新型循環(huán)流化床鍋爐燃用水煤漿的研究

殷士?！±顟c琛

摘 要 隨著環(huán)境問題和能源問題日益嚴(yán)重，國家對環(huán)保要求也日益增高，水煤漿作為一種新型煤基流體燃料，因?yàn)槠涞臀廴?、高效、?jié)能、低排放越來越多的被用做為鍋爐燃料。采用這項(xiàng)新潔凈煤技術(shù)，既提高鍋爐的熱效率，又能減少環(huán)境污染，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益顯著。但使用循環(huán)流化床鍋爐燃燒水煤漿會(huì)對爐膛的換熱、循環(huán)物料的使用等產(chǎn)生影響，筆者主要根據(jù)水煤漿的特性和流態(tài)重構(gòu)新型循環(huán)流化床鍋爐的特點(diǎn)，對燃燒水煤漿鍋爐的換熱、物料循環(huán)等問題進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞 水煤漿 流化床鍋爐 流態(tài)重構(gòu) 煙氣排放

中圖分類號：TQ53414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1水煤漿的主要特性

（1）水煤漿被俗稱為液態(tài)煤炭產(chǎn)品，是約65%的不同顆粒分布的煤和約34%的水及約1%的添加劑的混合物，其低位發(fā)熱值為17000～19000kJ/kg，水分高（達(dá)30%）、灰分低（<10%）。

（2）水煤漿燃燒穩(wěn)定、充分、爐膛充滿度好，燃燒效率達(dá)96%—98%；鍋爐熱效率可達(dá)90%。

（3）水煤漿為液體，罐裝和管道輸送，不需要大的堆煤場地以及鏟車等設(shè)備，減少了占地面積和輸送、存儲(chǔ)過程帶來的損失和污染。

（4）水煤漿由于其含水分高，使著火比煤粉爐延遲，火焰溫度也低，但由于水分有助燃的作用，因此水分對燃燒效率影響不大。但通常需要提高一、二次風(fēng)的預(yù)熱溫度以加快水分的析出，促進(jìn)燃燒。懸浮流化床燃燒的水煤漿，進(jìn)入爐膛后迅速形成較大的顆粒團(tuán)，在流化床內(nèi)結(jié)團(tuán)燃燒，在較高的斷面熱負(fù)荷下實(shí)現(xiàn)高的燃燒效率。

2水煤漿燃料對爐膛換熱系數(shù)的影響

循環(huán)流化床鍋爐中的傳熱包括氣體與固體顆粒間的傳熱、床層與水冷壁間的傳熱、床層與爐內(nèi)埋管間的傳熱或外置式換熱器中鼓泡床層與埋管間的傳熱，以及旋風(fēng)分離器或其他一次分離器內(nèi)的傳熱。鍋爐中傳熱面的大小與分布對鍋爐熱效率及其熱量輸出影響很大，但是由于實(shí)驗(yàn)困難以及商業(yè)機(jī)密不愿公開的原因，目前文獻(xiàn)報(bào)道的有關(guān)循環(huán)流化床鍋爐的傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)相當(dāng)少。根據(jù)斯蒂芬—玻爾茲曼公式E=C*T4，輻射吸熱量跟熱力學(xué)溫度的四次方成正比。由于水煤漿循環(huán)流化床鍋爐的爐膛燃燒溫度為850-900℃，比煤粉鍋爐低200℃左右，再加上火焰黑度和爐膛黑度略低于煤粉爐，因此循環(huán)流化床鍋爐中爐膛的單位面積輻射吸熱量比同等蒸發(fā)量的煤粉爐或者燃油鍋爐低很多。同時(shí)由于其灰分的含量少，所以固體顆粒間的傳熱量也會(huì)降低，這樣就會(huì)更大限度的減少鍋爐爐膛的傳熱系數(shù)，但同時(shí)由于水煤漿燃料水分的增大，燃燒生成的三原子氣體的數(shù)量也急劇增大，這樣對于鍋爐的輻射傳熱會(huì)有益處。故筆者根據(jù)一臺(tái)35t/h懸浮流化水煤漿鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行研究發(fā)現(xiàn)，燃用水煤漿鍋爐傳熱系數(shù)要比普通燃煤循環(huán)流化床鍋爐的傳熱系數(shù)要小一些。

3鍋爐設(shè)計(jì)

3.1常規(guī)設(shè)計(jì)

