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
表1 煤水浆燃烧试验运行参数 Table 1 Test Conditions Item Cond't.on CWS Pressure(×1oPa) 2-6 CWS Flow Rate (kg/h) 30-150 Atomiz:ng Air Pressure (x10Pa) 2-5 Atomizing Ar Flow Rate (Nm2/h) 6-20 Pr:mary Ar Rate (% 0-10 Secondary A'r Rate (% 90-100 Secondary A'r Sw'rlng Level 0-0.85 Secondary Air Temperature (C) 20-300 均温度为1300℃左右。这完全可以满足许多治金炉窑的温度水平要求。 的血 400 200 0 1500e 200 1200℃ 400 500 1000 1500 2000 2500血m 图6炉内温度分布 Fig.6 Temperature distribut onns'de chamber 4燃烧效率试验 煤水浆的燃烧效率受多种因素的影响和制约，兹根据试验结果分析综述如下： 4.1喷嘴雾化质量的影响 煤水浆雾化质量不仅是稳定着火和燃烧的必要条件，而且对燃烧效率影响极大。煤水浆 的雾化质量主要指雾化颗粒细度和雾化燃料炬的浓度分布场而言。 前述小容量煤水浆燃烧器的试验结果（图7）表明，煤水浆雾化粒度愈细则愈容易于燃 尽，燃烧效率相应也愈高。这不仅因为煤水浆雾化粒度细有利于与氧气的充分接触、混合，而 且还因为(1)煤浆颗粒在挥发分析出和着火之前必须加热和干燥，但颗粒的干燥时间随粒径的 增大而急剧延长〔3,4)；(2)煤浆颗粒在干燥阶段有结团现象，即析出挥发分之后成为一个焦 粒，焦粒的燃尽时间与其大小成比例地增长，而焦粒的大小与原来的浆滴尺寸有密切的关系 〔4,5。 ·80·
袭 煤水 桨燃烧试验运行 参教 五 忿 二 万 ‘ “ 一 一 ’ ‘ 二 犷 。 一 一 一 一 一 。 一 均温度 为 。 ℃ 左 右 。 这 完全可 以满 足许 多 冶金 炉 窑 的温度 水平要求 。 坦 坏 仃 乡 。 乒 之 乡 图 炉 内温 度 分布 三 二 一 燃烧效率试验 煤水浆 的燃烧 效率 受多种因 素 的 影响和制 约 、 兹根 据试验结果 分析综述如下 喷嘴祥化质 一的 影响 煤水 浆 雾化质量 不仅是稳定着火 和燃烧 的必要条件 ， 而且对燃 烧 效率 影 响极大 。 煤水浆 的雾 化质量主 要指雾化颗粒 细度和 雾 化燃 料炬 的浓度 分 布场而 言 。 前述小容量 煤水浆燃 烧器 的试验结果 图 表明 ， 煤水 浆 雾 化粒度 愈 细则 愈容易 于 燃 尽 ， 燃烧 效率 相应 也愈 高 。 这 不俘因 为煤水浆 雾 化粒度 细有 利于 与氧气 的充 分接触 、 混 合 ， 而 且还因 为 煤浆颗粒 在挥发 分析出和着火之 前 必须加热 和 干燥 ， 但颗粒 的 干燥时 间 随粒径的 增大而 急剧延 长， 〕 煤浆颗粒 在 干燥阶段 有结团现 象 ， 即析 出挥发 分之 后成 为一 个焦 粒 ， 焦粒 的燃尽 时 间 与其大小成 比 例地增 长 ， 而焦粒 的大 小 与原来 的浆滴 尺 寸有密切 的关系 〔 ‘ ， 〕
