（工程热物理专业论文）高压水煤浆锅炉燃烧、传热、积灰结渣及污染物排放特性的试验研究.pdf

浙江大学硕上学位论文徐慧芳 摘要 摘要 水煤浆技术是我国现行阶段适宜的代油、环保和节能技术。以煤代油，是我 国能源长期稳定发展的战略和现实选择。中国石化吉林分公司为了降低化工产 品的生产成本，提高企业综合竞争能力，新建7 5 t h 高压水煤浆锅炉。该锅炉 在国内属首创产品，完全采用了国内成功的水煤浆燃烧技术。建成投产后，为 吉化公司增长经济效益及环境保护方面都将作出一定的贡献本文对水煤浆锅 炉冷态及燃烧调整试验做了介绍，并对锅炉的燃烧特性、炉内传热特性、积灰、 结渣特性以及污染物排放特性进行了试验研究。取得了可贵的实验数据及运行经 验，为进一步推广水煤浆在石化企业中的应用起到了示范作用。 本文首先在实验室内对吉化水煤浆的一些基本性质，包括流变特性、稳定 性、热分析等进行了研究；接下来简要介绍了吉化高压水煤浆锅炉的设计及冷 热态调试内容和结果。试验测得各工况下热效率在9 0 以上，燃烧效率均高于 9 9 。燃烧时火焰明亮，切圆居中，无火焰贴壁现象。烟囱排放的烟色好，无黑 烟。采用的油、水煤浆两用燃烧器适应性能好，在烧油和烧煤浆时都能稳定着火， 炉膛火焰充满度好，且配风调节方便，能适应不同负荷运行要求。试验表明，改 变一次风大小是调节水煤浆着火距离的主要手段，油气混烧火焰行程要低于浆气 混烧，而浆气混烧火焰行程又低于全浆燃烧。在炉内传热方面进行了火焰黑度的 测量，测量结果表明水煤浆火焰黑度比煤粉低，随着负荷的增加，火焰黑度增加。 然后结合工程实际情况，提出了消除水煤浆燃烧过程中缺陷的方法；针对锅 炉运行中出现的积灰结渣问题进行了积灰结渣诊断试验，提出了解决积灰严重问 题的技术措施。 污染物排放方面，对锅炉尾部烟气成分进行了测量，结果表明，s 0 2 和n o x 排放量达到了国家标准。测定了制浆原煤、吉化水煤浆、炉底渣、除尘灰中8 种重金属元素含量，分析水煤浆燃烧过程中痕量元素的迁移规律。 关键词t 水煤浆；高压水煤浆锅炉；燃烧；传热特性；积灰；污染物排放 重金属 塑坚查兰堡主堂垡堡兰堡苎董 塑墅 a b s t r a c t c o a lw a t e rs l u r r y ( c w s ) t e c h n o l o g yi st h es u i t a b l et e c h n o l o g yo fr e p l a c i n go i l ， e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n ds a v i n ge n e r g yc u r r e n t l yi nc h i n a u s i n gc o a li n s t e a do f o i li st h a tt h es t r a t e g ya n dr e a lc h o i c eo fl o n g - t e r ma n ds t a b l ed e v e l o p m e n t st oe n e r g y o f0 1 1 1 c o t m t r y i no r d e rt or e d u c et h em a n u f a c t u r i n gc o s to fc h e m i c a lp r o d u c ta n d i m p r o v et h ee n t e r p r i s e l si n t e g r a t e da b i l i t yt oc o m p e t e ，j i l i ns u b c o m p a n yo fc h i n a p e t r i f a c t i o nb u i l da7 5 t hh i g hp r e s s u r ew a t e rc o a ls l u r r yb o i l e r t h eb o i l e ri s a p i o n e e r i n gp r o d u c ti nc h i n aa n dd o m e s t i c a l l ys u c c e s s f u lc o a lw a t e rs l u r r yb u r n i n g t e c h n o l o g yi sc o m p l e t e l ya d o p t e d i tw i l lm a k eac o n t r i b u t i o nt or i s i n ge c o n o m i c b e n e f i ta n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na f t e rt