煤粉低塵燃燒技術(shù)

煤粉低塵燃燒技術(shù)是在液排渣旋風(fēng)燃燒技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。

傳統(tǒng)的液排渣旋風(fēng)燃燒器技術(shù)是使煤屑在一個具有強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)回流流場的圓柱型燃燒室中進(jìn)行旋風(fēng)燃燒，進(jìn)入燃燒室的煤粉及灰渣在旋轉(zhuǎn)流場的作用下被燃燒室壁面捕集并附著在壁面熔渣層上進(jìn)行附壁燃燒，較細(xì)小的煤粉則濃集在壁面附近進(jìn)行懸浮燃燒。這種燃燒器具有非常高的燃燒強(qiáng)度，其容積熱強(qiáng)度可達(dá)42×106KJ/m³.h。由于大量灰渣被壁面熔渣層捕集并在高溫下成液態(tài)渣除去，進(jìn)入爐膛的是比較潔凈的高溫火焰和煙氣。這種燃燒方式保留了煤粉燃燒方式的優(yōu)點(diǎn)，如燃燒連續(xù)穩(wěn)定、易于調(diào)節(jié)、燃燒氣氛可控等，克服了煤粉燃燒火焰含灰量高的缺點(diǎn)。

但是傳統(tǒng)的液排渣旋風(fēng)燃燒器，不論是立式還是臥式的，為了在燃燒室中形成強(qiáng)烈的旋流，其二次風(fēng)均是從燃燒室的側(cè)面切向或割向引入。這種進(jìn)風(fēng)方式的優(yōu)點(diǎn)一是結(jié)構(gòu)簡單;二是二次風(fēng)具有最大的角動量，能產(chǎn)生最大限度的強(qiáng)旋流。我們通過對其流場的測定發(fā)現(xiàn)，切向進(jìn)風(fēng)導(dǎo)致燃燒室中旋轉(zhuǎn)回流流場的嚴(yán)重畸變，極大地破壞了旋轉(zhuǎn)流場的軸對稱性，回流區(qū)縮小，旋流的回流現(xiàn)象大大減弱，從而縮短了煤粉在燃燒室中的停留時間。由于旋流流場的紊亂，對灰渣的離心分離作用顯著減弱，大量煤粉及灰渣短路逸出燃燒室，使得捕渣率難以提高。更重要的是，由于二次風(fēng)口開在燃燒室側(cè)壁熔渣的流場之中，高速的二次風(fēng)氣流對風(fēng)口處的強(qiáng)烈冷卻作用使熔渣在該處凝結(jié)，造成結(jié)渣，使燃燒不穩(wěn)定，嚴(yán)重時還會堵塞風(fēng)口而被迫停爐。為解決風(fēng)口結(jié)渣堵塞問題，一個辦法是將二次風(fēng)預(yù)熱到攝氏一千度以上，如TRW公司的液排渣旋風(fēng)燃燒器就是這么做的。為此必須采用預(yù)燃室結(jié)構(gòu)，從而使燃燒裝置變得很復(fù)雜，難以在一般工業(yè)窯爐上應(yīng)用。

煤粉低塵燃燒器對傳統(tǒng)的液排渣旋風(fēng)燃燒器進(jìn)行了重大的技術(shù)革新，克服了其固有的缺點(diǎn)，使捕渣率大幅度的提高。其火焰的潔凈度高于水煤漿火焰，可與重油火焰相媲美。此外，這項(xiàng)技術(shù)不需對煤進(jìn)行特殊加工，煤種適用范圍寬，經(jīng)濟(jì)性好。因此，這是一項(xiàng)在工業(yè)窯爐上實(shí)現(xiàn)以煤代油以及對老式燃煤工業(yè)窯爐進(jìn)行改造的極有前途的煤潔凈燃燒技術(shù)。

我國有工業(yè)窯爐約十多萬臺，年耗燃料約1.6億噸標(biāo)煤，其中有約四分之一的窯爐由于對燃燒加熱的條件，如燃燒氣氛、燃燒的穩(wěn)定性、連續(xù)性、火焰的潔凈度等有較高的要求，只能以油、氣為能源。估計這部分工業(yè)爐、窯每年要消耗3,000萬噸的燃油或燃?xì)狻Ｆ溆嗟墓I(yè)窯爐由于得不到油、氣的供應(yīng)，只能燃用煤炭。

