D0I:10.13374/j.issn1001053x.1986.01.023 北京钢铁学院学报 1986年3月 Journal of Beijing University No,1 第1期 of Iron and Steel Technology Mareh 1986 小型火炬试验炉内的煤水浆燃烧试验 王世均 赵立合 赵永福 王恒 (北京钢铁学皖热能系) 刘 濂 (光大实业公可) 摘要 煤水浆是一种近年米开发的新型燃料,本文报寻了在冶金炉窑内进行煤水浆燃烧试验及其相应的试验装置。 文中结合煤水浆的燃烧特点,着重分析了影响燃晓效的主要因素和合理组织燃烧的要领,并叙述了切实有 效的点火方式。这对今后治金企业实现以煤代袖、烧用煤水浆提供了重要的实验依据。 关键词:煤水浆、新型燃料、燃烧 Combustion of Coal-Water Slurry in the Small Scale Furnace for Firing Test Wang Shijun Zhao Lihe et al Abstract Coal-water slurry (CWS)is a new kind of liquid fuel developed in recent years.In this presentation CWS's firing test and relative facility which is suitable for the furnaces in the metallurgical industry are introduced. The CWS/s combustion characteristics analysis is made for some key factors which could have an influence on CWS/s combustion efficiencies,and proposition is also made for some essential points by which direct the CWS's combustion at a high efficient.Further,two realizable method of CWS/s ignition are presented.Therefore,a scientific basis has provided for the commercial application of CWS in the metallurgical industry. Key words:coal-water slurry,combustion,new kind of fuel, 1985一09-07收到 75·
年 月 第 期 北 京 钢 铁 学 院 学 报 小型火炬试验炉 内的煤水浆燃烧试验 王 世均 赵立合 赵 永福 王 恒 北 京钢铁学院 热能 系 刘 康 光 大 实业 公 司 摘 要 煤水浆 是一 种近 年来开发 的 新型 燃料 , 本文报 导了在冶金炉窑 内进行煤水浆燃 烧试验及 其相应的试验装置 。 文 中结 合煤水浆的 燃烧特点 , 着 重 分析 了 影响燃浇效率的 主要 因 素和 合理组织燃烧 的要领 , 并叙述 了 切实有 效 的 点 火 方式 。 这 对 今后冶金企 业 实现 以煤 代 油 、 烧 用煤 水浆提 供了 重 要的 实验 依据 。 关键 词 煤 水浆 、 新型 燃料 、 燃 烧 扭 一 班 玄 声阅 曰口 一 , 。 , , , , 、 , , 。 , 了 。 一 , , 一 一 收到 DOI :10.13374/j .issn1001-053x.1986.01.023