h eb o i l e ri sp u t t e di n t op r o d u c t i o n i nt h i s p a p e r ，f i r s t l yt h ec o l dm o d e la n dc o m b u s t i o nc o n t r o lt e s to ft h ec o a lw a t e rs l u r r y b o i l e ri si n t r o d u c e d s e c o n d l ye x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o ni sp r o c e e d e d ，i n c l u d i n g c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s ，d e p o s i t i o na n ds l a g g i n g c h a r a c t e r i s t i c sa sw e l la sp o l l u t a n te m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s v a l u a b l ee x p e r i m e n td a t a a n do p e r a t i n ge x p e r i e n c eh a sb e e na c q u i r e d a n dt h i sa c h i e v e m e n tc a np l a ya n e x e m p l i f i c a t i o nr o l ei np o p u l a r i z i n gc o a lw a t e rs l u r r ya p p l i c a t i o ni np e t r i f a c t i o n e n t e r p r i s e i n t h i sp a p e r ，f i r s t l ys o m eb a s i cp r o p e r t i e so fc o a lw a t e rs l u r r yw e r es t u d i e di n l a b o r a t o r y ，i n c l u d i n gr h e o l o g i c a lp r o p e r t y ，s t a b i l i t yp r o p e r t ya n dt h e r m a la n a l y s i s s e c o n d l yt h ed e s i g no ft h eb o i l e r ，t h ec o l dm o d e le x p e r i m e n ta n dc o m b u s t i o nt e s ti s b r i e f l yi n t r o d u c e d t h et h e r m a le f f i c i e n c ya n dc o m b u s t i o ne f f i c i e n c yr e a c h e da b o v e 9 0 a n d9 9 r e s p e c t i v e l yu n d e re v e r yo p e r a t i o n a lc o n d i t i o n w h i l eb u r n i n g ，t h e f l a m e sw e r eb r i g h t ，t h et a n g e n t i a lc i r c l ew a si nc e n t e r , n of l a m es t u c kt h ew a l l ，t h e f i 1 n l eg a se x h a u s t e df r o mt h ec h i m n e yh a dn ob l a c ks m o k ew i t haf i n es m o k ec o l o r t h ed u a l - p u r p o s eb u r n e rf o ro i la n dc o a lw a t e r s l u r r yh a dp e r f e c tp e r f o r m a n c e s ：i tc a n m e e tt h eo p e r a t i n gr e q u i r e m e n to fv a r i o u sl o a d s ；i tc a nc a t c hf i r es t e a d i l yd e s p i t eo f c o a lo