液排渣粉煤燃燒裝置的概況與研究
北京鋼鐵學(xué)院? 馮旭? 吳懋林? 王景甫
一、為什么要研制液排渣
? ? 粉煤燃燒裝置
? ? 壓縮用油，以煤代油，是我國(guó)目前能源? 展不大，其原因是多方面的，其中主要原因
開發(fā)和節(jié)約的重要原則之一。1981年全國(guó)燃? 是改造后燃燒效率降低，燃燒溫度降低，費(fèi)
油約3300萬噸，約占石油產(chǎn)量的l／3，其中? ? 燃料而出力降低，爐體需改造，工作量大，
電站鍋爐工業(yè)鍋爐的燃油量占總?cè)加土康? ? 停爐生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)等。? “七、五”計(jì)劃期間，
213以上，如果用煤來代替2/3的油，不僅可? 大批燃油鍋爐不得不以煤代油，但到目前為
增加大量外匯和化工產(chǎn)品，而且可收到一億? 止，我國(guó)或國(guó)外都還沒有找到一個(gè)較好的燃
務(wù)美元的經(jīng)濟(jì)效益。1984年六個(gè)學(xué)會(huì)聯(lián)合開? ? 煤技術(shù)方案，普遍存在著下列問題t
會(huì)研究以煤代油問題，但燃油鍋爐的改造迸? ? 1．煤的燃燒效率和燃燒強(qiáng)度較低，? ? 2．原有設(shè)備改造困難。傳統(tǒng)的旋風(fēng)燃燒
室在鍋爐上的應(yīng)用在我國(guó)已有二、三十年
的歷史，但是燃燒室是鍋爐不可分劑的一部
分，也就是說它和鍋爐構(gòu)成一個(gè)整體，結(jié)構(gòu)
龐大，使改造工作受到了很大的限制，
? ? 3．灰渣的影響?；以粌H惡化了鍋爐的
工作條件，而且污染環(huán)境，
? ? 4．渣場(chǎng)、煤場(chǎng)占地，一般要有二周的用
量堆集地。
? ? 自國(guó)外出現(xiàn)能源危機(jī)以來，許多國(guó)家紛
紛研制以煤代油的系統(tǒng)，例如美國(guó)能源和環(huán)
境研究公司，目前正著手研制旋渦除渣燃燒
器，美國(guó)太陽(yáng)燃?xì)夤竞虰abcock and
WiLcox公司也從事這方面的研究，最有成
效的是美國(guó)TRW能源開發(fā)集團(tuán)，他們從
1975年開始研制一種新型的液態(tài)排渣粉煤燃
燒裝罱，經(jīng)過七年的時(shí)間，在樣機(jī)上從冷態(tài)試
驗(yàn)，熱態(tài)試驗(yàn)及半工業(yè)性試驗(yàn)，取得了良好
的效果，預(yù)計(jì)到1986年達(dá)到商業(yè)化產(chǎn)品。這
種燃燒裝置適合于以煤代油的鍋爐改造，如
改動(dòng)工作量不大，使用后出力不降低，氣力
輸送煤和渣，省場(chǎng)地，污染少，捕渣率達(dá)80
～90%，碳的燒燼率達(dá)98%以上。TRW能
源開發(fā)集團(tuán)表示愿意和我國(guó)合作，但是條件
苛刻，且到目前為止，技術(shù)尚不成熟。為
此，北京鋼鐵學(xué)院組織力量，正{i研制適合
我國(guó)具體情況的新型液態(tài)排渣粉煤燃燒裝
置，目前已若手進(jìn)行冷態(tài)和熱態(tài)試驗(yàn)。
二、液排渣粉煤燃燒裝置的特點(diǎn)
? ? 1．燃燒器是獨(dú)立的
? ? 它不與鍋爐構(gòu)成一體，可以分割裝拆。
五十年代末，我國(guó)對(duì)旋風(fēng)爐的研究已進(jìn)行了
大量的工作，六十年代先后在上海、青島、武
昌等地的電廠鍋爐安裝了旋風(fēng)爐，經(jīng)過冷態(tài)
空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)，熱態(tài)試驗(yàn)以及長(zhǎng)期運(yùn)行的
實(shí)踐，對(duì)旋風(fēng)爐的理論和設(shè)計(jì)積累了大量的
? JO
資料，創(chuàng)造了不少經(jīng)驗(yàn)。實(shí)踐證明，旋風(fēng)爐
對(duì)煤種的適應(yīng)范圍相當(dāng)廣泛，能燃用煙煤、
貧煤和無煙煤，在蘇聯(lián)還用過褐煤，因而在
新建鍋爐上的應(yīng)用，曾得到較快的發(fā)展，但
用于改建則不適宜。而新型液排渣粉煤燃燒
