水煤浆燃烧器结构设计

水煤浆燃烧器的结构设计摘要我国拥有丰富的煤矿资源，研究燃烧效率高的燃烧器不仅能带来巨大的经济、环保效率，还能为节约能源做出贡献。

本为在充分了解水煤浆的特性及目前已有的燃烧器的基础上，创新设计出一种新型的叶片型CWS—Ⅱ水煤浆旋流燃烧器，与别的燃烧器相比，具有使用寿命长、结构简单、启动速度快等一系列优点。

关键词：叶片型燃烧器、撞击式雾化喷嘴、氮硅基陶瓷、二次风气流前言我国矿物能源以煤为主，大力发展洁煤技术，高效清洁地利用煤炭资源，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。

本文以高效清洁地利用煤炭资源为出发点，通过改进已有燃烧器的喷嘴结构、材料的使用等，创新出一种较之以往燃烧器使用寿命更长、燃烧效率更高、启动速度更快等一系列有点。

第一节水煤浆1.1水煤浆的概述1.1.1水煤浆的定义水煤浆以煤炭（由70％左右的煤炭，30％左右的水和少量药剂混合制备而成的液体）为主要材料，可然部分，以水（30—40）为辅材料，载体，助燃、经过专用设备和工艺的研磨、细化，达到一定的粒度级配，充分均匀混合，在化学添加剂（1—3%）的作用下保证均匀、稳定、流动的悬浮液体[1]。

1.1.2 我国水煤浆的发展历程中国的水煤浆技术研究始于1982年。

1983年1月，“水煤浆制备与燃烧技术”被列为国家“六五”科技攻关项目[2]，同年5月，“大同水煤浆”研制成功，并首次在实验室试烧成功，1984年8月，在北京造纸一厂20t/h工业锅炉代油燃烧成功，同时建成抚顺胜利矿、枣庄八一矿30kt/a简易制浆生产线。

“七五”期间，扩大了水煤浆工业应用的试烧规模和范围，制浆方面，建成了抚顺胜利矿70kt/a和枣庄八一矿50kt/a2个制浆厂。

随后在北京造纸一厂60t/h，北京印染厂20t/h燃油工业锅炉及轧钢加热炉、锻造加热炉、隧道窑等工业窑炉上改烧水煤浆获得成功，建立了一批示范应用点。

“八五”期间，针对大型电站锅炉燃用水煤浆及与之配套的大型制浆厂建设，进行国家“八五”科技攻关和工程建设，建成了北京和兖日2个250kt/a水煤浆厂，枣庄八一矿250kt/a水煤浆厂1996年底建成，改造了白杨河电厂3号230t/h锅炉，并于1995年12月进行连续72h试运行，燃烧稳定“九五”期间，开发出了35t/h水煤浆专用锅炉，完成了白杨河电厂1号锅炉的改造，成为集水煤浆制浆、燃烧为一体的系统示范基地，进行了北京造纸一厂燃烧器改造和厂区水煤浆系统改造。

2001年7月大同汇海30万t/a的制浆厂一期工程已竣工投产，拟向燕山石化和广东地区供浆。

目前，胜利油田50万t/a的制浆厂正在运转，大同汇海100万t/a的制浆厂已经扩建，广东南海电厂200万t/a 的制浆厂正在试运行。

1.1.3水煤浆的生产意义煤浆是一种新型煤基流体洁净环保燃料，发展和应用水煤浆既具有实意义，又具有战略意义。

1.替代部分燃料油，弥补石油资源的相对不足我国油气资源相对贫乏，人均石油资源量和人均产油量仅为世界平均水平的18%和21%，石油供需矛盾日益突出[3]，从行业看，主要集中在电力系统、石油石化系统、建材行业等。

