硅酸盐热工基础34

水煤浆燃烧加固体燃料燃烧过程及设备1 煤浆燃料煤浆燃料是煤粉与液体如水、油或甲醇混合而成的燃料。种类以煤与何种液体相混合来命名有：（1）油煤浆（COM或COD）

油与煤粉混合，可以包含＜10%的水（2）煤油水浆（COW）和煤水油浆（CWO）：水含量大于10%加固体燃料燃烧过程及设备（3）水煤混合燃料煤与水的混合物煤浆CWF－水煤燃料CWS－水（4）煤－甲醇－水混合物（5）油－石油焦浆（6）水－石油焦浆2

水水煤煤浆浆加固体燃料燃烧过程及设备水煤浆是近十几年发展起来的一种新型燃料，它由煤粉、水和少量化学添加剂组成。水煤浆的用途可以代油：（1）用于工业蒸汽锅炉（2）用于电站锅炉（3）用于各种工业窑炉（4）用于内燃机（5）用于燃气轮机联合循环（6）用于煤粉锅炉的点火燃料3

水水煤煤浆浆的的种种类类加固体燃料燃烧过程及设备煤浆特征

使用方式特点用途50%煤

/

50%水管道运输降低运输费用旧和新设计燃煤锅炉70%煤

/

29%水 /

1%添加剂直接燃用燃料费用低于燃油、民用燃

料旧的燃油设计锅炉60%煤

/

40%水管道运输直接

过程费用降燃用

低旧和新设计燃煤锅炉超细煤浆直接燃用燃料减小降负荷燃油和燃气锅炉水焦浆直接燃用燃料降低燃料费用船用锅炉，燃油锅炉降低燃料费油焦浆直接燃用燃料用燃油锅炉超细、超净煤浆替代燃料替代油内燃机直接燃用超净煤浆直接燃用燃料减小降负荷燃油和燃气锅炉4

水煤浆的要求与特点加固体燃料燃烧过程及设备(1)非牛顿流体，一种高浓度煤粉颗粒在水中的悬浮混合物,可以泵送或雾化喷入炉中(2)需有稳定的剪切应力和良好的稳定性（抵制煤粉颗粒沉积）(3)低粘度和很好的流变特性(4)雾化水煤浆时要求其颗粒容易分离加(5)水煤浆在制造过程中进行净化处理，处理以后可除去原料煤中灰分的50%～75%和黄铁矿（硫）的40%～90%，并回收原料煤热值的90%～98%。(6)煤矿可以用水力开采，并把原煤的洗选和水煤浆的制造过程结合起来

水煤浆的经济性会更高。5

水水煤煤浆浆的的制制作作加固体燃料燃烧过程及设备制造水煤浆主要包括以下几步：(1)湿磨

将原料煤

湿，一般为50~200μm。至需要的颗粒尺寸(2)浮选净化

含有合格煤粉的煤浆被送到浮选净化段，通过浮选工艺除去其中大部分灰分和硫分。加固体燃料燃烧过程及设备(3)过滤和脱水

从浮选段出来的煤浆送至一过滤器（常用真空浓缩过滤器），把水煤浆制成相对干燥和清洁的煤饼状，以使最终的水煤浆产品达到所要求的固体浓度。(4)混合和储存

由浓缩过滤器出来的清洁煤浆的滤饼被送到连续搅拌的混合器，在混合器中加入化学添加剂，以满足所需要的水煤浆特性。当混合过程完成以后，水煤浆就制备好了，可以泵送去储存或直接输送到用户。

水煤浆的制作流程图加固体燃料燃烧过程及设备6

水水煤煤浆浆的的雾雾化化加固体燃料燃烧过程及设备水煤浆良好的雾化特性是使其稳定着火和燃

烧并保证高的燃烧效率的首要因素。雾化不好不仅会造成燃烧不稳定和燃烧损失增加，而且还会造成炉膛结渣。因此，水煤浆雾化喷嘴是关键的燃烧设备。

由于水煤浆在常温下的工作粘度一般为0.3~1Pa·s，比燃料油在运行时的工作粘度大得多，所以，水煤浆多用空气或蒸汽雾化喷嘴。一个良好设计的水煤浆喷嘴应能达到以下要求：水煤浆喷嘴要求：加固体燃料燃烧过程及设备(1)具有良好的雾化性能，能得到尽可能细的水煤浆液滴。希望雾化炬的平均液滴直径在75μm，这样才能保证良好的燃烧。(2)雾化介质（压缩空气或蒸汽）和水煤浆的流量比为0.1~0.25，这样经济上才合理。(3)由于水煤浆中含有70%~75%的固体颗粒，因此，从结构和材料上，要使喷嘴具有防磨损的功能。采用碳化硅或陶瓷作为喷口材料，可使喷嘴的工作寿命在2000小时以上。(4)喷嘴不会被水煤浆堵塞，并能承受燃烧器重复