常規(guī)設(shè)計(jì)爐膛，不僅要有足夠的容積，使煤漿能充分完全燃燒，而且要有合理的形狀和尺寸，使火焰不貼壁、充滿度好，壁面熱負(fù)荷均勻，同時(shí)還要結(jié)構(gòu)緊湊，便于制造、安裝、運(yùn)行和檢修。因?yàn)槿加盟簼{鍋爐爐膛傳熱系數(shù)的減少，爐膛的受熱面積勢必要增加。同時(shí)由于水煤漿中大量水分的存在，燃燒后產(chǎn)生的煙氣量也相應(yīng)增加，根據(jù)35t/h水煤漿鍋爐的對比，煙氣量增加大約12%。對于循環(huán)流化床鍋爐來說，選取一個(gè)合理合適的流化風(fēng)速是相當(dāng)重要的，由于煙氣量的增大，要保證一個(gè)合理的煙氣流化風(fēng)速，就要求爐膛的截面將增大。介于傳熱系數(shù)的減少以及煙氣量的增大，爐膛的設(shè)計(jì)相對于燃煤循環(huán)流化床鍋爐變化比較大。如果采用埋管水冷形式，由于床料石英砂的沖刷，埋管的磨損非常嚴(yán)重；如果不采用埋管形式，膜式水冷壁面積將增大需要，通常的做法即為增加爐膛的高度，勢必造成鍋爐制造成本的增大。

3.2定態(tài)設(shè)計(jì)-流態(tài)重構(gòu)新型循環(huán)流化床鍋爐

即鍋爐額定負(fù)荷條件下，根據(jù)燃料情況、分離系統(tǒng)的性能指標(biāo)，選定一個(gè)合理的狀態(tài)，依次布置受熱面。最終達(dá)到鍋爐“低床壓、低風(fēng)量、低排放”運(yùn)行的結(jié)果。

具體來說，就是由專用?；鲗⑺簼{均勻投入燃燒室下部的熱媒體流化床料上，其溫度在（850-880℃）左右。水煤漿在缺氧狀態(tài)下通過處于流化狀態(tài)的熱媒體的加熱，迅速完成水份蒸發(fā)、揮發(fā)份析出、著火燃燒及固定碳的燃燒，在密相區(qū)的上部通過合理的補(bǔ)充有一定富裕量的二次風(fēng)，使水煤漿燃料在缺氧狀態(tài)下燃燒形成的可燃?xì)怏w及未燃燒的固定碳沿爐膛高度完全燃燒。在爐膛出口設(shè)有絕熱高效旋風(fēng)分離器及返料器，被熱煙氣攜帶的熱媒體物料被高效分離器分離，通過分離器下部的返料器返回爐膛，減少了媒體物料的損失，實(shí)現(xiàn)了水煤漿顆粒團(tuán)的循環(huán)燃燒，既獲得很高的燃燒效率，又減少了媒體物料的損失，控制床溫實(shí)現(xiàn)低溫、低氮燃燒。

4煙氣排放

水煤漿燃燒同其他燃煤過程一樣，也會(huì)產(chǎn)生飛灰顆粒物、SO2、NOx等大氣污染物。但由于水煤漿中的煤粒在制備過程中進(jìn)行了洗選，以及水煤漿循環(huán)流化床鍋爐燃燒溫度低等原因，使得水煤漿燃燒的污染、排放情況要遠(yuǎn)好于普通燃煤鍋爐。（1）飛灰及硫化物的排放水煤漿燃料由于其灰分少（<10%）、含硫分低（<0.5%），所以其飛灰顆粒物、SO2的排放數(shù)量都比普通燃煤鍋爐明顯要低。同時(shí)因?yàn)檠h(huán)流化床鍋爐自身的加石灰石爐內(nèi)脫硫技術(shù)的應(yīng)用，會(huì)使水煤漿循環(huán)流化床鍋爐的硫化物排放滿足國家的標(biāo)準(zhǔn)要求，<300mg/Nm3。（2）原始NOX排放采用流態(tài)重構(gòu)的新型循環(huán)流化床鍋爐燃燒水煤漿，溫度能控制在880℃以內(nèi)，避開了形成NOX反應(yīng)的高溫區(qū)，原始NOX排放濃度大大降低，低至100mg/Nm3以內(nèi)。

5結(jié)論

水煤漿懸浮循環(huán)流化床鍋爐在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮其高水分、低灰分而引起爐膛傳熱系數(shù)的變化以及由于煙氣量增大對爐膛形狀的變化等因素，同時(shí)注意在風(fēng)機(jī)選型中的配套問題。水煤漿懸浮流化循環(huán)流化床鍋爐在經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保方面均體現(xiàn)出較大的社會(huì)效益，隨著水煤漿生產(chǎn)加工以及水煤漿鍋爐技術(shù)的日臻成熟、完善，相信其應(yīng)用的前景將會(huì)更加廣闊。

參考文獻(xiàn)

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