rc o a l - w a t e rs l u r r y ；a n dt h ef l a m ef u l l n e s si nt h ec h a m b e rw a s f i n e b e s i d e s ，a i r d i s t r i b u t i o nw a sc o n v e n i e n tt oa d j u s t t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h ec h a n g eo ft h e p r i m a r ya i ra m o u n tw a st h em a i nm e a n st oa d j u s ti g n i t i n gd i s t a n c e s f r o mt h e e x p e r i m e n t ，w ec a na l s or e a c ht h ec o n c l u s i o nt h a tt h ef l a m et r a v e lo fb u r n i n go i lw i t h f u e lg a sw a sl e s st h a nt h a to fb u r n i n gc o a l w a t e rs l u r r yw i t hf u e lg a s ，a n dt h ef l a m e t r a v e lo fb u r n i n gc o a l w a t e rs l u r r yw i t hf u e lg a sw a sl e s st h a nt h a to fb u m i n g c o a l w a t e rs l u r r yo n l y i nt h e a s p e c to fh e a tt r a n s f e r , f l a m er a d i a t i n gp o w e rw a sm e a s u r e d i ti s p r o c l a i m e dt h a tt h ef l a m er a d i a t i n gp o w e ro fc o a lw a t e rs l u r r yw a sl o w e rt h a n 2 浙江大学硕士学位论文徐慧芳摘要 p u l v e r i z e dc o a la n di ti n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e m e n to f1 0 a d i n c o r p o r a t i o np r o j e e tp r a c t i c a ls i t u a t i o n ，w ep r e s e n t e dm e a n st oe l i m i n a t ed e f e e t d u r i n gc o a lw a t e rs l u r r yb u r n i n gp r o c e s s t h e nd e p o s i t i o na n ds l a gd i a g n o s i n g e x p e r i m e n tr e l a t i v e t o d e p o s i t i o na n ds l a gq u e s t i o ni no p e r a t i o nw a sp r o c e e d ， m o r e o v e r ，t e c h n i c a lm e a s u i 七ss o l v i n gt h el a r g e s tp r o b l e mo fd e p o s i t i o nw e t e p r e s e n t e d i nt h ea s p e c t so fp o l l u t a n te m i s s i o n , t h ee m i s s i o n so fb o t hs 0 2a n dn o x m e a s u r e da tt h er e a rp a r to ft h eb o i l e rc o n f o r m e dt ot h en a t i o n a ls t a n d a r d s t h e c o n t e n to fe i g h th a r m f u lh e a v ym e t a l si nt h eo d g i r m lc o a l ，c w s ，b o t t o ms l a ga n d f l y a s hw a sm e a s u r e dt oa