[科普中国]-煤粉低尘燃烧技术

简介

煤粉燃烧火焰与燃油火焰在实用中的最大差别在于煤粉火焰中含有大量的灰渣2，这些灰渣会污染被加热的产品和环境，堵塞窑炉。煤粉低尘燃烧技术正是为克服这一缺点而发展出来的新型燃煤技术。这项技术是使煤粉在一个圆柱形的燃烧室中进行高热强度的半气化旋风燃烧，煤中的灰渣在旋转流场的作用下被燃烧室的壁面捕集并在高温下成液态渣除去，进入炉膛的是洁净的高温还原性火焰。在炉膛中再引入二次风进行补充燃烧以提高效率。这项技术具有煤粉燃烧方式的优点，如燃烧连续稳定、易于调节、燃烧气氛可控等，克服了煤粉火焰含灰量高的缺点。其火焰的洁净度高于水煤浆火焰，可与重油火焰相媲美。同时，本项技术不须对煤进行特殊处理，只须将煤磨成煤粉，所要求的煤粉平均粒径可以比一般煤粉燃烧炉要求的粗。煤粉可通过管道进行气力输送，整个燃烧给煤系统是封闭式的。现场没有一般燃煤窑炉附近煤尘飞扬的缺点。因此，这是一种几乎和燃油一样清洁干净而且经济适用的煤粉洁净燃烧方式。

技术特点煤粉低尘燃烧技术是使煤粉在一 个具有完整的强烈旋转回流流场的圆柱型燃烧室中进行高热强度半气化燃烧，燃烧室中的温度保持在高于灰渣熔点温度以上的水平，火焰中的灰渣在旋转流场的作用下被燃烧室壁面捕集，并在高温下成液态渣除去，进入炉膛的是洁净的不含灰的高温还原性火焰。 此项技术保留了煤粉燃烧方式的优点，如燃烧连续稳定、易于调节、燃烧气氛可控等，克服了煤粉燃烧火焰含灰量高的缺点。煤粉低尘燃烧器的火焰洁净度远高于水煤浆火焰，可与重油火焰相媲美。本项技术不需对煤进行特殊加工，煤种适用范围宽，经济性好。因此，这是一项在工业窑炉上实现以煤代油的极有前途的煤洁净燃烧技术。 这项技术具备如下特点3：

（1）采用独特的端面旋流进风技术，在煤粉低尘燃烧室中形成一个轴对称的、完整、规则、理想的旋转回流流场。这为合理组织和强化燃烧，灰渣被充分捕集创造了必要的条件。

（2）端面旋流进风方式使燃烧室侧壁成为一个完整连续的圆柱面。这为煤和液渣的附着燃烧并在高速旋转气流的驱动下逐渐向排渣口流动提供了一个没有阻碍的流场，彻底消除了常规煤粉液渣燃烧器产生风口结渣、堵塞事故的根源。

（3）浓相定向的给煤结构消除了煤粉"短路"逸出燃烧器的现象，进一步提高了捕渣率。

（4）燃烧室壁特殊的冷却结构，保证了燃烧室的工作寿命。

技术改进改进的必要性我国有工业窑炉约十多万台，年耗燃料约1.6亿吨标煤，其中有约四分之一的窑炉由于对燃烧加热的条件，如燃烧气氛、燃烧的稳定性、连续性、火焰的洁净度等有较高的要求，只能以油、气为能源。估计这部分工业炉、窑每年要消耗3,000万吨的燃油或燃气。其余的工业窑炉由于得不到油、气的供应，只能燃用煤炭。