前 言 煤水浆是由低灰(<8%)精煤、水和极少量添加剂配制而成的高浓度(70%左右煤) 煤水混合物。它虽问世未久,但却受到世界各国能源管理部门和研究机关的极大重视,竞相 投入大批人力和巨额资金进行开发研究。这是因为: 1。自从1973年世界石油危机以来,各国都在寻求改造现有燃油设备,实现以煤代油的 切实可行而又经济方便的方法。但对于现有燃油设备直接采用传统的燃煤方式加以改造,不 仅需要极大投资以进行设备的更换,而且有时甚至由于客观条件的种种限制而根本不能实 施。煤水浆由于其中添加剂的特殊作用,可以象液体然料一样贮存、运输、泵送和雾化,因 而现有燃油设备可不经重大改造即能实现百分之百地代油燃用。 2。石油不仅是一种优质燃料,还是一种重要的化工原料。石油如经深度加工,其经济 价值比作为燃料直接烧用要高得多。 3。世界的能源结构特点是以煤为主的,我国亦然。我国储量丰富,而石油较少。我国 将节约油和以煤代油作为国家一项长期的能源政策。 4。煤的气化和液化虽然是煤炭加工利用的极好方式,但其成本太高和关键技术有待成 熟,这使之难以在短时间内普遍推广应用。 基于以上理由,煤水浆将是以煤代油的最好燃料。 本文报导了治金炉窑的小型火炬试验炉内的煤水浆燃烧实验。 1.试验装置 1。试验炉及炉前试验系统 煤水浆的小型火炬燃绕试验炉及炉前试验系统示于图1。 葉 图1,煤水浆燃烧试验系统流程图 F.g.1 General Schematic of CWS Combustion Facility ①filter,②CWS's storage tank,③mxer,④screw-pump,包Ol-tank,⑥gear-pump,⑦CWS"s buraer,⑧o-burner⑨furnace,⑩stack,①preheater,Dair container ·76·
前 言 煤水浆是 由低灰 精煤 、 水和 极少量 添加剂配制而成 的高浓度 左 右 煤 煤水混 合物 。 它 虽 问世未久 , 但却受到 世界各 国能 源管理 部 门和 研 究机 关 的极大重视 , 竞相 投 入大 批人力 和 巨额资金 进行开发研 究 。 这 是因 为 自从 年 世界石 油危机 以 来 , 各 国都在 寻求改造现 有燃油设备 , 实现 以 煤代 油 的 切实 可行而 又经济方便 的方 法 。 但对 子现有燃油设备直 接采 用传统 的燃 煤方式加 以改 造 , 不 仅 需要极大投 资以 进行设备的更换 , 而 且有时甚至 由于客观 条件 的种种限制而根 本 不 能 实 施 。 煤水浆 由于其 中添加剂的特殊作用 , 可 以象液体燃 料一 样贮存 、 运输 、 泵 送和 雾化 , 因 而现 有燃油设备 可不 经重大改 造 即能实现 百 分之 百地代 油燃 用 。 。 石 油 不仅是一 种 优 质燃 料 , 还是一 种重 要 的化 工 原 料 。 石 油如 经深度 加 工 , 其 经 济 价 值比作为燃 料直 接烧用 要 高得 多 。 。 世界 的能 源结构特点是 以煤为主 的 , 我 国亦然 。 我 国储量 丰富 , 而 石 油 较 少 。 我 国 将 节 约油和 以煤代 油 作为 国家一 项 长期 的能 源政策 。 煤的气化和 液 化虽然是煤炭加 工 利用 的极好 方式 , 但其成 本太高和 关键技术有 待 成 熟 , 这 使之 难 以 在短时 间 内普遍推广应 用 。 基于 以上理 由 , 煤水 浆将是 以 煤代油 的最好燃 料 。 本文 报导 了冶金炉 窑 的小型火炬试验 炉 内的煤水浆燃烧 实验 。 。 试验装置 试 验 炉及 炉前试 验 系统 煤水浆 的小型火炬 燃烧试验炉及炉 前试验 系统示 于 图 。 ’ 沈 二 日 勺口口〕 一 理 图 。 煤 水浆燃烧试验 系统 流 程图 工 二二 ① 二 盯 , ② , , ③ 沮 一 , ④ 一 , , ⑤ 一 一 , ⑥ 一 飞 , ⑦ ” , ⑧ 一 ⑧ ⑩ , , 二
