水煤浆在烧碱炉上的应用

水煤浆在烧碱炉上的应用刘建忠周俊虎黄镇宇曹欣玉岑可法(浙江大学热能工程研究所,杭州310027)摘要：介绍了新型低污染煤基液态燃料—水煤浆特性及在烧碱炉上的应用。可在原燃煤或燃油的炉灶上进行简单改造，增加稳燃室和水煤浆卸、储、运等系统，就能满足水煤浆燃烧要求。燃烧效率在97%以上，燃烧温度可灵活调节，系统运行安全可靠，经济效益和环境改善十分明显。关键词：水煤浆烧碱炉燃烧1、前言烧碱蒸煮炉用于蒸煮液碱，即把低浓度液碱，如35%、45%、60%浓度的碱经蒸煮后提高到99%浓度的固体碱。固体烧碱因市场需求旺而又易于储存，近年来各厂纷纷开始生产固碱。受资金和国内材质的影响，加上大锅法工艺简单可靠、产品质量稳定，已成为国内固碱生产的主要手段。大锅法制固碱的炉灶根据燃料可分为燃气炉、燃油炉和燃煤炉。目前烧碱炉一般采用油或燃气作燃料，也有采用较原始的层燃炉方式燃用散煤。采用油或气作燃料，在目前油价如此高的情况下，经济效益很不理想，生产成本非常高，难为绝大多数厂家接受；采用原煤以层燃的方式进行燃烧，其上煤、出渣均为人工操作，工人劳动强度大，且燃烧效率低、煤耗高、对环境污染大。随着人们对环保意识的提高，许多城市已禁止锅炉或窑炉燃煤，因此，寻找一种既经济又环保的烧碱炉代用燃料，固碱生产行业急需解决的重要问题。浙江大学在1981年开始研究煤基液态清洁燃料水煤浆技术，至今已在70余台各类锅炉和窑炉上应用，2000年开始把水煤浆燃烧技术应用到烧碱炉上，已在苏州和新疆等地获得成功。2、水煤浆特点水煤浆是一种新型低污染煤基液态燃料，由66%左右煤粉，34%左右水和0.5%左右的化学添加剂组成，其流动特性类似重油，能象油一样雾化燃烧，是一种理想的代油燃料（约2.1吨水煤浆代1吨油）。水煤浆燃料具有以下优点：(1)它可以象油一样的贮存、输送和雾化燃烧，运行操作和燃油相似，是一种理想的代油和代气燃料，锅(窑)炉改造工作量少。(2)含灰量只有5~7%、含硫量0.5%，如在煤浆中添加脱硫剂，还具有一定的脱硫效果；火焰温度比燃煤炉低100~150度，因此，SO2和NOx排放低，是一种低污染的洁净煤燃料。(3)水煤浆特别适用于厂房无法安装输煤和制粉系统，厂区无煤场和灰场场地的用户，而且既环保又安全。(4)可以实现长距离输送，运量大，可达500~1000万吨/年，运距离可达500~1000公里，投资小，占用土地少，约为铁路1/3，避免煤炭运输中转过程中损耗，并能保证煤质的稳定。(5)水煤浆还可作为一种理想的气化燃料，著名的德士古气化技术就是采用水煤浆技术。2000年7月，经国务院批准，国家经贸委、国家发展计划委员会把水煤浆列入共同签发的《当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录》中，为水煤浆的发展指明了方向。2001年《煤炭工业“十五”发展规划》和《能源节约与资源综合利用“十五”规划》都把水煤浆技术作为发展和结构调整重点，并作为重点发展技术。2003年《国家重点环境保护使用技术项目》把高浓度水煤浆燃料列为重点推广应用项目之一。表1水煤浆技术指标（GB/T18855—2002）技术指标项目Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级浓度C/%66.064.1~66.060.1~64.0粘度*η/mPa•s1200发热量Qnet.cwm/(MJ/kg)19.5018.51~19.5017.00~18.50灰分Acwm/%6.006.00~8.008.01~10.00硫分St.cwm/%0.350.35~0.650.66~0.80软化温度**ST/℃1250℃Pcwm.+0.3mm/%0.030.03~0.100.11~0.50粒度Pd.-0.075mm/%≥75.0挥发分Vdaf/%30.0020.01~30.00≤20.00*：在浆体温度20℃，剪切率100s-1时；**：煤灰熔融性软化温度，适合于固态排渣方式。3、烧碱炉改烧水煤浆技术因水煤浆含有34%左右的水分，着火时需要先蒸发掉这部分水分，使它的着火热比普通煤粉大1.66倍，因此，原炉灶必须采取技术改造，才能适合水煤浆着火和燃烧。图1是一灶二锅烧碱炉改造前的结构，图2是改造后的结构。在原炉体前部增加（改造）一个稳燃室，用耐火和保温材料砌成，稳燃室前墙布置水煤浆燃烧器和喷枪，稳燃室炉底设有出渣口，四周布置若干清渣（灰）口。