现有的燃煤技术均难以满足现代工业窑炉的要求。比如，当采用层燃方式时，虽可获得较洁净的火焰，但却难以得到长时间连续稳定的燃烧工况，也难以实现燃烧过程的自动控制和调节。倒焰窑、反射炉等就是燃煤层燃工业炉的例子。这类炉子只能是间歇操作，热效率相当低。若采用煤粉火炬燃烧方式，虽可像燃油或燃气一样实现火焰的长时间连续稳定的燃烧，也易于实现对燃烧状况的自动控制和调节，但是其火焰和烟气中却含有大量的灰渣，这些灰渣会污染产品，堵塞窑炉或换热设备，污染环境。因此，难以在工业窑炉中使用。水煤浆的使用和燃烧方式较接近于燃油，许多人试图将其应用于工业窑炉上以实现以煤代油，但水煤浆仍存在灰分太高（一般为5～10%），火焰洁净度不够的缺点。这与煤粉燃烧的缺点类似，此外其价格还比煤粉高得多。因此，水煤浆也不是个良好的解决办法。把煤制成煤气供给工业窑炉虽可满足工业加热工艺的要求，但煤气化设备投资高，常常要高出工业窑炉本身的投资。同时，煤气化的能源转换率比较低，运行费用相当高，其经济性难以为目前我国一般工业部门所接受。因此，可以说现有的燃煤技术均不能满足现代工业窑炉的要求。

我国的能源资源以煤为主，石油的产量不能满足国民经济发展的需求，只能优先用作石油化工工业的原料和运输工具的燃料。能供工业窑炉使用的燃油十分有限。我们不能像多数工业化国家一样鼓励工业窑炉燃油燃气化。世界上各先进工业国家均不像中国这样以煤为主要能源。在这些国家中，煤基本上只用于发电。他们不可能发展工业窑炉以煤代油技术。因此，我们发展洁净煤技术不能不顾中国国情完全按国外的路子走。所以，研究一种能满足工业窑炉加热工艺严格要求的洁净燃煤技术对我国具有重大意义，也是中国科研人员责无旁贷的责任。“煤粉低尘燃烧技术”就是为满足这一需求而提出的一种煤洁净燃烧技术4。

具体改进内容1、改进燃烧室中的流场

场对燃烧室中的燃烧状况起着决定性的影响2。通过流场多次试验，采用端面预旋进风技术在燃烧室中形成一个完全轴对称的、完整、规则的旋转回流流场。这为合理组织燃烧、延长煤粉在燃烧室中的停留时间、防止煤粉短路逸出燃烧室、充分发挥旋转流场的离心分离作用创造了必要的基本条件。

2、取消燃烧室侧壁上的一切开口

使燃烧室侧壁成为一个完整连续的圆柱面。这为液渣和煤粉的附着进行强烈的附壁燃烧并在高速旋转气流的驱动下沿螺旋轨迹逐渐向排渣口流动提供了一个没有任何阻碍的流场。消除了产生风口结渣、堵塞事故的根源。具有以上两个特征的燃烧室已完全不同于以切向进风为特征图一 液排渣旋风燃烧器流场的传统液排渣旋风燃烧器。

3、改进给煤结构

采用浓相定向的给煤结构直接把煤粉加进最外层旋转气流中，使煤粉在燃烧室中具有最长的运动路径，消除煤粉“短路”逸出燃烧器的机会，从而提高了捕渣率。

4、合理的煤粉粒度控制

既保证绝大多数煤粒子能被惯性分离附着到燃烧室壁面上进行附壁燃烧，又保证液渣到达出渣口时煤粒均已燃尽，使捕渣率及燃烧效率均大大提高，同时也节省磨煤电耗。

5、加入添加剂以调节液渣的熔点及黏度

同时由于低尘燃烧器中燃烧气氛为强还原性气氛，可抑制NOx的生成及促进CaS的形成以达脱硫目的。

通过上述的改进，新型的煤粉低尘燃烧技术主要特点是它具有液排渣旋风燃烧器所不可能有的高捕渣率和相对简单的结构。这是一项符合我国的能源资源情况，适合我国经济技术水平的以煤代油技术。这项技术特别适用于连续生产的大型燃油工业窑炉的改造。据推算，使用该技术，每用煤顶替一吨燃油，可节省燃料费用RMB500元左右。本技术也适合于燃煤工业窑炉的改造，特别是可把间歇生产的燃煤工业窑炉改造成连续生产的窑炉,从而大大提高窑炉的热效率，节能潜力巨大。