启停所产生的热应力

空气雾化水煤浆喷嘴加固体燃料燃烧过程及设备a）

T型喷嘴；b）标准Y型喷嘴；c）渐扩Y型喷嘴1-碳化硅或陶瓷管水煤浆水分含量和雾化液滴质量平均直径的关系加固体燃料燃烧过程及设备图为以烟煤为原料煤制成的水煤浆，当采用空气雾化喷嘴，空气压力为1.2×105Pa，空气和水煤浆的流量比分别为10%、20%、30%、40%和50%时，水煤浆的水分含量和雾化液滴的质量平均直径的关系。7水煤浆的燃烧加体料固 燃 燃烧过程及设备

水煤浆的燃烧过程加固体燃料燃烧过程及设备首先通过喷嘴将其雾化成液滴，液滴在高温炉膛中迅速蒸发掉水分，然后就像煤粉燃烧那样，析

出挥发分、着火和焦炭粒燃烧和燃尽。由于水煤浆的水分含量为25~30%，因此其燃烧的首要问题是在燃烧器根部保证稳定的着火。保证水煤浆的稳定着火和燃烧，除了上述的正

确设计喷嘴和保证雾化质量外，还要能在燃烧器出口火焰根部维持一个高温区

以保证水煤浆雾化炬具有很高的升温速率，以使水煤浆液滴中的水分能迅速蒸发和使挥发分析出并着火。

水煤浆的燃烧阶段加固体燃料燃烧过程及设备水煤浆燃烧过程分三个阶段：（1）水分蒸发（2）挥发分析出和燃烧（3）焦炭燃烧

水煤浆燃烧器加固体燃料燃烧过程及设备旋流燃烧器

水煤浆的燃烧特点（与一般煤粉燃烧相比）加固体燃料燃烧过程及设备(1)

水煤浆中含有30%～40%的水分，在燃烧过程中首先必须有一个蒸发过程

使煤浆的着火热增加，大约是同种煤粉的66%～87%。(2)水煤浆以喷雾方式进入燃烧区域，为达到良好的雾化，喷嘴出口速度往往高达200～300m/s，而煤粉则以一次风混合带入，速度较低，一般为20～30m/s。(3)雾化过程不可能得到比原煤粉更小的液滴，在煤粉燃烧中，往往小颗粒煤粉在着火阶段起主要作用，可以迅速加热而着火，而对于煤浆，这些小颗粒都形成了较大的液滴。加固体燃料燃烧过程及设备(4)水煤浆雾滴中有多个煤粉颗粒，在水分加热蒸发和挥发分析出过程中会产生二次破碎分离和结团现象，由于这种结团引起焦炭颗粒明显大于一般煤粉焦炭粒子而难于燃烧。(5)水煤浆雾炬本身具有很高的动量，这对燃烧室流场组织产生影响。

水煤浆单滴燃烧模型加料固 燃 燃烧过程及设备体

水煤浆群燃烧模型加固体燃料烧烧过过程程及及设设备备液滴云的四种群燃烧方式：群燃烧数：G

nm

R

/

VG

102，外部壳燃烧101＜G

102，外部群燃烧102＜G

101，内部群燃烧

G

102，单滴燃烧燃燃

水煤浆群燃烧模型（一）加固体燃料燃烧过程及设备Lf

群壳包住火焰长度Ldv

挥发分析出长度群燃烧三种模式：Ladq

缺氧焦碳粒子存在区的

长度Lcc

焦碳燃烧区长度Lash

灰/无反应长度带缺氧焦碳粒子存在区的水煤浆雾群燃烧

水煤浆群燃烧模型（二）加固体燃料群燃烧三种模式：燃燃烧过程及设备不带缺氧焦碳粒子存在区的水煤浆雾群燃烧

水煤浆群燃烧模型（三）加固体燃料群燃烧三种模式：燃燃烧过程及设备颗粒挥发分析出和焦碳粒子燃烧的水煤浆雾群燃烧

水煤浆群燃烧模型加固体燃料群燃烧三种模式：火焰的4个燃燃区域：烧过程及设备①挥发分析出区②空气不足未燃焦炭区③焦炭燃烧区④非燃烧区六 燃烧污染及防治加固体燃料燃烧过程及设备目前，我国的大气环境，具有普遍影响的

污染主要是燃料的燃烧。影响较大的污染物有：飘尘、二氧化硫、氮

氧化物、一氧化碳等。各种污染物的浓度超过大气质量标准，就会导致对环境污染，损害人体健康，造成对自然环境的严重破坏1 二氧化硫加固体燃料燃烧过程及设备主要为燃烧含硫的煤及石油等燃料产生。一般1t煤中含有约5~50kg硫，

