煤粉低塵燃燒技術

煤粉低塵燃燒技術是一種適用於工業窯爐的新型潔淨燃煤技術。它採用端面旋流進風、流場外層定向給粉、自熱式氣冷結構、切向出渣口和分級燃燒等措施，使其性能較傳統的液排渣旋風燃燒器提高了一大步。其結構緊湊、火焰潔淨、燃燒穩定、燃燒效率高。煤粉低塵燃燒器可向工業窯爐提供含塵量極低的潔淨火焰，可用於燃油工業窯爐進行以煤代油改造以及對老式燃煤工業窯爐進行技術改造，是一種套用前景廣闊的潔淨燃煤技術。

基本介紹

• 中文名：煤粉低塵燃燒技術
• 外文名：Low coal dust combustion technology
• 類型：技術
• 特點：改善流場，提高捕渣率
• 地位：一種套用前景廣闊的潔淨燃煤技術
• 學科：熱力工程學

簡介

煤粉燃燒火焰與燃油火焰在實用中的最大差別在於煤粉火焰中含有大量的灰渣，這些灰渣會污染被加熱的產品和環境，堵塞窯爐。煤粉低塵燃燒技術正是為克服這一缺點而發展出來的新型燃煤技術。這項技術是使煤粉在一個圓柱形的燃燒室中進行高熱強度的半氣化旋風燃燒，煤中的灰渣在旋轉流場的作用下被燃燒室的壁面捕集並在高溫下成液態渣除去，進入爐膛的是潔淨的高溫還原性火焰。在爐膛中再引入二次風進行補充燃燒以提高效率。這項技術具有煤粉燃燒方式的優點，如燃燒連續穩定、易於調節、燃燒氣氛可控等，克服了煤粉火焰含灰量高的缺點。其火焰的潔淨度高於水煤漿火焰，可與重油火焰相媲美。同時，本項技術不須對煤進行特殊處理，只須將煤磨成煤粉，所要求的煤粉平均粒徑可以比一般煤粉燃燒爐要求的粗。煤粉可通過管道進行氣力輸送，整個燃燒給煤系統是封閉式的。現場沒有一般燃煤窯爐附近煤塵飛揚的缺點。因此，這是一種幾乎和燃油一樣清潔乾淨而且經濟適用的煤粉潔淨燃燒方式。

技術特點

煤粉低塵燃燒技術是使煤粉在一 個具有完整的強烈旋轉回流流場的圓柱型燃燒室中進行高熱強度半氣化燃燒，燃燒室中的溫度保持在高於灰渣熔點溫度以上的水平，火焰中的灰渣在旋轉流場的作用下被燃燒室壁面捕集，並在高溫下成液態渣除去，進入爐膛的是潔淨的不含灰的高溫還原性火焰。 此項技術保留了煤粉燃燒方式的優點，如燃燒連續穩定、易於調節、燃燒氣氛可控等，克服了煤粉燃燒火焰含灰量高的缺點。煤粉低塵燃燒器的火焰潔淨度遠高於水煤漿火焰，可與重油火焰相媲美。本項技術不需對煤進行特殊加工，煤種適用範圍寬，經濟性好。因此，這是一項在工業窯爐上實現以煤代油的極有前途的煤潔淨燃燒技術。 這項技術具備如下特點：

（1）採用獨特的端面旋流進風技術，在煤粉低塵燃燒室中形成一個軸對稱的、完整、規則、理想的旋轉回流流場。這為合理組織和強化燃燒，灰渣被充分捕集創造了必要的條件。

（2）端面旋流進風方式使燃燒室側壁成為一個完整連續的圓柱面。這為煤和液渣的附著燃燒並在高速旋轉氣流的驅動下逐漸向排渣口流動提供了一個沒有阻礙的流場，徹底消除了常規煤粉液渣燃燒器產生風口結渣、堵塞事故的根源。

（3）濃相定向的給煤結構消除了煤粉"短路"逸出燃燒器的現象，進一步提高了捕渣率。

（4）燃燒室壁特殊的冷卻結構，保證了燃燒室的工作壽命。

技術改進

改進的必要性

我國有工業窯爐約十多萬台，年耗燃料約1.6億噸標煤，其中有約四分之一的窯爐由於對燃燒加熱的條件，如燃燒氣氛、燃燒的穩定性、連續性、火焰的潔淨度等有較高的要求，只能以油、氣為能源。估計這部分工業爐、窯每年要消耗3,000萬噸的燃油或燃氣。其餘的工業窯爐由於得不到油、氣的供應，只能燃用煤炭。