水煤浆的应用对象主要是发电锅炉、热电联供锅炉、工业锅炉、油田的采暖炉、热采炉和陶瓷热风炉等。

从地区上看，广东省燃料油消耗约占全国燃油总量的1/3。

水煤浆的应用，不仅给燃油企业带来明显的经济效益，同时可以节约外汇、节省石油资源，对我国节约和替代石油资源、优化和改善能源结构，将起到积极的作用。

2. 代替散煤燃烧，降低污染、改善环境目前我国水煤浆应用，除代油外还有利于环保。

我国煤炭约85%用于直接燃烧，煤炭占终端能源消费的33.8%[4]。

能源终端利用效率仅为32%左右，比先进国家低10%左右。

我国现有的50万台工业锅炉中，＜10t/h的占80%，＜4t/h的占43%，平均锅炉运行效率为60%～65% 。

燃煤引起酸雨覆盖区已超过国土总面积的30%。

将水煤浆用于中小型层燃锅炉，替代直接烧散煤，既可以取消城市煤场，减少散煤运输造成的损失和粉尘污染，又可提高燃烧效率10%～15%，降低污染物排放。

1.2水煤浆的特点水煤浆是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[5]。

同时水煤浆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，其主要特点如下。

1.2.1环保特点水煤浆做为清洁燃料，其清洁性主要表现在制浆时剔除部分有害物质和燃料充分等方面。

同煤炭直接燃烧相比，具有明显的环境效益，●一是水煤浆由于经过精加工，其硫、灰分含量低，所以原料较煤炭更加清洁，●二是燃烧方式更为科学．燃烧率高，热效率高，节约燃料，减少了污染物质的排放，所以燃烧过程符合清洁生产要求；●三是水煤浆密封存放，占地面积少，没有煤、灰场的二次污染[6]。

1.2.2 经济特点●价格相对低廉：水煤浆和混合煤气发生炉煤气的可比价格相当，均远低于其他燃料；●制备成本较低：当供热功率较大时，水煤浆投资费用相对较低。

同时人工费用在锅炉台数较多时相对成本也较低[7]。

1.2.3 燃烧特点水煤浆的燃烧过程[8]一般先通过雾化器将水煤浆雾化成细小的浆滴，一个浆滴通常包括若干细小的煤粉颗粒，进入炉膛后，浆滴受热蒸发，将煤粉颗粒暴露在炉膛内，然后发生与煤粉炉内煤粒类似的燃烧过程，直到燃尽。

从总体来看，在雾化器喷口处，水煤浆呈雾炬形燃烧，如图1—1所示。

图1—1 水煤浆的雾炬形燃烧水煤浆经雾化以后高速喷入炉膛，在喷口处形成雾炬。

雾炬在高温烟气对流及辐射作用下，迅速升温，并开始水分蒸发，其中的煤粉颗粒发生结团。

当浆滴温度升高到300－400℃时[9]，其中的挥发分开始析出并率先着火，形成火焰；此后进入强烈燃烧阶段，同时焦炭开始燃烧，直至彻底燃尽。

对比煤粉炉内煤粉的燃烧，水煤浆燃烧主要有以下特点：●水煤浆着火前需要多余的热量蒸发水分，同时水煤浆雾炬的入口速度相当高，是普通煤粉炉一次风的近10倍，所以水分蒸发的很快，但仍存在0.5－1m的脱火距离。