裝置由于其本身是一獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，用于燃油
鍋爐的改造，只需做少量改動(dòng)，燃油噴嘴一
換即可，節(jié)省投資，節(jié)約時(shí)間，運(yùn)行可囂，
不降出力。
? ? 2．結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊
? ? ioMBT U／h（相當(dāng)于360kg／h標(biāo)準(zhǔn)煤）
燃燒室直徑0.43m? 長(zhǎng)0.66m，
? ? 20MBTU／h（相當(dāng)于720kg／h標(biāo)準(zhǔn)煤）
燃燒室直徑0.61m? K:1.22mj
? ? 250MBTU／h（相當(dāng)于9000kg／h標(biāo)準(zhǔn)煤）
燃燒室直徑2.13m? 長(zhǎng)=；．35m。
? ? 3．燃料適應(yīng)性強(qiáng)
? ? 可用粉煤(200¨)，氣力輸送，也呵
用水煤漿、油煤漿。能成功地燃用"種煤，
包括低質(zhì)煤。
? ? 4．燃燒強(qiáng)度高
? ? 容積熱疆度為(9～10)×l08千卡／時(shí)·
謄3，而～般旋風(fēng)爐為(1～6)×ioar．'詹／¨寸·
米3，一收粉煤爐為(0．】5～O．2) xl、j o f f√
時(shí)·米3。
? ? 5．采用分段燃燒
? ? NO。一般為250～i50ppm，與燃油爐
相近。
三、液排渣燃燒裝
? 置的技術(shù)要點(diǎn)
? 我們的研制任務(wù)，首先要解決的是順利
實(shí)現(xiàn)液渣排除和燃燒效率問題。液排渣的方向已得到普遍的承認(rèn)，美、蘇、德等國(guó)普遍
采用液排渣方式。要實(shí)現(xiàn)液排渣，首先要求
燃燒室具有較高的溫度，如果煤灰的熔化溫
度為1450℃左右，一般認(rèn)為灰渣的流動(dòng)溫度
應(yīng)高于灰渣熔化溫度100℃左右，那么，液
排渣燃燒室的火焰溫度必須達(dá)1500～
1 700℃，甚至更高一些。在國(guó)外，如捷克、
蘇聯(lián)和美國(guó)等在這方面作了大量的工作，發(fā)
表了許多專著，美國(guó)TRW能源開發(fā)集團(tuán)，
將阿波羅登月艙的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)移
植到油改煤的工程中來，我國(guó)對(duì)燃燒空氣動(dòng)
力場(chǎng)進(jìn)行了廣泛的研究，對(duì)煤粉顆粒在燃燒
室空間的運(yùn)動(dòng)軌跡和停留時(shí)間作了大量的理
論分析工作。旋風(fēng)燃燒室內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)速度
達(dá)20～30轉(zhuǎn)／秒，其離心加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過重
力加速度，粉煤在該力場(chǎng)作用下，大部分細(xì)
顆粒由于具有轤大的反應(yīng)面在燃燒室空間燃
燒，燃燒強(qiáng)度很大。較粗的顆粒則拋向壁
面，在壁面高溫條件下燃燒，也就是說，懶
煤在燃燒室實(shí)現(xiàn)了空間燃燒和壁面燃燒的雙
重作用。因而粉煤可在非常小的空間內(nèi)完成
燃燒過程，燃燒溫度可達(dá)1800℃，燃燒強(qiáng)度
可達(dá)(9～10)×lOa千卡／時(shí)·米3。同時(shí)由
于火焰的渦旋作用，不僅加速了燃燒過程，
而且在離心力作用下，使火焰充滿燃燒室，
這是獲得高燃燒效率和高排渣牢的重要條
件。
? ? 燃燒室火焰溫度提高到1600～1800℃以
后，壽命問題就成為突出的矛盾。燃燒室的
爐壁分兩種情況，一種是水冷壁上加耐火涂
層，另一種則是沒有耐火材料的裸露水冷
壁。有耐火涂層的表面溫度高于灰渣的熔化
溫度，有時(shí)甚至高于耐火涂層本身的熔化溫
度。因此，對(duì)耐火涂層的材料提出了嚴(yán)格的
要求。這種材料必須具有較高的耐火度，良
好的抗渣性和耐急冷急熱性，且不得與氧化
亞鐵形成低熔共晶體。根據(jù)裴利(Bailey)
對(duì)液渣燃燒室測(cè)量的結(jié)果證明，灰渣中含鐵
量比燃煤灰分q!含鐵遢高67%，且主要以氧
