1、水煤漿燃燒器的結構設計摘要我國擁有豐富的煤礦資源，研究燃燒效率高的燃燒器不僅能帶來巨大的經濟、環保效率，還能為節約能源做出貢獻。本為在充分了解水煤漿的特性及目前已有的燃燒器的基礎上，創新設計出一種新型的葉片型CWS水煤漿旋流燃燒器，與別的燃燒器相比，具有使用壽命長、結構簡單、啟動速度快等一系列優點。關鍵詞：葉片型燃燒器、撞擊式霧化噴嘴、氮硅基陶瓷、二次風氣流前言 我國礦物能源以煤為主，大力發展潔煤技術，高效清潔地利用煤炭資源，對于促進能源與環境協調發展，滿足國民經濟快速穩定發展需要，具有極其重要的戰略意義。煤炭液化、汽化和漿化成為先進工業國家普遍重視的研究課題。水煤漿則是煤炭液化的最佳成果，也

2、是煤炭潔凈利用最廉價的實用技術。本文以高效清潔地利用煤炭資源為出發點，通過改進已有燃燒器的噴嘴結構、材料的使用等，創新出一種較之以往燃燒器使用壽命更長、燃燒效率更高、啟動速度更快等一系列有點。第一節 水煤漿1.1水煤漿的概述1.1.1水煤漿的定義水煤漿以煤炭（由70左右的煤炭，30左右的水和少量藥劑混合制備而成的液體）為主要材料，可然部分，以水（3040）為輔材料，載體，助燃、經過專用設備和工藝的研磨、細化，達到一定的粒度級配，充分均勻混合，在化學添加劑（13%）的作用下保證均勻、穩定、流動的懸浮液體1。 1.1.2 我國水煤漿的發展歷程 中國的水煤漿技術研究始于1982年。1983年1月，“

3、水煤漿制備與燃燒技術”被列為國家“六五”科技攻關項目2，同年5月，“大同水煤漿”研制成功，并首次在實驗室試燒成功，1984年8月，在北京造紙一廠20t/h工業鍋爐代油燃燒成功，同時建成撫順勝利礦、棗莊八一礦30kt/a簡易制漿生產線。“七五”期間，擴大了水煤漿工業應用的試燒規模和范圍，制漿方面，建成了撫順勝利礦70kt/a和棗莊八一礦50kt/a2個制漿廠。 隨后在北京造紙一廠60t/h，北京印染廠20t/h燃油工業鍋爐及軋鋼加熱爐、鍛造加熱爐、隧道窯等工業窯爐上改燒水煤漿獲得成功，建立了一批示范應用點。“八五”期間，針對大型電站鍋爐燃用水煤漿及與之配套的大型制漿廠建設，進行國家“八五”科技攻

4、關和工程建設，建成了北京和兗日2個250kt/a水煤漿廠，棗莊八一礦250kt/a水煤漿廠1996年底建成，改造了白楊河電廠3號230t/h鍋爐，并于1995年12月進行連續72h試運行，燃燒穩定 “九五”期間，開發出了35t/h水煤漿專用鍋爐，完成了白楊河電廠1號鍋爐的改造，成為集水煤漿制漿、燃燒為一體的系統示范基地，進行了北京造紙一廠燃燒器改造和廠區水煤漿系統改造。2001年7月大同匯海30萬t/a的制漿廠一期工程已竣工投產，擬向燕山石化和廣東地區供漿。目前，勝利油田50萬t/a的制漿廠正在運轉，大同匯海100萬t/a的制漿廠已經擴建，廣東南海電廠200萬t/a 的制漿廠正在試運行。 1.

5、1.3水煤漿的生產意義 煤漿是一種新型煤基流體潔凈環保燃料，發展和應用水煤漿既具有實意義，又具有戰略 意義。1.替代部分燃料油，彌補石油資源的相對不足我國油氣資源相對貧乏，人均石油資源量和人均產油量僅為世界平均水平的18%和21%，石油供需矛盾日益突出3，從行業看，主要集中在電力系統、石油石化系統、建材 行業等。水煤漿的應用對象主要是發電鍋爐、熱電聯供鍋爐、工業鍋爐、油田的采暖爐、熱 采爐和陶瓷熱風爐等。從地區上看，廣東省燃料油消耗約占全國燃油總量的1/3。水煤漿的 應用，不僅給燃油企業帶來明顯的經濟效益，同時可以節約外匯、節省石油資源，對我國 節約和替代石油資源、優化和改善能源結構，將起到積

6、極的作用。 2.代替散煤燃燒，降低污染、改善環境 目前我國水煤漿應用，除代油外還有利于環保。 我國煤炭約85%用于直接燃燒，煤炭占 終端能源消費的33.8%4。能源終端利用效率僅為32%左右，比先進國家低10%左右。我國現有 的50萬臺工業鍋爐中，10t/h的占80%，4t/h的占43%，平均鍋爐運行效率為60%65% 。燃煤引起酸雨覆蓋區已超過國土總面積的30%。將水煤漿用于中小型層燃鍋爐，替代直接燒散煤，既可以取消城市煤場，減少散煤運輸 造成的損失和粉塵污染，又可提高燃燒效率10%15%，降低污染物排放。 1.2水煤漿的特點水煤漿是20世紀70年代興起的煤基液態燃料，可作為爐窯燃料或合成氣

7、原料，具有燃燒穩定、污染排放少等優點5。同時水煤漿是一種燃燒效率較高和低污染的較廉價的潔凈燃料，可代重油緩解石油短缺的能源安全問題，其主要特點如下。1.2.1環保特點水煤漿做為清潔燃料，其清潔性主要表現在制漿時剔除部分有害物質和燃料充分等方面。同煤炭直接燃燒相比，具有明顯的環境效益， 一是水煤漿由于經過精加工，其硫、灰分含量低，所以原料較煤炭更加清潔， 二是燃燒方式更為科學燃燒率高，熱效率高，節約燃料，減少了污染物質的排放，所以燃燒過程符合清潔生產要求； 三是水煤漿密封存放，占地面積少，沒有煤、灰場的二次污染6。1.2.2 經濟特點 價格相對低廉：水煤漿和混合煤氣發生爐煤氣的可比價格相當，均遠

