水煤漿工業(yè)鍋爐優(yōu)勢分析及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

劍曉

摘 要：本文通過分析我國的能源現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上，分析水煤漿燃料的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，在分析水煤漿燃料機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析燃燒裝置、鍋爐本身和尾部煙塵的處理功能各異，并對鍋爐的控制進(jìn)行了優(yōu)化分析，分析水煤漿燃燒的穩(wěn)定性和尾部煙氣的處理問題。

關(guān)鍵詞：水煤漿；工業(yè)鍋爐；系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

能源問題與環(huán)境問題是我國的重點(diǎn)問題，我國是人口大國，能源總量相對不足，而且燃料的質(zhì)量不高，燃料呈現(xiàn)區(qū)域分布不均勻的問題。我國的煤炭儲存量還是比較多的，已經(jīng)探明的煤炭儲量能夠達(dá)到2000億噸，人均每年要消耗150噸煤炭。我國還有很多潛在的煤炭資源能夠供后人探明和使用。我國的石油勘探專家也對相關(guān)的數(shù)據(jù)做了統(tǒng)計(jì)，認(rèn)為我國的石油可開采的總量為114億噸。我國的石油的進(jìn)口依賴程度還是比較嚴(yán)重的，在進(jìn)口石油的過程中會(huì)消耗我國大量的資金，而且會(huì)對我國的能源安全帶來不利的影響，所以，我國應(yīng)該充分發(fā)揮能源的優(yōu)勢，使煤炭資源的優(yōu)勢得以發(fā)揮，從而能夠生產(chǎn)出清潔的能源。

1 水煤漿的特征

按照煤與不同流體的混合程度來分析，煤漿的類型是不同的。主要可以分為油煤漿、油水煤漿、水煤漿和煤-甲醇煤漿。其中，油煤漿是由50%的煤粉和50%的油混合而成的，油水煤漿是由煤粉、油和10%以上的水構(gòu)成的。水煤漿是60%的煤粉和40%的水構(gòu)成的。煤-甲醇煤漿是由50%的煤粉和50%的甲醇古城的。

按照對煤的灰進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，煤漿又可以分為超低灰煤漿、低灰煤漿等。高灰煤漿是一種最常見的煤漿，是由煤泥和水構(gòu)成的，在工業(yè)鍋爐中被廣泛地使用。石油焦?jié){是石油焦和油混合形成的。

水煤漿是一種新型的流體燃料，其70%是由水構(gòu)成的，其特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

其外觀呈現(xiàn)出重油的特征，其能夠通過管道泵進(jìn)行輸送和裝卸，也可以運(yùn)用閥門進(jìn)行流量的控制，而且也能夠運(yùn)用壓力表對其壓力進(jìn)行分析。鍋爐的燃料系統(tǒng)與燃油機(jī)組的運(yùn)行機(jī)理十分的相似；其在燃燒時(shí)與重油具有相同的特征，都可以進(jìn)行霧化后的燃燒，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對空氣的壓縮，而且其燃燒具有穩(wěn)定性特帶你，能夠使煤粉的燃燒特性得以保留。但是啟動(dòng)的時(shí)間過長，在負(fù)荷發(fā)生變動(dòng)時(shí)，其適應(yīng)能力也是比較好的，其能夠?qū)崿F(xiàn)完全的燃燒；水煤漿中含有30%的水，而且，即使是在封閉的環(huán)境中進(jìn)行輸送，也不會(huì)出現(xiàn)爆炸的事故，在運(yùn)輸和儲存的過程中不用采取任何的防范措施；在媒體儲存的過程中不會(huì)出現(xiàn)物料損失的問題，而且在鍋爐燃燒的過程中不會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，也鍋爐燃燒時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生很大的噪音；與燃煤機(jī)組相比，鍋爐的除塵設(shè)備的容量是比較小的，其灰場的容量僅僅為燃煤機(jī)組的四分之一?；覉鰮P(yáng)塵不會(huì)對大氣造成嚴(yán)重的污染。