然烧试验炉是一箱形卧式绝热炉,炉内有效尺寸为2900×800×800mm。煤水浆燃烧器 装设在炉子前墙中央,后墙留有人孔以供清灰及整修内部之用。炉顶配有四支铂铑一铂热电 偶,并与电子电位差计相连以显示和记录炉内温度。炉子右侧墙上排有六个窥测孔,供观察 火焰、测量温度及收集炭样之用。试验炉采取炉尾侧排烟方式,烟道上留有取气孔可抽取烟 气进行分析。 炉前试验系统包括五个部分:煤水浆供送及调节系统、一次空气系统、二次空气及其预 热系统、点火系统和清洗系统。煤水浆通过可以连续调速的单螺杆泵进行泵送和流量、压力 的调节,二次空气先经电加热器预热,电加热器用可控硅漏压器粒制,空气预热温度可在常 温至300℃范围内随意调节。点火系统由齿轮柴油泵和调节阀组成。煤水浆的点火既可由主燃 烧器切换完成,亦可由辅助喷嘴陪烧点燃。请洗系统供试验开始前和结束后对煤水浆管路进 行清洗之用,清洗可采用高压空气及清水两种方式。应特别强调指出,试验开始前用水清洗 煤水浆管路十分必要,其目的不仅在于清除管内的异物,而且在于润湿管壁。这是由于煤水 浆浓度很高,如果不用水先行润湿管壁而直接让煤水浆流过很长的干燥管道,将会使煤水浆 严重脱水而失去流动性,造成管路的堵塞。 1.2小容量煤水浆燃烧器(主燃烧器) 煤水浆燃烧器包括雾化器和配风器两个部分。 小容量煤水雾化器的关键是喷嘴的结构形式。为了使煤水浆能高效而稳定地燃烧,喷嘴 的结构必须保证能使煤水浆雾化良好,即雾化的粒经细而且密度分布合理。图2为经对六种 图2小容量煤水浆喷嘴 Fig.2 A Small Capabilty CWS Atomizer 结构形式10组儿何尺寸不同的喷嘴进行冷态试验筛选和热态燃烧试验认可的小容量煤水 浆喷嘴,喷嘴的形式为Y型、单孔、直通半内混式它除能保证稳定高效燃烧外还具有如下特 点: (1)煤水浆在喷嘴内流道很通畅,抗堵塞性好。 (2)喷嘴无明显内混室,抗磨性好。 (3)气耗率低,约为0.1~0.15kg/kg cws。 (4)能够保证油的良好雾化和稳定燃烧,从而得以实现油和煤水浆的切换点火。 喷嘴的雾化照片和特性曲线分别示于图3和图4。 由于煤水浆含有30%左右的水分,所以其燃烧机理不同于油及粉煤。一般文献〔1.2〕 认为其䲜烧过程分三个阶段:水分蒸发,挥发分析出和燃烧、炭的燃烧,而三个阶段对高温 烟气的温度和含氧量各有不同的要求,此外,三个阶段所需要完成的时间也有区别。所以如 何组织炉内空气动力场来合理安排煤浆雾在各燃烧阶段的停留时间,以及使高温烟气回流形 成稳定的高温点火热源是实现煤水浆高效稳定燃烧的又一关键问题。为此,针对上述雾化器 的雾化特点,为它配制了轴向叶片可调式配风器(图5)。这一配风器的锥形叶轮由16片轴 向旋转叶片焊接而成,当叶轮轴向位置调动时,直流风和旋流风的比例将相应发生变化,从 ·77·
燃烧试验炉是一箱形 卧式绝热炉 , 炉 内有效尺 寸为 。 。 。 煤水浆 燃烧 器 装设 在炉子 前墙 中央 , 后 墙 留有人 孔 以供清灰及整 修内部之 用 。 炉顶配有四 支铂锗一铂 热 电 , 偶 , 并与电子 电位差计相连 以 显 示和 记录炉 内温度 。 炉 子右侧墙上排有六 个窥测孔 , 供观察 火焰 、 测量 温度及收集炭样之用 。 试验炉采 取炉尾侧排 烟方式 , 烟道 上留有取气孔可抽取烟 气进行分析 。 炉 前试验系统 包括五个部分 煤水浆供送及调 节系统 、 一 次空 气系统 、 二 次空 气及 其预 热系统 、 点火系统和清洗 系统 。 煤水浆通过可以连续调速的单螺杆泵进行泵 送和流量 、 压力 的调 节 , 二 次空 气先经 电加热器预热 , 电加热器用 可控硅调压器控制 , 空 气预热温度可在常 温至 ℃范围内随意调节 。 点火系 统由齿轮柴油泵和 调节阁组成 。 煤水浆的点火 既可 由主 燃 烧器切换完成 , 亦可由箱助喷嘴 陪烧点燃 。 