現(xiàn)有的燃煤技術(shù)均難以滿足現(xiàn)代工業(yè)窯爐的要求。比如，當(dāng)采用層燃方式時，雖可獲得較潔凈的火焰，但卻難以得到長時間連續(xù)穩(wěn)定的燃燒工況，也難以實(shí)現(xiàn)燃燒過程的自動控制和調(diào)節(jié)。倒焰窯、反射爐等就是燃煤層燃工業(yè)爐的例子。這類爐子只能是間歇操作，熱效率相當(dāng)?shù)?。若采用煤粉火炬燃燒方式，雖可像燃油或燃?xì)庖粯訉?shí)現(xiàn)火焰的長時間連續(xù)穩(wěn)定的燃燒，也易于實(shí)現(xiàn)對燃燒狀況的自動控制和調(diào)節(jié)，但是其火焰和煙氣中卻含有大量的灰渣，這些灰渣會污染產(chǎn)品，堵塞窯爐或換熱設(shè)備，污染環(huán)境。因此，難以在工業(yè)窯爐中使用。水煤漿的使用和燃燒方式較接近于燃油，許多人試圖將其應(yīng)用于工業(yè)窯爐上以實(shí)現(xiàn)以煤代油，但水煤漿仍存在灰分太高(一般為5~10%)，火焰潔凈度不夠的缺點(diǎn)。這與煤粉燃燒的缺點(diǎn)類似，此外其價格還比煤粉高得多。因此，水煤漿也不是個良好的解決辦法。把煤制成煤氣供給工業(yè)窯爐雖可滿足工業(yè)加熱工藝的要求，但煤氣化設(shè)備投資高，常常要高出工業(yè)窯爐本身的投資。同時，煤氣化的能源轉(zhuǎn)換率比較低，運(yùn)行費(fèi)用相當(dāng)高，其經(jīng)濟(jì)性難以為目前我國一般工業(yè)部門所接受。因此，可以說現(xiàn)有的燃煤技術(shù)均不能滿足現(xiàn)代工業(yè)窯爐的要求。

我國的能源資源以煤為主，石油的產(chǎn)量不能滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，只能優(yōu)先用作石油化工工業(yè)的原料和運(yùn)輸工具的燃料。能供工業(yè)窯爐使用的燃油十分有限。我們不能像多數(shù)工業(yè)化國家一樣鼓勵工業(yè)窯爐燃油燃?xì)饣?。世界上各先進(jìn)工業(yè)國家均不像中國這樣以煤為主要能源。在這些國家中，煤基本上只用于發(fā)電。他們不可能發(fā)展工業(yè)窯爐以煤代油技術(shù)。因此，我們發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)不能不顧中國國情完全按國外的路子走。所以，研究一種能滿足工業(yè)窯爐加熱工藝嚴(yán)格要求的潔凈燃煤技術(shù)對我國具有重大意義，也是中國科研人員責(zé)無旁貸的責(zé)任。"煤粉低塵燃燒技術(shù)"就是為滿足這一需求而提出的一種煤潔凈燃燒技術(shù)。

場對燃燒室中的燃燒狀況起著決定性的影響。通過流場多次試驗(yàn)，采用端面預(yù)旋進(jìn)風(fēng)技術(shù)在燃燒室中形成一個完全軸對稱的、完整、規(guī)則的旋轉(zhuǎn)回流流場。這為合理組織燃燒、延長煤粉在燃燒室中的停留時間、防止煤粉短路逸出燃燒室、充分發(fā)揮旋轉(zhuǎn)流場的離心分離作用創(chuàng)造了必要的基本條件。

使燃燒室側(cè)壁成為一個完整連續(xù)的圓柱面。這為液渣和煤粉的附著進(jìn)行強(qiáng)烈的附壁燃燒并在高速旋轉(zhuǎn)氣流的驅(qū)動下沿螺旋軌跡逐漸向排渣口流動提供了一個沒有任何阻礙的流場。消除了產(chǎn)生風(fēng)口結(jié)渣、堵塞事故的根源。具有以上兩個特征的燃燒室已完全不同于以切向進(jìn)風(fēng)為特征圖一 液排渣旋風(fēng)燃燒器流場的傳統(tǒng)液排渣旋風(fēng)燃燒器。

采用濃相定向的給煤結(jié)構(gòu)直接把煤粉加進(jìn)最外層旋轉(zhuǎn)氣流中，使煤粉在燃燒室中具有最長的運(yùn)動路徑，消除煤粉"短路"逸出燃燒器的機(jī)會，從而提高了捕渣率。