2 水煤漿的環(huán)保優(yōu)勢

水煤漿在使用之前都是經(jīng)過凈化和浮選的，所以，能夠?qū)⑺簼{中的灰塵清除，將水煤漿中的黃鐵礦清除，所以，水煤漿在燃燒時(shí)不會(huì)產(chǎn)生灰塵和硫化氣體，在燃燒時(shí)煙塵和硫化物的排放量是比較低的。在實(shí)際的應(yīng)用中，可以發(fā)現(xiàn)，在水煤漿燃燒的過程中，其排出的煙塵中的二氧化氮?dú)怏w也不多，所以，水煤漿是一種清潔環(huán)保的燃料。水煤漿的中水在燃燒中是不能提供熱量的，在燃燒時(shí)由于水汽的蒸發(fā)還會(huì)造成熱量的流失，但是，水能夠使煤炭的活性提高，從而使煤炭由原先的固體燃料轉(zhuǎn)化成液體燃料。水煤漿在正常的溫度下其粘度為1000mpa，能夠在管道泵中輸送，也能夠像原油一樣霧化和燃燒，也能夠通過長時(shí)間的運(yùn)輸，所以水煤漿從生產(chǎn)到燃燒，整個(gè)過程都是在封閉的環(huán)境中進(jìn)行的，所以其使用起來是比較潔凈的。

2.1 水煤漿鍋爐的煙塵排放計(jì)算和比較

水煤漿在燃燒會(huì)產(chǎn)生的煙塵主要有兩個(gè)原因，一是煤在燃燒時(shí)產(chǎn)生大量的粉灰，二是煤中含有的碳元素沒有完全燃燒。

對1千克的水煤漿的煙塵排放量進(jìn)行計(jì)算，煙塵排放量H=灰分的份額*1000000+1000000*煤粉的濃度*炭的份額*（1-燃盡率）*飛灰的份額=74004mg。

在對上述的飛灰的份額進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用臺式的水墨脫硫裝置，能夠提高除塵的效果，其除塵率能夠達(dá)到90%。在上面的計(jì)算結(jié)果中，灰分和水煤漿的濃度都是達(dá)到了最大的限值，所以，其計(jì)算的結(jié)果數(shù)值是偏高的。盡管如此，在對煙塵的排放濃度進(jìn)行計(jì)算時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)還是高于國家的水平。

運(yùn)用靜電或者布袋的除塵器，其除塵的效果非常好，可以使鍋爐燃燒時(shí)的排放達(dá)到國家一級的標(biāo)準(zhǔn)。這可以充分地表明，水煤漿的煙塵排放在經(jīng)過處理后是可以達(dá)到要求的。

2.2 水煤漿鍋爐的硫化物排放的計(jì)算和對比

在對水煤漿和重油燃燒的過程中，燃燒中的硫化物能夠達(dá)到95%，一般是以硫酸離子的形式呈現(xiàn)，在這個(gè)過程中，假設(shè)燃料燃燒后產(chǎn)生的硫化物都是硫酸離子。

我國對于重油的排放濃度的規(guī)定時(shí)在900mg，通過對表1的數(shù)據(jù)分析，看出我國的鍋爐燃燒排放量還是能夠達(dá)到國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的，但是在重油燃燒的過程中，重油燃燒產(chǎn)生的硫化物的量已經(jīng)嚴(yán)重超標(biāo)。

水煤漿是一種流體的燃料，其在使用的過程中可以起到脫硫劑的效果，在使用時(shí)結(jié)合碳酸鈣和氧化鈣一起使用，其脫硫的效果非常好，幾乎四分之三的硫化物可以被清除，其排放的濃度為150mg，比國家的標(biāo)準(zhǔn)要低很多。而且水煤漿在燃燒中脫硫的工藝不復(fù)雜，而且也不用使用過于復(fù)雜的設(shè)備，不會(huì)產(chǎn)生大量的污染。