8、低于其他燃料； 制備成本較低：當供熱功率較大時，水煤漿投資費用相對較低。同時人工費用在鍋爐臺數較多時相對成本也較低7。1.2.3 燃燒特點水煤漿的燃燒過程8一般先通過霧化器將水煤漿霧化成細小的漿滴，一個漿滴通常包括若干細小的煤粉顆粒，進入爐膛后，漿滴受熱蒸發，將煤粉顆粒暴露在爐膛內，然后發生與煤粉爐內煤粒類似的燃燒過程，直到燃盡。從總體來看，在霧化器噴口處，水煤漿呈霧炬形燃燒，如圖11所示。 圖11 水煤漿的霧炬形燃燒水煤漿經霧化以后高速噴入爐膛，在噴口處形成霧炬。霧炬在高溫煙氣對流及輻射作用下，迅速升溫，并開始水分蒸發，其中的煤粉顆粒發生結團。當漿滴溫度升高到300400時9，其中的揮發分開

9、始析出并率先著火，形成火焰；此后進入強烈燃燒階段，同時焦炭開始燃燒，直至徹底燃盡。對比煤粉爐內煤粉的燃燒，水煤漿燃燒主要有以下特點： 水煤漿著火前需要多余的熱量蒸發水分，同時水煤漿霧炬的入口速度相當高，是普通煤粉爐一次風的近10倍，所以水分蒸發的很快，但仍存在0.51m的脫火距離。 水分蒸發會浪費部分熱值（34%）,但燃燒特性要優于普通煤粉燃燒。其表面積和微孔容積都要比煤粉顆粒大，有利于揮發分的析出，提高焦炭的燃燒速度。 水煤漿的燃燒火焰穩定，但燃燒火焰溫度低；同時由于水分的存在，使得其火焰溫度平均比煤粉火焰低100200。 水煤漿具有與煤粉一樣的燃盡水平和燃燒效率。即使在較低的火焰溫度下，其

10、燃燒速度也要比煤粉高，其燃燒效率與煤粉燃燒相當，對于大型水煤漿鍋爐可以穩定達到99%以上。在影響水煤漿燃燒過程的各個因素中，影響最大也是其霧化特性和特殊的配風要求。霧化效果越好，其漿滴粒徑越小，越容易著火，還能提高燃燒效率。如表11所示，可見霧化器（霧化噴嘴）是水煤漿燃燒中最為重要的設備。1.3水煤漿的制備 1.3.1水煤漿的質量要求 水煤漿是大約70%的煤炭，30%左右的水及少量添加劑調制而成的漿體。由于它是一種燃料，所以必須具備某些便于燃燒、使用的性質。主要有：l 為利于燃燒，水煤漿的含煤濃度要高。通常要求在62%-70%。l 為便于泵送和霧化，粘度要低。通常要求在100S-1剪切率及常溫

11、下，表觀粘度不高于1000-1200mPas。l 為防止在貯、運過程中產生沉淀，應有良好的穩定性。一般要求能靜置存放一個月不產生不可恢復的硬沉淀。l 為提高煤炭的燃燒效率，其中煤粒應達到一定的細度。一般要求粒度上限為300m 的含量不少于75%。1.3.2水煤漿的技術要求和試驗方法煤種不同，制漿的難易程度有很大的差異10。煤階越低，內在水分越高，煤中氧碳比越高，親水官能團越多，空隙愈發達，可磨性指數值越小，煤中所含可溶性高價金屬離子越多，煤的制漿難度就越大。 水煤漿中煤炭顆粒不但要有良好的粒度分布，而且希望其中不同大小的煤粒能夠相互填充，盡可能地減少煤粒間的空隙，達到較高的堆積效率。空隙少就可

12、以減少水的消耗，容易制成高濃度的水煤漿。水煤漿技術要求和試驗方法項 目技 術 要 求試驗方法 濃度C/%I級：65.0II級：63.065.0III級：60.063.0 GB/T18856.2粘度 (在漿體溫度20，剪切率10OS1時）/mPa.s1200GB/T18856.4 發熱量Qnet.cwm/（ MJ/kg） I級：19.00II級：18.0019.00III級：17.0018.00 GB/T 213 灰分Acwm/%I級：6.00II級：6.008.00III級：8.0010.00 GB/T 212硫分St.cw

13、m/%I級：0.35II級：0.350.65III級：0.650.80GB/T 214煤灰熔融性軟化溫度（適合于固態排渣方式）ST/1250GB/T 219粒度分 布 Pcwm0.3mm/%I級：0.05II級：0.050.20III級：0.200.80 GB/T18856.3 Pd0.075mm/%75.01.3.3制漿工藝與設備 在給定原煤的粒度特性與可磨性條件下，如何使水煤漿最終產品的粒度分布能達到較高的“堆積效率”就取決于所選用的磨礦設備、磨礦設備運行工況及制漿工藝流程。 磨礦是水煤漿制備過程中的關鍵環節, 與其他工業中磨礦不同的是 , 不但要求產品達到一定的細度 , 更重要

14、的是產品應有較好的粒度分布11。這一點在選擇磨礦設備、磨機結構、磨機運行工況及磨礦流程時都必須充分注意。 磨礦可用干法 , 亦可用濕法。但干法磨礦制漿存在許多缺點 , 所以主張采用濕法。原則上各種類型的磨機都可用于制漿 , 但就濕法磨礦而言 , 主要是球（棒）磨、振動磨與攪拌磨。這3 種磨機所適應的原料粒度與產品細度各不相同 ,最常用的是球磨。 1.3.4水煤漿的制漿工藝生活中制漿工藝多種多樣，但基本環節大多相同12，目前應用比較成熟且普遍應用的主要制漿技術有干法制漿和干法，濕法聯合制漿13。 a.干法制漿 圖 12干法制漿工藝不足之處：1、對一般的干法磨機，要求入料煤的水分小于5%，洗精煤的

