水煤浆技术在煅烧回转窑上的应用与研究

加热没香《工业加热》第35卷2006年第1期水煤浆技术在煅烧回转窑上的应用与研究李华清!,谢水生1,刘金平2(1.北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室,北京10008;2.南昌大学机电工程学院,江西南昌330029)摘要:水煤浆技术是清洁高效的燃用煤技术,可以大幅度提高煤炭的燃烧率,降低粉尘和硫化物污染程度,是高能耗工业大有前途的供能方式。结合制镁企业煅白制备过程的工厂实践,对水煤浆技术在煅烧回转窑上的应用进行了初步探索和研究,总结了回转窑使用水煤浆加热的关键问题及其注意事项和解决办法。关键词:水煤浆;节能技术;回转窑中图分类号:TF8;TK9文獻标识码:A文章编号:1002-1639(200601-0028-03The application and Researching of cws to the Calcining Rotary KilnLI Hua-qing, XIE Shui-sheng, LIU Jin-ping(I. General Research Institute for Nonferrous Metals, State Key laboratory for Fabrication and processing of Nonferrous MetalsBeijing 100088, China; 2. Nan Chang University, Nanchang, Jiangxi 330029, China)Abstract: The Water-Coal-Slurry technology can improve the burning efficiency of coal and reduce the pollutions of dust and sulfur oxide byburning coal. It's the promising energy technique. The present paper studied the basal problems for applying the Cws on the rotary kilnsduring the calcining-dolomite process, summarized the key points of process and gave the corresponding resolvents.Key words: coal water shurry; technology of energy saving; rotary kiln前言2Ⅰ水煤浆燃烧的4个阶段(1)不等温加热阶段:主要是蒸发水分、预热及雾化。水煤浆是一种清洁高效的煤炭燃烧方式。作为代(2)水分蒸发阶段:快速加热使煤浆中水完全蒸发,油能源,近20年来在世界范围内得到广泛的应用与推煤颗粒结团广。中国从上世纪80年代开始着手大规模研究水煤浆(3)挥发分析出与燃烧阶段:水煤浆中的挥发分析技术,目前已经在理论研究和应用技术方面取得了很出并开始点火,是形成火焰阶段。挥发分自煤粉中分离大的成功1-3出来后向外扩散,遇到向煤粉粒子扩散的氧分子而燃烧,由于原煤的燃烧效率通常只有70%左右,而使用水因此在煤粉粒子外圉形成了一层燃烧产物层,如果煤粉煤浆则使煤炭的燃烧效率可达98%以上,因此推广水煤与周围空气间的相对速度如果太小,这一层燃烧产物将浆技术具有重大的节能意义。由于水煤浆燃烧充分,经很难消散。过除尘和除硫,燃烧水煤浆可以大大缓解燃煤造成的粉(4)焦炭燃烧与燃烬阶段:是水煤浆强烈燃烧阶段。尘和硫化物污染4s。水煤浆中煤颗粒的内在水和附着水产生水爆,伴随着水热还原制镁企业使用的煅烧回转窑通常采用燃烧重煤气反应,由于高速流入的二次空气,使煤粉颗粒周围油和煤粉来供热,能源消耗量巨大,以水煤浆代替煤粉供氧充分,所以燃烧剧烈而完全,以致最后焦炭燃烬。