水煤漿的強化燃燒技術(shù)及其工業(yè)應用

翠熱能工程《工業(yè)加熱》第33卷2004年第2期水煤漿的強化燃燒技術(shù)及其工業(yè)應用夏德宏,吳永紅北京科技大學(xué)熱能工程系,北京100083)摘要∶通過(guò)簡(jiǎn)化水煤漿的燃燒模型計算了水煤漿的燃燒時(shí)間分析了影響水煤漿燃燒效率旳因素提岀了改善水煤漿燃燒效率的途徑并介紹了國內首次在玻璃熔窯上進(jìn)行的水煤漿燃燒應用試驗關(guān)鍵詞:水煤漿撚燒時(shí)間燃燒效率詖璃熔窯中圖分類(lèi)號:TF066.12文獻標識碼:A文章編號:1002-1639(2004)2000404Combustion Intensification of Coal-water SlurryⅪ IA De-hong, WU Yong-hoiDept. 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 furnace of glass for the first time in China.Key words: Coal-Water Slurry; combustion time; combustion efficiency; melting furnace of glass近年來(lái)隨著(zhù)水煤漿燃燒技術(shù)的不斷推廣水煤漿燃燒1前言技術(shù)也已經(jīng)成功地應用于陶瓷行業(yè)與玻璃行業(yè)中由水煤漿燃燒技術(shù)經(jīng)過(guò)十多年的科技攻關(guān)及工業(yè)應于燒制陶瓷和玻璃時(shí)對原料的成分要求很高,如果水用實(shí)踐,已經(jīng)在工業(yè)爐竄(如加熱爐、鍋爐等)上得到了煤漿沒(méi)有得到完全燃燒,未燃燼的殘碳混入陶瓷或玻成功的應用并取得了一系列的研究成果和寶貴經(jīng)驗。璃中會(huì )對產(chǎn)品的質(zhì)量造成一定的影響,這對水煤漿燃燒技術(shù)提出了更高的要求。如何拓寬水煤漿的工業(yè)應收稿日期2003-09-11;修回日期20031218用范圍提高其燃燒效率從而進(jìn)一步提高水煤漿應用作者簡(jiǎn)介夏德宏(103)男湖南津市人北京科技大學(xué)熱能的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益是當前所面臨的主要問(wèn)題。本工程系教授主要研究能源的清潔與高效利用(3)應用雙股射流回卷吸手段實(shí)現了低氧(15%以[2]祁海鷹李宇紅高溫空氣燃燒技術(shù)的國際發(fā)展動(dòng)態(tài)小]工業(yè)下燃燒大大降低NOx排放量加熱2003(1):1-6(4)采用空氣、煤氣雙蓄熱燃燒方式較好地解決我8朱彤饒文濤低NO高溫空氣燃燒技術(shù)門(mén)熱能動(dòng)力工國燃料熱值不高的難題程2001916)328331(5)體積小結結構緊湊操作靈活維護方便。王愛(ài)華李紅軍DRL燃燒器設計研究[J冶金能源20034結語(yǔ)5]李朝祥高效蓄熱式熱交換器的設計研究[D]沈陽(yáng):東北大本文設計研究了一套新型蓄熱式燃燒系統,具有高效、低氧燃燒和低Noκ排放等優(yōu)點(diǎn)。該燃燒器對于開(kāi)圓6]蔡九菊于娟.陶瓷球蓄熱室傳熱特性的研究卩]鋼鐵,發(fā)適合我國國情的高溫蓄熱燃燒系統具有重要意義由于高溫空氣燃燒機理非常復雜,對于該系統的研制郭伯偉漲耆一工業(yè)爐發(fā)展與蓄熱式燃燒器的應用工業(yè)開(kāi)發(fā)工作仍需做進(jìn)一步的探討和分析。