15、水分都比較高，難以滿足該要求。電廠有熱風分級和干燥；2、能耗比濕法磨高，在同樣的細度下，干法磨機的能耗比濕法磨機約高30%；3、干法磨礦的安全和環境不如濕法磨礦；4、粒度分布不如濕法磨，堆積效率較低，干法磨煤顆粒表面氧化較快，影響制漿效果。b.干法、濕法聯合制漿圖 13 干法、濕法聯合制漿工藝 該流程是在干法制漿工藝的基礎上，分出一部分干法粉碎的物料再用濕法進一步粉碎，其特點是與干法相比，可以獲得更好的粒度分布，即獲得更好的級配。但該流程仍是以干法磨煤為主，干法制漿的不足之處依然存在。1.4水煤漿的應用 水煤漿作為一種液體燃料，具有石油一樣的流動性和穩定性，可以像油一樣泵送、霧化，儲存和穩定燃

16、燒，燃燒效率高達98%以上，且負荷調節范圍大，并具有節能、污染排放低、儲存運輸方便等特點14。可廣泛應用于工業鍋爐、電站鍋爐、工業窯爐等作為燃料代煤，代油、代氣燃燒，其應用范圍可涉及賓館、醫院學校、工礦企業、電廠、集中供熱站等需要燃料的各行各業。1.5水煤漿的儲運水煤漿是流態物質，必須用專用設施儲存。為保證一定時間內的儲存安全，要求水煤漿有足夠的穩定性。根據儲存時間的不同，要求漿體的穩定性也不一樣。1.5.1水煤漿的穩定性水煤漿是固液混合物，由于固體密度比水大，不容易保持均質狀態，固體下沉使漿體發生固液分離。通常要求在儲存中不產生難以通過攪拌及其他形式的擾動使水煤漿重新均勻化的“硬沉淀”，這種

17、性能稱為水煤漿的穩定性。1.5.2水煤漿儲存裝置水煤漿儲存裝置包括儲漿罐、輸漿泵、管道和閥門等。為了保證儲存期間水煤漿的質量，儲漿罐應帶有攪拌裝置，并采取防止水分蒸發和防凍措施。1.5.3水煤漿的運輸a.罐車運輸： 罐車運輸是公路和鐵路的傳統運輸方式，與運送其他物料的不同之處在于要保存水煤漿的穩定性和防止凍結等。b.船舶運輸：由于運量大和運價低，水運是一種極具競爭的運輸方式，因此，許多國家先后開展了船運水煤漿的實驗研究，探索水煤漿水運的可能性。 c. 管道運輸：基于水煤漿的良好的流動性，可采取管道運輸。目前，制漿廠內部和爐前供漿的制漿生產企業與鍋爐之間均采用管道輸漿，在水煤漿制漿和燃燒中發揮了

18、重要作用。第二節 水煤漿燃燒器燃燒器是鍋爐的主要燃燒設備，他通過各種形式，將燃料和燃燒所需要的空氣送入爐膛使燃料按照一定的氣流結構迅速、穩定的著火，連續分層次供應空氣，使燃料和空氣充分混合，提高燃燒強度的一種設備。2.1水煤漿燃燒器的常用結構 目前我國的各種水煤漿燃燒器機構比較多，下面我們將我國常用的各種燃燒器結構燃燒方式介紹如下：2.1.1 水煤漿雙通道旋流燃燒器水煤漿雙旋流燃燒器15多用于建成的小型水煤漿工業鍋爐中,使用的燃燒器結構如圖21 所示。圖21 水煤漿雙通道旋流燃燒器結構示意圖其主要特點如下：（1）該燃燒器為全鋼結構,加工制造要求精度低,價格便宜。（2）燃燒器中水煤漿噴槍和點火油

19、槍共用同一圓形槍孔,水煤漿著火后點火油槍即可撤離。 （3）在實際運行中,由于水分的蒸發需要一定的時間,所以在燃燒器的出口將會看見一段水煤漿霧炬,這段著火距離在300500 mm。 （4） 由于爐膛長度有限,水煤漿霧化顆粒往往還沒有燃盡就會被煙氣帶出爐膛,導致鍋爐的飛灰顏色發黑,水煤漿的燃燒效率下降。 2.1.2 水煤漿旋風燃燒器 據旋風燃燒器要解決的問題及實現的功能,對旋風燃燒器主體結構進行設計,結構模型如示意圖22 所示。圖22 水煤漿旋風燃燒器工作原理:旋風燃燒器的設計原理16和運行程序為:啟動點火時，將點油槍伸入點火孔點燃預熱。油著火后投入水煤漿噴槍，將水煤漿霧化噴入內筒。燃燒的霧化顆粒

20、隨切向進入的旋風做螺旋線向前推進，受到離心力的作用，較大的顆粒將被甩向壁面，緩慢向前。另外，在燃燒器外側布置了旋轉的二次風口，補充從燃燒器出口噴出火炬充分燃燒所需要的空氣，同時加強水煤漿燃燒顆粒的切向旋轉，更進一步提高燃盡率。旋風燃燒器特點17：(1) 該燃燒器結構簡單、制造容易、價格便宜。但是運行中存在著很多問題,其中燃燒效率低和爐膛嚴重結渣的矛盾表現尤為突出。(2) 旋風燃燒器可以從理論上解決這種矛盾,使水煤漿首先在燃燒器內部著火,而且有效地延長了大顆粒的燃燒時間,并且通過模擬試驗得到證實。(3) 旋風燃燒器還有待于進一步深入的研究,要點為因燃燒器內部的高溫而產生的熔融液渣對長期穩定運行的

21、影響。(4) 啟動速度快、耗油量少,針對揮發分較低的煤種或者粒度較粗的水煤漿有絕對性的優勢。水煤漿旋風燃燒器可以用在各種工業鍋爐、窯爐、加熱爐等不同領域,并將成為中小型水煤漿燃燒器發展的主要方向。2.1.3 CWS-I 系列燃燒器目前我國大部分工業窯爐使用的燃燒器是CWS-I系列水煤漿專用燃燒器。該系列燃燒器由配風器和噴槍兩部分組成，如圖23所示。23 CWS-I 系列燃燒器示意圖該系列燃燒器在使用過程中，具有以下一些優點：結構設計較合理、操作簡單、調節容易、安裝方便；運行參數設計適宜，霧化良好，燃燒穩定，熱負荷調節范圍廣，燃燒效率高；適應的水煤漿種類廣泛，啟動點火容易；氣耗率低；既可燒水煤漿