現有的燃煤技術均難以滿足現代工業窯爐的要求。比如，當採用層燃方式時，雖可獲得較潔淨的火焰，但卻難以得到長時間連續穩定的燃燒工況，也難以實現燃燒過程的自動控制和調節。倒焰窯、反射爐等就是燃煤層燃工業爐的例子。這類爐子只能是間歇操作，熱效率相當低。若採用煤粉火炬燃燒方式，雖可像燃油或燃氣一樣實現火焰的長時間連續穩定的燃燒，也易於實現對燃燒狀況的自動控制和調節，但是其火焰和煙氣中卻含有大量的灰渣，這些灰渣會污染產品，堵塞窯爐或換熱設備，污染環境。因此，難以在工業窯爐中使用。水煤漿的使用和燃燒方式較接近於燃油，許多人試圖將其套用於工業窯爐上以實現以煤代油，但水煤漿仍存在灰分太高（一般為5～10%），火焰潔淨度不夠的缺點。這與煤粉燃燒的缺點類似，此外其價格還比煤粉高得多。因此，水煤漿也不是個良好的解決辦法。把煤製成煤氣供給工業窯爐雖可滿足工業加熱工藝的要求，但煤氣化設備投資高，常常要高出工業窯爐本身的投資。同時，煤氣化的能源轉換率比較低，運行費用相當高，其經濟性難以為目前我國一般工業部門所接受。因此，可以說現有的燃煤技術均不能滿足現代工業窯爐的要求。

我國的能源資源以煤為主，石油的產量不能滿足國民經濟發展的需求，只能優先用作石油化工工業的原料和運輸工具的燃料。能供工業窯爐使用的燃油十分有限。我們不能像多數工業化國家一樣鼓勵工業窯爐燃油燃氣化。世界上各先進工業國家均不像中國這樣以煤為主要能源。在這些國家中，煤基本上只用於發電。他們不可能發展工業窯爐以煤代油技術。因此，我們發展潔淨煤技術不能不顧中國國情完全按國外的路子走。所以，研究一種能滿足工業窯爐加熱工藝嚴格要求的潔淨燃煤技術對我國具有重大意義，也是中國科研人員責無旁貸的責任。“煤粉低塵燃燒技術”就是為滿足這一需求而提出的一種煤潔淨燃燒技術。

具體改進內容

1、改進燃燒室中的流場

場對燃燒室中的燃燒狀況起著決定性的影響。通過流場多次試驗，採用端面預旋進風技術在燃燒室中形成一個完全軸對稱的、完整、規則的旋轉回流流場。這為合理組織燃燒、延長煤粉在燃燒室中的停留時間、防止煤粉短路逸出燃燒室、充分發揮旋轉流場的離心分離作用創造了必要的基本條件。

2、取消燃燒室側壁上的一切開口

使燃燒室側壁成為一個完整連續的圓柱面。這為液渣和煤粉的附著進行強烈的附壁燃燒並在高速旋轉氣流的驅動下沿螺旋軌跡逐漸向排渣口流動提供了一個沒有任何阻礙的流場。消除了產生風口結渣、堵塞事故的根源。具有以上兩個特徵的燃燒室已完全不同於以切向進風為特徵圖一 液排渣旋風燃燒器流場的傳統液排渣旋風燃燒器。

3、改進給煤結構

採用濃相定向的給煤結構直接把煤粉加進最外層旋轉氣流中，使煤粉在燃燒室中具有最長的運動路徑，消除煤粉“短路”逸出燃燒器的機會，從而提高了捕渣率。

4、合理的煤粉粒度控制

既保證絕大多數煤粒子能被慣性分離附著到燃燒室壁面上進行附壁燃燒，又保證液渣到達出渣口時煤粒均已燃盡，使捕渣率及燃燒效率均大大提高，同時也節省磨煤電耗。

5、加入添加劑以調節液渣的熔點及黏度

同時由於低塵燃燒器中燃燒氣氛為強還原性氣氛，可抑制NOx的生成及促進CaS的形成以達脫硫目的。

通過上述的改進，新型的煤粉低塵燃燒技術主要特點是它具有液排渣旋風燃燒器所不可能有的高捕渣率和相對簡單的結構。這是一項符合我國的能源資源情況，適合我國經濟技術水平的以煤代油技術。這項技術特別適用於連續生產的大型燃油工業窯爐的改造。據推算，使用該技術，每用煤頂替一噸燃油，可節省燃料費用RMB500元左右。本技術也適合於燃煤工業窯爐的改造，特別是可把間歇生產的燃煤工業窯爐改造成連續生產的窯爐,從而大大提高窯爐的熱效率，節能潛力巨大。