既保證絕大多數(shù)煤粒子能被慣性分離附著到燃燒室壁面上進(jìn)行附壁燃燒，又保證液渣到達(dá)出渣口時煤粒均已燃盡，使捕渣率及燃燒效率均大大提高，同時也節(jié)省磨煤電耗。

同時由于低塵燃燒器中燃燒氣氛為強(qiáng)還原性氣氛，可抑制NOx的生成及促進(jìn)CaS的形成以達(dá)脫硫目的。

通過上述的改進(jìn)，新型的煤粉低塵燃燒技術(shù)主要特點(diǎn)是它具有液排渣旋風(fēng)燃燒器所不可能有的高捕渣率和相對簡單的結(jié)構(gòu)。這是一項(xiàng)符合我國的能源資源情況，適合我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平的以煤代油技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)特別適用于連續(xù)生產(chǎn)的大型燃油工業(yè)窯爐的改造。據(jù)推算，使用該技術(shù)，每用煤頂替一噸燃油，可節(jié)省燃料費(fèi)用RMB500元左右。本技術(shù)也適合于燃煤工業(yè)窯爐的改造，特別是可把間歇生產(chǎn)的燃煤工業(yè)窯爐改造成連續(xù)生產(chǎn)的窯爐,從而大大提高窯爐的熱效率，節(jié)能潛力巨大。

煤粉高效潔凈燃燒及煙氣凈化技術(shù)包括高效燃燒技術(shù)、低NOx燃燒技術(shù)、煙氣脫硫技術(shù)、煙氣脫硝技術(shù)、除塵技術(shù)等?，F(xiàn)簡要介紹如下:

一般而言，煤粉高效燃燒技術(shù)與低NOx燃燒技術(shù)是互為矛盾的兩種技術(shù)。降低NOx生成與排放根本在于控制燃燒區(qū)域的溫度不能太高，但低溫燃燒又影響煤粉的燃燒率，協(xié)調(diào)好這兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用使之達(dá)到綜合最佳效果是目的，實(shí)際上就要求對煤粉燃燒的全過程加以控制。既能夠保證煤粉著火的穩(wěn)定性，又有較低的燃燒溫度，同時有足夠長的并在一定溫度下的燃燒時間保證燃燼。目前世界上較先進(jìn)的燃燒技術(shù)基本兼顧了這些因素，其中以直流燃燒器為主的有:ABB-CE公司利用一次風(fēng)彎頭的慣性分離作用，在彎頭出口中間設(shè)置有孔隔板，將煤粉氣流分成上濃下淡兩段氣流，形成上下濃淡煤粉燃燒器，并在噴口處裝有軸向距離可調(diào)整的V型鈍體，通過合理組織二次風(fēng)，同時達(dá)到了穩(wěn)定、高效、低NOx 排放的燃燒效果;日本三菱重工(MHI)開發(fā)了PM型燃燒器，利用彎頭的離心作用，把一次風(fēng)分成上下濃淡兩股氣流，同時采用煙氣再循環(huán)和爐內(nèi)整體分級燃燒技術(shù)，也達(dá)到了較好的效果。

以旋流燃燒器為主的有:FW公司利用旋風(fēng)子使進(jìn)入主燃燒器的一次風(fēng)濃度增加，并降低一次風(fēng)速以保證煤粉氣流著火穩(wěn)定性，并控制NOx 的生成量;有較多工業(yè)應(yīng)用的還有B&W公司的PAX型旋流煤粉燃燒器、日本IHI公司的寬調(diào)解范圍旋流煤粉燃燒器、德國斯坦米勒公司多級分級供風(fēng)旋流燃燒器等。上述這些工業(yè)產(chǎn)品均能夠保證NOx 排放在400mg/Nm3以下，并具有較高燃燒效率。目前國外正在開發(fā)的低NOx 燃燒技術(shù)可以控制NOx生成量是在200mg/Nm3左右，已達(dá)到了比較高的水平。但由于世界上很多先進(jìn)國家對NOx排放規(guī)定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，僅靠改進(jìn)和提高燃燒技術(shù)難以達(dá)到NOx 控制值，因而有些鍋爐機(jī)組在尾部增設(shè)了煙氣脫硝裝置。