加熱20013)5-9[8]王力軍蔡九菊高溫空氣燃燒回流混合模型研究門(mén)包頭鋼參考文獻鐵學(xué)院學(xué)報2001203)210213[1 TOSHIAKI HASEGAWA, RYOICHI TANAKA. High Tem「9]比埃爾JM爾NA燃憾空氣動(dòng)力學(xué)M]北京科學(xué)perature Air Combustion Contributing To Energy and出版社A中國煤化工Pollutant Reduction In Industrial Furnace().高溫空10岑可法樊dCNMHG及計算M]杭州氣燃燒新技術(shù)講座北京中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì )聯(lián)合會(huì )1999浙江大學(xué)出版社1990米熱能工程《工業(yè)加熱》第33卷2004年第2期文旨在分析影響水煤漿燃燒效率的主要因素,提出強2.2水煤漿的燃燒時(shí)間化燃燒的方法從而拓寬水煤漿的應用范圍為了簡(jiǎn)化水煤漿的燃燒模型,計算水煤漿的燃燒2水煤漿燃燒模型和燃燒時(shí)間時(shí)間,從而揭示提高水煤漿燃燒效率的途徑本文將霧化后的水煤漿液滴簡(jiǎn)化為一個(gè)實(shí)心的球形煤粉顆粒。2.1水煤漿燃燒過(guò)程及其燃燒模型由于水煤漿中水分蒸發(fā)的時(shí)間占總燃燒時(shí)間的比例很水煤漿霧化后以霧炬的形式噴入爐膛內部,由于受到高溫煙氣的對流及輻射作用,水煤漿以很高的速小在水煤漿的整個(gè)燃燒過(guò)程中由于高溫的作用水分蒸發(fā)過(guò)程幾乎在瞬間完成,所以在計算水煤漿燃燒度被加熱從而達到著(zhù)火并燃燒整個(gè)過(guò)程包括霧化、水時(shí)間的時(shí)候水分蒸發(fā)的時(shí)間可以忽略不計即忽略蒸分蒸發(fā)、揮發(fā)分的析岀與著(zhù)火和燃燒、焦炭燃燒、灰渣發(fā)對燃燒過(guò)程的影響。而且經(jīng)過(guò)分析也表明盡管水煤及排放物的形成等階段。水煤漿的燃燒過(guò)程是一個(gè)極漿漿滴中煤粒的結團使粒徑增大以及水煤漿漿滴中的其復雜的物理和化學(xué)過(guò)程,其燃燒機理比重油和煤粉水分都使漿滴燃燒時(shí)間延長(cháng),但因為漿滴中焦炭的燃更加復雜,為了深入研究水煤漿的燃燒機理需要對水燒速度比煤粉中焦炭的燃燒速度要快,從而彌補了結煤漿的各個(gè)燃燒過(guò)程分別建立數學(xué)模型。在近二十年團和水分造成的對燃燒的不利因素,水煤漿漿滴總的的研究過(guò)程中,人們對水煤漿的研究重點(diǎn)放在應用技燃燒速度、燃燒時(shí)間、燃熾率都接近于單顆煤粒。因此術(shù)開(kāi)發(fā)和對單滴水煤漿燃燒過(guò)程的機理研究方面并為了計算水煤漿漿滴的燃燒時(shí)間,從而進(jìn)一步分析影建立了一些單滴水煤漿燃燒模型凹。響水煤漿燃燒效率的因素,將水煤漿漿滴簡(jiǎn)化為煤粉在對水煤漿單滴燃燒研究的基礎上,國內外研究顆粒是可以滿(mǎn)足計算要求的。人員提岀了—個(gè)簡(jiǎn)化的燃燒模型吲將水煤漿的燃燒過(guò)很多學(xué)者對煤粒的燃燒進(jìn)行了科學(xué)計算與實(shí)驗研程分為水分蒸發(fā)、揮發(fā)分析出和焦炭燃燒這三個(gè)階段,究建立了大量的數學(xué)模型而且得到了一些有用的實(shí)并相互略有重疊,認為水分蒸發(fā)是在某平衡溫度Tk下驗結果與經(jīng)驗公式根據文獻[5]煤粒的著(zhù)火時(shí)間為進(jìn)行蒸發(fā)符合 Spalding水滴蒸發(fā)理論。而揮發(fā)分析出過(guò)程采用了簡(jiǎn)單的單組分析出模型對整個(gè)揮發(fā)物的T=16.45×105(1)析出用一個(gè)綜合的反應速度來(lái)表征。模型中還考慮了焦炭燃燒和揮發(fā)分析出的重疊以及漿滴在燃燒過(guò)程中殘炭的燃燼時(shí)間為的直徑變化。