化亞鐵形式存在，而氧化亞鐵常與其它物質(zhì)
形成低熔共晶體。綜上所述，能滿足上述要
求的耐火材料莫過于其主要成份為三氧化二
鉻的鉻礦石，它的導(dǎo)熱性能好，耐火發(fā)高，
氧化亞鐵對(duì)它沒有損害。另外就是碳化硅。
但這兩種材料價(jià)值昂貴，在大生產(chǎn)中大量使
用很不經(jīng)濟(jì)，目前采用各種耐火泥做涂層，
但效果不佳，我國(guó)曾用锫剛玉磚，壽命僅半
月。TRW能瀝i開發(fā)集團(tuán)采用裸露水冷壁，
壁上有小釘，灰粒成液態(tài)后，掛在壁上，自
動(dòng)保持一定厚度，水冷熱損失低于8%。
? ? 裸露的水冷壁為什么能承受高溫熔渣的
侵蝕呢？首先是細(xì)小的灰末在水冷壁上形成
積渣層，稱為底層。在燃燒過程申，由于旋
風(fēng)離心力的作用，灰渣粘附在此溫度較低的
底層上形成凝固層，凝固層逐漸增厚，以后
繼續(xù)粘附的灰渣滴，其熱量較難向外傳遞，
于是面向火焰的灰渣層的溫度達(dá)到灰渣熔化
溫度，成為液態(tài)渣而分離。由于采用分段燃
燒，燃燒室的空氣系數(shù)為0,7～0.9，保持還原
性氣氛，還原氣氛有利于灰渣熔化。在離心
力和重力的作用下，灰渣滴碰撞，由于表面
張力而合并成大渣滴與火焰分離，以液態(tài)流
入渣箱。
? ? 液排渣燃燒室的幾何形狀和空氣動(dòng)力場(chǎng)
有關(guān)，而空氣動(dòng)力場(chǎng)在很大程度上取決于噴
嘴的設(shè)計(jì)，良好的噴嘴不僅要有利于氣體和
粉煤的混合，而且要求在燃燒室內(nèi)形成合適
的壓力分布和回流區(qū)。
? ? 燃燒室的空氣系數(shù)為0.7～0.9，即不允
全燃燒，煙氣中還含有CO和H2，在燃燒室
出口即爐膛入口處通入三次空氣，在爐膛
內(nèi)燃燒。分段燃燒有幾個(gè)好處：首先是燃燒
室處于還原氣氛下，渣熔點(diǎn)降低，有利于液
排渣。其次，分段燃燒避免了傳統(tǒng)的高NO。
的形成，只有250～450ppm。試驗(yàn)表明，
當(dāng)空氣系數(shù)接近于0.7，空氣預(yù)熱溫度340℃
11時(shí)，NO。最小。
? ? 綜上所述，新型液排渣燃燒裝置的幾個(gè)
主要技術(shù)要點(diǎn)是：
? ? 1．j將液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)移植于以煤代
油的工程上來，形成有利的空氣動(dòng)力場(chǎng)，充
分混合，完全燃燒，
? ? 2．米用水冷器壁，自掛渣皮，
? ? 3.200目的細(xì)顆粒粉煤在旋風(fēng)燃燒室內(nèi)
燃燒極快，
? ? 4．三次分段進(jìn)風(fēng)，切線旋流，降低渣熔
點(diǎn)，減少NO。，碳燃燒率高達(dá)98%以上。
四、我們的工作
? ? 在倪學(xué)梓教授的領(lǐng)導(dǎo)下，北京鋼鐵學(xué)院
正在進(jìn)行新型液排渣粉煤燃燒裝置的研制工
作，已經(jīng)設(shè)計(jì)了四種不同旋流強(qiáng)度的噴嘴，
其它設(shè)計(jì)和制造工作也已基本完成，1986年
開始進(jìn)行冷態(tài)和熱態(tài)試驗(yàn)。冷態(tài)試驗(yàn)的目的
．夤≯
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圖l? 燃巍裝置結(jié)構(gòu)示意圖
嬸艟
首先研究燃燒室內(nèi)的空氣動(dòng)力特性，如軸
向，切向和徑向的速度分布及其變化規(guī)律，
回流區(qū)的分布，形狀，大小以及回流率，不
同結(jié)構(gòu)不同幾何參數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響規(guī)律I三
次進(jìn)風(fēng)量的關(guān)系，噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒室內(nèi)氣體
運(yùn)動(dòng)的影響，著膜位置以及混合規(guī)律。
? ? 熱態(tài)試驗(yàn)主要研究：燃燒器的捕渣特性，
碳的燃燒率，燃燒裝置的壽命和燃燒裝置內(nèi)
的溫度分布等。燃燒裝置結(jié)構(gòu)示意如圖l。