因此，为了保证煤水浆燃烧具有较高的效率，通常要求其雾滴质量平均粒度小于200“m, 并限制大于30“m颗粒的百分数。 R 98 00 Conic type 96 139 Y-type 94 吕 0.5 20 40 6080100 Load of atomizer -200-76ò-120-60-400080120160200 图7雾化粒度对燃烧效率的影响 图8，料料雾化格浓度分布比较 Fig,7 Fflet of droplet s'ze on combust'on Fig.8 Comparison of mass flux eff:c ency d'str but on of fuel spray 另外，对煤水浆燃烧效率影响较大的雾化质量还有燃料炬的浓度分布情况。毋庸置疑， 由于配风器空气动力场的关系，煤水浆雾化炬浓度呈双峰分布形式将有利于燃料和空气的充 分混合和迅速加热燃烧，为此中、大容量煤水浆喷嘴经实践证明合理结构是大角度的多喷口和 环形通道形式。但是这些结构形式对于小容量喷嘴却并不适宜，因为当煤水浆流量很小时， 环形通道势必形成非常窄的狭缝，这不仅给制造和安装带来极大困难，而且在运行中还易于 发生堵塞〔6们。实验证明，喷嘴儿何尺寸起码应为煤浆中最大煤粒粒径的十倍方可保证不发生 喷嘴堵塞问题。为此，单孔喷嘴是小容量煤水浆雾化器的主要形式。但单孔喷嘴的燃料雾化 炬浓度场呈单峰分布，因此为了尽量减少直接喷入回流区中的燃料以提高燃烧效率，必须设 法使这种单峰分布尽平坦一些才好。图8为两种(Y型和锥型)单孔喷嘴在总流量相同情况 下的燃料炬浓度分布曲线，图中纵座标取Y型喷嘴中心线处的质量流量为1。经燃烧试验测 定，在相同条件下Y型喷嘴的然烧效率比锥型喷嘴高30%，由此足见燃料炬浓度分布对燃烧 效率影响之大。另外，试验中还发现，锥型喷嘴由于燃料炬浓度分布过于集中在中心线，喷嘴 出口形成很长(10℃m左右)的实心，从而造成部分煤浆穿透回流区在炉子中部甚至尾部才 开始燃烧，这自然难以燃尽而导致燃烧效率的大大降低。 4.2煤水浆性质的影响 煤水浆性质对其燃烧效率的影响规律十分复杂，现尚难于孤立地进行实验研究。在此仅 根剧燃烧试验确定对燃烧效率有影响的几种煤水浆性质连同试验条件一并列于表2。 4.3二次风温的影响 在其它条件基本相同时，空气预热温度愈高，煤水浆的燃烧效率也愈高。试验结果如图 9所示。 4.4过剩空气系数的影响 过剩空气量对煤水浆在小型火炬试验炉内的燃烧效率的影响如图10所示。 由图可见，在n=1.44时燃烧效率存在一个峰值。这是因为当n<1.44时，过剩空气量增 加一则使燃烧所必须的氧气相应充足，二则使炉内空气的扰动加剧而有利于燃料与空气的混 …81·
因此 ， 为 了保证 煤水浆燃烧具 有较 高的效率 ， 通常要求其雾滴 质量平均粒度 小 于 。 。 林 ， 并限制 大于 林 颗 粒 的百 分数 。 一 ， 。 了 ‘ 节 、、、 卜、 。 万 次州﹄。。口卜‘ 拍 产 口州日口毋口 斗 盈 厂…乓 ‘ 一 之 · · 孑云 一 今 ， 之 一 口 图 雾 化 粒度 对燃烧 效 率的 影 响 ‘ ‘ 〔 一 图 料料雾化焰 浓度分布比 较 ， 父 士 一 另外 ， 对 煤水浆燃 烧 效率影 响较大 的雾 化质 量还有燃 料炬 的浓度 分布情况 。 毋庸置疑 ， 由于配风器 空 气动力场 的关系 ， 煤水浆雾 化炬浓度 呈双 峰分布形式将 有 利于燃 料和 空 气的充 分混 合和 迅速加热燃 烧 ， 为此 中 、 大容量煤 水浆 喷嘴经实践证 明合理结构是大角度 的多 喷 口 和 环形 通道形式 。 但是这 些结构形式对 于小 容量 喷嘴却并不适宜 ， 因 为 当煤 水浆流量 很小 时 ， 环形 通道势必形成非常窄 的狭缝 ， 这不仅给制造和 安装带 来极 大 困难 ， 而且在运行 中还 易于 发生堵塞〔的 。 实验证 明 ， 喷嘴儿 何 尺寸起码 应为煤浆 中最 大煤粒粒径 的十倍方可保证 不发 生 喷嘴堵塞 问题 。 为此 ， 单孔喷嘴是小容量煤水浆雾 化 器的主 要形式 。 