●水分蒸发会浪费部分热值（3－4%）,但燃烧特性要优于普通煤粉燃烧。

其表面积和微孔容积都要比煤粉颗粒大，有利于挥发分的析出，提高焦炭的燃烧速度。

●水煤浆的燃烧火焰稳定，但燃烧火焰温度低；同时由于水分的存在，使得其火焰温度平均比煤粉火焰低100－200℃。

●水煤浆具有与煤粉一样的燃尽水平和燃烧效率。

即使在较低的火焰温度下，其燃烧速度也要比煤粉高，其燃烧效率与煤粉燃烧相当，对于大型水煤浆锅炉可以稳定达到99%以上。

在影响水煤浆燃烧过程的各个因素中，影响最大也是其雾化特性和特殊的配风要求。

雾化效果越好，其浆滴粒径越小，越容易着火，还能提高燃烧效率。

如表1—1所示，可见雾化器（雾化喷嘴）是水煤浆燃烧中最为重要的设备。

1.3水煤浆的制备1.3.1水煤浆的质量要求水煤浆是大约70%的煤炭，30%左右的水及少量添加剂调制而成的浆体。

由于它是一种燃料，所以必须具备某些便于燃烧、使用的性质。

主要有：●为利于燃烧，水煤浆的含煤浓度要高。

通常要求在62%-70%。

●为便于泵送和雾化，粘度要低。

通常要求在100S-1剪切率及常温下，表观粘度不高于1000-1200mPas。

●为防止在贮、运过程中产生沉淀，应有良好的稳定性。

一般要求能静置存放一个月不产生不可恢复的硬沉淀。

●为提高煤炭的燃烧效率，其中煤粒应达到一定的细度。

一般要求粒度上限为300μm 的含量不少于75%。

1.3.2水煤浆的技术要求和试验方法煤种不同，制浆的难易程度有很大的差异[10]。

煤阶越低，内在水分越高，煤中氧碳比越高，亲水官能团越多，空隙愈发达，可磨性指数值越小，煤中所含可溶性高价金属离子越多，煤的制浆难度就越大。

水煤浆中煤炭颗粒不但要有良好的粒度分布，而且希望其中不同大小的煤粒能够相互填充，尽可能地减少煤粒间的空隙，达到较高的堆积效率。

空隙少就可以减少水的消耗，容易制成高浓度的水煤浆。

水煤浆技术要求和试验方法1.3.3制浆工艺与设备在给定原煤的粒度特性与可磨性条件下，如何使水煤浆最终产品的粒度分布能达到较高的“堆积效率”就取决于所选用的磨矿设备、磨矿设备运行工况及制浆工艺流程。

磨矿是水煤浆制备过程中的关键环节, 与其他工业中磨矿不同的是 , 不但要求产品达到一定的细度 , 更重要的是产品应有较好的粒度分布[11]。

这一点在选择磨矿设备、磨机结构、磨机运行工况及磨矿流程时都必须充分注意。

磨矿可用干法 , 亦可用湿法。

但干法磨矿制浆存在许多缺点 , 所以主张采用湿法。

原则上各种类型的磨机都可用于制浆 , 但就湿法磨矿而言 , 主要是球（棒）磨、振动磨与搅拌磨。

这 3 种磨机所适应的原料粒度与产品细度各不相同 ,最常用的是球磨。

1.3.4水煤浆的制浆工艺生活中制浆工艺多种多样，但基本环节大多相同[12]，目前应用比较成熟且普遍应用的主要制浆技术有干法制浆和干法，湿法联合制浆[13]。

a.干法制浆图 1—2干法制浆工艺不足之处：1、对一般的干法磨机，要求入料煤的水分小于5%，洗精煤的水分都比较高，难以满足该要求。

电厂有热风分级和干燥；2、能耗比湿法磨高，在同样的细度下，干法磨机的能耗比湿法磨机约高30%；3、干法磨矿的安全和环境不如湿法磨矿；4、粒度分布不如湿法磨，堆积效率较低，干法磨煤颗粒表面氧化较快，影响制浆效果。

b.干法、湿法联合制浆图 1—3 干法、湿法联合制浆工艺该流程是在干法制浆工艺的基础上，分出一部分干法粉碎的物料再用湿法进一步粉碎，其特点是与干法相比，可以获得更好的粒度分布，即获得更好的级配。

但该流程仍是以干法磨煤为主，干法制浆的不足之处依然存在。

1.4水煤浆的应用水煤浆作为一种液体燃料，具有石油一样的流动性和稳定性，可以像油一样泵送、雾化，储存和稳定燃烧，燃烧效率高达98%以上，且负荷调节范围大，并具有节能、污染排放低、储存运输方便等特点[14]。

可广泛应用于工业锅炉、电站锅炉、工业窑炉等作为燃料代煤，代油、代气燃烧，其应用范围可涉及宾馆、医院学校、工矿企业、电厂、集中供热站等需要燃料的各行各业。

1.5水煤浆的储运水煤浆是流态物质，必须用专用设施储存。

为保证一定时间内的储存安全，要求水煤浆有足够的稳定性。

根据储存时间的不同，要求浆体的稳定性也不一样。

1.5.1水煤浆的稳定性水煤浆是固液混合物，由于固体密度比水大，不容易保持均质状态，固体下沉使浆体发生固液分离。

通常要求在储存中不产生难以通过搅拌及其他形式的扰动使水煤浆重新均匀化的“硬沉淀”，这种性能称为水煤浆的稳定性。