与煤粉液排渣旋风燃烧技术的比较煤粉低尘燃烧技术是在液排渣旋风燃烧技术的基础上发展起来的5。其燃烧室均为圆柱形，但是在进风和给粉的方式上则是完全不同的。传统的煤粉液排渣旋风燃烧器的显著特点是其切向进风的结构，其进风口位于燃烧室圆柱形侧壁上。这样的进风结构一是简单，二是可以在燃烧室中形成强烈的旋流。但是这种进风方式也带来严重的负面影响。首先，切向进风导致燃烧室中的旋转回流流场严重扭曲畸变，对称性被破坏，回流区缩小，这使得其捕渣率难以提高。其次，由于进口处于燃烧室侧壁溶渣流场之中，高速的进风气流对风口的强烈冷却作用造成风口结渣，使燃烧不稳定。为克服这些缺点，煤粉低尘燃烧器取消了燃烧室侧面上的切向进风口，其进风口为燃烧室进口端面上的一个环形轴向叶栅，使燃烧室的侧面形成一个连续完整的熔渣流场。热风经过环形叶栅后形成环形旋流进入燃烧室。这种端面旋流进风方式是煤粉低尘燃烧器的特征。端面旋流进风在燃烧室中形成一个完全轴对称的、完整、规则的旋转回流流场。这为合理组织和强化燃烧，提高捕渣率创造了良好的条件。

两种燃烧器纵剖面流场轴向分速度的对比在给粉方式上，煤粉液排渣旋风燃烧器通常是在进口端面中心轴向进粉。这种进粉方式没有考虑到燃烧室中的流场特性，从而使得大量煤粉短路逸出燃烧室，降低了燃烧效率和捕渣率。在煤粉低尘燃烧器中，直接把煤粉加进最外层旋转气流之中。这样，煤粉在燃烧室中有着比较长的运动路线，防止了煤粉直接短路逸出燃烧室，从而可进一步提高燃烧效率和捕渣率。

此外，煤粉低尘燃烧器还使用了自热式气冷结构、切向出渣口及分级燃烧等独特技术。综上所述，煤粉低尘燃烧器具有自己独特的结构和性能特点，其结构紧凑、火焰洁净、燃烧稳定、燃烧效率高，是一种适合我国经济技术水平，适用于工业窑炉的洁净燃煤技术。

应用意义煤粉低尘燃烧技术对传统的煤粉液排渣旋风燃烧器作了重大改进，简化结构，改善流场，提高捕渣率。煤粉低尘燃烧器可向工业窑炉提供含尘量极低的洁净火焰，可用于燃油工业窑炉进行以煤代油改造以及对老式燃煤工业窑炉进行技术改造，是一种应用前景广阔的洁净燃煤技术6。
我国有工业窑炉约十多万台，年耗燃料约1.6亿吨标煤，其中有约四分之一的窑炉由于对燃烧加热的条件，如燃烧气氛、燃烧的稳定性、连续性、火焰的洁净度等有较高的要求，只能以油、气为能源。估计这部分工业炉、窑每年要消耗3,000万吨的燃油或燃气。其余的工业窑炉由于得不到油、气的供应，只能燃用煤炭。
现有的燃煤技术均难以满足现代工业窑炉的要求。比如，当采用层燃方式时，虽可获得较洁净的火焰，但却难以得到长时间连续稳定的燃烧工况，也难以实现燃烧过程的自动控制和调节。倒焰窑、反射炉等就是燃煤层燃工业炉的例子。这类炉子只能是间歇操作，热效率相当低。若采用煤粉火炬燃烧方式，虽可像燃油或燃气一样实现火焰的长时间连续稳定的燃烧，也易于实现对燃烧状况的自动控制和调节，但是其火焰和烟气中却含有大量的灰渣，这些灰渣会污染产品，堵塞窑炉或换热设备，污染环境。因此，难以在工业窑炉中使用。水煤浆的使用和燃烧方式较接近于燃油，许多人试图将其应用于工业窑炉上以实现以煤代油，但水煤浆仍存在灰分太高（一般为5～10%），火焰洁净度不够的缺点。这与煤粉燃烧的缺点类似，此外其价格还比煤粉高得多。因此，水煤浆也不是个良好的解决办法。把煤制成煤气供给工业窑炉虽可满足工业加热工艺的要求，但煤气化设备投资高，常常要高出工业窑炉本身的投资。同时，煤气化的能源转换率比较低，运行费用相当高，其经济性难以为目前我国一般工业部门所接受。因此，可以说现有的燃煤技术均不能满足现代工业窑炉的要求。
我国的能源资源以煤为主，石油的产量不能满足国民经济发展的需求，只能优先用作石油化工工业的原料和运输工具的燃料。能供工业窑炉使用的燃油十分有限。我们不能像多数工业化国家一样鼓励工业窑炉燃油燃气化。世界上各先进工业国家均不像中国这样以煤为主要能源。在这些国家中，煤基本上只用于发电。他们不可能发展工业窑炉以煤代油技术。因此，我们发展洁净煤技术不能不顾中国国情完全按国外的路子走。所以，研究一种能满足工业窑炉加热工艺严格要求的洁净燃煤技术对我国具有重大意义，也是中国科研人员责无旁贷的责任。“煤粉低尘燃烧技术”就是为满足这一需求而提出的一种煤洁净燃烧技术。

