水煤浆技术

作者:九州体育 发布时间:2020-07-30 02:15

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  水煤浆是20世纪70年代兴起的煤基液态燃料,可作为炉窑燃料或合成气原料,具有燃烧稳定、污染排放少等优点。

  水煤浆是20世纪70年代兴起的煤基液态燃料,可作为炉窑燃料或合成气原料,具有燃烧稳定、污染排放少等优点。水煤浆是由煤、水和化学添加剂按一定的要求配制成的混合物,具有较好的流动性和稳定性,易于储存,可雾化燃烧,是一种燃烧效率较高和低污染的较廉价的洁净燃料,可代重油缓解石油短缺的能源安全问题。

  水煤浆是由大约65%的煤、34%的水和1%的添加剂通过物理加工得到的一种低污染、高效率、可管道输送的代油煤基流体燃料。它改变了煤的传统燃烧方式,显示出了巨大的环保节能优势。尤其是近几年来,采用废物资源化的技术路线后,研制成功的环保水煤浆,可以在不增加费用的前提下,大大提高了水煤浆的环保效益。在我国丰富煤炭资料的保障下,水煤浆也已成为替代油、气等能源的最基础、最经济的洁净能源。

  水煤浆由65%左右的煤,34%的水及少量化学添加剂制成,是一种浆体燃料,可以像油一样泵送、雾化、贮存和稳定燃烧,其热值相当于燃料油的一半,可代替燃料油用于锅炉、电站、工业炉和窑炉,用于代替煤炭燃用,具有燃烧效益高、负荷调整便利、减少环境污染、改善劳动条件和节省用煤等优点。桂林钢厂以水煤浆代煤粉燃烧,折合标准煤约为90公斤/吨材,节煤33%,烟尘排放由732降至240毫克/m3致癌的NOx含量由280.8降至44毫克/m3,使环境和劳动条件得到明显改善。此外,由于燃烧水煤浆工艺性能好,使钢材的烧损率由1.8%下降至1.5%,企业获得较好的经济效益。所以水煤浆技术不仅可用于代油,用于代煤也有节能和环保效益。

  水煤浆的问世,源于20世纪70年代的世界石油能源危机。当时全世界在石油能源危机的经济大衰退之后,清醒地认识到石油天然气作为清洁能源,并不是取之不尽用之不竭的,丰富的煤炭依然是长期可靠的主要能源。然而,传统的燃煤方式造成严重大气污染的历史教训是不容重现的。于是煤炭液化、汽化和浆化成为先进工业国家普遍重视的研究课题。水煤浆则是煤炭液化的最佳成果,也是煤炭洁净利用最廉价的实用技术。

  水煤浆气化涉及高温、高压、非均相、流动、传递与化学反应等复杂化学物理过程, 难以在实验室中进行工业条件下的过程研究。对此,华东理工大学在化学工程与工艺相关 理论指导下,结合多年研究开发中积累的方法与经验,在对气化过程进行深刻、全面分析基础上,提出了正确把握各种影响因素间关系的层次机理模型。对复杂的气化过程进行合理分解,实现了研究课题的命题转化,开创了一套适用于研究气流床气化过程的科学研究开发方法。即在冷模装置上研究流体流动规律、雾化与混合规律;借鉴工程经验,在计算机上综合迭代的一步转化方法。

  采用国际先进的三维激光多谱勒粒子动态分析仪(DualPDA)和Mafiven测粒仪,在大型冷模装置上研究气流床内流体的速度分布、浓度分布、停留时间分布、雾化粒径及其分布等,分别建立了流动与反应三区模型、速度分布、浓度分布、停留时间分布、雾化粒径及其分布等数学模型,由此形成了系统的气流床水煤浆气化理论与专利技术,为该领域的技术创新奠定了基础。

  中国煤炭资源分布集中在“三西”,即山西、陕西及内蒙西部。有63%的煤炭要从“三西”调出,中国长期存在北煤南运、西煤东调的格局。煤炭的管道运输投资少、建设周期短、营运费低、为全密闭输送,不污染环境。水煤浆经管道输送到终端即可供用户燃用,而且可长期密闭储存。

  水煤浆是固液混合物,柴油是液体,两者的热值和燃烧特性差别很大。对燃柴油装置必须作相应的改造才能形成精细煤浆的代油市场。下面以两种典型的燃油装置为例。

  雾化柴油在气缸内是高压爆燃,压力达15~20MPa。柴油机燃料系统的关键部件是油泵和油喷嘴,两者都是柱塞型的;柱塞与塞套是精密的耦合件。小型农用柴油机是高速柴油机,运转速度达2000 r/min。柱塞高速往复运动,柴油在偶合件表面形成薄膜,起到润滑作用。