表1 水煤漿鍋爐和重油鍋爐燃燒時(shí)硫化物排放的濃度對比（每千克燃料燃燒）

燃料 硫分 硫化物量/mg 硫酸離子量/mg 熱值MJ 煙氣量/Nm 硫酸離子濃度/mg

水煤漿 0.407 4070 8130 19.32 11.343 733

低硫重油 0.99 9980 19990 40 13.5 1486

普通重油 2.4 24000 50000 40 13.5 3745

2.3 水煤漿鍋爐燃燒的氮化物的計(jì)算和對比

鍋爐在燃燒的過程中產(chǎn)生氮化物的原因是多方面的，其主要分為兩大類，第一類是熱力型的氮化物，還有一類是燃料型的氮化物。這兩種氮化物都會(huì)隨著鍋爐溫度的升高而升高，所以，氮化物生成過程中溫度是一個(gè)比較重要的因素。在水煤漿鍋爐燃燒過程中，因?yàn)槿剂现兴值暮渴潜容^多的，所以，鍋爐燃燒時(shí)會(huì)有大量的水汽蒸發(fā)，這樣就會(huì)導(dǎo)致很多熱量的蒸發(fā)，水煤漿鍋爐的溫度比重油鍋爐的溫度低很多，所以，水煤漿鍋爐中產(chǎn)生的氮化物也比重油鍋爐燃燒產(chǎn)生的氮化物少。在國家對鍋爐燃燒氮化物排放的指標(biāo)為400mg，但是很多鍋爐的燃燒是達(dá)不到這個(gè)要求的。

3 水煤漿燃燒的原理和相關(guān)的問題分析

水煤漿是由60%的煤粉和30%的水構(gòu)成的，所以，其燃燒的原理與煤粉燃燒的原理是十分相似的，在燃燒中，所以的燃燒過程幾乎都是在爐膛中完成的，水煤漿通過霧化直接噴入到爐膛中，在高溫條件下，在爐膛內(nèi)產(chǎn)生對流和輻射的作用，其加熱的速度是非?？斓?，而且水分在蒸發(fā)時(shí)容易產(chǎn)生焦炭。水煤漿在燃燒的過程中與煤粉燃燒的區(qū)別在于水煤漿在燃燒之前是不用經(jīng)過干燥處理的，其可以直接通過霧化的方式進(jìn)入到爐體內(nèi)燃燒，這樣就會(huì)提高水煤漿著火的時(shí)間。水煤漿中的水分在爐內(nèi)著火之前是必須完全蒸發(fā)的，但是在水分蒸發(fā)的過程中會(huì)消耗大量的熱量，使水煤漿鍋爐著火的時(shí)間比較慢，所以，在對水煤漿燃燒的原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對煤的特性、煤顆粒的大小等因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，分析水煤漿的濃度，使水煤漿能夠完全、穩(wěn)定的燃燒。

水煤漿鍋爐使用的過程中，著火時(shí)間過慢是個(gè)問題，水煤漿是由煤粉、水和少量的添加劑構(gòu)成的，所以，在著火中水汽的蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致鍋爐達(dá)不到著火點(diǎn)。所以，對不同的水煤漿的著火熱進(jìn)行分析，如表2所示。

表2水煤漿蒸發(fā)熱和著火熱及煤粉著火熱的比值分析

水分（%） 水分蒸發(fā)占總著火熱的比例 水煤漿與煤粉著火火熱的比值

0 0 1.0

20 0.35 1.45

30 0.48 1.67

40 0.59 1.88

按照對水煤漿燃燒原理的分析，水分的蒸發(fā)會(huì)使水煤漿燃盡總時(shí)間延長8%。所以，水煤漿的濃度越高，其所占的百分比會(huì)越低。所以，水煤漿不能僅僅通過燃燒實(shí)現(xiàn)著火點(diǎn)，所以必須要運(yùn)用輔助性的燃料幫助其燃燒。水分會(huì)降低燃燒的速率，原因在于水分的蒸發(fā)會(huì)帶走很多的熱量，水煤漿的水分越多，那么水煤漿鍋爐燃燒的速度就越慢。如果水分過高，就會(huì)導(dǎo)致水煤漿燃燒的穩(wěn)定性下降。

3.1 水煤漿穩(wěn)定燃燒和燃盡的問題

水煤漿在燃燒的過程中其本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)的懸浮燃燒，其燃燒幾乎都是在爐膛內(nèi)進(jìn)行的，因此，應(yīng)該分析水煤漿的顆粒在進(jìn)行懸浮燃燒時(shí)要用的時(shí)間，在對此進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)該控制好爐膛的容積，在對水煤漿爐膛進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該分析其熱負(fù)荷，確保水煤漿能夠穩(wěn)定的著火。