或重油,可以节省煤炭和石油资源,增加企业经济效益,表1中的数据反映出,水煤浆中水分的蒸发阶段很缓解国家能源紧张的局面短,所占时间不足全部燃烧时间的3%;挥发分析出与燃2水煤浆的燃烧机理烧阶段所占时间为10%左右;80%以上的时间是焦炭的水煤浆燃烧的基本原理是:将水煤浆在燃烧器附近燃烧与燃烬阶段。水分蒸发对水煤浆的燃烧遺成的影响进行预热蒸发,然后在压力介质作用下,使煤、水、气很小,更有利于挥发分的析出,以及发生水煤气反应,因三项物质均匀雾化,以利于煤浆水分的快速蒸发和煤中此水煤浆的燃烧剧烈而充分。可燃成分的高效率燃烧表1水煤浆燃烧过程的时间分布项目预加热水分蒸挥发分析出焦炭燃烧与阶段发阶段与燃烧阶段燃烬阶段总计收稿日期:2005-09-13甚金项目:国家自然科学基金资助项目(50374014)燃烧时间/s0.214649,4作者简介:李华清(1967-),男,博土研究生,研究方向为有色时间百分比3524510.586.7100金属及合金加热设备《工业加热》第35卷2006年第1期2.2水煤浆燃烧过程分析则直接影响中心部位回流区的形成和回流区的大小。通(1)水煤浆中含有30%~40%的水分,因此水煤浆常火炬张角介于25~40之间,另外火焰控制需要根据在燃烧时要损失部分热值(大约3%~4%,由于燃烧所回转窑的尺寸进行相应调整需的热量增加,所以水煤浆存在燃烧滞后的现象。(3)雾化介质与用量的选择:燃烧水煤浆时的雾化(2)水煤浆燃烧时,首先蒸发出水蒸汽和碳氢化合介质普遍釆用压缩空气或过热蒸汽,燃烧每公斤水煤浆物气体,再在高温下裂化成较小分子量的可燃气体及固所需的助燃空气量约为8m3。由于雾化介质的使用量较体煤粒,然后这两种成分燃烧。由于水分蒸发形成水蒸大,选择不同的介质会涉及到燃烧工序的经济指标。因气,与焦炭粒子发生水煤气反应,使水煤浆的燃烧非常此雱化介质要根据成本核算进行慎重选择。如能提供纯剧烈(水煤浆与煤粉燃烧释放的热值对比参见表2)氧助燃,必可显著提高燃烧温度,然而工业窑炉供纯氧表2水煤浆与煤粉燃烧热数据比较成本过高,而采用富氧鼓风却不失为一种好方法。水煤浆中的水分蒸发热占总水煤浆与煤粉3火焰的控制水分含量(%)燃烧热的比例(%)燃烧热比值火焰长度:是水煤浆从开始燃烧到完全燃烬的时间内气流在窑中所走的距离,即燃烧带长度。煤浆的燃烧速度2034与煤粉细度、煤粉与空气混合情况、一次及二次空气的比4058187例等因素有关。煤粉越细,或提高一次空气所占比例,均(3)伴随着挥发分的析出,水煤浆雾滴迅速干燥,所能使燃烧速度提高,从而使火焰缩短。火炬长度过短时,形成的炭粒比煤粉颗粒具有更大的比表面积和微孔容积燃烧过于集中,会导致局部温度过高;火炬过长时,局部参考表3。比表面积及微孔容积的大幅度增加,加快了煤燃烧不充分,而逸出大量CO,气体中℃O含量剧增,氧浓粒燃烧时的化学反应速度,提高了燃烧的充分程度。因度下降,从而造成不完全燃烧;另外火焰过长,易使烟气此水煤浆的燃烧效率通常在96%~99.8%之间温度提高,热损失增加,加大煤浆消耗量。表3水煤浆与煤粉燃烧残炭的比表面积和微孔容积实际生产过程中,火炬射程控制在10~30m之间,物理性质煤粉-炭水煤影炭火炬的射程还必须与炉膛的结构尺寸相匹配。比表面积/m11533空气过剩系数的控制微孔容积ml·gl0.080.12燃烧过程需要的空气分为两部分供给是必要的。(4)因为在制备水煤浆时,往往需要添加一些含钠次空气(包括雾化压缩空气和高压喷出雾化煤浆时产生的化学添加剂,致使烟尘中Na2O含量较高,导致烟尘的负压带人的空气两部分)与煤粉混合后喷入回转窑中;二电阻率下降,从而有利于尾烟的静电收尘。因为燃烧比次空气经过风机抽送及烧嘴的扰动喷入窑中供煤粉燃烧较充分,尾烟中灰尘含量已经很低,经过静电除尘后,排之用。一次空气主要是供给煤中挥发分的燃烧,二次空放的尾烟符合国家排放标准,达到林格曼黑度零级。