水煤浆的强化燃烧技术及其工业应用

热能工程《工业加热》第33卷2004年第2期水煤浆的强化燃烧技术及其工业应用夏德宏,吴永红北京科技大学热能工程系,北京10008摘要∶通过简化水煤浆旳燃烧模型计算了水煤浆的燃烧时间分析了影响水煤浆燃烧效率旳因素提岀了改善水煤浆燃烧效率的途径并介绍了国內首次在玻璃熔窑上进行的水煤浆燃烧应用试验。关键词:水煤浆燃烧时间撚烧效率詖璃熔窑中图分类号:TFO66.12文献标识码:A文章编号:1002-16392004)2000404Combustion Intensification of Coal-water SlurryXIA De-hong, wU Yong-hong(Dept. of Thermal Engineering, University of Science Technology Beijing, Beijing 100083, ChinaAbstract: Through simplifying the combustion model of Coal-Water Slurry, the combustion time of Coal-Water Slurry iscalculated and the effects on the combustion efficiency of Coal-Water Slurry are analyzed. The methods to intensify thecombustion of Coal-Water Slurry are brought to light. Coal-Water Slurry has been put into application in the melting fur-nace of glass for the first time in China.Key words: Coal-Water Slurry; combustion time; combustion efficiency; melting fumace of glass近年来随着水煤浆燃烧技术的不断推广水煤浆燃烧前言技术也已经成功地应用于陶瓷行业与玻璃行业中由水煤浆燃烧技术经过十多年的科技攻关及工业应于烧制陶瓷和玻璃时对原料的成分要求很高,如果水用实践,已经在工业炉如加热炉、锅炉等)上得到了煤浆没有得到完全燃烧,未燃烬的残碳混入陶瓷或坡成功的应用并取得了一系列的研究成果和宝贵经验。璃中会对产品的质量造成一定的影响,这对水煤浆燃烧技术提出了更高的要求。如何拓宽水煤浆的工业应收稿日期2003409-11:修回日期20031218用范围提高其燃烧效率从而进一步提高水煤浆应用作者简介夏德宏(13)男湖南津市人北京科技大学热能的经济效益和环保效益是当前所面临的主要问题。本工程系教授主要研究能源的清洁与高效利用(3)应用双股射流回卷吸手段实现了低氧(15%以[2]祁海鹰李宇红高温空气燃烧技术的国际发展动态工业下燃烧大大降低NOx排放量加热2003(1)1-6(4)采用空气、煤气双蓄热燃烧方式较好地解决我③]朱彤饶文涛低NO高温空气燃烧技术[热能动力工国燃料热值不高的难题;程2001916)328331⑤5)体积小结构紧凑操作灵活维护方便。「4]王爱华李红军DRL燃烧器设计研究[J冶金能源2003224结语(1)31-335]李朝祥高效蓄热式热交换器的设计研究[]沈阳冻北大本文设计研究了一套新型蓄热式燃烧系统,具有学,1999高效、低氧燃烧和低NOκ排放等优点。该燃烧器对于开圓6]蔡九菊,于娟.陶瓷球蓄热室传热特性的硏究卩.钢铁,发适合我国国情的高温蓄热燃烧系统具有重要意义1999342)54-58.由于高温空气燃烧机理非常复杂,对于该系统的研制郭伯伟涨耆一工业炉发展与蓄热式燃烧器的应用工业开发工作仍需做进一步的探讨和分析加热2001A3)59[8]王力军票九菊高温空气燃烧回流混合模型研究门.