PM2.5的重要手段。
四、水煤漿鍋爐是減排PM2.5的重要手段
水煤漿鍋爐的******優(yōu)勢是減排PM2.5，這可以從下述水煤漿鍋爐燃燒前后的工藝流程及效果的剖析過程得到證實。
水煤漿鍋爐減排PM2.5工藝流程及效果
選 | 濕 | 水 煤 漿 懸 浮 燃 燒 | 除塵 | 水蒸氣裹塵外排 | |||||
霧化 加熱 | 漿滴 結(jié)團(tuán) | 爆裂 燃燒 | 多孔 膨脹 | 燃盡 排渣 | 除 塵 | 脫 硫 | |||
（一）選煤提質(zhì)
從源頭上減少燃煤煙氣中的灰分和二氧化硫等污染物的手段是煤炭的洗選。
洗煤可以去除50%~80%的灰分和40%~50%的硫分。
降低原煤灰分不僅減少煙氣含塵量，還能提高燃燒效率。
每入選1億噸原煤，可以減少燃燒排放二氧化硫150萬噸，而選煤的脫硫成本僅只有煙氣脫硫的1/2。
國外入選率都較高，美國55%，德國95%，英國75%，澳大利亞75%，加拿大60%，而我國1980年18.4%，1985年16.4%，1990年17.7%，1995年15.6%，2000年31.7%，2005年32.0%，要趕上國際先進(jìn)水平還有很長的路要走。
發(fā)展選煤是用好我國豐富煤炭資源的基本策略和解決燃煤污染的根本途徑。水煤漿技術(shù)率先較全面的應(yīng)用著選煤產(chǎn)品和優(yōu)質(zhì)煤炭，所以一般水煤漿灰分<10%，硫分<0.8%，這為節(jié)能減排提供了先決條件。
（二）濕磨制漿
濕法磨礦無粉塵污染，封閉輸送節(jié)約損耗，生產(chǎn)、運輸及燃用便捷安全。
（三）水煤漿懸浮霧化燃燒
水煤漿燃燒因有29~35%的水份，燃燒溫度低，可實現(xiàn)低氮氧化物燃燒，火焰射流及煙氣速度較高，鍋爐的自清能力較強(qiáng)，爐壁污染系數(shù)較低，有利于熱效率的提高。
（四）漿滴結(jié)團(tuán)
霧化漿滴包含多顆煤粒，干燥后會結(jié)團(tuán)，呈群粒燃燒，點火和燃燒溫度較低，更重要的是結(jié)團(tuán)燃燒灰顆粒較粗，產(chǎn)生的PM2.5顆粒極少。
（五）爆裂燃燒
結(jié)團(tuán)顆粒不像煤塊那么緊密，在溫度升高后團(tuán)粒硬殼在內(nèi)部壓力下會產(chǎn)生爆裂，表面積增大，有利于完全燃燒。由于爆裂后的顆粒是不規(guī)則形狀，有利于過濾除塵。
（六）多孔膨脹
升溫后的團(tuán)粒內(nèi)部揮發(fā)分析出后形成大量孔隙，氧氣充分進(jìn)入，燃燒充分。也由于孔隙增加，使顆粒膨脹，有利于形成多面接觸氧氣而完全燃燒。膨脹后的團(tuán)粒有利于燃盡后形成大的灰粒，使除塵更容易。
（七）水煤漿鍋爐的布袋除塵
上述充分燃燒的全過程使得水煤漿的燃盡率可達(dá)到98%以上。
由于灰顆粒較粗，爐內(nèi)排渣量可占灰分的20%~25%，比粉煤爐高一倍，減少除塵壓力。
由于水分存在，排煙溫度不超過150℃，有利于布袋除塵。
（八）水煤漿鍋爐的電除塵
因煙氣中水蒸汽較多，飛灰的比電阻較粉煤灰低1~2個數(shù)量級，有利于靜電除塵除灰，加之飛灰粒徑較粉煤灰粗，電除塵效率較粉煤好。
（九）水煤漿飛灰脫硫
由于原料含硫量的減少，且水煤漿添加劑多為堿性物質(zhì)，在燃燒過程中有一定脫硫效果，加之采用噴淋堿液脫硫，一般SO2排放可低于100mg/m3的較好水平。
（十）水蒸氣裹塵外排
經(jīng)過爐內(nèi)集渣和爐外除塵，排煙氣流中的飛灰已經(jīng)很少，只占總灰量的0.5~1.0%，這些少量飛灰夾雜在大量水蒸氣中被水分包裹起來外排，形成較大的霧滴可以降落在地面，使其無法在大氣中形成有害的PM2.5顆粒。
通過上述十個相互疊加的燃燒工藝過程，最終實現(xiàn)水煤漿鍋爐******限度減排PM2.5污染的目標(biāo)。
五、水煤漿鍋爐代油代煤實踐經(jīng)濟(jì)效益分析
（一）代油效益
以廈門鎢業(yè)兩臺6噸水煤漿鍋爐替代兩臺10噸燃油鍋爐的實例分析：
原10噸燃油鍋爐，平均月供汽量3300蒸噸/月，年總供汽量3.96萬蒸噸。
現(xiàn)6噸水煤漿鍋爐，平均月供汽量5500蒸噸/月，年總供汽量6.6萬蒸噸。
原燃油鍋爐噸蒸汽耗油平均是74公斤/噸蒸汽，以3800元/噸燃料價格計算，每噸蒸汽燃料費用為281.2元。