气则为燃烧煤粉粒子所必需。一次风和二次风配比要适当,一般情况下一次风量约占10%~15%,甚至更低,3水煤浆燃烧过程主要工艺参数的控制这主要取决于煤浆在炉内能否保持良好的燃烧气氛。水煤浆燃烧过程涉及到诸多因素,其中以雾化控制、若把燃烧所需全部空气一次性与水煤浆混合,则挥发火焰控制、空气过剩系数的控制对燃烧状况影响较大,下分开始燃烧时,部分没有参加氧化反应的空气会吸收热量面分别进行讨论并随烟气排放,从而降低窑内温度。而采用分步送人的方31雾化参数的控制式将强烈扰动的二次空气迅速击碎包围在煤粉粒子外围的喷嘴雾化是水煤浆燃烧的关键技术之一,雾化性能燃烧产物层,增加了煤粉与空气的接触使煤粒充分燃烧。的好坏直接影响水煤浆的燃烧效率。水煤浆要求有足够进风量的大小可根据空气过剩系数δ来控制。空气过的喷出速度以及较高的动能,以便得到细小的水煤浆雾剩系数δ指实际燃烧所用的空气量与燃烧需求空气量理论化液滴、合适的煤浆雾化喷射角和火炬射程计算值之比。δ值过大、过小都会影响燃烧温度,参见表(1)喷口速度和压力参数的选择:水煤浆以喷雾方4,故合理控制δ值是控制燃烧温度的主要措施。实际生式进入燃烧区,入口速度很高,一般为200~300ms;产中值一般控制在105~115之间水煤浆压力介于04~07MPa之间,雾化介质的压力介表4空气过剩系数与水煤浆燃烧状况的关系于07~1.0MPa之间。两者的压差应当尽量接近,相差空气过剩燃烧状况太大会造成负压堵塞,影响生产系数δ(2)雾化喷射角的控制:啧嘴的雾化喷射角要与所δ>1水煤浆燃烧完全,燃烧产物中有多余的O2,燃烧温度较低采用的燃烧器相适应,以得到合理的雾化角度。雾化角δ<1燃烧反应不完全,CO2含量高,结渣现象严重,燃烧温度偏低太大,火炬过分扩张容易引起粘壁现象;若雾化角太小,δ=1水煤浆燃烧充分,燃烧温度最高H理一加搞设备《工业加热》第35卷2006年第1期经过预热的二次空气对于提高水煤浆的燃烧温度有很炬形状以及火炬长度等工艺参数是获得最佳燃烧效果的大帮助,随着预热温度的升高,水煤浆的燃烧温度会随之有效途径升高(影响幅度参见表5)。实际操作中二次空气通常预热5结语至300~500℃后送入回转窑,以获得较高的燃烧温度。水煤浆技术是清洁高效的燃用煤技术,在热还原制另外,随着空气过剩系数的增加,燃烧温度趋于下降。表5二次空气预热温度与空气过剩系数对镁企业以及能源消耗量较大的工业企业具有很好的应用水煤浆燃烧温度的影响℃前景。掌握相关的技术参数后可以使煤炭的燃烧效率从空气预热温度不同空气过剩系数对应的水煤浆理论燃烧温度70%提高到98%以上,是节省能源和企业增效的一个理8=1.0d=1.1想的能源利用形式。同时由于粉尘污染和硫化物污染被172215791432大幅度降低,也达到了国家规定的环保排放标准。20Cl881l7621644400203819371835参考文献:4影响水煤浆燃烧过程的关键因素[l]朱霞,陈俊.水煤浆燃烧技术探讨[J.工业锅炉,2004,影响水煤浆燃烧效果的因素有许多,从生产实践的角(3):18-20度,可以归纳为以下几方面:(1)水煤浆的喷射压力;(2)[2]于海龙,赵翔,周志军,等.煤浆浓度对水煤浆气化影响雾化空气的压力和供给量;(3)助燃风的供给量和预热温的数值模拟[」中国动力工程学报,2005,25(2):217-221度;(4)回转窑的内部尺寸及结构;(5)尾气排出量;(6)[3]付晓恒,王祖衲,柴保明,等精细水煤浆制备与应用技术炉膛及烟道内的灰渣堆积量;(⑦)水煤浆燃烧器插入烧嘴的研究[J.煤炭学报,2004,29(2):226-229中的深度;(8)炉膛壁及烟道壁的热量散失等。4]张延霖,邱学清,王卫星.水煤浆添加剂的发展方向[J.现由于煅烧转窑的结构参数不能轻易改动,所以通代化工,2004,23(3):16-19.过控制雾化效果、一次二次送风量、空气过剩系数、火5]陈俊丽,余首炜,陈春华.多灰水煤浆生产应用现状及市场前景分析[J.