煤粉要与适量的水相混合，既能释放出更多的热量，且还能够更加清洁地燃烧。一些国家甚至宁肯选择这种水 - 煤混合燃料而不用石油。

目前水 - 煤混合燃料的发展状况

固体煤并不是一种有魅力的燃料，若将它变成直径小于250微米的颗粒，然后将类似面粉状的粉与水相混合，那情况就大不一样了。虽然悬浮在某种液体中的煤的粒状燃料的概念并不是什么新东西，但燃烧与水相混合的煤的设想仅仅在五年前才开始刺激人们的兴趣。科学家们目前正在大力研究这种水 - 煤混合物技术，以便使其作为石油的替代物而广为利用。这种燃料将广泛地应用于发电厂、工业锅炉、鼓风炉甚至运输车辆的发动机中。

自1980年以来，全世界的科学试验室已花费了约一亿三千万美元来研究水 - 煤燃料技术。特别是苏联（远在1950年就提出了水 - 煤浆的概念）、美国和瑞典的工业界耗费巨资来研究这一技术；英国煤炭委员会正在委托一项每小时生产1 ~ 2吨水 - 煤浆燃料而用于燃烧试验的计划。1984年瑞典的Svenska Fluidcarbon公司转向每年生产25万吨这种混合燃料的机械化生产阶段。瑞典的许多家医院原来烧油的锅炉已经以此为燃料投入了运行。

虽然目前油比煤便宜，瑞典的能源政策则是尽可能地少烧油。在其他埠方，鉴于石油价格的暴跌，煤已失去其价格优势。但人们认为，这只是暂时的现象。科学家们正在从事更有效地燃烧煤的新方法的研究。当石油价格大幅度回升时，这些研究必将受到应有的报偿。如果要使油的用户断油而烧煤，科学家们必须克服一些燃烧水 - 煤混合物的真实问题。煤的处理比较脏、污染较厉害。在大多数情况下，从地下将煤弄出来比油要困难，煤燃烧时还会留下残渣和灰尘。而用户对煤最讨厌的是不便处理、贮存昂贵及难于有效地燃烧。如果它能变成一种液态燃料，就会有更大吸引力。

水 - 煤混合燃料的成分及制备

这种燃料可能含有40%的水。尽管如此，其中的水仅将该燃料的发热量（30兆焦耳/公斤）减少2 ~3%。这是因为混合物所产生的热量有部分用来使水分蒸发掉。但只有这样，燃烧才能继续进行下去。含有70%的煤、30%的水的这种燃料的热值只比同重量干煤的热值稍小一点。为了克服这点毛病，科学家想法在混合物中增大煤的比重，但必须有足够的水分才能使煤粉粒润滑以便流动。

水 - 煤混合物中煤和水的恰当比例是至关重要的。当煤的比例达到极限时称为临界状态，煤的成分在此极限以上时称为超临界状态。超临界状态就意味着，这种混合物实际上是固体，因其粘性趋于无穷大。

水 - 煤混合燃料的制备过程是这样的：在水式钢球磨煤机内，当滚筒转动时，钢球落在煤上将其砸碎，水从罐内冲洗出微粒到一个滤网上。在此，微粒被分类，任何直径大于250微米的颗粒又重新回到罐内继续被粉碎研磨，小微粒就通过滤筛再进行其他处理，最后进入贮存罐内。据加拿大矿产及能源技术研究中心说，在水 - 煤混合燃料中微粒的平均直径为40微米较合适。颗粒的适当分布将产生含煤高达80%的混合物。如果混合物有更多的煤，就会因粘度过大而无法流动。随着粘性的增大，泵和搅拌器工作所需要的能量必然要增大。显然，要使其流动性能好，必需使其具有最可能小的粘性。试验表明，在含有70%煤粉的混合物中，若多加入1%的水，就能使其粘性减小50%，当然多加水也有减低其热值的副作用。

人们还探索了在煤粉表面使用化学方法，在每个颗粒周围生成一分子层从而使微粒彼此分开；离子层添加剂能给微粒提供类似的电荷；聚合物添加剂能在微粒周围形成环状长分子链从而在微粒之间起到缓冲作用，以使水 - 煤混合物保持良好的流动性。使其保持良好流动性的上述添加剂的确切数量取决于微粒的大小及其表面积。通常情况下，一种水 - 煤混合物所需的添加剂不超过其自身重量的1%就可使其保持流动。因为粘性是研究混合物流动及在燃烧器中雾化的核心问题，因此工业界对添加剂的研究十分保密。混合物粘度的微小降低（以不损害其发热量为限度）将使这种燃料在市场上具有极大的竞争优势。

如果水 - 煤混合物要有任何商业性潜在优势，那其中的微粒一定不能从悬浮状态沉淀下来。Stoke定律说，混合物中微粒的排列方式取决其大小及水的粘性，表面化学添加剂的影响也可能决定排列方式。原则上，高浓度的混合物是稳定的。Svenska Fluidcarbon公司发现，每分钟转一次的叶轮每4小时转10分钟就可使混合物的微粒保持悬浮状态。此外，减轻粘性的添加剂也防止煤粉在贮罐底部形成固体状态。添加剂通过调整将微粒分开的静电力的办法将微粒形成一个网状组织。与此同时，将微粒拉在一起的van der waals力与这些静电力相平衡并将网状组织稳定住。科学家能将液体的粘性调整得比使微粒固定的切力更大，但对粘度的调整足以使泵和搅拌器正常运行为准。