22、，也可以燒重油，壓縮空氣和蒸汽均可作為霧化介質。CWS-I 系列燃燒器的不足。燃燒器壽命較短，當噴嘴材料采用普通鋼時，壽命不足100h;當采用硬質合金時，壽命也只有700h左右，和國外先進的水煤漿燃燒器相比有較大差距。CWS-I 系列燃燒器火焰張角較小、火焰長度較長。正對這兩個問題，對原系列燃燒器的噴槍結構進行了改進，成功研制了CWS 系列燃燒器。2.2.4 CWS系列水煤漿燃燒器在CWS-I系列燃燒器的基礎上18，借鑒了國外應用于鍋爐設備上水煤漿燃燒器的設計思想，以提高燃燒器壽命和進一步提高霧化質量為目標，研制開發了 CWS系列水煤漿專用燃燒器，如圖3, 所示。其工作原理同CWS-I 系列燃

23、燒器。圖24 燃燒器噴槍結構圖CWS系列燃燒器與CWS-I 系列燃燒器相比的改進主要體現在一下幾個方面：由于將壓縮空氣和水煤漿的混合方式改為內混的混合方式，為水煤漿的霧化創造了更好的混合條件，霧化質量得到了改善，提高了燃燒效率。原燃燒器由于噴槍噴頭的嚴重沖蝕磨損，影響了燃燒器的整體壽命。新的燃燒器設計了霧化室，避免了沖蝕磨損。由于將壓縮空氣和水煤漿的混合方式改為內混的混合方式，為水煤漿的霧化創造了更好的混合條件，霧化質量得到了改善，提高了燃燒效率。在混合介質出口端合理布置了出口，使霧化矩的張角增大、射程減小，從而使燃燒火焰張角增大、火焰長度縮短，使燃燒效率得到進一步提高。壓縮空氣和水煤漿混合后

24、其出口端蓋的材料性能決定了水煤漿燃燒器的整體壽命。當選用高硬度材料后，其壽命大于1500h。由于霧化片更換方便，從而簡化了操作。2.2燃燒器的分類燃燒器的分類的種類比較多，其主要的分類方式有旋流燃燒器和直流燃燒器。2.2.1旋流式燃燒器旋流式燃燒器是其出口氣流是旋轉射流。氣流旋轉的情況有兩種,一種是一次風粉氣和二次風都旋轉,一種是二次風旋轉而一次風為直流。按氣流旋轉的旋流部件分,有蝸殼型旋流燃燒器和葉片型旋流燃燒器兩類。蝸殼型旋流燃燒器又可以分為雙蝸殼型旋流燃燒器和單蝸殼型旋流燃燒器兩種，下面我們就常用的旋流燃燒器進行分類19，并進行概述如下：a.單蝸殼型旋流燃燒器 單蝸殼型旋流燃燒器的一次風

25、為直流,二次風氣流利用蝸殼產生旋轉后沿環狀通道進入燃燒室。一次風由中心風管進入燃燒室,在一次風出口處裝有一個蘑菇形擴散錐,擴散錐后產生的回流區有助于煤粉氣流的著火。擴散錐可通過手輪和拉桿前后移動,從而改變一次風粉氣流的擴散角度,但擴散錐處于高溫煙氣回流區,容易結渣或燒壞。 b.雙蝸殼型旋流燃燒器 雙蝸殼型旋流燃燒器20的一二次風均利用在蝸殼中的流動而產生旋轉,兩股射流的旋轉方向相同。大蝸殼中是二次風,小蝸殼中是一次風。二次風進口處裝有舌形擋板,用來調整二次風的旋流強度。由于一二次風都是旋轉氣流,因此在進入燃燒室后就擴散成為空心錐環狀氣流。在氣流的卷吸作用下,空心錐的內外表面部會受到高溫煙氣的加

26、熱。這種燃燒器旋流強度的調節幅度小,當煤種變化時可能會因火焰位置不好調整而容易結渣。另外,一二次風的阻力大,煤粉在一次風氣流中的分布不均勻,也是這種燃燒器的不足之處。圖25雙殼型旋流燃燒器結構示意圖 c.葉片型旋流燃燒器 葉片型旋流燃燒器，它的一次風為直流,二次風是旋轉。這種燃燒器的中心有一根中心風管,中心風管外是一次風的環形通道,中心風管內可以設置油噴嘴。二次風通道是一個環錐形的套筒,二次風葉輪是環錐形的,葉輪裝在套筒內。用葉輪上的拉桿軸向移動葉輪,就可改變葉輪與環錐形通道之間的徑向間隙。由于流經環狀通道徑向間隙的氣流是不旋轉的直流氣流,因此調節葉輪的位置便可改變旋轉氣流與直流氣流的比例,從

27、而達到調整二次風氣流旋流強度的目的。一次風雖為直流,但可以在一次風殼上裝設舌形擋板調節,使一次風出口氣流有一定的擴展。 圖26 葉片型旋流燃燒器結構示意圖2.2.2直流式燃燒器 直流式燃燒器的出口氣流是直流射流,它的特征是擴散角小、射程遠,僅就單股射流來說,它較旋流式燃燒器的周圍卷吸作用小而且沒有中心回流,這對著火不利。但是直流式燃燒器采用的是四角布置、切圓燃燒方式,爐內的氣流流動由四角燃燒器的四股射流共同形成,總體上組成一個旋轉氣流。燃燒器射出的煤粉氣流經過燃燒室中部區域變成強烈燃燒的高溫煙氣,一部分直接補充到相鄰燃燒器射流的根部,使相鄰燃燒器的升溫引燃。射流本身的卷吸和鄰角的相互點燃特點,

28、使直流式燃燒器四角布置、切圓燃燒方式具有良好的著火性能。2.3 水煤漿燃燒器的優勢水煤漿燃燒器的優勢21主要集中表現在，適應性強、技術成熟、節能、環保、安全、高效、占地面積小等方面。2.3.1 適應性優勢a.適應改造范圍廣：燃燒方式為噴燃，適應原燃油燃氣的絕大多數的鍋爐改造，且燃燒技術容易掌握；b. 可以治廢：可以利用造紙、化工等產生的廢液進行水煤漿制備，既解決污水排放，又降低了生產成本。洗選煤泥也可以用來制漿，解決了煤泥出路；c.價格易接受：水煤漿價格易接受，改造費用不高，可利用部件多2.3.2 技術優勢a.制備工藝簡單：制備采用溢流式長徑比球磨機一段濕法磨礦工藝，具有設備簡單、經濟性好、利