包头钢参考文献铁学院学报2001203)2102131 TOSHIAKI HASEGAWA, RYOICHI TANAKA. High Tem⑨]比埃尔JM,切比尔NA燃烧空气动力学[M北京科学erature Air Combustion Contributing To Energy and出版社1979Pollutant reduction in industrial furnace()高温空100岑可法樊建人工程气固多相流动的理论及计算M杭州气燃烧新技术讲座北京中国科学技术协会联合会1999浙江大学出版社,1990热能工程《工业加热》第33卷2004年第2期文旨在分析影响水煤浆燃烧效率的主要因素,提岀强2.2水煤浆的燃烧时间化燃烧的方法从而拓宽水煤浆的应用范围为了简化水煤浆的燃烧模型,计算水煤浆的燃烧2水煤浆燃烧模型和燃烧时间时间从而揭示提高水煤浆燃烧效率的途径本文将雾化后的水煤浆液滴简化为一个实心的球形煤粉颗粒2.1水煤浆燃烧过程及其燃烧模型由于水煤浆中水分蒸发的时间占总燃烧时间的比例很水煤浆雾化后以雾炬的形式喷入炉膛內部,由于小在水煤浆的整个燃烧过程中由于高温的作用水受到高温烟气的对流及辐射作用,水煤浆以很高的速分蒸发过程几乎在瞬间完成,所以在计算水煤浆燃烧度被加热从而达到着火并燃烧整个过程包括雾化、水时间的时候水分蒸发的时间可以忽略不计即忽略蒸分蒸发、挥发分的析岀与着火和燃烧、焦炭燃烧、灰渣发对燃烧过程的影响。而且经过分析也表明尽管水煤及排放物的形成等阶段。水煤浆的燃烧过程是一个极浆浆滴中煤粒的结团使粒径增大以及水煤浆浆滴中的其复杂的物理和化学过程,其燃烧机理比重油和煤粉水分都使浆滴燃烧时间延长,但因为浆滴中焦炭的燃更加复杂,为了深入研究水煤浆的燃烧机理需要对水烧速度比煤粉中焦炭的燃烧速度要快,从而弥补了结煤浆的各个燃烧过程分别建立数学模型。在近二十年团和水分造成的对燃烧的不利因素,水煤浆浆滴总的的研究过程中,人们对水煤浆的研究重点放在应用技燃烧速度、燃烧时间、燃烬率都接近于单颗煤粒。因此,术开发和对单滴水煤浆燃烧过程的机理研究方面,并为了计算水煤浆浆滴的燃烧时间,从而进一步分析影建立了一些单滴水煤浆燃烧模型叩。响水煤浆燃烧效率的因素,将水煤浆浆滴简化为煤粉在对水煤浆单滴燃烧研究的基础上,国内外研究颗粒是可以满足计算要求的人员提岀了—个简化的燃烧模型吲將将水煤浆的燃烧过很多学者对煤粒的燃烧进行了科学计算与实验研程分为水分蒸发、挥发分析出和焦炭燃烧这三个阶段,究建立了大量的数学模型而且得到了一些有用的实并相互略有重叠,认为水分蒸发是在某平衡温度Tk下验结果与经验公式根据文献[5]煤粒的着火时间为进行蒸发符合 Spalding水滴蒸发理论。而挥发分析出过程采用了简单的单组分析出模型对整个挥发物的r=1645×105d2(1)析出用一个综合的反应速度来表征。模型中还考虑了残炭的燃烬时间为焦炭燃烧和挥发分析岀的重叠以及浆滴在燃烧过程中的直径变化。计算表明,水分蒸发约占总燃烧时间的7=228×106100-APan100(2)8%挥发分析岀约占总燃烧时间的20%文献[③]中建立了一个模型专门用来计算水煤浆在工业锅炉中碳的转式中x为煤颗粒直径,m;Y为环境的氧气浓度,%T化率将未燃物的来源分成两大部分,一部分是由于焦为燃烧环境温度KA为残炭中的灰含量,%;p为残炭炭粒子太大因此在炉内停留的时间之内无法燃烬另的密度kg/m部分是由于烟气和颗粒群过分集中混合不良引起的所以单颗粒水煤浆总的燃烧时间约为焦炭无法燃烬并分别加以考虑。另外文献[4]在低Re数低Bi数的条件下建立了单滴浆滴的着火模型挥1645×06412+228×101004n(8)100发分采用双方程并就颗粒大小的变化进行了计算还从或3冋可以看岀影响水煤浆燃烧时间和燃烧效与实验进行了比较。率的因素有水煤浆颗粒直径d环境氧的浓度Y燃几乎所有的水煤浆燃烧模型都是建立在单滴水煤浆燃烧模型的基础上,单颗水煤浆浆滴在整个燃烧过烧环境温度T以及煤的种类当煤的种类确定后减小程中经历了复杂的物理化学过程,浆滴在整个燃烧过颗粒直径,增大氧气的浓度以及燃烧环境温度都可以程中变化规律的模化问题包括水煤浆的雾化过程、液降低水煤浆的燃烧时间。滴的形成、液滴蒸发、颗粒与周围传热、颗粒之间相互3提高水煤浆燃烧效率的途径作用、煤的加热、颗粒挥发物析出、颗粒的非均相反应、水煤浆的燃烧效率与其燃烧时间有关,水煤浆的煤浆蒸发挥发过程中的结团与破碎以及煤颗粒与壁面燃烧时间越短说眀水煤浆燃烧越充分水煤浆的燃烧的相互作用等问题。