水 - 煤浆混合燃料的净化

在美国已造成能载运含30%煤的泥状物管道线；苏联正在建设长达260公里能载运含煤65 ~ 70%的水 - 煤浆混合物。因此种水 - 煤浆比美国的泥状物的粘性大，所以流动性差，速度较慢。但采用泥状物可能是运送煤较昂贵的方法，其原因是，它具有较低的能量密度，在燃烧前还必需将水分除去。直接来自矿山的干煤具有约250亿焦耳/m³的发热量，水 - 煤浆的发热量为300亿焦耳/m³而石油则为420亿焦耳/m³。

水 - 煤混合物具有超过固体煤的优越性。煤含有5 ~ 16%的矿物（它形成灰尘），灰尘积聚在锅炉的底部，这灰尘在炉内与热管碰撞并侵蚀冷管壁。将煤磨成微粒会释放出大量的坚硬的无机废物。但在日本的研究表明，粉不管多细，其矿物成分含量仍在1 ~ 3%，这大概是因为煤的分子结构抓住了矿物的踪迹的缘故。

煤比它所含的矿物质密度小且易变潮?，这二个差别对称为沉淀和漂浮的二个独立过程来说是重要的。当被磨出的水 - 煤浆流入水箱时，沉淀便开始。由于煤的沉降比矿物质慢，于是二者就分离开来。沉降过程是一个比空气从箱底起泡上升慢得多的过程。气泡在上升过程中抓住了煤粒（有害的矿物质却趋于停留在水中）并将它带到表面。这种离析现象也除去了煤中大量的硫。当硫在燃烧时产生SO₂（它是形成酸雨的重要成分）。煤中2/3的硫是以二硫化铁的形式存在的（FeS₂）。在处理过程中，水冲刷掉90%的FeS₂，煤中所含的S仅剩下0.08%。

在大型锅炉上能否有效地燃烧水 - 煤浆燃料或任何液态燃料取决于燃料与空气混合的充分程度。如果要达到充分燃烧，燃烧器必须使煤和空气大面积地充分接触。大型锅炉产生上述接触是通过将煤粉吹进炉内来实现的；燃油锅炉将油打进雾化器中，雾化器喷出细小的涓滴并旋入空气中。

水 - 煤混合燃料的燃烧过程

不论是液体燃料还是固体燃料的燃烧过程都有三个共同的原则阶段。第一阶段，加热燃料的微粒或雾滴，热量使其中易挥发的化合物蒸发；第二阶段，当燃料达到其燃点温度时，这些易挥发的化合物就燃烧，在煤中这些易挥发的化合物是气态及焦油类化合物，它们构成燃料重量的40%（石油中挥发物占的比重更大）。当固态残渣或炭——微粒中被烧成焦炭的剩余物——燃烧时，燃烧的最后一个阶段便发生。煤中固定炭成分燃烧时要比其挥发分物质用的时间长得多。

正常情况下，固体炭和氧的化学反应率决定固定炭燃烧的速度。火焰中的水蒸气起催化作用而加速炭渣的燃烧；水提供了与炭燃烧时产生的CO发生反应的羟基。结果，较少的CO与O₂发生反应，于是就剩下更多的氧来燃烧炭。

水 - 煤混合物在燃烧之前需要雾化器使其与空气相混合，因为它的燃烧类似于重油而不像粉，在燃烧前，需要加热和使水蒸发的附加阶段，水的蒸发就延迟了燃料挥发物的点火，这就使燃烧效率略有下降。在一些煤中，在燃料涓滴之外层中的焦油在水蒸发时就熔化了，当被引到熔化外壳内部的水蒸发时，便产生“微弱爆炸”，爆炸的结果使微粒膨胀一这就是所谓的“爆玉米花”作用。

燃烧水 - 煤浆燃料的缺点

直到最近，石油价格开始急剧下跌时，工业界才想出燃烧水 - 煤混合物的方法用以替代重油。要将原来的燃油锅炉改造成烧水 - 煤浆燃料，其效率降低20 ~ 30%，原因在于这种燃料的发热量低，并需要采取措施保护炉管。燃用水 - 煤浆燃料，炉管面临二种危险：一是水 - 煤浆的火焰比油火焰放出更多的辐射能，所以安装在燃烧器对面的炉管区域更可能形成热点——此处温度高于平均温度；更重要的是，水 - 煤燃料燃烧时比油产生的灰尘多，灰尘便在锅内形成渣。液态渣并不构成威胁，因为它能流走并落进燃烧室的底部。棘手的是半液态渣，因它能糊住炉管，这就影响了热量的传递而使管子局部过热，严重时会使炉管爆破。

水 - 煤混合物燃烧后比固体煤留下的渣要多，原因是，煤燃烧时其灰尘被同时除去，由于添加剂的作用，水 - 煤混合物燃烧时结渣；由于以离子状态存在的添加剂的作用，碱性金属就被熔化在渣中。当然，水 - 煤燃料燃烧时也产生侵蚀炉管的“飞灰”。但是这种影响到底多大将随着运行的实践而逐步显示出来。

结束语

对水 - 煤浆混合燃料的绝大多数研究工作是基于用它来取代石油的设想。但是，这一技术的实际水平距它那真正的发展潜力相差很远。其中一个问题是，煤的质量变化多端。仅英国生产的煤就达600多种，其他国家的煤种甚至更多。现在是开始研制基本的化学添加剂、锅炉设备及水 - 煤浆混合燃料的燃烧科学的时候了！否则，等到石油价格迅速上升时再着手研究就为时晚矣！

[Scientist，1986年8月28日]