煤粉低尘燃烧技术
文/陈恩鉴 林伯川 阎常峰中国科学院广州能源研究所，广州510070
1前言
中国有工业窑炉十多万台，年耗燃料1．6亿吨标准煤。其中有约1／4的窑炉由于对燃烧加热的条件，如燃烧气氛、燃烧的稳定性、连续性、火焰的含尘浓度等有较高的要求，只能燃用油或气，估计每年消耗3000万吨燃油。中国的石油产量不能满足国民经济发展的需要，只能优先用作石化工业的原料或运输工具的燃料，能供工业窑炉使用的燃油十分有限。中国不能像多数工业化国家—样鼓励工业窑炉的燃油燃气化。
朱镕基总理在“关于制定国民经济和社会发展第十个五年计划建议的说明”中说：“国内石油开发和生产不能适应经济和社会发展的需要，供需矛盾日益突出。一年要花大量外汇进口石油，这是难以为继的。必须下大力气调整能源结构，从各方面采取措施节约石油消耗，大力发展洁净煤技术，……”。中国的能源资源以煤为主，煤的供应充足且价廉。目前和今后几十年中，煤将仍然是中国的主要燃料。中国的工业炉窑的能耗大约占工业总能耗的1／3。因此，研究一种适合工业窑炉使用的洁净燃煤技术是一项有重大意义的事。
目前，在工业窑炉上使用的燃煤技术大约有下面几种：
1．1层燃方式。如反射炉、倒焰窑等，这是最常用的燃煤工业窑炉，其缺点是不能长时间连续稳定燃烧，只能间歇运行，其热效率和生产效率低下，在生火或加煤时易产生浓烟，环境恶劣。
1．2煤粉燃烧方式。其燃烧稳定连续，燃烧气氛和燃烧强度易于调节。但是，其火焰中含有大量飞灰，只能用于少数特殊的窑炉，如水泥转窑等，不适用于多数要求清洁火焰的工业窑炉。
1．3煤气化技术。这是目前燃煤工业窑炉现代化改造常用的方法。但由于煤气发生炉投资大，运行成本高，煤气转化效率低(只有50％一70％)，其经济陛难以为—般工业企业所接受。
1．4水煤浆燃烧技术。水煤浆燃烧方式接近于燃油。但水煤浆也存在灰份较高(5％一10％)，火焰洁净度不够的缺点。同时，水煤浆的价格比煤粉高得多。
1．5煤粉液排渣旋风燃烧技术。这种燃烧方式和煤粉燃烧相似，但可在燃烧过程中实现灰渣捕集，可降低火焰含尘浓度，是一种有发展潜力的工业窑炉用洁净燃煤方式。典型的煤粉液排渣旋风燃烧器为美国TRW公司的燃烧器。我国也有不少科研单位和企业试图将煤粉液排渣旋风燃烧器用于燃煤磁流体发电或工业窑炉中，做了大量的试验研究工作，取得了许多经验教训。目前，煤粉液排渣旋风燃烧器由于捕渣率不够高，风口易结渣，结构复杂而难以用于一般工业窑炉。
综上所述，目前仍没有一种令人满意的工业窑炉 燃煤技术。“九五”期间，我们承担了“煤粉低尘燃烧技术及其在工业加热窑炉中的应用”的国家重点科技攻关项目。在煤粉液排渣旋风燃烧技术的基础上，发展了一种适合于工业窑炉的煤粉低尘燃烧技术。
2煤粉低尘燃烧技术简介
煤粉燃烧火焰与燃油火焰在实用中的最大差别在于煤粉火焰中含有大量的灰渣，这些灰渣会污染被加热的产品和环境，堵塞窑炉。煤粉低尘燃烧技术正是为克服这一缺点而发展出来的新型燃煤技术。这项技术是使煤粉在一个圆柱形的燃烧室中进行高热强度的半气化旋风燃烧，煤中的灰渣在旋转流场的作用下被燃烧室的壁面捕集并在高温下成液态渣除去，进入炉膛的是洁净的高温还原性火焰。在炉膛中再引入二次风进行补充燃烧以提高效率。这项技术具有煤粉燃烧方式的优点，如燃烧连续稳定、易于调节、燃烧气氛可控等，克服了煤粉火焰含灰量高的缺点。其火焰的洁净度高于水煤浆火焰，可与重油火焰相媲美。同时，本项技术不须对煤进行特殊处理，只须将煤磨成煤粉，所要求的煤粉平均粒径可以比一般煤粉燃烧炉要求的粗。煤粉可通过管道进行气力输送，整个燃烧给煤系统是封闭式的。现场没有一般燃煤窑炉附近煤尘飞扬的缺点。因此，这是一种几乎和燃油一样清洁干净而且经济适用的煤粉洁净燃烧方式。
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3 煤粉低尘燃烧技术与煤粉液排渣旋风燃烧技术的比较
煤粉低尘燃烧技术是在液排渣旋风燃烧技术的基础上发展起来的。其燃烧室均为圆柱形，但是在进风和给粉的方式上则是完全不同的。传统的煤粉液排渣旋风燃烧器的显著特点是其切向进风的结构，其进风口位于燃烧室同柱形侧壁上。这样的进风结构一是简单，二是可以在燃烧室中形成强烈的旋流。但是这种进风方式也带来严重的负面影响。首先，切向进风导致燃烧室中的旋转同流流场严重扭曲畸变，对称性被破坏，回流区缩小，这使得其捕渣率难以提高(见图2)。其次，由于进风口处寸：燃烧室侧壁溶渣流场之中，高速的进风气流对风口的强烈冷却作用造成风口结渣，使燃烧不稳定。为克服这些缺点，煤粉低尘燃烧器取消了燃烧室侧面上的切向进风口，其进风口为燃烧室进口端面上的一个环形轴向叶栅，使燃烧室的侧面形成—个连续完整的熔渣流场。热风经过环形叶栅后形成环形旋流进入燃烧室。这种端面旋流进风方式是煤粉低尘燃烧器的特征。端面旋流进风在燃烧室中形成一个完全轴对称的、完整、规则的旋转回流流场。这为合理组织和强化燃烧，提高捕渣率创造了良好的条件。
在给粉方式上，煤粉液排渣旋风燃烧器通常是在进口端面中心轴向进粉。这种进粉方式没有考虑到燃烧室中的流场特性，从而使得大量煤粉短路逸出燃烧室，降低了燃烧效率和捕渣率。在煤粉低尘燃烧器中，直接把煤粉加进最外层旋转气流之中。这样，煤粉在燃烧室中有着比较长的运动路线，防止了煤粉直接短路逸出燃烧室，从而可进一步提高燃烧效率和捕渣率。
此外，煤粉低尘燃烧器还使用了自热式气冷结构、切向出渣口及分级燃烧等独特技术。综上所述，煤粉低尘燃烧器具有自己独特的结构和性能特点，其结构紧凑、火焰洁净、燃烧稳定、燃烧效率高，是一种适合我国经济技术水平，适用于工业窑炉的洁净燃煤技术。
4 结论
煤粉低尘燃烧技术采用端面旋流进风及流场外层定向进粉等独特的技术，使其结构和性能较煤粉液排渣旋风燃烧器提高了一大步。煤粉低尘燃烧器结构简单、燃烧稳定连续、火焰洁净、燃烧效率高，这是一种适合于工业窑炉以煤代油改造的新型洁净燃煤技术。该技术经济实用，符合我国国情和以煤代油的需求，具有广阔的市场前景。
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