29、用率高等優點；b.制備工藝形勢多樣：可與選煤工藝相結合，節省投資；c. 可以使用噴霧燃燒：由于其流動性能，可以采用與燃油系統一樣的噴霧燃燒，但煤漿系統不需要蒸汽加熱，所以燃燒器體積小，結構簡單。其火焰容易控制，溫度調節方便，燃燒效率高。2.3.3 水煤漿燃燒器的其他優勢a.安全效益：水煤漿運輸，儲存和泵送的過程基本是在常溫下全密封狀態下進行，因其含有30%左右水分為非易燃燒體，相對于燃油和煤粉的易燃，易爆性來說，其使用過程中的安全性得到了很大的提高。 b.效率效益：由于不設置儲煤、上煤、制粉系統，可使電廠在運行，檢修方面節省工作量，減少人力和資金的投入。同時水煤漿在御儲、供方面簡單、安全、可靠

30、、易于管理。因此，可節省很多人力物力，提高生產效率。c.場地效益：水煤漿燃用一般灰份7%以下，灰場占地小，相當容量場地的灰場容量僅為其他場地的25%左右。 2.4. 燃燒器結構的選擇 燃燒器的類型種類較多，有單蝸殼型旋流燃燒器、雙蝸殼型旋流燃燒器、直流式燃燒器、葉片型旋流燃燒器等。其優缺各異22。 2.4.1燃燒器殼型的選擇a.單蝸殼型旋流燃燒器擴散錐后產生的回流區有助于煤粉氣流的著火，但擴散錐處于高溫煙氣回流區,容易結渣或燒壞。b.雙蝸殼型旋流燃燒器旋流強度的調節幅度小,當煤種變化時可能會因火焰位置不好調整而容易結渣。另外,一二次風的阻力大,煤粉在一次風氣流中的分布不均勻。c.直流式燃燒器的

31、出口氣流是直流射流,它的特征是擴散角小、射程遠,僅就單股射流來說,它較旋流式燃燒器的周圍卷吸作用小而且沒有中心回流,這對著火不利。d.葉片型旋流燃燒器可改變葉輪與環錐形通道之間的徑向間隙。流經環狀通道徑向間隙的氣流是不旋轉的直流氣流,因此調節葉輪的位置便可改變旋轉氣流與直流氣流的比例,從而達到調整二次風氣流旋流強度的目的。一次風雖為直流,但可以在一次風殼上裝設舌形擋板調節,使一次風出口氣流有一定的擴展。 由上述各類燃燒器的優缺對比可知，葉片型旋流燃燒器23是這幾類燃燒其中最好的一類燃燒器。 2.4.2 旋流燃燒器類型選擇a.雙通道旋流燃燒器純在缺點：1.氣動流場不夠合理，沿程阻力使旋流強度產&

32、#160;生無益損失；2.氣流出口流場不均勻系數極大；3.供風不夠合理，后期供風不足會產生黑煙；4.調節特性欠佳，調節機構卡死，火焰尺寸不 可調節等缺陷。b.旋風燃燒器純在的難點：1.水煤漿沿壁面燃燒的過程中，由于高溫而產生液態的渣，如何使這些液態渣順利排出而不影響整個燃燒器的運行是一個重要的問題，2.旋風燃燒器內部在啟動和停運的相互切換中，必定會在壁面殘留熔融的灰渣或者焦炭，如何保持燃燒器內壁原始結構是其中一個問題。3.當水煤漿質量、霧化效果、鍋爐負荷等因素發生變化時，將直接影響燃燒器內的燃燒工況。c. CWS-I旋流燃燒器純在的缺點：1.燃燒器壽命較短，當噴頭材料采用普碳鋼時，壽

33、命不足100h；當采用硬質合金時，壽命也只有700h 左右，和國外先進的水煤漿燃燒器相比有較大差距。2.CWS-I系列燃燒器火焰張角較小、火焰長度較長。針對這兩個主要問題，對原系列燃燒器的噴槍結構進行了改進，成功研制了CWS旋流水煤漿專用燃燒器。從上述第二節的旋流燃燒器的分類中可知CWS系列燃燒器24存在各種燃燒器的優點，其集合了各類燃燒器的優點和彌補了各類燃燒器的缺點，從而研制CWS旋流燃燒器。外加在殼型的選擇中，其葉片型是各類燃燒器殼型中優點突出，同時更多克服各類殼型缺點的燃燒器。因此，研制葉片型CWS系列水煤漿旋流燃燒器是一重要的課題，本課件設計主要集中在葉片型CWS水煤漿旋流燃燒器的設

34、計上。 第三節 水煤漿燃燒器的結構設計3.1 葉片型CWS旋流燃燒器結構設計水煤漿在燃燒或氣化前，必須進行霧化，因為霧化后，霧化的顆粒較小， 其比表面較大，有利于提高燃燒和氣化時熱和質的交換速率，同時還可增進燃燒和氣化過程的穩定性。但由于其自身霧化出現的問題：水煤漿是高濃度的顆粒懸浮體 在噴嘴中容易發生堵塞和磨損；水煤漿是非牛頓流體，其流變學特性多種多樣，并且均具有很高的表面粘性，增加了霧化難度。鑒于此，具有高霧化質量的水煤漿噴嘴則是人們研究的熱點。下面我們將燃燒器的設計集中在結構和噴嘴上。3.1.1 CWS水煤漿旋流燃燒器的調風裝置 燃燒器的調風裝置能保證燃燒器正常工作，獲得預定的火焰特性，