  燃用浆体燃料,柴油机的改造有两种途径:另设浆泵和雾化喷嘴,取代原来的油泵和油喷嘴;对原有的油泵和油喷嘴加以改造,使其适用于浆体燃料。农用柴油机是廉价设备,在我国有上千万台,第二种改造途径如果成功,将具有巨大的现实意义。

  居室供暖燃油锅炉的体积很小,设备紧凑,自动化程度高。用精细水煤浆作替代燃料,需要解决三个题。

  (1)提高浆体燃料的燃烧强度。采用常规的 雾化悬浮燃烧方式,煤浆的容积热负荷仅为柴油的1/4~1/5,因此,需要的燃烧室体积为柴油的4~5倍。为保持居室设备的小型化,必须寻求浆体燃料高强度燃烧的技术。

  (2)简化浆体燃料的雾化方式。一般是用压缩空气雾化水煤浆,这就需要浆泵和空压机;这对居室设备显然太复杂。必须寻找简单的浆体燃料雾化方法,以取代浆泵和空压机。

  (3)适应燃浆的温控系统。小型燃油供暖锅炉的运转是靠点火、熄火的方式维持热载体水的温度,达到温控目的。柴油点火是靠电火花,熄火则靠停供燃料。浆体燃料频繁点火、熄火是难以实现的,宜采用调节供浆量的控制策略,达到控温目的。

  水煤浆燃烧比成浆前原煤要困难些。主要是水煤浆含有30%以上的水分。和煤粒同时喷入炉内,需要外来热源帮助干燥,水分未干燥的煤粒是不会着火的。水煤浆的着火热是普通煤粉的1.8倍。普通原煤也含有水,甚至高达15%,褐煤有高达40%,但是它们的水分在研磨过程中被热空气或高温炉烟干燥。如在钢球磨煤、中间粉仓制粉系统中,原煤水分进入磨机系统的乏气中,吹入炉膛的部位已不影响煤粉的着火,而干燥煤粉由热风单独吹入炉膛。而褐煤锅炉煤粉经干燥后的乏气有的经过滤后排空,有的高温乏气和煤粉一起进入炉膛。所以水煤浆要着火,除采用燃烧器的射流卷吸高温烟气的特点外,其着火热的提供方法视锅炉容量、用途不同而有所不同。

  (a) 对小型锅炉,采用绝热碹口和预燃室,依靠高温耐火层对喷入的浆雾热辐射,使水分快速蒸发。

  (b) 对炉窑而言,整个炉窑基本上是由绝热的耐火材料构成,因而水煤浆水份的多少对其着火稳定影响不大。

  (c) 对大型锅炉,则可采用温度250~300℃以上的过热蒸汽作为雾化介质,加速水煤浆中水分的汽化,以及提高热空气温度到350~400℃,并根据挥发份的大小,灰熔点特性,在炉壁上适当布置一些保温卫燃带,增加旋流式燃烧器的耐火层碹口,在国内几个典型的示范机组上,成功的运用了这一技术。

  经过六五、七五期间重点科技攻关,中国的水煤浆技术已经取得突破性的进展,并进入产业化阶段。实践证明,水煤浆在锅炉和窑炉中的燃烧效率可高达95%-98%,而燃用水煤浆的运行成本仅仅占成本的1/3。

  水煤浆已经在国内电站、钢厂、炼化等大中型企业有所应用,但限于实用型燃烧设备的技术没有及时跟进,中小企业对此应用甚少。据介绍,这一难题已基本得到解决。

  据悉,中国现有10万吨以下的锅炉约70万台,而因烟尘排放不符合环保标准和运行效率低下,在国内的燃煤锅炉中,中小型锅炉(35吨以下)占90%以上,中小型燃煤锅炉又是国家环保政策中首先要淘汰的产品,而燃油锅炉由于油的价格昂贵,从而使得广大锅炉用户就为中小型锅炉改造成燃烧水煤浆的锅炉的研制、开发、推广、应用提供了广阔的市场前景。