工业炉,2005,27(1:15-18.(上接第21页)备了致密度高,导热性能良好的AN陶瓷从图10可以看出,保温时间为1h时,烧结体的相对(5)空心阴极等离了烧结方法可应用于难熔金属铈密度为9701%,保温时间为2h时,烧结体的相对密度达钨合金坯料的烧结。温度可达2500℃,烧结密度可达到9771%,在保温时间为3h的条件下,烧结体的相对密178g/cm3,与垂熔烧结的水平相当。度迅速的增加到98.89%。当进步延长保温时间,烧结体的密度基本不变。这种情形可以解释为:当保温时间较短参考文献时,烧结过程中所形成的低共熔铝酸盐液相通过液相烧结陈宗柱,高树香.气体导电(下).南京:南京工业学院出版社,1988:27机制消除气孔的效应不够显著,因而氮化铝烧结体的致密[2] SCHOENBACH KH, VERHAPPEN R, TESSNOWT, et al.度不高。随着保温时间的延长,晶粒长大,更多的气孔被Microhollow Cathode Discharges [J]. Appl. Phys. Lett. 1996消除,因而氮化铝烧结体的密度逐渐增大。在保温3~568(1):13-15h的情况下,由于液相烧结机制对于烧结致密化的促进作3 KYUNG CHEOL CHOI, HEUNG-SIK TAE. The Character-istics of Plasma Display with the Cylindrical Hollow Cathode用已经足够显著,所以AN烧结体的密度基本上保持不变J]. IEEE TRANSACTIONSON ELECTRON DEVICES, 19995结语46(12):2344-2347「4]马占华,汪南豪.电火箭空心阴极发射体寿命研究[J.上(1)空心阴极点燃电压U是一个与d及p值有关的变海航天,2002,(5):60-62量,对同一值,U则随p值的升高而增大;而在同→P值 ZHIHUA LI, QING ZHAO, DEQING LI. Study of Hollow时,U随a值增大而略有下降。在电压一定的条件下,空Cathode Penetrating Arc Welding Technology []. Journal ofMaterials Processing Technology. 2002, 123(3): 382-384心阴极点燃存在一个山组合的临界值,小于这个临界值6 SOUKUP RJ, IANNO NJ, PRIBIL C,ca.、 Deposition of空心阴极便不能点燃。High Quality Amorphous Silicon, Germanium and Silicon Germa(2)空心阴极放电的功率与电压和气压基本上成线nium thin Films by a Hollow Cathode Reactive Sputtering System性关系。J]. Surface and Coatings Technology. 2004, 177-178: 676-681[刀王从曾,苏永安,唐宾.空心阴极粉末冶金制品烧结工艺(3)空心阴极等离子烧结过程、温度和烧结质量可研究[.新技术新工艺,1993.(6):20-21通过调节电压和气压容易地加以控制。能够满足各种不8]王从曾,苏学霓,马捷.空心阴极等离子烧结功率输出特同材料,特别是高熔点金属的烧结性研究[.粉末冶金技术,200018(3):187-190[9] BRUNATTO S F, KUHN, KLEIN A N, et al. Sintering Iron(4)空心阴极等离子烧结技术是烧结ANN陶瓷的一Using a hollow Cathode Discharge [. materials Science and种有效方法,在较低的温度、较短的保温时间条件下制Engineering A,2003,343:163-169