3.2 水煤漿燃燒爐膛結(jié)渣問題的分析

在對穩(wěn)燃室設(shè)計(jì)后，能夠提高水煤漿燃燒的速度，也能夠提高水煤漿燃燒的穩(wěn)定性，但是，在水煤漿燃燒的過程中，會(huì)在爐膛內(nèi)存有大量的殘?jiān)貏e是在燃料的熔點(diǎn)比較低的問題下，如果鍋爐的耐火磚上發(fā)生了結(jié)渣問題，是很難清除這些結(jié)渣的，而且結(jié)渣會(huì)越來越多，嚴(yán)重了會(huì)導(dǎo)致水冷壁管被埋在結(jié)渣中，導(dǎo)致爐膛的冷卻功能失效。這些結(jié)渣會(huì)導(dǎo)致鍋爐內(nèi)的煙氣不能及時(shí)地排出，而且這些煙氣中也含有結(jié)渣的成分，會(huì)導(dǎo)致結(jié)渣的進(jìn)一步增多，在鍋爐運(yùn)用中，會(huì)導(dǎo)致鍋爐的負(fù)荷下降。

4 水煤漿工業(yè)鍋爐的制作和系統(tǒng)的完善

我國的能源消耗是以煤炭為主的，因?yàn)槲覈拿禾抠Y源相對來說是比較充足的，這個(gè)現(xiàn)狀是不能改變的。按照中國電器工業(yè)部門對工業(yè)鍋爐使用情況的統(tǒng)計(jì)，對燃煤和然氣的鍋爐進(jìn)行對比，燃煤的鍋爐是占絕大多數(shù)的。按照我國的鍋爐發(fā)展模式，對其今后的發(fā)展模式進(jìn)行預(yù)測，燃煤鍋爐的比例是在減少的，到2020年，我國燃煤的鍋爐只占60%，到了2050年我國燃煤的鍋爐只占50%、所以，作為國內(nèi)鍋爐生產(chǎn)的廠家都是根據(jù)能源的使用情況來研制鍋爐的，對鍋爐的燃燒裝置、鍋爐的本體進(jìn)行了研究。鍋爐系統(tǒng)的差別除了有燃煤和然氣的差別，還有水處理系統(tǒng)的差別，排煙系統(tǒng)的差別等。

4.1 水煤漿工業(yè)鍋爐爐前供漿系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在對爐前供漿系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一般要對漿罐、在線過濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)，防止水煤漿中的顆粒不能完全燃燒，在漿罐中留下大量的結(jié)塊，導(dǎo)致管路發(fā)生阻塞的問題。在進(jìn)行爐前設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該盡量將問題簡化，減少管路的使用，確保管路在使用時(shí)是通暢的。所以，要對爐前供漿系統(tǒng)進(jìn)行模塊化的設(shè)計(jì)，分別對漿罐、過濾器、管路、閥門等進(jìn)行設(shè)計(jì)，使這些裝置能夠在一個(gè)平臺上操作，從而能夠使安裝和管理更加得便捷。在對回路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要確?；芈返难h(huán)，對工作臺上的裝置進(jìn)行進(jìn)行集中的優(yōu)化處理。

4.2 水煤漿工業(yè)鍋爐燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在對水煤漿鍋爐燃燒的原理進(jìn)行分析后，分析水煤漿燃燒效率的因素，其燃燒效率是受到很多因素的制約的，現(xiàn)在，還沒有設(shè)計(jì)好合適的燃燒器的規(guī)格，所以，燃燒器與水煤漿鍋爐不能匹配，水煤漿鍋爐的燃燒裝置在設(shè)計(jì)過程中比較簡單，在鍋爐燃燒時(shí)只能燒水或者燒油，而且從點(diǎn)火到鍋爐的燃燒都是采用人工的方式，這種方式的效率比較低下。而且水煤漿鍋爐的燃燒裝置還沒有設(shè)計(jì)保護(hù)措施，噴嘴很容易產(chǎn)生磨損，而且其壽命非常得短。

5 結(jié)語

在鍋爐燃燒過程中，采用水煤漿作為燃料，其是一種清潔型的能源，能夠減少硫化物和氮化物的排放，但是，在水煤漿鍋爐燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生燃燒不充分，熱量的損失以及燃燒速度慢的問題，所以，應(yīng)該改進(jìn)鍋爐的裝置，采用輔助的燃料，提高水煤漿鍋爐的燃燒效率。

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