整个水煤浆燃烧模型的求解需要效率也就越高为了提高水煤浆的燃烧效率就应该尽进行复杂的传热、传质和化学反应计算不能直观地量降低水煤浆的燃烧时间。根据公式3)取原煤密度反映出水煤浆的燃烧效率,很大程度上限制了其应p=1400kg/m、灰分含量为10%的水煤浆液滴为例进用。行计算,燃烧环境温度分别取1300,1400,1500,16005米热能工程《工业加热》第33卷2004年第2期K水煤浆燃烧时间的计算结果如图1和图2所示浆的颗粒直径。水煤浆的平均颗粒直径对水煤浆燃烧效率的影响比较明显,为了减小水煤浆的颗粒直径需12要将水煤浆磨得更细。所以在对燃烧效率要求很高的炉窑中用水煤浆时水煤浆中煤颗粒的直径一般较小,回1600K②提高燃烧环境温度。提高燃烧环境温度可以大幅度提高水煤浆的燃烧效率,燃烧环境温度与很多的因素有关最直接、最有效的方法是对助燃空气进行高温预热,近几年来发展起来的高温空气燃烧技术就是一种高效率的燃烧技术不仅可以提高燃烧效率还可以对图1颗粒直径对水煤浆燃烧时间的影响余热进行充分的回收并降低CO2和NOx的排放。但是由于水煤浆燃烧时火焰含尘较高,不能采用比表面1300K积很大的陶瓷蜂窝体和蓄热球,只能采用比表面积稍1400K1500K大的蓄热砖。③增加氧气的浓度采用富氧燃烧。提高v回妆鑿一1600K氧气的浓度可以在一定程度上提高水煤浆的燃烧效率提高理论燃烧温度使水煤浆燃烧更加充分。另外b采用低灰优质的水煤浆或者采用预燃室对水煤浆进行燃烧等都可以提高水煤浆的燃烧效率。10%20%30%40%50氧气浓度Yx4水煤浆燃烧技术在玻璃行业中的应用2氧气浓度对水煤浆燃烧时间的影响随着水煤浆燃烧技术的不断发展,水煤浆燃烧效率的不断提高水煤浆也已经初步应用于玻璃行业中图1表示在不同的燃烧环境温度下,环境的氧气成为了一种理想的代油燃料。从2003年1月开始在国浓度为21%时,水煤浆颗粒直径对水煤浆燃烧时间的内某大型玻璃公司的玻璃熔窑上进行了水煤浆工业应影响。从图1中可以看出减小水煤浆的颗粒直径和提用试验并一次点火成功取得了水煤浆在玻璃熔窑上高燃烧环境温度可以有效地缩短水煤浆的燃烧时间,应用的经验并且展示了巨大的经济效益前景。从而提高水煤浆的燃烧效率。当水煤浆的颗粒直径较41水煤浆应用系统技术大时,水煤浆中煤颗粒直径旳大小以及燃烧环境温度水煤浆在玻璃熔窑上的应用包括厂区与管道输对水煤浆燃烧效率的影响很大,但随着水煤浆颗粒直送炉前浆质调整玻璃熔窑内的水煤浆燃烧与点火技径的不断减小由于水煤浆燃烧越来越充分水煤浆颗术等图3是该系统的示意图。储浆鰭粒直径和燃烧温度对水煤浆燃烧效率的影响在逐渐减估卸浆泵小尤其是在颗粒直径<50μm的时候燃烧环境温度搅拌罐和颗粒直径对水煤浆燃烧效率的影响很小。图2是在不同的燃烧环境温度下,水煤浆颗粒直空压机径为100μm环境的氧气浓度对水煤浆燃烧时间的影燃响。从图2中可以看出提高氧气浓度可以减小水煤浆玻璃熔窑的燃烧时间从而达到提高水煤浆燃烧效率的目的。由于煤的燃烧速度与氧气的浓度有关,增大氧气的浓度水煤券可以提高碳的氧化反应速率,因而可以提高水煤浆燃图3水煤浆的应用系统图烧效率。从图2中还可以看出当氧气的浓度很大时,氧气浓度对水煤浆着火时间的影响较小,而且由于炭着火后的燃烬时间很短,进一步提高氧气的浓度虽然对于水煤浆在玻璃熔窑上的应用,为了提高水煤还可以缩短残炭的燃烟时间,但对总燃烧时间的影响浆的燃烧效率首先采用了更精细的水媒浆。将平均粒不大。度为50-60μm的常规水煤浆进一步磨细至20~25μm所以提高水煤浆燃烧效率的途径有①细化水煤左右短了水煤浆的燃烧时间提高了水煤浆的燃烧效率。另外采用了高温空气燃烧技术。由于在玻璃熔热能工程《工业加热》第33卷2004年第2期窑中所需的炉温很髙,利用常温的空气来燃烧水煤浆于在水煤浆的制备过程中进行了选煤工序,煤中的S不足以维持正常的炉温所以必须采用高温空气,方含量较低,而且还加入了耐高温固S剂,所以NOx和面能够提高水煤浆燃烧的温度,另一方面还可以提高SOκ的排放量都显著降低排烟黑度均可达到林格曼黑炉窑的热效率达到节能的效果。