1t石油约含5~30kg硫二氧化硫为无色有刺激性气体，主要导致呼吸道疾病。大气中SO2平均浓度达到3.5mg/m3，会诱发哮喘、

呼吸道感染、肺功能损伤。SO2还会对动植物造成损害，对金属、建材造成腐蚀作用。防治二氧化硫污染的措施：加固体燃料燃烧过程及设备提高窑炉热效率，降低燃料消耗高烟囱排放，降低污染源区的污染物浓度燃烧脱硫（沸腾脱硫：细碎煤燃烧时加入脱硫剂如石灰石、白云石等，在灼热的沸腾燃料层中边燃烧边脱硫，使SO2与脱硫剂形成CaSO4随灰渣排出）燃料脱硫（固体燃料转换成气体燃料过程中脱硫；洗煤、重油加氢脱硫）排烟脱硫（活性炭吸附SO2，再用水吸附回

收，制得副产品硫酸）2 氮氧化物（NOx）加固体燃料燃烧过程及设备指NO，NO2，N2O，NO3，N2O3，N2O4，N2O5等总称

。造成大气污染的主要是NO，NO2燃烧过程的是NOx有两种：高温燃烧下，空气中N2的O2和反应生成燃料中含氮化合物（C6H5N，C12H9N）及氨基化合物（RNH3）燃烧分解出N2的O2形成加固体燃料燃烧过程及设备NO对人体和动物体内的血色素有强烈的亲和作用，比CO大1000倍，任何动物吸入NO，会引起血液严重缺氧，损坏中枢

神经系统引起麻痹症状。浓度为0.12×10-6时，有臭味浓度为80×10-6时，经3~5min胸部出现绞痛

300~500×10-6时，数分钟引起支气管炎和肺水肿死亡加固体燃料燃烧过程及设备NO2对人体有强烈刺激作用。浓度1mg/m3时

连续吸入4h发生变化。肺细胞组织将浓度达100mg/m3时，1min内人的呼吸发生异常。浓度达200~300mg/m3时，人在0.5~1h内死亡。大气中允许的浓度0.15mg/m33 烟尘加固体燃料燃烧过程及设备没有完全燃烧的微小炭粒及随废气一起排出的灰分。直径大于10μm的烟尘在大气中容易沉降，称为

降尘。直径小于10μm的烟尘不容易沉降，长时间漂浮于大气，称为飘尘。直径小于0.01~0.1μm的烟尘会在肺部沉积下来，

难以排出,严重危害健康。窑炉、熔化炉、退火炉、干燥器、煤气发生炉等易产生防治烟尘污染的措施：加固体燃料燃烧过程及设备合理选择燃料组织燃烧过程气体燃料灰尘甚少液体燃料燃烧不完全，烟囱冒大量黑烟，造成污染浪费燃料固体燃料加煤、拔火时易产生烟尘4 含酚废水加固体燃料燃烧过程及设备煤气净化时易产生。其净化洗涤水中含酚量较

高，若直接排入这些有毒废水，会污染水源，危害人体将康，危害渔业、农业酚类属有较高毒性的有机化合物，主要破坏细胞原浆，低浓度酚使蛋白质变质，高浓度酚使蛋白质沉淀，对各种细胞有直接危害，对皮肤、粘膜有强烈的腐蚀作用。长期饮用含酚废水，会造成头晕、贫血、皮疹、神经系统症状含酚废水很难处理，工厂发生炉废水一般采取废水全封闭循环。含酚废水全封闭循环措施：加固体燃料燃烧过程及设备严格清污分流（将煤气洗涤冷却用水与生活污水、煤气设备冷却水和蒸汽冷凝水严格分开）厂区和站区的煤气管道及设备冷凝下来的煤气中水，应定期集中，纳入循环水系统防止雨水和其他用水进入循环系统设置循环水调节池，作为清理池内污物和特殊情况的备用池以防止废水外泄含酚废水全封闭循环问题：加固体燃料燃烧过程及设备投资费用大长时间循环后，废水中含酚量渐趋饱和，煤气中酚不再溶解于水

而会被废气带走循环水之恶化，会堵塞设备，腐蚀金属设备水中挥发酚会弥散到大气中污染环境含酚废水经溶剂萃取脱酚、活性污泥生化处理（利用活性污泥中的好氧微生物，在有氧条件下

将分氧化成二氧化碳、铵、水），可向外排放5 热污染加固体燃料燃烧过程及设备主要集中在城市、工厂、火电站等人口稠密和

能源消耗大的地区（1）大气中CO2的温室效应

随消耗能源量的增加，尤其是大量石油、煤等石化燃料的燃烧，使大气中CO2量日益增加大气中CO2可选择性地吸收太阳辐射能，还大量吸收地球表面辐射出的红外线，使大气升温。吸热后的CO2再将能量辐射到地面，就像是个防止把热散射到宇宙的盖子，增强了近地层的热效应（2）热岛效应加固体燃料燃烧过程及设备城市消耗大量燃料，燃烧产生的能量部分转化为废热；部分转化为有用功，最终也成为废热向环境散发。使城市气温升高，发生“热岛效应”。市、郊区的气温差显著增大，市中心区温度最高，往郊区逐渐降低，农村温度最低。据一些城市检测结果表明：在数百万人口的城市，

市内外温差为5

℃以上，数十万人口的城市，市内外温差为4~5℃。热岛效应对环境产生污染，并使城市上空云雾和降水量增加