計算表明,水分蒸發(fā)約占總燃燒時(shí)間的7=2.28×1000-Ad(2)8%揮發(fā)分析出約占總燃燒時(shí)間的20%文獻[3]中建立了一個(gè)模型專(zhuān)門(mén)用來(lái)計算水煤漿在工業(yè)鍋爐中碳的轉式中為煤顆粒直徑,m;Y為環(huán)境的氧氣濃度,%T化率將未燃物的來(lái)源分成兩大部分,一部分是由于焦為燃燒環(huán)境溫度K;A。為殘炭中的灰含量,%;為殘炭炭粒子太大因此在爐內停留的時(shí)間之內無(wú)法燃熾另的密度kg/m。一部分是由于煙氣和顆粒群過(guò)分集中混合不良引起的所以單顆粒水煤漿總的燃燒時(shí)間約為焦炭無(wú)法燃燼并分別加以考慮。另外文獻[4]在低Re數低Bi數的條件下建立了單滴漿滴的著(zhù)火模型揮7164510032+280044-(3)100發(fā)分采用雙方程并就顆粒大小的變化進(jìn)行了計算還從式(3河以看岀影響水煤漿燃燒時(shí)間和燃燒效與實(shí)驗進(jìn)行了比較率的因素有水煤漿顆粒直徑d環(huán)境氧的濃度Y∝。燃幾乎所有的水煤漿燃燒模型都是建立在單滴水煤漿燃燒模型的基礎上,單顆水煤漿漿滴在整個(gè)燃燒過(guò)燒環(huán)境溫度T以及煤的種類(lèi)當煤的種類(lèi)確定后減程中經(jīng)歷了復雜的物理化學(xué)過(guò)程,漿滴在整個(gè)燃燒過(guò)顆粒直徑,增大氧氣的濃度以及燃燒環(huán)境溫度都可以程中變化規律的?；瘑?wèn)題包括水煤漿的霧化過(guò)程、液降低水煤漿的燃燒時(shí)間。滴的形成、液滴蒸發(fā)、顆粒與周?chē)鷤鳠?、顆粒之間相互3提高水煤漿燃燒效率的途徑作用、煤的加熱、顆粒揮發(fā)物析出、顆粒的非均相反應、水煤漿的燃燒效率與其燃燒時(shí)間有關(guān),水煤漿的煤漿蒸發(fā)揮發(fā)過(guò)程中的結團與破碎以及煤顆粒與壁面燃燒時(shí)間越短說(shuō)明水煤漿燃燒越充分水煤漿的燃燒的相互作用等問(wèn)題。整個(gè)水煤漿燃燒模型的求解需要效率也就越高為7提高水煤漿的燃燒效率就應該盡進(jìn)行復雜的傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應計算不能直觀(guān)地量降低水煤漿中國煤化工3)取原煤密度反映出水煤漿的燃燒效率,很大程度上限制了其應p=1400kg/mCNMH漿液滴為例進(jìn)用行計算,燃燒環(huán)境溫度分別取1300,1400,1500,16005翠熱能工程《工業(yè)加熱》第33卷2004年第2期K水煤漿燃燒時(shí)間的計算結果如圖1和圖2所示漿的顆粒直徑。水煤漿的平均顆粒直徑對水煤漿燃燒效率的影響比較明顯,為了減小水煤漿的顆粒直徑需12要將水煤漿曆得更細。所以在對燃燒效率要求很高的1300K爐窯中用水煤漿時(shí)水煤漿中煤顆粒的直徑一般較小。1500K②提高燃燒環(huán)境溫度。提高燃燒環(huán)境溫度可以大幅度提高水煤漿的燃燒效率,燃燒環(huán)境溫度與很多的因素有關(guān)最直接、最有效的方法是對助燃空氣進(jìn)行高溫預熱,近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的高溫空氣燃燒技術(shù)就是一種直徑d高效率的燃燒技術(shù)不僅可以提高燃燒效率還可以對圖1顆粒直徑對水煤漿燃燒時(shí)間的影響余熱進(jìn)行充分的回收并降低CO2和NOx的排放。但是由于水煤漿燃燒時(shí)火焰含塵較高,不能采用比表面1300K積很大的陶瓷蜂窩體和蓄熱球,只能采用比表面積稍1400K500K大的蓄熱磚。③增加氧氣的濃度采用富氧燃燒。提高一1600K氧氣的濃度可以在一定程度上提高水煤漿的燃燒效率提高理論燃燒溫度使水煤漿燃燒更加充分。