  我国的水煤浆技术经过多年的研究开发和工业性试验,已形成具有自主知识产权的水煤浆制备技术,在制浆工艺、装备和应用规模方面均已达到国际领先水平。我国水煤浆 制浆厂已建成近20座,总设计能力超过5mt/a。正在建设的还有青岛开源热力公司(50万t/a)、广东南海龙光集团(200万t/a)等。据不完全统计,2003年全国燃烧水煤浆约 200万t,替代燃油100万t,节约燃料费近6亿元。同时拉动了机械制造、添加剂生产以及煤炭相关产业的发展。国家经贸委《节约和替代燃料油“十五”规划》中明确提出了到2005年全国节约和替代燃料油1600万t,以促进能源结构优化。在替代燃料油技术中将以洁净煤技术和天然气为主,而洁净煤技术将主要采用水煤浆作为替代产品。我国2003年进口石油超过900万t,预计2004年将超过1.2亿t,我国的石油对境外的依赖已超过40%,因此发展洁净煤技术对我国的能源安全具有十分重要的意义。

  水煤浆技术的发展水煤浆在不同领域的推广应用为水煤浆制备及燃用提出了许多新的课题,近期水煤浆技术的主要研究领域有以下几个方面:

  单系列50/t以上水煤浆技术装备的研究与开发。我国水煤浆单线万t/a左右,随着水煤浆生产规模的扩大,急需研制大型化水煤浆制备成套技术装备,如广东南海龙光集团正在建设的200万t/a 水煤浆厂,若采用现有单线万t/a的配套设备则需要8条生产线 万t/a水煤浆生产关键技术与设备,具有重要的经济和社会意义。 单线万t/a水煤浆技术装备研究开发的目的在于:

  (1)降低制浆生产的能耗。单线一磨机制浆生产能力由约25万t/a扩大到 50万t/a,制浆生产的综合能耗可以降低10%~20%;

  (2)节省水煤浆厂的建厂投资。在建设相同规模制浆厂情况下,单线倍,可以减少制浆工艺设备台数和厂房面积约50%,从而减少制浆厂的建设投资35%左右;

  (3) 降低制浆生产成本。由于降低了制浆能耗,减少了生产岗位定员和折旧费,制浆生产成本可降低10%以上;

  (4) 为建设年产量200万~500万t乃至更大的大型水煤浆厂打下良好的基础。 国家发展改革委员会2004年“节能和新能源关键技术装备开发专项”[发改办高技 20047753将“单线万t/a水煤浆技术装备的开发”列入研制开发计划;

  (5) 低阶煤制浆及燃烧技术的研究与开发 我国已建成的水煤浆厂大多利用成浆性较好的气煤、1/3焦煤等制浆,一方面在一定程度上与冶金用煤“争口粮”,造成煤炭资源的不合理利用,同时也加大了制浆生产成本。 我国的低阶动力用煤(不包括褐煤)约占我国煤炭总储量的42.4%,而且煤质优良、价格相 对低廉(约为一般炼焦煤种价格的1/3至1/2),但由于其成浆性差(如神木煤)而没能被充分利用。因此开发低阶煤制浆技术不仅可以优化我国煤炭资源的合理利用,扩大水煤浆制浆,原料煤的来源,同时还可有效降低水煤浆的生产成本。开发低阶煤制浆技术在今后的水煤浆技术发展中具有十分重要的战略意义。

  低阶烟煤的主要特点是内在水分高、内孔隙发达及比表露积大、富含极性官能圃及合氧量高、丝质组含量多导致煤的可磨性差等等。这些特性使低阶煤的成浆性难度判别指标D 值往往在7~10%之间,甚至达10以上,即属于较难(如大同煤)或极难成浆性(如多数神木煤)等级。同时低阶煤(如多数神木煤)一般灰熔点较低,给燃烧带来一系列问题,低阶煤水煤浆的燃烧技术也是一个重要研究方向。低阶煤制浆也列入2004年国家发改委“节能和新能源关键技术装备开发专项”的研制 开发计划。2.3大型水煤浆专用锅炉与高效燃烧器的研制与开发, 随着水煤浆应用规模的扩大,水煤浆专用锅炉也向更大吨位发展。如广东南海龙光集团 发电一厂原有2台670蒸吨的燃油锅炉,正将1台改为670蒸盹的水煤浆锅炉,这是国内最大的水煤浆锅炉。随着水煤浆技术的发展将会需要更大规模的水煤浆专用锅炉。大型水煤浆专用锅炉与高效燃烧器的研制与开发是水煤浆一个重要的研究方向。2.4中小燃煤、燃油锅炉改烧水煤浆中小燃油锅炉改烧水煤浆,约2.2t水煤浆可代替1t燃料油,每代替1t油可为用户节省燃料费1/3-1/2;以水煤浆代油有广阔的前景。