水煤漿鍋爐噸蒸汽耗漿量為175公斤，水煤漿價格按照950元/噸計算，噸蒸汽燃料費用為166.25元，另外水煤漿鍋爐比燃油鍋爐增加30元/噸的運行費用，總計水煤漿鍋爐噸蒸汽價格比燃油鍋爐低84.95元。全年節(jié)約費用6.6萬噸×84.95元/噸=560.67萬元，改造水煤漿鍋爐費用為500萬元，一年即可收回投資。
（二）水煤漿代煤效益
國內(nèi)最早開展水煤漿研究和推廣應(yīng)用的中國礦業(yè)大學(xué)，多年前對山東省三家煤礦中小燃煤鍋爐改燒水煤漿進(jìn)行了調(diào)查研究，研究結(jié)果顯示三家企業(yè)燃煤鍋爐改燒水煤漿后，節(jié)煤效果十分明顯，達(dá)到40%左右。雖然水煤漿燃料費與電耗比燃煤高，但維修費用和人工費用比燃煤低，總費用水煤漿仍低于燃煤。
證明水煤漿在經(jīng)濟(jì)效益上與燃煤基本相當(dāng)，而代煤不僅解決了環(huán)境污染問題，還節(jié)約了煤炭，起到很好地節(jié)能減排的效果。
結(jié)束語
我們從水煤漿的燃燒機(jī)理研究到水煤漿技術(shù)在造紙行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗等多方面多角度剖析了水煤漿技術(shù)在當(dāng)前治理大氣污染的環(huán)境效益和社會效益，可以歸納出如下幾點體會：
其一，實踐證明，經(jīng)過三十年發(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廉價易得，并具備節(jié)能、減排SO2，NOx和灰塵污染防治等優(yōu)勢，而具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
其二，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汽裹塵外排的特性是一種*********的高效低污染燃燒方式，尤其是在解決當(dāng)前PM2.5污染上值得大力推廣和應(yīng)用。
其三，水煤漿中的水雖然在燃燒中會損失少量的汽化潛熱，但它能簡便的利用物理方法使固體燃料煤炭變成使用方便高效環(huán)保的液體燃料，使煤炭真正做到潔凈高效利用，水是功不可沒的。社會上的那些否定水的功勞和水煤漿技術(shù)觀點是站不住腳的，狂言水煤漿鍋爐熱效率比“鏈條爐大約低5-7%”更是天大的謊言。
其四、黑液水煤漿在造紙行業(yè)的推廣應(yīng)用，可在確保環(huán)境污染的前提下，發(fā)展中小造紙業(yè)，對中國非木漿造紙業(yè)的發(fā)展前景是可觀的。
其五、隨著水煤漿技術(shù)的發(fā)展和社會各方面的需求，加之中國富煤缺油少氣的能源稟賦特點，以及水煤漿環(huán)境友好的特性，水煤漿已從一般的代燃料油、代氣、代煤的替代燃料到超低灰替代柴油方向發(fā)展。同時水煤漿技術(shù)從解決自身節(jié)能環(huán)保問題，轉(zhuǎn)到解決社會其他行業(yè)的污染治理難題。目前水煤漿已形成包括：普通水煤漿、低揮發(fā)分水煤漿、低階水煤漿、氣化水煤漿、生物質(zhì)水煤漿等組成了一個水煤漿大家族。我們堅信水煤漿大家族將逐漸充當(dāng)中國能源結(jié)構(gòu)改革的生力軍作用。
最后，讓我們聆聽江澤民前主席的那句話：“中國的燃料在相當(dāng)長的時期要依靠煤炭，要把水煤漿作為一個戰(zhàn)略問題來考慮，這是一項十分重要的工作?！边@是18年前針對水煤漿是煤代油燃料的戰(zhàn)略選擇而言的。于今，霧霾將包括水煤漿在內(nèi)的潔凈煤技術(shù)推到了前臺。在治理大氣污染中，治霾應(yīng)從燃燒源抓起，因此我們也可以說：水煤漿技術(shù)是治理PM2.5時代的戰(zhàn)略選擇。
參考文獻(xiàn)
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（5） 傅維鑣等《含水燃料的燃燒》高等教育出版社
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作者簡介：李顯俊（1938年出生），原國家水煤漿技術(shù)委員會委員，從事煤炭加工技術(shù)研究50年，主要成果是低揮發(fā)份水煤漿燃燒技術(shù)、黑液水煤漿技術(shù)以及工業(yè)鍋爐，工業(yè)窯爐的水煤漿改造。