n a l y z et h em i g r a t i o no ft r a c ee l e m e n t sd u r i n gc o m b u s t i o ni n b o i l e r k e yw o r d s ：c o a lw a t e rs l u r r y ；h i g hp r e s s u r ec o a lw a t e rs l u r r yb o i l e r , c o m b u s t i o n , h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s = d e p o s i t i o n ；p o l l u t a n te m i s s i o n h e a v ym e t a l s 3 浙江大学硕士学位论文徐慧芳 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，占世界煤产量的2 5 ；也是世 界上唯一以煤炭为主要能源的大国，1 9 9 6 年我国煤炭产量达1 3 8 亿吨，煤炭消 费在我国的一次能源消费总量中约占7 0 。煤炭是我国分布最广、较为丰富的 能源，而石油、天然气资源相对不足“1 。随着能源科技和中国经济的快速发展， 优质能源需求不断增加，石油、天然气消费呈现加速增长态势。自9 0 年代中期 我国成为石油净进口国以来，石油进口量逐年上升，1 9 9 8 年净进口量约3 0 0 0 万 吨，1 9 9 9 年上升为约4 0 0 0 万吨，2 0 0 0 年接近7 0 0 0 万吨，国内石油供需矛盾日 趋严峻。专家预测，我国石油供给对外依存度2 0 0 5 年肯定超过3 0 ，2 0 1 0 年将 达到4 0 ，2 0 2 0 年要达飘5 0 - - - 6 0 。这表观。2 0 0 5 年中国将上升成为仅次于 美国和日本的世界第三大石油进口国。这种状况不仅在经济上难以承受，更甚者， 将给我国能源安全和国家安全带来重大打击”1 。 面对日趋严竣的石油供求形势和国际油价变动的不确定性，亟需从我国经济 发展全局出发，结合我国资源、技术和经济条件，寻求行之有效的替代技术，以 缓解我国石油进口压力，保持国民经济的持续发展，保障能源与经济安全。 传统燃煤方式的最大问题是严重污染环境，造成中国各城市大气环境是以悬 浮颗粒、s o ：、n o 。、c 0 2 等为主要特征的烟煤型污染，因此开发洁净煤技术无 疑是非常重要的。洁净煤技术是煤炭领域的高科技技术，是煤炭开发和利用中减 少污染和提高效益的煤炭加工、转化、燃烧和污染控制等新技术的总称1 3 1 。而先 进的水煤浆技术是洁净煤技术的重要组成部分，是目前公认的最具应用前景、最 实用的代油技术。 水煤浆是一种煤基的液态流体，一般由近7 0 的煤粉和近3 0 的水以及约l 的添加剂组成的煤水混合物。根据水煤浆的制备特点，水煤浆仍既保持了煤炭原 有的物理特性，又具有石油一样的流动性和稳定性，被称为液态煤炭产品。进入 炉膛的燃烧方式和燃料油相似，通过喷嘴将其雾化成液滴，液滴在高温烟气中蒸 发水分，然后像煤粉燃烧勇5 样，析出挥发分，燃烧和燃烬，具有燃烧效率高、负 荷调控容易、污染物排放量低、储存运输方便且不污染环境等特点，可以泵送、 雾化与稳定着火燃烧，可长距离管道输送。因此，它广泛用于工业锅炉、电站锅 炉、工业窑炉代油、代气、代煤燃烧，具有环保、节能等综合效益，是煤炭加工 行业的重要发展方向。煤炭是我国的主要能源，“以煤代油”是我国能源政策的 浙江大学硕士学位论文徐慧芳第一章绪论 重要组成部分。开发和利用水煤浆是煤炭加工、合理利用煤炭资源的一项长期战 略任务，是实现国民经济可持续发展的可靠保证。 我国自1 9 8 2 年开始从事水煤浆技术研究。在“六五l “九五”期间，国家给 予水煤浆技术发展很大支持。国家科委、国家计委和煤炭部门都投入了大量的人 力和物力来研究和发展水煤浆技术，1 9 9 6 年1 月江泽民总书记视察水煤浆工作 时，对水煤浆技术给予了高度评价，并指出“从战略上看，中国煤炭资源丰富， 要充分发挥煤的作用，中国的燃料在相当长的时期内要依靠煤，要把水煤浆作为 一个战略问题来考虑，这是一件重要的工作。” 因此发展水煤浆技术，不仅有利于发挥我国煤炭资源的优势、提高能源效率、 加强环境保护，还有利于生产洁净能源，减少和部分替代石油消费量和优质煤、 优化能源结构，是现阶段我国能源建设的重要内容，同时也是实施能源战略、为 今后中长期经济及社会发展提供能源保障的战略措旅。 1 2 水煤浆发展情况 1 国外水煤浆技术的开发应用 7 0 年代中期，由于受到石油危机的冲击，水煤浆技术开始得到各国重视，而 竞相投入大量人力、物力和财力，进行深入的研究开发工作，并获得较快发展。 