另外,采用低灰優(yōu)質(zhì)的水煤漿或者采用預燃室對水煤漿進(jìn)行燃燒等都可以提高水煤漿的燃燒效率。10%20%30%40%50%氧氣濃度Y4水煤漿燃燒技術(shù)在玻璃行業(yè)中的應用圖2氧氣濃度對水煤漿燃燒時(shí)間的影響隨著(zhù)水煤漿燃燒技術(shù)的不斷發(fā)展,水煤漿燃燒效率的不斷提高水煤漿也已經(jīng)初步應用于玻璃行業(yè)中圖1表示在不同的燃燒環(huán)境溫度下,環(huán)境的氧氣成為了一種理想的代油燃料。從2003年1月開(kāi)始在國濃度為21%時(shí),水煤漿顆粒直徑對水煤漿燃燒時(shí)間的內某大型玻璃公司的玻璃熔窯上進(jìn)行了水煤漿工業(yè)應影響。從圖1中可以看出減小水煤漿的顆粒直徑和提用試驗并一次點(diǎn)火成功取得了水煤漿在玻璃熔窯上高燃燒環(huán)境溫度可以有效地縮短水煤漿的燃燒時(shí)間應用的經(jīng)驗并且展示了巨大的經(jīng)濟效益前景。從而提高水煤漿的燃燒效率。當水煤漿的顆粒直徑較4.1水煤漿應用系統技術(shù)大時(shí),水煤漿中煤顆粒直徑的大小以及燃燒環(huán)境溫度水煤漿在玻璃熔窯上的應用包括廠(chǎng)區與管道輸對水煤漿燃燒效率的影響很大,但隨著(zhù)水煤漿顆粒直送爐前漿質(zhì)調整璃熔窯內的水煤漿燃燒與點(diǎn)火技徑的不斷減小由于水煤漿燃燒越來(lái)越充分水煤漿顆術(shù)等圖3是該系統的示意圖。儲漿罐粒直徑和燃燒溫度對水煤漿燃燒效率的影響在逐漸減卸漿泵小尤其是在顆粒直徑<50μm的時(shí)候燃燒環(huán)境溫度攪拌罐和顆粒直徑對水煤漿燃燒效率的影響很小。圖2是在不同的燃燒環(huán)境溫度下,水煤漿顆粒直空壓機泵徑為100μm環(huán)境的氧氣濃度對水煤漿燃燒時(shí)間的影燃燒泵濾器響。從圖2中可以看出提高氧氣濃度可以減小水煤漿玻璃熔窯的燃燒時(shí)間從而達到提高水煤漿燃燒效率的目的。由于煤的燃燒速度與氧氣的濃度有關(guān),增大氧氣的濃度可以提高碳的氧化反應速率,因而可以提高水煤漿燃圖3水煤漿的應用系統圖燒效率。從圖2中還可以看出當氧氣的濃度很大時(shí)氧氣濃度對水煤漿著(zhù)火時(shí)間的影響較小,而且由于炭著(zhù)火后的燃燼時(shí)間很短,進(jìn)一步提高氧氣的濃度雖然對于水煤漿在玻璃熔窯上的應用,為了提高水煤還可以縮短殘炭的燃熾時(shí)間,但對總燃燒時(shí)間的影響漿的燃燒效率了面轄如的水煤某漿。將平均粒中國煤化工不大所以提高水煤漿燃燒效率的途徑有①細化水煤左右縮短了水水NM令細至20-25pm度為50-60μmC水煤漿的燃燒效率。另外采用了高溫空氣燃燒技術(shù)。由于在玻璃熔米熱能工程《工業(yè)加熱》第33卷2004年第2期窯中所需旳爐溫很高,利用常溫的空氣來(lái)燃燒水煤漿于在水煤漿的制備過(guò)程中進(jìn)行了選煤工序,煤中的S不足以維持正常的爐溫所以必須采用高溫空氣,方含量較低,而且還加入了耐高溫固S劑,所以NOx和面能夠提高水煤漿燃燒的溫度,另一方面還可以提高SOα的排放量都顯著(zhù)降低排煙黑度均可達到林格曼黑爐窯的熱效率達到節能的效果。最后還采用了富氧燃度零級。燒采用的富氧濃度為27%大幅度提高了水煤漿的燃燒效率。采取上述三方面強化水煤漿燃燒的措施以后5結論水煤漿在玻璃熔窯中應用的燃燒效率已達99.4%取得1影響水煤漿燃燒時(shí)間和燃燒效率的因素有水了顯著(zhù)的節能效益與環(huán)保效益煤漿顆粒直徑環(huán)境氧的濃度燃燒環(huán)境溫度以及煤的4.2點(diǎn)火工藝試驗種類(lèi)當煤的種類(lèi)確定后減小顆粒直徑增大氧氣的試驗表明對水煤漿進(jìn)行高效燃燒后水煤漿可以濃度以及燃燒環(huán)境溫度都可以降低水煤漿的燃燒時(shí)滿(mǎn)足玻璃生產(chǎn)工藝的要求,表1是采用水煤漿作為燃間料,調整后的玻璃配料及玻璃組成?？