但 单孔 喷嘴的燃 料雾化 炬浓度场呈单峰分布 ， 因此 为了尽 量减 少直 接喷入 回流 区中的燃 料 以 提 高燃烧 效率 ， 必 须设 法使这种单峰分布尽量平坦一 些才好 。 图 为两种 型和锥 型 单孔喷嘴在总 流量相 同情况 下 的燃料炬 浓度 分布 曲线 ， 图中纵座标取 型 喷嘴中心 线处 的质 量流 量 为 。 经燃烧 试 验 测 定 ， 在相 同条件下 型喷嘴 的燃 烧 效率 比 锥 型 喷嘴 高 ， 由此 足见燃 料炬浓 度 分 布对燃烧 效率 影响之大 。 另外 ， 试 验 中还发 现 ， 锥 型 喷嘴 由于燃 料炬 浓度 分布过于 集 中在 中心 线 ， 喷嘴 出 口 形成很 长 左右 的实心 ， 从而 造成 部分煤浆穿透 回流 区在炉子 中部甚至 尾 部 才 开 始燃烧 ， 这 自然难 以燃 尽而 导致燃 烧 效率 的大大 降低 。 煤水桨性质 的影响 煤水浆性 质对其燃烧 效率 的影 响规律 十分复杂 ， 现 尚难 于孤立地进 行实 验研究 。 在此 仅 根尉燃烧试 验确定对燃烧 效率有影 响的儿种煤水浆性 质 连 同试 验 条件一 并 列 于表 。 二 次风沮的 影 响 在其它条件基本相同时 ， 空 气预热温度愈 高 ， 煤水浆 的燃烧 效率也愈 高 。 试验 结果 如图 所示 。 过翻空气 系数的影 晌 过剩空 气量对煤水 浆在小型火炬试验 炉 内的燃烧 效率的影响如 图 所 示 。 由图 可见 ， 在 “ 时燃 烧 效率存在一 个峰 值 。 这是因 为当 时 ， 过剩空气量增 加一皿使燃烧所必须的氧气相应充足 ， 二则使炉 内空气的扰动加剧而有 利于燃料 与空气的混 妙王
表2煤水浆性质及其燃烧试验条件、燃烧率的比较 Table 2 Comparison of CWS characteristics and their carbon conversion efficiencies Parent Volatile Solids Parent Secondary Coefficient CWS flow Carbon coal sort matter loading coal air of excess rate converso: (%) (wt%) median Temperature air (kg/h) efficiency particle (C) (%) Siza (4m) Zaoshuang 37.14 70.8 70 250 1.10 100 97.2 Yanzhou 37.00 70.0 70 150 1.10 100 95.0 Shenmu 32.00 71.0 103 250 1.11 100 87.1 (1) Fushun 39.88 69.9 70 150 1.44 145 98.5 Enhou 74.0 81 250 1.25 100 90.0 (1)Viscosity 2000cP Parent coal:Fusaun 100 Solids loading:68.7% CWS flow rate:145kg/h 100 98 Excess air 1.08 98 96 Parent coal:Fushun 吕 96 Solids loading:68.7% 94 Secondary air temp.120c C状sf1 ow rate:145kg/h 60★120180广240 S380 1,00 1.101,201.301.401.0 Secondary air temp.,C Excess air 图9二次风温对燃烧效率的影响 图10过剩空气量对燃烧效率的形响 Fig,9 Effect of secondary air temperature Fig.10 Effect of excess air on combustion on combustion efficiency eff'ciency 合，从而使燃烧效率提高。