35、運行時需經常調節25。在裝置的機構中有兩種類型：一種在一次空氣吸入口外面安裝調風板， 通過轉動調風板來改變一次空氣吸入口的有效流通截面，從而調節一次空氣的吸入量。另外一種是在引射器混合管內安裝調節螺絲或彎曲鋼條 ，借助螺絲或鋼條的上下運動來改變燃氣射流的能量損失，從而調節一次空氣吸入量。其結構形式如下圖所示。 為保證燃燒器正常工作，獲得預定的火焰特性，運行時需經常調節這一原則。我們選用通過調節螺絲的方法來設計調節裝置。3.1.2 旋流霧化燃燒器的引射器燃燒器的機構形式如下圖所示。其工作原理是燃氣在一定壓力下以一定流速從噴嘴1噴出，進入吸氣收縮管2，燃氣靠自身動量傳遞來吸入一次空氣；在混合管3內

36、和一次空氣的流速、成分充分混合均勻，然后，經擴壓管4進一步勻速后，經燃燒器頭部火孔流出燃燒。引射器的形式26有下列三種，其中1型最佳，能量損失最小，但引射器 最長，2型和3型阻力較大，但長度較短。當噴嘴前燃氣壓力較高，允許有較大能量損失時，可采用。在撞擊型霧化器中我們選用2型引射器。3.1.3 旋流霧化燃燒器的頭部 撞擊型霧化器的頭部27設計成如下形式，其作用可將燃氣空氣混合物均勻地分布到各火孔上，并運行穩定、燃燒完全。其設計是頭部各點混合氣體 圖34 旋流霧化燃燒器頭部示意圖的壓力相等，二次空氣能均勻地暢通到每個火孔上，容積設計不大，可避免滅火噪聲過大。3.2 噴嘴的結構設計 3.2.1 噴

37、嘴的常用結構形式水煤漿霧化噴嘴是燃燒器的重要部分28。它是從油噴嘴、油煤漿噴嘴技術上發展和變化來的。為了使水煤漿燃料能有效地燃燒，關鍵是燃料霧化良好。根據燃料的性質以及霧化質量的要求不同，所采用的噴嘴形式不同，下面我們列出在實際應用中使用較多的幾種機構形式的噴嘴。1.Y型噴嘴 Y型噴嘴是目前應用最廣泛的一種水煤漿噴嘴，它因為水煤漿和霧化氣成Y形相交而得名。水煤漿沿斜孔進入噴嘴的混合室，霧化氣沿直線進入混合室，從斜孔進來的水煤漿，一部分水煤漿在氣流的沖擊下形成霧滴，另一部分水煤漿被氣流沖向壁面，形成流動的薄膜并產生表面波，形成初次霧化；同時水煤漿被加速名氣膜變薄，離開噴嘴后因為失去壁面的支撐而變

38、成不穩定波動，最后全部霧化。 Y 型噴嘴一般設計成中心進氣，側孔入漿的形式。因為霧化氣的動量比水煤漿的動量要大得多，氣流走直道有利于減少流動阻力，也可以減輕薄壁面的磨損。如果氣流從側孔通入則高速氣流沖擊壁面，會加劇噴嘴的磨損。 Y型噴嘴的特點是出力大、霧化效果好，氣耗低等，而且為提高霧化質量可設計成多級Y型噴嘴，但加工起來比較復雜。 2. T型噴嘴T型噴嘴實際上是Y型噴嘴的一種演變形式，其結構特點是霧化氣于水煤漿垂直或接近垂直，這樣霧化氣能夠最大限度地與水煤漿進行動量交換，使霧化氣動量得以充分利用。這種噴嘴的特點是：a. 噴嘴磨損小。霧化氣與水煤漿在噴嘴出口處相交，減少了煤粒對噴嘴內部的磨損。

39、b. 霧化效果易調整，霧化質量高。通過改變水煤漿與霧化氣出口縫隙寬度可以調整水煤漿的霧化質量，并且還能起到調整噴嘴霧化角的作用。但是鈍體受到水煤漿的高速沖蝕，因此磨損嚴重。為了減少磨損提高噴嘴的使用壽命，鈍體材料一般采用耐磨性能好的硬質合金。3.撞擊式多級霧化噴嘴撞擊式多級霧化噴嘴29主要由內件、T形噴口、撞擊件和霧化頭的組成。水煤漿從中心漿孔進入混合室，經一級或多級對稱Y形結構的霧化氣沖擊霧化后，在臨近出口處遇上一級霧化氣的沖擊，然后氣漿正沖前方的撞擊件，產生撞擊霧化，最后從噴嘴霧化頭上的出孔噴出。該噴嘴的優點是：a.霧化效果好，燃燒效率高。該噴嘴采用了多級強化霧化措施，大大提高了水煤漿的霧

40、化質量，燃燒效率高。b.防堵性能好。該噴嘴的水煤漿通道直徑較大且呈直線型，從而避免了粗粒子和雜質在漿道中的積留，杜絕了堵塞現象的發生。c.噴嘴使用壽命長。該噴嘴采取了霧化氣孔對稱分布、易磨部位鑲嵌耐磨材料等放佛措施，大大提高了噴嘴的使用壽命。d.噴嘴的負荷調節范圍交寬、氣耗力低。4.對沖型噴嘴對沖型噴嘴一般形式噴出并收到多股對稱分布的霧化氣得沖擊而霧化。為了提高水煤漿霧化質量，降低霧化顆粒平均直徑，可采用多級對稱式噴嘴。這種貼噴嘴的優點是：a.物化性能好。通過采用多股霧化氣，增加了霧化氣對煤漿的沖擊，使霧化充分。b.防堵性能好。由于水煤漿管路比較短，一般不會發生噴嘴賭賽現象。但這種結構噴嘴的氣

41、耗率通常比較高。隨著水煤漿應用廣泛的擴大，實際生產中對噴嘴規格的系列化、噴嘴制作的簡單化以及噴嘴長壽等方面提出了更高的要求。因此，以實際需要為目的，以現有的機構形式為基礎，開發出長壽的，結構多元化的，容量系列化的水煤漿噴嘴是今后科研者們努力的方向。3.2.2 噴嘴的選用原則燒嘴的設計原則是合理控制空氣和燃料氣的混合速度，即控制噴嘴火焰的角度、長度和速度。不能讓空氣和燃料氣混合得太快，噴嘴火焰過短，這樣容易形成局部高溫；但也不能混合得太慢，即噴嘴火焰過長。為了保證燃料在低氧氣氛中燃燒，必須在設計其供給通道時，考慮燃料和空氣在空間的擴散、混合和射流的角度及深度。而這些參數應根據加熱功率、輻射管尺寸