应用前景目前在工业窑炉上使用的燃煤技术主要有层燃方式、煤粉燃烧方式、水煤浆燃烧技术和煤气化技术(冷煤气、热煤气)等。现有的燃煤方式都存在一些污染严重、燃烧不完全、火焰含尘量高或投资巨大等问题,适用领域也受到限制。煤粉低尘燃烧技术有效地克服了上述缺陷,该技术经济实用,符合“以煤代油”的需求,值得大力推广7。

煤粉低尘燃烧器的燃烧效果和火焰特性与重油相似,可用于燃油工业窑炉和锅炉,实现以煤代油,达到节能和清洁燃烧的目的,并能收到显著的经济效益和社会效益。比如,一台4t/h的燃油锅炉,若按每年运行300天计,年约需燃油1500t,重油价格按每吨2100元,煤炭价格每吨350元计,采用煤粉低尘燃烧技术对其进行以煤代油改造后,因两吨煤可替代一吨油,则每年可节约燃料费210万元。而这样一台燃油锅炉的改造费用大约需要70万元,4个月即可收回全部投资。

煤粉低尘燃烧技术的另一个用途是燃煤工业窑炉和锅炉改造。如陶瓷行业的倒焰窑,热效率不到8%。如果采用煤粉低尘燃烧技术将其改成连续运行的隧道窑,则热效率可提高到30%以上,节能潜力巨大,其经济效益和环境效益是不言而喻的。煤粉低尘燃烧技术也可用在中小型电站锅炉上,采用该技术虽对进一步提高热效率的作用不大,但由于煤粉低尘燃烧器负荷调节范围大,由作为电网调峰机组的中小型电站锅炉来说,可以节约在锅炉低负荷时投加的大量燃油,意义重大8。

另外,采用煤粉低尘燃烧技术后,由于进入炉膛的是低灰含量的洁净火焰,可以大大减轻锅炉尾部受热面的磨损积灰现象,从而使锅炉长期维持良好的运行状况,延长锅炉的寿命,减轻维护工作量。此外,煤粉低尘燃烧技术还是一种低NOx的燃煤技术,其NOx生成量低于一般的煤粉燃烧器。煤粉低尘燃烧技术可推广的窑炉范围主要是轧钢连续加热炉、室式加热炉、锻造加热炉、小型金属熔炼炉、中小型玻璃窑、耐火材料或陶瓷材料焙烧炉及其它相近的工业窑炉,市场应用前景广阔。