我國近年來也開發(fā)了很多型式的低NOx燃燒技術(shù)，具有代表性的是濃淡煤粉燃燒器，包括水平濃淡、上下濃淡直流燃燒器、旋流燃燒器和可控濃淡旋流煤粉燃燒器等。但由于我國存在煤種多變等問題，致使這些技術(shù)在應(yīng)用中遇到了一些問題，包括采用國外類似技術(shù)制造的燃煤機(jī)組也遇到了同樣的問題。通過努力，最近針對褐煤鍋爐已開發(fā)并已工業(yè)應(yīng)用了具有一定煤種自適應(yīng)性的低負(fù)荷穩(wěn)燃低NOx 排放成套燃燒技術(shù)，可以控制NOx排放量在400mg/Nm3以下，燃燒效率在99%以上，比較先進(jìn)。

煙氣脫硫、脫硝與除塵是煙氣凈化的三個主要內(nèi)容。在煙氣脫硫方面，濕法脫硫占絕對主導(dǎo)地位，在發(fā)達(dá)國家占有市場90%以上。其他為半干法脫硫、爐內(nèi)噴鈣尾部增濕、排煙循環(huán)硫化床法、電子束氨法等脫硫技術(shù)。從發(fā)展看，濕法脫硫仍由于其指標(biāo)高而占主導(dǎo)地位，排煙循環(huán)硫化床脫硫方法也由于其技術(shù)經(jīng)濟(jì)的綜合優(yōu)勢而逐步占據(jù)了一些市場并將在發(fā)展中國家逐步得到大量應(yīng)用。對我國而言，對新建機(jī)組最好采用濕法脫硫技術(shù)設(shè)備一步到位;對改造機(jī)組視煤種含硫量而定，如高硫煤可采用排煙循環(huán)硫化床方法，對低硫煤可采用爐內(nèi)噴鈣配以尾部增濕，尤其是現(xiàn)已存在的大量水膜除塵器可以綜合利用其價值。在煙氣脫硝方面，國外一般采用選擇性還原反應(yīng)裝置，去除煙氣中大部分的氮氧化物，其他方法尚在開發(fā)和研究階段。國內(nèi)由于資金、場地等限制，尚無工業(yè)應(yīng)用先例，而且暫時也無能力完成示范機(jī)組建設(shè)。在煙氣除塵方面，由于發(fā)達(dá)國家對煙塵排放率和超細(xì)顆粒脫塵率的要求持續(xù)升高，許多國家已逐步將電除塵器改為脈沖反吹濾袋式除塵器，這可以澳大利亞、美國等國家為代表。我國近期計劃把大批中型機(jī)組的旋風(fēng)除塵器或水膜除塵器替換成電除塵器，指標(biāo)為出口煙塵不超過200mg/Nm3，飄塵則無要求。在擬建的大連臺山增壓循環(huán)硫化床鍋爐上，中方準(zhǔn)備采用脈沖反吹式濾袋除塵器，以達(dá)到較高性能。

在潔凈煤技術(shù)不斷發(fā)展的十幾年內(nèi)，國內(nèi)外均開發(fā)了許多產(chǎn)品和成套技術(shù)。有先進(jìn)的選煤技術(shù)、水煤漿技術(shù)、煤炭氣化、煤炭液化技術(shù)，有循環(huán)流化床、增壓循環(huán)流化床、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)等技術(shù)，有各種處理水平的煙氣凈化技術(shù)及粉煤灰綜合利用技術(shù)等。綜合考慮我國現(xiàn)狀，煤粉高效潔凈燃燒及煙氣凈化技術(shù)在近期應(yīng)有較廣闊的應(yīng)用空間。

煤粉燃燒器具有特殊設(shè)計的多級多嘴送風(fēng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，能在短時間內(nèi)使煤粉產(chǎn)生高溫渦流，具有燃燒完全，熱利用率高，消煙除塵、高效節(jié)能，改善工作條件，減輕勞動強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，是節(jié)能環(huán)保的理想產(chǎn)品。煤粉高效燃燒技術(shù)與低NOx燃燒技術(shù)是互為矛盾的兩種技術(shù)。降低NOx生成與排放根本在于控制燃燒區(qū)域的溫度不能太高，但低溫燃燒又影響煤粉的燃燒率，協(xié)調(diào)好這兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用使之達(dá)到綜合最佳效果是目的，實(shí)際上就要求對煤粉燒的全過程加以控制。既能夠保證煤粉著火的穩(wěn)定性，又有較低的燃燒溫度，同時有足夠長的并在一定溫度下的燃燒時間保證燃燼。