42、、加熱工藝要求、燃料種類、預熱溫度和燃料氣壓力等因素來確定。關于燒嘴噴頭的關鍵幾何尺寸需要參考噴嘴技術手冊等相關資料進行設計和制造。3.3撞擊式多級霧化噴嘴 撞擊型霧化器由后至前依次布置“Y”型、“T”型和撞擊型霧化器，并相應布置有大、小兩個混合室，以提供氣漿充分混合的場所，屬于內混式多級霧化型30。圖 1 為撞擊式多級霧化噴嘴機構示意圖。 3.3.1 撞擊式水煤漿霧化器噴嘴在水煤漿燃燒技術中，霧化噴嘴是最關鍵技術之一，其性能的好壞直接影響水煤漿能否順利著火和燃燒效率的高低，因此研發性能良好的水煤漿噴嘴是研究水煤漿燃燒必須解決的問題。目前世界上常用的水煤漿噴嘴有固定噴嘴和可調噴嘴31。結構形式

43、如下： 圖35 常用噴嘴結構示意圖在上述兩種常用噴嘴中，可調噴嘴：結構復雜，阻力較大，引射空氣的性能較差，但能適應燃氣性質的變化。固定噴嘴：結構簡單、阻力較小，引射空氣性能較好。為高效地利用噴嘴結構，可選擇撞擊型霧化器結構為固定噴嘴。 3.3.2噴嘴孔徑與熱負荷的關系噴嘴孔徑與熱負荷的關系當前主要集中在天然氣噴嘴孔徑與熱負荷關系和液化石油氣噴嘴孔徑與熱負荷的關系32，其關系見下（表22）和（表23）。表22 天然氣噴嘴孔徑與熱負荷關表23 液化石油氣噴嘴孔徑與熱負荷的關系3.3.3 水煤漿燃燒器噴嘴材料的選擇水煤漿不同于一般的液體燃料，它濃度高，霧化困難，而且煤粉中的黃鐵礦，石英等許多高硬度雜

44、質的存在會對噴嘴渣造成嚴重的沖蝕磨損。另外，水煤漿噴嘴的工作環境具有特殊性，如在溫度較高（最高溫度可達1000C以上）和水煤漿的連續沖擊情況下，噴嘴會受到嚴重的影響，這種惡劣的工作環境對水煤漿噴嘴材料33通常有以下要求。a.良好的耐磨性好，在水煤漿沖擊下具有較低的沖蝕磨損率。b.良好的抗熱沖擊性，能承受溫度驟變帶來的沖擊，不會因熱應力的交變產生裂紋，碎裂等。c.良好的加工工藝性。d.使用壽命長，性能價格比值大。目前國內外應用最多的水煤漿噴嘴主要有三大類：即金屬材料、硬合金材料和陶瓷材料。金屬材料因硬度低、耐磨性差、磨損率高，導致噴嘴口徑迅速增大，從而霧化效果較差。硬質合金剛具有良好的綜合性能，

45、可以制成環狀或塊狀鑲嵌在噴嘴磨碎嚴重的部位，適用于各種場合的水煤漿噴嘴。而陶瓷材料由于具有很高的硬度和耐高溫性能，可提高噴嘴的壽命，減少資源（水煤漿，金屬材料等）的消耗，并降低成本。氮硅基陶瓷材料具有高強度、高韌性和高抗熱震性，同時可避免溫度梯度的存在，水煤漿的連續沖擊等這種惡劣的工作環境。因此在該設計中主要用材為氮硅基陶瓷材料。3.4撞擊式燃燒器結構設計計算3.4.1 燃燒器頭部計算頭部的設計計算以保證穩定燃燒為原則。一個設計合理的頭部，必須使火焰不出現離焰、回火和黃焰，并使火焰特性滿足加熱工藝的需要。計算內容及步驟如下34：a.選取火孔熱強度qP或火孔出口速度vP 火孔的燃燒能力通常可由火

46、孔熱強度qP或燃氣空氣混合物離開火孔的速度vP來表示。在設計燃燒器頭部時，正確選擇火孔的燃燒能力是很重要的。為了保證燃燒工況的穩定，通常是根據燃燒穩定范圍曲線35（表3-3），在離焰和回火曲線所確定的參數范圍內，選取合適的qP或vP值。二者之間有如下關系： 式（3-1）式中 qp火孔熱強度，kW/mm2; Hl燃氣低熱值，kJ/m3;一次空氣系數； V0理論空氣需要量，m3/ m3；vP火孔出口氣流速度，m/s。撞擊型霧化燃燒器常用設計參數（表33）b. 確定燃燒火孔總面積FP 根據所選的qp或vP，可以確定燃燒火孔總面積。 式（32） 式（33）式中 ： FP火孔總面積，mm2； Q燃燒器熱

47、負荷，kW； vP火孔出口氣流速度（m/s），按表2查得、3.4.2 引射器計算a. 燃氣流量計算 式（34）式中 Lg 燃氣流量，m3/h； Q燃燒器熱負荷，kW; Hl燃氣低熱值，kJ/m3b.噴嘴計算1） 噴嘴直徑 式（35）式中 d噴嘴直徑，mm； Lg燃氣流量，m3/h；µ噴嘴流量系數； s燃氣的相對密度；P噴嘴前燃氣壓力，Pa。2） 噴嘴截面積 式（36）式中 d 噴嘴直徑，mm； Fj噴嘴截面積，mm2。C .計算引射器系數1).質量引射系數µ 式（37）式中 µ質量引射系數； V0理論空氣需要量，m3/ m3。s燃氣的相對密度；3） 容積引射系數&