最后还采用了富氧燃度零级。烧采用的富氧浓度为27%大幅度提高了水煤浆的燃烧效率。采取上述三方面强化水煤浆燃烧的措施以后,5结论水煤浆在玻璃熔窑中应用的燃烧效率已达99.↓%取得(1影响水煤浆燃烧时间和燃烧效率的因素有水了显著的节能效益与环保效益煤浆颗粒直径环境氧的浓度燃烧环境温度以及煤的4.2点火工艺试验种类当煤的种类确定后减小颗粒直径增大氧气的试验表明对水煤浆进行高效燃烧后水煤浆可以浓度以及燃烧环境温度都可以降低水煤浆的燃烧时满足玻璃生产工艺的要求,表1是采用水煤浆作为燃。料调整后的玻璃配料及玻璃组成。可以看出改烧水(2)当水煤浆的颗粒直径较大时水煤浆的颗粒直煤浆后水煤浆燃烬的灰分使得玻璃的成分有所调整,径和燃烧环境温度对水煤浆的燃烧效率具有显著的影但并没有超出玻璃一般理论组成的范围。所以水煤浆响当氧气浓度较小时氧气浓度对水煤浆的燃烧效率燃烧后产生的灰分落入玻璃熔池后,不仅对玻璃的质产生很大的影响。量无大影响,相反可以替代玻璃粉料中一些较贵的配3湜高水煤浆燃烧效率的主要途径有细化水煤料,比如可以替代4%左右的纯碱和2%左右的硅砂可浆的颗粒直径提高燃烧环境温度增加氧气的浓度,以降低玻璃成本使产品更具有竞争力。采用富氧燃烧等。表1改烧水煤浆调整后的配料及其玻璃组成4随着水煤浆燃烧技术的不断发展水煤浆燃烧新配料比例所得玻璃组成效率的不断提高,水煤浆也已经成功地应用于玻璃行53.60SiO,70.18业中产生了巨大的经济效益与环保效益。石灰石参考文献:白云石Fe Oa0.37[1] MASAHIRO SAITO, MASAYOSHI SADAKATA, TAKESHI11.70AKALSingle Droplet Combustion of Coaloil Methanol10.60Water Mixtures[J]. Fuel, 1983,(62): 92-98铝矾土0.73Nao1444[2]岑可法猊明江曹欣玉.水煤浆滴的燃烧过程及其简化模水煤浆燃烧后灰分5.00型[].工程热物理学报,1984,5(3):35-4未燃水煤浆煤屑1.50B WALSH P M. Calculation of Carbon Conversion During合计100合计100Combustion of coal Water Fuel in industrial boilers[A]. 15 th Int Conf. on Coal Slurry Technologies[C]在玻璃熔窑上燃烧水煤浆只要保证水煤浆的正Washington, D. C: Coal Slurry Technology Associa-常稳定和完全高效燃烧通过适当控制空气消耗系数tion. 19 90π一般为1.1~1.25)而将熔化带温度稳定在1580℃4]张燕屏傅维标、.单颗水煤浆的蒸发、着火与燃烧规律的研或更高是不困难的,而且在火焰长度方向上的平均炉究[A.中国工程热物理学会第五届年会学术论文集[C]北温可达1480℃这对一般的玻璃生产来说温度方面京科学出版社,1985的要求是完全能够满足的。而且燃用水煤浆时炉温易5周力行燃烧理论和化学流体力学M北京科学出版社于控制温度变化平稳易于实现操作自动化。4.3效益分析WZ002974局部多孔体陶瓷的开发与应用—《工业加热》,对于一个年烧油量约20万t的玻璃生产企业如002wo839,No2,45-48(日)果将其玻璃窑全部改烧水煤浆,则可取得巨大的经济近年来局部多孔体陶瓷制品的开发、应用引人注目。这种陶瓷制品由致密部和多孔部构成,多孔部与致密部之间无结合效益和环保效益。在现有情况下直接从外地制浆厂购界面可用作多种用途。该陶瓷制品多孔部的材质为AlO3具有浆到厂的水煤浆价格约为500元/t,以2t水煤浆替耐磨、耐蚀、耐高温、高强度等特性可广泛用于精密机械、冶金、代1t油重油价格按1800元/t计算测其每年可取化工等工业领域。介绍了氧化铝多孔体部分的微观结构、气孔特得1.6亿元的直接代油效益。除此之外水煤浆作为一性、流体透过特性、特点及用途。照5图2参5种煤炭的清洁利用方式还可取得很好的环保效益。由[陈留根摘]7