清洗系 统供试验开始前和 结束后 对煤水浆管路进 行清洗之用 , 清洗可采用 高压 空气及清水两 种方式 。 应特别 强调指出 , 试验开始 前用水清洗 , 煤水浆管路十分必要 , 其 目的不 仅在于清除管内的异 物 , 而且在于润湿 管壁 。 这是 由于煤水 浆浓度很 高 , 如果不用 水先行润湿管壁而直接 让煤水浆流过 很长 的干燥 管道 , 将会使煤水浆 产重脱水而失 去流 动性 , 造成 管路 的堵塞 。 小容 盆煤水 浆燃烧器 主 燃烧 器 煤水浆燃烧器包括雾化器 和配风器两 个部分 。 小容量 煤水雾化器 的关键是喷嘴的结构形式 。 为 了使煤水浆能 高效而稳定地燃烧 , 喷嘴 的结构必须保证能 使煤水浆雾 化 良好 , 即雾化 的粒 经细而 且密度 分布合理 。 图 为经对六种 图 小容量煤 水浆喷 嘴 一 尹协 绪构形式 垂。 组 几 何尺寸不同 的喷嘴进 行 冷态试验筛选和热态燃烧试验 认可 的小容量 煤 水 浆喷嘴 , 喷嘴 的形式为 型 、 单孔 、 直 通半 内混式它除能 保证稳定高效燃烧外还具有如下特 点 煤水浆在喷嘴 内流道很 通 畅 , 抗堵塞 性好 。 喷嘴无明显 内混 室 , 抗磨性好 。 气耗率低 , 约为 。 能 够保证油的 良好雾 化和 稳定燃烧 , 从而得 以实现油和 煤水浆 的切换点火 。 喷嘴的雾化照 片和特性 曲线 分 别示 于 图 和 图 。 由于 煤水浆 含有 左右 的水分 , 所 以其燃烧机 理不 同于油及 粉煤 。 一般文 献 〔 〕 认为其燃烧过程分三个阶段 水 分蒸发 , 挥发分析 出和燃烧 、 炭的燃 烧 , 而 三个阶段对 高温 烟气的温度和 含氧量 各有不 同 的要求 , 此外 , 三个阶段所 需要完成 的时伺 也有 区别 。 所 以如 何组织炉 内空 气动力场来合理 安排 煤浆雾在各燃烧阶段 的停 留时间 , 以及 使高温烟气何流形 成稳定 的高温点火热 源是 实现煤水浆 高效稳定燃 烧 的又一 关键间题 。 为此 , 针对上述 雾化器 的犷化特点 , 为 它配制 了轴向 叶片可调式配风器 图 。 这一 配风器 的锥形叶轮 邮 片轴 向旋转叶片焊接而成 , 当 叶轮 轴向位置调 动 时 , 直流 风和 旋流 风 的比 例将 相应发生变 化 , 从
图3。煤水浆雾化照片 Fig 3 Photograph of CWS Spray Atomizing air pressure G3×105Pa 2.5105Pa 14 90外 e 可 Impeller 60 86 30外 T210e1e0 2 23456 MOT Adjustable CWSs pressure,x105pa bolt 图4喷嘴的煤水浆流量特性 图5轴向叶片可调式配风器 Fig.4 Characteristic of a typical atomizer F'g.5 Adjustable axial-leaf swirlKregister 而使旋流强度亦随之而有所不同。冷态试验表明,配风器的旋流强度在0~0.85范围内连续可 调。当配风器旋流强度调至最大时,气流扩张角为60°左右,回流区长度为200mm,回流区 最大直径60mm。另外,经燃烧试验鉴定认为: (1)与前述雾化器匹配性好,能形成具较强高温烟气卷吸的炉内空气动力场,这为强化 加热喷入炉内的煤水浆雾提供了重要热源,保证了煤水浆雾的迅速加热和着火燃烧。同时, 在回流区交界面上,轴向风速等于0,因此煤水浆在此一旦着火,就可以形成一个稳定的火 焰面,成为煤水浆稳定燃烧的有利条件。 (2)二次风调节性能良好,能适应小容量煤水浆然烧所需要的各种不同工况,即在各种 工况下均能保证煤水浆的稳定着火和燃烧而不发生脱火和熄火现象。 ·78·