水煤浆燃烧要采用专用的燃烧器和雾化喷枪，这次改造中在炉前布置一个XR系列双通道水煤浆专用燃烧器和DZ系列撞击式水煤浆雾化喷嘴。点火时先用油（或掺加部分木柴，升温快）把稳燃室内温度烧到约900℃，然后投水煤浆，油/浆拌烧一会就可以撤掉油枪。正常运行时，水煤浆在稳燃室里燃烧，火炬明亮，燃烧温度可在1100-1300℃之间调整，最低温度可在800℃左右。燃烧后的高温烟气与原来路线一样流经锅筒四周进行热量交换，随后进入尾部烟道和烟囱。传热量的控制或燃烧温度的调节可通过投浆量很容易达到，而投浆量的大小通过供浆泵调节，十分方便、灵敏。稳燃室底部的落渣（灰）在人工的辅助下进入灰渣槽排出。经过初步测试，水煤浆在烧碱炉内燃烧效率可达到97%以上，炉渣含碳量在1%以下，煤炭利用率大大提高，同时灰渣总量也远小于燃煤时的总量；因水煤浆燃烧温度低，并且燃料中含硫也较低，SO2和NOx排放一般要比重油和煤低，粉尘排放加除尘设备后能达到环保要求。图1改造前烧碱炉结构图风压缩空气水煤浆看火孔清渣口落渣口清渣口燃烧器图2烧碱炉前部稳燃室改造示意图4、水煤浆系统设计水煤浆系统包括：汽车罐车运输，厂区内卸浆、贮浆、输浆及供浆系统。由汽车运来的水煤浆先经曲杆泵卸至储浆罐，储浆罐要考虑防沉淀，设计搅拌系统，可利用原油罐改造。储浆罐里的水煤浆仍由这台输浆泵把煤浆送至搅拌罐，搅拌罐有搅拌装置，主要起搅拌均匀化作用。然后由两台供浆泵(按设计1台工作，1台备用)把水煤浆经在线过滤器送到燃烧器和喷枪。此外，水煤浆系统中还应考虑水冲洗和压缩空气吹扫系统，在水煤浆长时间停用时进行清除吹扫，保持管路清洁。炉前系统中还包括空压机和压缩系统，用于水煤浆喷嘴雾化和冲扫管路；油系统包括小油箱、油泵和油枪等，用于水煤浆点火。图3水煤浆卸、储、运系统5、实施效益分析水煤浆价格在各地方差别较大，在产煤地区，水煤浆到厂价约300-400元/吨，而在非产煤区，如江南沿海一带，则要500-600元/吨，广东地区甚至要600元/吨以上（自己制备水煤浆除外）。按水煤浆到厂500元/吨，重油按1800元/吨计算，根据测试结果，约2.15吨浆代1吨油，则每代1吨油可节省燃料费725元。每吨固碱耗油量约200-250公斤，则每吨固碱成本可下降145-180元。对年产量10万吨固碱的企业，每年可节约燃料费1450-1800万元。如自己建造制浆厂，则成本可进一步下降，并且制浆厂还可创造利润，解决部分就业问题。此外，据测算1吨重油进一步深加工还可获利400—500元，因此每年节约的重油深加工还可获取大量间接利润。同时锅炉从燃用高硫份的重渣油改为低硫份的水煤浆，可大幅度减少SO2排放，也有明显的社会经济效益。如原炉灶为燃煤设计，且经济效益要根据原炉灶燃烧效率而定，但不管怎样，燃煤改烧水煤浆后，环保效益是十分明显的，可大幅度改善周围环境，减轻工人劳动强度和工伤的几率，提高企业运行的安全性。6、结论水煤浆已在我国二家企业的烧碱炉上得到应用，一家是一灶一锅，燃油，另供浆泵罐车泵储罐搅拌罐过滤器燃烧器空压机油系统雾化燃烧一家是一灶二锅，燃煤。一般只需要在原炉体前部增加（改造）一个稳燃室，用耐火和保温材料砌成就可以，再采用水煤浆专用燃烧器和喷嘴，炉体其他部分不需要改造。此外，在炉前配置水煤浆储存、搅拌、过滤系统，水煤浆供浆泵，柴油点火系统等。使用结果说明了水煤浆能在烧碱炉上应用，燃烧稳定，燃烧效率达到97%以上，远高于燃煤工况；运行操作简单方便，调节灵敏，设备安全可靠。与燃油、燃气比较，燃料成本大幅度下降，而水煤浆卸、储、运，雾化燃烧与油相似；与燃煤比较，燃烧效率大幅度提高，煤耗降低，燃烧污染物排放减少，环境大大改善，工人劳动强度大大降低。水煤浆是我国现阶段烧碱炉理想的清洁备选燃料。参考文献:[1]岑可法等.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，1997[2]游小波，邱卓伟，柳学桂等.万丰热电厂2号燃油锅炉改烧水煤浆工程实例.热能动力工程，2002.7，17(4)：414-417[3]武云甫，田峰，高岩等.我国节能清洁燃料水煤浆推广应用前景分析.节能，2004(8)：11-13[4]黄镇宇翁卫国刘建忠等.4t/h工业锅炉燃用煤泥水煤浆燃烧试验研究.洁净煤技术，1999(增刊)：36-39,50[5]詹隆王柱勇刘珊等.水煤浆技术在中国的应用和发展.洁净煤技术，1999(增刊)：10-12[6]商超兵.水煤浆技术在建筑陶瓷中的应用.江苏陶瓷，2004，37(1)：18-20