與煤粉液排渣旋風燃燒技術的比較

煤粉低塵燃燒技術是在液排渣旋風燃燒技術的基礎上發展起來的。其燃燒室均為圓柱形，但是在進風和給粉的方式上則是完全不同的。傳統的煤粉液排渣旋風燃燒器的顯著特點是其切向進風的結構，其進風口位於燃燒室圓柱形側壁上。這樣的進風結構一是簡單，二是可以在燃燒室中形成強烈的旋流。但是這種進風方式也帶來嚴重的負面影響。首先，切向進風導致燃燒室中的旋轉回流流場嚴重扭曲畸變，對稱性被破壞，回流區縮小，這使得其捕渣率難以提高。其次，由於進口處於燃燒室側壁溶渣流場之中，高速的進風氣流對風口的強烈冷卻作用造成風口結渣，使燃燒不穩定。為克服這些缺點，煤粉低塵燃燒器取消了燃燒室側面上的切向進風口，其進風口為燃燒室進口端面上的一個環形軸向葉柵，使燃燒室的側面形成一個連續完整的熔渣流場。熱風經過環形葉柵後形成環形旋流進入燃燒室。這種端面旋流進風方式是煤粉低塵燃燒器的特徵。端面旋流進風在燃燒室中形成一個完全軸對稱的、完整、規則的旋轉回流流場。這為合理組織和強化燃燒，提高捕渣率創造了良好的條件。

兩種燃燒器縱剖面流場軸向分速度的對比在給粉方式上，煤粉液排渣旋風燃燒器通常是在進口端面中心軸向進粉。這種進粉方式沒有考慮到燃燒室中的流場特性，從而使得大量煤粉短路逸出燃燒室，降低了燃燒效率和捕渣率。在煤粉低塵燃燒器中，直接把煤粉加進最外層旋轉氣流之中。這樣，煤粉在燃燒室中有著比較長的運動路線，防止了煤粉直接短路逸出燃燒室，從而可進一步提高燃燒效率和捕渣率。

此外，煤粉低塵燃燒器還使用了自熱式氣冷結構、切向出渣口及分級燃燒等獨特技術。綜上所述，煤粉低塵燃燒器具有自己獨特的結構和性能特點，其結構緊湊、火焰潔淨、燃燒穩定、燃燒效率高，是一種適合我國經濟技術水平，適用於工業窯爐的潔淨燃煤技術。