图 。 煤水浆雾化照 片 纽 了 借、月鸽‘ 日口自 存 口 日 多 一。 ‘ 。 多 。 吞 劝月 响记‘妇卜﹄。 ,璐﹄,‘ 石沱 ‘冲 叮自 、 一 , 团 目 洲 ‘ 尸 二〕 一‘ 二二 闷, 多 乡 一 ‘ 诊诊的 魂 图 喷嘴 的 煤水璧浆流量特性 图 轴 向 叶片可调式配风 器 一 升 ‘ 而 使旋流 强度亦 随之而有所不 同 。 冷 态试验 表 明 , 配风器 的旋 流强度在。 范围内连续 可 调 。 当配风器旋流 强度调至 最大 时 , 气流扩张角为 。 左 右 , 回流 区长度 为 , 回流 区 最 大直 径 。 另外 , 经燃烧试验 鉴定 认为 与前述雾化器 匹配性好 , 能 形成具 较强高温烟 气卷吸 的炉 内空 气动力场 , 这为强化 加热喷入护 内的煤水 浆 雾提供了重 要热源 , 保证 了煤 水浆 雾 的迅 速加热和着火燃烧 。 同时 , 在 回流 区交 界面 上 , 轴 向风速等于。 , 因 此煤 水浆在 此一旦着火 , 就 可以形成一 个稳定 的 火 焰面 , 成为煤水 浆稳定燃烧 的有 利条件 。 二 次风调 节性能 良好 , 能适 应小 容量煤水 浆燃烧所 需要的各种不 同工况 , 即在 各 种 工况下均能保证煤水浆的稳定着火 和燃烧而不发生脱火 和熄火 现象
(3)在整个调节范围内,配风器出口轴向风速均较高,约在30m/s左右,即便在距配风 器出口800mm处,轴向风速仍有3~4m/5,这个高速气流为加强燃烧后期扰动和促进炭的充 分燃烧创造了有利条件。 2启动点火试验 启动点火是煤水浆正常燃烧的必经步骤,特别是对于启停频繁的炉密而言,如何能顺利 而简便地完成启动点火更是生产:单位对燃用煤水浆的重要技术要求之一。为此,实验室进行 启动点火试验,以提供可靠的参数。 如前所述,本试验装置可进行两种点火方式的试验一一主燃烧器切换点火试验和辅助喷 嘴陪烧点火试验。 第一种点火方式是首先山主燃烧器烧用燃燃柴油,加热炉墙。当主燃烧器附近炉墙被加热 为暗红色,炉顶第一支热电偶指术温变为800C时,可迅速关闭柴油流路并同时开启煤水浆 流路,即可实现煤水浆的切换点火。这种点火方式只要操作得当(切换性好),炉内火焰毫 无间断现象。所以煤水浆的点然除了籍助于高温炉墙的强烈热幅射之外,主要仍是依靠先头 油焰和高温烟气的强烈回流而实现的。 第二种点火方式是首先启动辅助柴油喷嘴,当炉内温度升到600℃后,再开启主燃烧器喷 入煤浆,并同时调整配风器叶轮位置,使辅助汕火焰的高温烟气回流至主燃烧器出口附近,点 燃煤水浆并迅速形成稳定的火炬。当主燃烧器点燃后,辅助喷嘴可继续陪烧3~5mi再行撤 去。 试验证明,两种点火方式均能实现煤水浆的启动点火和继之的稳定燃烧,但前者系统较 为简单,两种燃料共用一个燃烧器,不需设置辅助唢嘴;后者则点火可靠性较高,而且不会 发生两种燃料由于切换操作中的问题所造成的火焰间新(瞬间熄火)等现象。也正因此炉内 温度只需加热至600C即可进行煤水浆的喷入点火。 3火炬燃烧试验 自1984年5月以来,在上述装置上共进行了12次煤水浆燃烧试验。累计稳定燃烧时间为 40小时,分别烧用了五个煤种制备的煤水浆,浓度在65~74%之间,粘度在700~2000cP (100s-1)范围之内。 试验中观察到,煤水浆在稳定燃烧时可以形成十分良好的火炬形状,火焰明亮而呈桔黄 色。另外,煤水浆在与柴油相同热值的燃料投入量时,炉膛内火焰充满度更高一些,火焰 长度也明显更长一些。火焰长度的可湖性亦比较显著,改变配风器叶轮位置,诚小旋流强 度,火焰长度即随之加长,但当旋流强度接近于时燃烧变得不稳定,有时甚至出现熄火现 象。而当旋流强度增加时,火焰长度则相应变短,但当旋流强度达到0.85时,燃烧虽很稳 定,长时间运行后喷口附近会出现结焦现象,这说明回流太强,使高温中心过于接近喷口。 表1列出了各次燃烧试验的运行参数。 图6为煤浆流量100kg/h,二次风温250℃时的炉温曲线,由此可见,火焰中心距离喷口 800mm左右,其时火掐长度1.5~2m,直径约为0.1,火焰中心温度约为1500^C,炉内平 ·79·