梢钥磳绺臒?2)水煤漿的顆粒直徑較大時(shí)水煤漿的顆粒直煤漿后水煤漿燃燼的灰分使得玻璃的成分有所調整,徑和燃燒環(huán)境溫度對水煤漿的燃燒效率具有顯著(zhù)的影但并沒(méi)有超出玻璃一般理論組成的范圍。所以水煤漿響當氧氣濃度較小時(shí)氧氣濃度對水煤漿的燃燒效率燃燒后產(chǎn)生的灰分落入玻璃熔池后,不僅對玻璃的質(zhì)產(chǎn)生很大的影響。量無(wú)大影響,相反可以替代玻璃粉料中一些較貴的配3提高水煤漿燃燒效率的主要途徑有細化水煤料,比如可以替代%左右的純堿和2%左右的硅砂,可漿的顆粒直徑提高燃燒環(huán)境溫度增加氧氣的濃度,以降低玻璃成本使產(chǎn)品更具有競爭力。采用富氧燃燒等。表1改燒水煤漿調整后的配料及其玻璃組成%〔4隨著(zhù)水煤漿燃燒技術(shù)的不斷發(fā)展水煤漿燃燒新配料比例所得玻璃組成效率的不斷提高,水煤漿也已經(jīng)成功地應用于玻璃行70.18業(yè)中產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益與環(huán)保效益石灰石3.34參考文獻白云石[1] 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Fuel, 1983, (621444[2]岑可法倪明江曹欣玉.水煤漿滴的燃燒過(guò)程及其簡(jiǎn)化模水煤漿燃燒后灰分5.00型[J工程熱物理學(xué)報,1984,5(3):35-4未燃水煤漿煤B WALSH P M. Calculation of Carbon Conversion During合計100Combustion of coal water fuel in industrial boilers在玻璃熔窯上燃燒水煤漿只要保證水煤漿的正Washington, D. C: Coal Slurry Technology Associa-常穩定和完全高效燃燒通過(guò)適當控制空氣消耗系數tion. 1990π一般為1.1~1.25)而將熔化帶溫度穩定在1580℃圍4]張燕屏傅維標.單顆水煤漿的蒸發(fā)、著(zhù)火與燃燒規律的研或更高是不困難的,而且在火焰長(cháng)度方向上的平均爐究[A.中國工程熱物理學(xué)會(huì )第五屆年會(huì )學(xué)術(shù)論文集[C]北溫可達1480℃這對一般的玻璃生產(chǎn)來(lái)說(shuō)溫度方面京科學(xué)出版社,1的要求是完全能夠滿(mǎn)足的。而且燃用水煤漿時(shí)爐溫易周力行,燃燒理論和化學(xué)流體力學(xué)隊,北京科學(xué)出版社,于控制溫度變化平穩易于實(shí)現操作自動(dòng)化4.3效益分析WZ002974局部多孔體陶瓷的開(kāi)發(fā)與應用—《工業(yè)加熱》對于一個(gè)年燒油量約20萬(wàn)t的玻璃生產(chǎn)企業(yè),如002ol39,No2,45-48(日)果將其玻璃窯全部改燒水煤漿,則可取得巨大的經(jīng)濟近年來(lái)局部多孔體陶瓷制品的開(kāi)發(fā)、應用引人注目。這種陶瓷制品由致密部和多孔部構成,多孔部與致密部之間無(wú)結合效益和環(huán)保效益。在現有情況下直接從外地制漿廠(chǎng)購界面可用作多種用途。該陶瓷制品多孔部的材質(zhì)為AO3具有漿,到廠(chǎng)的水煤漿價(jià)格約為500元,以2t水煤漿替耐磨、耐蝕、耐高等怯性可廣沅田王精密機械、冶金代1t油重油價(jià)格按180元/t計算,則其每年可取化工等工業(yè)領(lǐng)域。中國煤化工微觀(guān)結構、氣孔特得1.6億元的直接代油效益。除此之外水煤漿作為性、流體透過(guò)特性CNMHG種煤炭的清潔利用方式還可取得很好的環(huán)保效益。由[陳留根摘]7