套用意義

煤粉低塵燃燒技術對傳統的煤粉液排渣旋風燃燒器作了重大改進，簡化結構，改善流場，提高捕渣率。煤粉低塵燃燒器可向工業窯爐提供含塵量極低的潔淨火焰，可用於燃油工業窯爐進行以煤代油改造以及對老式燃煤工業窯爐進行技術改造，是一種套用前景廣闊的潔淨燃煤技術。
我國有工業窯爐約十多萬台，年耗燃料約1.6億噸標煤，其中有約四分之一的窯爐由於對燃燒加熱的條件，如燃燒氣氛、燃燒的穩定性、連續性、火焰的潔淨度等有較高的要求，只能以油、氣為能源。估計這部分工業爐、窯每年要消耗3,000萬噸的燃油或燃氣。其餘的工業窯爐由於得不到油、氣的供應，只能燃用煤炭。
現有的燃煤技術均難以滿足現代工業窯爐的要求。比如，當採用層燃方式時，雖可獲得較潔淨的火焰，但卻難以得到長時間連續穩定的燃燒工況，也難以實現燃燒過程的自動控制和調節。倒焰窯、反射爐等就是燃煤層燃工業爐的例子。這類爐子只能是間歇操作，熱效率相當低。若採用煤粉火炬燃燒方式，雖可像燃油或燃氣一樣實現火焰的長時間連續穩定的燃燒，也易於實現對燃燒狀況的自動控制和調節，但是其火焰和煙氣中卻含有大量的灰渣，這些灰渣會污染產品，堵塞窯爐或換熱設備，污染環境。因此，難以在工業窯爐中使用。水煤漿的使用和燃燒方式較接近於燃油，許多人試圖將其套用於工業窯爐上以實現以煤代油，但水煤漿仍存在灰分太高（一般為5～10%），火焰潔淨度不夠的缺點。這與煤粉燃燒的缺點類似，此外其價格還比煤粉高得多。因此，水煤漿也不是個良好的解決辦法。把煤製成煤氣供給工業窯爐雖可滿足工業加熱工藝的要求，但煤氣化設備投資高，常常要高出工業窯爐本身的投資。同時，煤氣化的能源轉換率比較低，運行費用相當高，其經濟性難以為目前我國一般工業部門所接受。因此，可以說現有的燃煤技術均不能滿足現代工業窯爐的要求。
我國的能源資源以煤為主，石油的產量不能滿足國民經濟發展的需求，只能優先用作石油化工工業的原料和運輸工具的燃料。能供工業窯爐使用的燃油十分有限。我們不能像多數工業化國家一樣鼓勵工業窯爐燃油燃氣化。世界上各先進工業國家均不像中國這樣以煤為主要能源。在這些國家中，煤基本上只用於發電。他們不可能發展工業窯爐以煤代油技術。因此，我們發展潔淨煤技術不能不顧中國國情完全按國外的路子走。所以，研究一種能滿足工業窯爐加熱工藝嚴格要求的潔淨燃煤技術對我國具有重大意義，也是中國科研人員責無旁貸的責任。“煤粉低塵燃燒技術”就是為滿足這一需求而提出的一種煤潔淨燃燒技術。

套用前景

目前在工業窯爐上使用的燃煤技術主要有層燃方式、煤粉燃燒方式、水煤漿燃燒技術和煤氣化技術(冷煤氣、熱煤氣)等。現有的燃煤方式都存在一些污染嚴重、燃燒不完全、火焰含塵量高或投資巨大等問題,適用領域也受到限制。煤粉低塵燃燒技術有效地克服了上述缺陷,該技術經濟實用,符合“以煤代油”的需求,值得大力推廣。

煤粉低塵燃燒器的燃燒效果和火焰特性與重油相似,可用於燃油工業窯爐和鍋爐,實現以煤代油,達到節能和清潔燃燒的目的,並能收到顯著的經濟效益和社會效益。比如,一台4t/h的燃油鍋爐,若按每年運行300天計,年約需燃油1500t,重油價格按每噸2100元,煤炭價格每噸350元計,採用煤粉低塵燃燒技術對其進行以煤代油改造後,因兩噸煤可替代一噸油,則每年可節約燃料費210萬元。而這樣一台燃油鍋爐的改造費用大約需要70萬元,4個月即可收回全部投資。

煤粉低塵燃燒技術的另一個用途是燃煤工業窯爐和鍋爐改造。如陶瓷行業的倒焰窯,熱效率不到8%。如果採用煤粉低塵燃燒技術將其改成連續運行的隧道窯,則熱效率可提高到30%以上,節能潛力巨大,其經濟效益和環境效益是不言而喻的。煤粉低塵燃燒技術也可用在中小型電站鍋爐上,採用該技術雖對進一步提高熱效率的作用不大,但由於煤粉低塵燃燒器負荷調節範圍大,由作為電網調峰機組的中小型電站鍋爐來說,可以節約在鍋爐低負荷時投加的大量燃油,意義重大。

另外,採用煤粉低塵燃燒技術後,由於進入爐膛的是低灰含量的潔淨火焰,可以大大減輕鍋爐尾部受熱面的磨損積灰現象,從而使鍋爐長期維持良好的運行狀況,延長鍋爐的壽命,減輕維護工作量。此外,煤粉低塵燃燒技術還是一種低NOx的燃煤技術,其NOx生成量低於一般的煤粉燃燒器。煤粉低塵燃燒技術可推廣的窯爐範圍主要是軋鋼連續加熱爐、室式加熱爐、鍛造加熱爐、小型金屬熔煉爐、中小型玻璃窯、耐火材料或陶瓷材料焙燒爐及其它相近的工業窯爐,市場套用前景廣闊。