在整 个调节范围内 , 配风器 出 口 轴 向风速均较 高 , 约在 左 右 , 即便在距 配风 器 出 口 处 , 轴 向风速仍有 , 这个高速气流为加强燃 烧后 期 扰动和 促进 炭的充 分燃烧创 造 了有利条件 。 启 动点火试验 启动 点火 是 煤水 浆 正 常燃烧 的必经步骤 , 特 别是对 于启停频繁 的炉 窑而 言 , 如 何能 顺 利 而简便地 完成 启动点火更是 生产 单 位对燃 用煤水 浆 的重要技术要 求之一 。 为此 , 实验 室进 行 启动点火 试验 , 以 提供 可靠 的参数 。 如 前所 述 , 本试 验装置 可进 行 两种 点火方式 的试 验 - 主燃 烧器 切换 点火试验和 辅 助喷 嘴陪烧点火试验 。 第 一种 点火 方式 是 首先 山主燃 烧器烧用燃燃 柴油 , 加热炉墙 。 当主燃烧器 附近炉 墙被加热 为 暗红色 , 炉 顶第一 支热 电偶指 示 温 度为 ‘ 时 , 可迅 速 关 闭柴 油流 路并 同时开 启煤水浆 流路 , 即可实现 煤水浆 的切 换点火 。 这种 点火 方式只 要操作 得 当 切 换性好 , 炉 内火 焰毫 无 间断现 象 。 所 以煤水浆 的点燃 除了籍助于 商温炉墙 的强 烈热 幅射之外 , 主 要仍是依 靠先头 油 焰和 高温烟 气的强 烈 回流而 实现 的 。 第二 种点火 方式是 首先 启动辅 助柴 油喷 嘴 , 当 炉 内温度 升 到 后 , 再开 启主 燃烧器 喷 入煤浆 , 并 同时调 整配风器 叶轮 位置 , 使辅助油火 焰 的高温 烟气回流至 主 燃烧器 出 口 附近 , 点 燃煤水浆并迅 速 形成 稳定 的火 炬 。 当主 燃烧器 点燃 后 , 辅助 喷嘴 可 继续 陪烧 再行撤 去 。 试 验证 明 , 两种点火 方式 均能 实 现煤水浆 的启动点火和 继之 的稳定燃烧 , 但前 者系 统较 为 简单 , 两种燃 料 共用一 个燃 烧器 , 不 需设 置辅助 喷嘴 后 者 则点火 可靠 性较 高 , 而且不会 发生 两种燃料 由于切 换操作 中的间题所 造成 的火 焰 间新 瞬间熄 火 等现 象 。 也正 因 此炉 内 温度 只需加热 至 ‘ 即 可进 行煤水浆 的喷入 点火 。 火炬燃烧试验 自 年 月 以来 , 在上述装置上 共进 行 了 次煤 水浆燃 烧试 验 。 累计 稳定燃 烧 时 间 为 小时 , 分别烧 用 了五个 煤种 制备 的煤 水浆 , 浓度在 之 间 , 粘 度 在 一 ’ 范围之 内 。 试 验 中观察到 , 煤水 浆在稳定燃 烧时可 以 形成 十分 良好 的火 炬形状 , 火 焰 明亮 而呈桔黄 色 。 另外 , 煤水浆在 与柴 油 相同热 值 的燃料投 入量 时 , 炉 膛 内火 焰充满度更 高 一 些 , 火 焰 长度也 明显更 长一 些 。 火 焰 长度 的可调 性 亦 比 较显著 , 改 变 配风器 叶轮 位置 , 减 小 旋 流 强 度 , 火 焰 长度 即随之 加 长 , 但 当旋流 强 度接近 于。 时燃烧变 得不稳 定 , 有时甚 至 出现熄 火 现 象 。 而 当旋流 强度增 加时 , 火 焰 长度 则相应 变 短 , 但 当旋流 强度 达 到 时 , 燃 烧 虽 很 稳 定 , 长时 间运行后 喷 口 附近会 出现 结焦现 象 , 这 说 明 回流太 强 , 使 高温 中心 过 于接近 喷 口 。 表 列 出 了各次燃烧试验 的运行参数 。 图 为 煤浆 流 最 , 一二 次风 温 ‘℃ 时 的炉 温 曲线 , 由此 可见 , 火 焰中心 距 离 喷 口 左 右 , 其 时火 焰 长度 一 , 直 径 约为 通,飞, 火 焰中心 温度 约为 ‘ , 炉 内 平