  水煤浆代替煤燃烧,具有显著的节能效益。中小燃煤锅炉改为烧水煤浆可以节煤约1/3。 水煤浆代煤还具有较好的环境效益。据统计,我国中小燃煤锅炉多达49万多台,随着我国治理燃煤污染的力度加大,水煤浆代煤也会有很好的推广应用前景。

  由兖矿集团有限公司、华东理工大学共同承担的“十五”国家高技术研究发展计划(863计划)重大课题“新型水煤浆气化技术”,在山东鲁南建设多喷嘴对置式水煤浆气化技术工业装置及配套工程,利用两台日处理1150吨煤多喷嘴对置式水煤浆气化炉(4.0MPa)配套生产24万吨甲醇、联产71.8MW发电。多喷嘴对置式水煤浆气化技术含煤浆制备工序、多喷嘴对置式水煤浆气化和煤气初步净化工序、含渣水处理工序,技术特点是:多喷嘴对置式气流床气化炉、预膜式长寿命高效气化喷嘴、交叉流式洗涤水分布器、复合床高温煤气冷却洗涤设备、分级净化的煤气初步净化工艺、蒸发分离直接换热式含渣水处理及热回收工艺,已获一系列发明专利和实用新型专利,是具有完全自主知识产权的煤气化技术。

  建于兖矿国泰化工有限公司的多喷嘴对置式水煤浆气化技术工业装置于2003年8月2日破土动工,建设工期23个月零19天。在兖矿集团有限公司领导和相关部门领导的大力支持下,经过全体技术开发人员和工程建设、操作人员的共同努力、顽强拼搏,多喷嘴对置式水煤浆气化技术工业装置于2005年7月21日11:26一次投料成功,一次打通整个工艺流程,在完成80小时连续、稳定运行后,于2005年7月25日8:00计划停车。80小时连续运行过程中,不存在任何工艺原因引起的系统故障,运行异常平稳,合成气按计划顺利地并入后续的变换、净化系统。多喷嘴对置式水煤浆气化技术自动化程度高,全部采用集散控制系统(DCS)控制,特别是氧煤比完全可以投自动串级控制。工业运行证实,该装置具有开车方便、操作灵活、投煤负荷增减自如的特点,操作的方便程度优于引进水煤浆气化装置。多喷嘴对置式水煤浆气化技术已被工程实践证实完全可行,工艺指标也极为先进,对初步的运行结果统计表明:有效气CO+H2≥82%,碳转化率≥98%。通过工业化规模的气化炉的示范运行,我国在水煤浆气流床气化技术方面将达国际先进水平,拥有自主知识产权的大型煤气化技术。

  中国矿物能源以煤为主,到2010年,一次能源消费结构中煤占60%左右。大力发展洁煤技术,高效清洁地利用中国煤炭资源,对于促进能源与环境协调发展,满足国民经济快速稳定发展需要,具有极其重要的战略意义。

  煤气化作为洁净煤技术的重要组成部分,具有龙头地位。它将廉价的煤炭转化成为清洁煤气,既可用于生产化工产品,如合成氨甲醇、二甲醚等,还可用于煤的直接与间接液化、联合循环发电(IGCC)和以煤气化为基础的多联产等领域。

  迄今为止,世界上已经商业化的IGCC大型电站,均采用气流床技术,最具有代表性的是以干煤粉为原料的Shell气化技术和以水煤浆为原料的 气化技术。Shell气化技术即将被引进中国建于洞庭,显现其碳转化率高,冷煤气效率高的优势。相比之下,水煤浆气化技术在中国引进得早,实践时间长,研究开发工作也做得更深入。

  经过实践探索,中国在水煤浆气化技术方面,积累了丰富的操作、运行、管理与制造经验,气化技术日趋成熟与完善。经过长期科技攻关,在水煤浆气化领域,形成完整的气化理论体系,研究开发出拥有自主知识产权,达到国际领先水平的水煤浆气化技术。

  段清兵. 中国水煤浆技术应用现状与发展前景[J]. 煤炭科学技术, 2015, 43(1):129-133.

  龚欣, 于遵宏. 水煤浆气化技术在中国的应用及其进展[J]. 节能与环保, 2001(5):21-23.


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