48、#181;s 式（38）式中 µs容積引射系數； Lg燃氣流量，m3/h。 La空氣流量，m3/h。由上式（31）至式（38）及表（31）和表（33），在撞擊型霧化燃燒器常用設計參數下，可得設計條件下葉片型CWS水煤漿旋流燃燒器的結構參數如下表所示。撞擊型霧化燃燒器引射器設計參數（表3）設計條件已知條件設計部分計算數據熱負荷2.8KW一次空氣系數0.6燃氣熱值13423KJ/m3火孔熱強度11.6X10-3kW/mm2燃氣密度0.71Kg/m3內火孔數目 9理論空氣3.25m3/m3外火孔數目30相對密度0.55火孔直徑2.8mm燃氣壓力800Pa火孔面積6.15mm2火孔間距7.0

49、0mm設計部分計算數據火孔深度6.4mm火孔總面積241mm2火孔流量系數0.8火孔直徑2.8mm火孔阻力系數0.56火孔出口溫度100氣流分配管徑18mm能量損失系數2.3引射系數3.5燃氣流量 0.75Nm3/h燃氣流量直徑2.66mm面積系數X0.31引射器喉部面積60.25mm2喉部直徑9.00mm噴嘴截面積60.25mm2根據上述撞擊型霧化燃燒器的設計參數可得撞擊型霧化燃燒器噴嘴結構示意圖，如下所示： 1擴壓管 2蝸殼 3導流葉片 4吸氣收縮管 5氮化硅陶器噴嘴 6混合管 7 燃氣旋流器 8移動式調風板圖36水煤漿霧化噴嘴結構示意圖3.5 葉片型CWS水煤漿旋流燃燒器優缺點 優點：、

50、燃燒器壽命較較長，壽命>l 500 h。同時，可以避免火焰張角較小、火焰長度較長，對燃料的不充分利用。、結構設計較合理、操作簡單、調節容易、安裝方便、霧化良好，燃燒穩定，燃燒效率高。、啟動速度快、耗油量少,特別是針對揮發分較低的煤種或者粒度較粗的水煤漿有絕對性的優勢。、由于燃燒器形式選用葉片型，其可改變葉輪與環錐形通道之間的徑向間隙，因此調節葉輪的位置便可改變旋轉氣流與直流氣流的比例,從而達到調整二次風氣流旋流強度的目的。、由于我們采用的是撞擊式多級霧化噴嘴，可避免堵塞性能不好，燃燒效率不高、和滅火噪聲。同時負荷調節范圍交寬、氣耗力低。、噴嘴的機構材料為氮硅基陶瓷，其有很高的硬度和耐高溫

51、性能，可提高噴嘴的壽命，減少資源的消耗，并降低成本36。缺點：、由于燃燒器和噴嘴材料以及結構尺寸的選擇都為最佳結構組合，從而可能會產生過高的成本，以及加工難度。、不可以避免因溫度梯度的存在，水煤漿的連續沖擊等這種惡劣的工作環境給設備帶來的影響。、爐膛中飛灰中可燃物依然存在，嚴重結渣的現象仍然沒有解決，第四節，水煤漿技術的發展趨勢及其推廣前景4. 1 水煤漿技術的發展趨勢 經過近20年的研究和開發，水煤漿生產和應用技術日臻完善，隨著國際國內油價的攀升和波動，正是水煤漿產品大面積推廣的大好時機7。水煤漿技術的發展趨勢應該是設備的大型化、專門化、系列化和成套化，系統的規范化，生產控制的自動化，產品質

52、量檢測的標準化和在線化，產品的多樣化，添加劑的普適化。同時，必須提高水煤漿燃燒設備的性能。4.2 水煤漿技術推廣前景 4.2.1 水煤漿技術在國內的發展 從國內國際油品市場看，由于石油資源越來越緊張，國際石油市場油價不斷上漲。而國內因原油資源及油品產量呈下降之勢，油品供應嚴重不足。自1996年我國開始己成為原油與成品油的進口國14，為此我國國家計委己發文件。從2000年起逐步取消燒油設備，嚴禁燒重油。由于設備改造和環保要求的限制，所以代替燃料重油的最好產品是水煤漿，這不僅可降低燃油成本30左右，而且運輸方便，可以滿足環保要求，符合我國國情。鼓勵以水煤漿代油而制訂的一系列優惠政策在陸續出臺。目前

53、國內已有山東白楊河電廠以水煤漿代油發電，每年為電廠節約1500多萬元。另有北京燕山石化98年將一臺50MW機組進行燃油改燒水煤漿的試驗，并利用日本日暉公司技術在燃燒過程中脫硫(可脫除50二氧化琉)。4.2.2 水煤漿的潛在價值從99年10月份起，對后五臺爐進行改造，年耗水煤漿l.2Mt以上。據統計，全國鍋爐燒油量約為40Mta，用戶分布在電力、化工、冶金等行業37。據1999年按行業有關燃油統計，電力系統燒油調峰電站燃油量約4300kta，建材窯爐燃油300萬噸，鋼鐵窯爐和發電燃油264萬噸，石油發電和工藝加熱燃油822萬噸，化肥原料用油34萬噸。加之近期國際油品市場價格上揚，我國東南部沿海地

54、區及日本方面也頻頻詢價，可見，作為代油燃燒的水煤漿市場日益形成，市場潛力巨大。4.3 水煤漿產業化建議（1）“瞄準市場、統籌規劃、同步實施”。以市場定生產，以用戶定規模。對集中的大用戶，供需雙方可采用股份合作制的形式在用戶附近建水煤漿廠；對分散的中、小用戶，可在適宜的供應半徑內集中建水煤漿廠，供需雙方以合同或聯營方式處理雙方利益關系，逐步建立穩定和規范的水煤漿市場。 （2）建立和完善標準化體系，包括水煤漿工程廠和油爐改造工程設計的標準化，水煤漿質量標準和檢測方法，配套設備和儀器的產品標準，生產管理、操作規程和人員培訓等基礎工作。 （3）進一步完善水煤漿技術，包括制漿專用設備的大型化與系列化，研制單系統能力為25萬t/a和50萬t/a配套的專用設備（磨機、調漿器、濾漿器、高剪切強化泵、有防沉淀與保濕裝置的大型儲罐等）；各種在線檢測儀器（流變儀、煤炭水分儀、精度0.5%重量濃度儀和漿位儀等），高穩定性脫硫環保型水煤漿等40。4.4水煤漿燃燒技術的重大意義水煤漿燃燒器在某種意義上可提高燃燒效率和減少