但当<1.44时，继续增加过剩空气则不仅会因过多的冷空气而 使炉温降低，而且还会减少炭粒在炉内的停留时间，从而使燃烧效率有所下降。 4.5炉温水平的影响 炉温水平（即周围温度）愈高，对雾化后的煤浆颗粒加热速率愈大，因此浆滴着火时间 缩短。例如，50μm的浆滴自由落入温度恒定的热空气中燃烧试验c7)表明，当加热速率为 104℃/s时，试验浆滴的着火时间为115ms;而当加热速率为105℃/s时，试验浆滴的着火时 间缩短为16mS。着火时间的缩短意味着浆滴在炉内有效停留时间的延长，因为可以提高炭的 燃尽程度。同时据有关文献报导〔8)，当加热速率大到一定程度后炭粒在燃烧中会爆裂，这就 更有利于然尽。 另外，炉温水平低于1200℃时，由于水煤气化反应可忽略〔8]，水蒸汽的屏蔽作用可能 阻碍氧气向炭粒表面的扩散，从而抑制炭的表面异相反应，这对炭在炉内的燃尽是极端不利 ·82·
表 煤水桨性质 及其燃 烧试 验条件 、 燃 烧 率 的 比较 曰门 目 口 曰 ， 州， “ 二 一 一 一一 一 红 飞 ‘ 。 二 拼 五 了 二 ‘ 三 选 ‘ 口 母 声 ‘ ‘ ‘ 一 气 乙几 。 另 乡 ， 一 ‘ 一尸产一一一 ‘ 、 ▲ 于 二尸 及 吕 盈 哎， 七 。 、 。 ， ， 。 ， 土 户 · 们 勺 ， ‘ 。 ‘ 。 ，件 匕 七 斗 州 一 次 叭 妇卜。口。口‘ 冲州刃日 之 ， ” 李 、 图 二 次风 温 对燃烧效 率 的 影响 ， 。 图 过 剩空气量 对 燃 烧 效 率的 影响 压 。 合 ， 从而 使燃烧 效率提 高 。 但 当 时 ， 继续 增加 过剩空气则 不仅会因 过多 的冷空 气 而 使炉 温降低 ， 而且还 会 减少炭粒 在炉 内 的停 留时 间 ， 从而 使燃烧 效率有所下 降 。 炉温水 平 的影 响 炉 温水平 即周 围 温度 愈 高 ， 对 雾 化后 的煤浆颗 粒加热速 率愈大 ， 因 此浆滴 着火 时间 缩短 。 例如 ， 协。 的浆滴 自由落入 温度恒 定 的热空气 中燃烧试验 〔 〕表 明 当 加 热 速 率 为 咭 ℃ 时 ， 试验 浆滴 的着 火 时 间 为 。 而当加热 速 率 为 ℃丫 时 ， 试验 浆滴 的着 火 时 间缩短为 。 。 着 火时 间 的缩短 意 味着浆滴 在炉 内有 效停 留时 间的延 长 ， 因 为可 以提高炭的 燃尽程 度 。 同时据有 关文 献报导邝 夕， 当加热 速 率大 到一 定程 度后 炭粒 在燃烧 中会 爆 裂 ， 这 就 更有 利于燃尽 。 另外 ， 炉 温水 平低 于 ℃ 时 ， 由于水煤气 化反 应 可忽 略〔 〕 ， 水蒸汽 的屏 蔽作 用 可 能 阻碍氧气 向炭粒 表面 的扩散 ， 从而抑制炭 的表面 异 相反应 ， 这对炭在炉 内的燃尽是极端不利
的。相反，炉温水平高于1200℃后，水煤'气化反应强烈，水蒸汽屏蔽作用自然丧失，燃烧得 以强化，燃烧效率可以显著提高。 图11反映了炉温水平对煤水浆燃烧效率的影响情况。 的 A- Parent coal:Fushun 90+ Secondary air temp.:120c Excess air 1.44 80 8001000120014001600 General temp.C 图11湿水平对燃烧效率的影鸦 Fig.11 Effeet of general temperature on combustion efficiency 5结 论 在实验室小型火炬试验炉内的煤水浆燃烧试验表明： (1)煤水浆是一种理想的代油燃料，采用本文介绍的燃烧器能够实现煤水浆的高效、稳 定燃烧，炉内温度水平能够满足一般小型冶金加热炉和热处理炉的要求。 (2)煤水浆燃烧技术的关键是良好的%化和合理的配风。二次空气的预热虽然对稳定着 火和燃烧以及提高煤水浆的燃烧效※行旅，们并非必要条件，因此煤水浆亦可用子无法采用 空气预热器的场合。 (3)试验的两种点火方式经多次试验获得成功，其中最重要的是点火温度。 (4)影响煤水浆燃烧效率的因素主要有：喷嘴雾化质量、煤水浆的性质、二次风温、过 剩空气系数和炉温水平。文中的试验结果对实际组织燃烧具行一定的指导意义。 最后，道向国家科委、煤说部和因葉炎加工利可协女付长项阵研汇作的火力资助和热情文作表示感谢，向参加 本项科研的其它司志：表示感谢。 参考文献 [1]Shi-Chune Yao,Lian Liu:82-WA/HT-28,(1982),P.3 [2]Gao Jing et al:Proc.of 7th.Int.Sym.on Coal Fuels,(1982),P.465 [3]O1en,K.R.:ASME 84-JPGC/FU-10 [4]Laflesh,R.C.:Proc.of 7th Int.Sym.on Coal Fuels,(1985)P.596 [5]Field,M.A:Combustion of Pulverized Coal BCURA,(1967)P.211 [6]Hiroshi,Kuroda.:Proc.of 6th Int.Sym.on Coal Fuels,(1984),P.346 [7)Essenhigh,R.H.Engincering Foundation Conference.Santa Barbara 1982 (8]T.Kiga;H.Saiton:Proc of 7th Int,Sym.on Coal Fuels,1985 P.631-639 ·83·
的 。 相反 ， 炉温水平高 于 。 。 ℃ 后 ， 水煤 乙毛化反应强 烈 ， 水蒸 汽屏蔽作用 自然 丧失 ， 燃烧 得 以强 化 ， 燃 烧 效 率 可 以显著提 高 。 图 反 映 了炉 温水平对 煤水浆燃 烧 效率 的影响情况 。 。 “ 欲州妇。卜口。 一一 一‘ 土 工 二 一 己 应 拍丁卜南岔 口 曰 户扮叫材日口口咙 图 炉 温水平 对 燃烧 效 率的 影 响 士 。 士 。 士。 。 、 。 士 结 论 在实验 室小 型火 炬试验 炉 内的煤水浆燃烧试验 表 明 煤水浆 是一 种理 想 的代 油燃料 ， 采 用 本文 介绍 的燃烧 器能 够实现煤水浆 的高效 、 稳 定擞 烧 ， 炉 内温度 水平能 够满足一般小 型 冶金加热炉和热处理 炉 的要求 。 煤水浆燃烧 技术 的关键 是 良好 的雾化和 合理 的配风 。 二 次空 气 的预热 虽然对 稳定着 火和燃烧 以及 提高煤水浆 的燃烧 效率有益 ， 但 并 卜必 要 条件 ， 因 此煤水浆亦可用 于 无法采 用 空 气预热 器 的场合 。 试验 的两种点火 方式 经 多 次试验获得成 功 ， 其 中最 重要 的是点火 温度 。 影 响煤水浆燃烧 效 率 的因 素 主要有 喷嘴雾化质最 、 煤水浆 的性质 、 二 次风 温 、 过 剩空气系数 和炉 温 水平 。 文 中的试验 结果对 实 际组 织燃 烧具有一 定 的指导 意义 。 最后 ， 谨 向 国家 科委 、 煤 炎 邵和 巾国 谋 曳 」巳刊 明 陇 全付 卞项 件研 工 作 均人 力资 助和 热情 文待 表 示 感 谢 ， 向 参加 本项 科 研的 其它 同志表示 感谢 。 参 考 文 献 〔 〕 一 ， 一 工王 一 ， ， 〔 〕 。 ， ， 〔 〕 ， 一 一 飞 〔 〕 ， ， 。 ， 〔 〕 ， ， 了 尸 〔 〕 ， 士 二 士 ， ， 〔 〕 ， 工 犷 〔 〕 ， 工 ， 。 一 吕