美国、英国、瑞典、加拿大等国先后在工业锅炉和电站锅炉上开展了工业性试验， 并取得商业应用成果。美、英等发达国家将水煤浆作为技术储备，尚未进行大规 模工业应用。而日本能源缺乏，在水煤浆出现后从未间断大规模的工业试验和商 业化运行。勿来发电厂的8 号锅炉自1 9 8 3 年开始运行，原设计为重油和煤粉混合燃 料。后改为重油、煤粉、水煤浆混烧。自1 9 8 7 年开始燃用水煤浆以来，一直连续、 稳定地燃烧水煤浆，累计$ i | 2 0 0 0 年底，燃用水煤浆量超过4 0 0 万t 。勿来电厂8 号机 组的锅炉是目前世界上最大的燃烧水煤浆的电站锅炉，也是世界上燃用水煤浆 时间最长、燃用浆量最多的电站锅炉。俄罗斯和意大利合作在茵斯卡建了年产5 0 0 万t 的水煤浆厂，2 6 0 k m 高浓度输浆管线，送至新西伯利亚第二热电厂6 7 0 t h 电 站锅炉燃用。 2 我国水煤浆技术发展现状 我国自8 0 年代初以来开始研究与开发水煤浆技术，并列入了国家“六五”、 “七五”、“八五”、“九五”四个五年计划的重点科技攻关项目，“十五”计划作 为重点发展项目，使水煤浆各项技术从实验室走向工业性实验，经过几十年的不 懈努力，在制浆及燃烧应用技术方面均已接近或超过世界领先水平。迄今为止， 据不完全统计，包括大同汇海1 0 0 万t a 在内，国内已拥有水煤浆制备厂1 0 座， 浙江大学硕士学位论文徐慧芳 第一章绪论 总生产能力2 5 m t a 。特别是近两年来，水煤浆的制备及燃烧应用技术取得了长 足地发展，其成果工业化的能力已进入商业化运营阶段。水煤浆燃烧技术已经在 各种炉型上得到应用，包括电站锅炉、工业锅炉和工业窑炉等。目前改烧水煤浆 成功的负荷最大的为4 1 0 t h 电站燃油锅炉。水煤浆在我国的主要应用情况见表 1 1 。 表卜1 水煤浆的燃烧应用领域和情况表 我国水煤浆代油市场潜力巨大。据统计，全国锅炉烧油量约为4 0 m t 年，用 户分布在电力、化工、冶金等行业。如果能够推广水煤浆技术，则其经济效益和 社会效益都是巨大的。并且会增强我国能源工业独立自主的能力，对经济建设和 国家发展有不可估量的作用。 1 3 水煤浆简介 1 水煤浆的燃料特性 根据水煤浆性质和用途划分，主要有精煤水煤浆、精细水煤浆、经济型水煤 浆( 中灰煤水煤浆、中高灰煤泥水煤浆) 、气化用水煤浆、环保型水煤浆等各种 水煤浆品质特性见表1 2 。 浙江丈学硕士学位论文徐慧芳 第一章绪论 目前电站锅炉燃用的水煤浆多为高挥发份中灰煤浆，均用洗精煤制浆。它虽 然有一定的粘度，但具有可流动性，易于用管道运输，在喷入锅炉燃烧时雾化性 能好，但不会像煤粉那样引起火灾或爆炸，燃烧过程与煤粉燃烧基本相似。 袭1 2 水煤浆品质特性 2 水煤浆的流变特性 水煤浆的流变性影响因索极为复杂，在工程应用中更重视的是各个参数特别 是某种具体特定的煤浆流变特性的了解，最好的方法就是通过试验的手段。针对 不同的研究对象和试验条件，研究的结论也不相同，对水煤浆所属的流体类型的 结论也有所不同。岑可法l 等用e p p r e c h er h e o m a t1 5 型旋转粘度计和直管流动装 置研究水煤浆的流变特性，总结出水煤浆是一种宾汉型流体。试验表明，其塑性 粘度和初始剪切应力均随着煤粉浓度的增加而增加，随温度的上升而减小。当煤 粉浓度超过6 0 时，水煤浆的粘度会急剧上升，给工程应用造成困难，但如果提 高煤浆的温度，则粘度就会很快下降，因此采取适当的预热措施是提高水煤浆流 变性的方法。简言之，水煤浆的流变性基本符合宾汉流体，随着剪切速率的增加， 水煤浆的表观粘度减小。 3 水煤浆的燃烧特性1 4 l 水煤浆中含有3 0 4 0 的水份，在燃烧初期有一个蒸发过程，因而使水 煤浆的着火热增加：水煤浆的着火温度比制浆煤粉低1 0 0 2 0 0 c ；水煤浆雾滴中 有多个煤粉颗粒，在水分蒸发后出现凝结结团现象，由此引起煤浆焦炭颗粒明显 浙江大学硕士学位论文徐慧芳第一章绪论 大于一般煤粉焦炭粒子而难于燃烧；在水煤浆雾滴水分蒸发后期及挥发分析出过 程中会膨胀形成中空的煤胞团，并发生煤胞团的爆裂而形成空穴甚至碎片，这对 焦炭的燃烧和燃烬是有利的：水煤浆雾滴的挥发分燃烧和焦炭燃烧存在着重迭现 象。研究表明，挥发份析出燃烧9 0 时，焦炭已烧掉1 0 左右。 4 水煤浆燃料的优点 水煤浆作为一种清洁液体燃料，具有以下几个明显的优点： ( 1 ) 水煤浆具有良好的流动性、稳定性； ( 2 ) 水煤浆加工方法简单并易贮存； ( 3 ) 燃料供应系统( 密闭储存，运输，损耗小，节能效果显著) 和控制系 统远较煤粉系统简单； ( 4 ) 不存在自燃着火和粉尘飞散问题； ( 5 ) 可以实现1 0 0 代油，且与油一样易于雾化燃烧； ( 6 ) 燃油锅炉改烧水煤浆的改造工作简单，停炉改造周期短，投资小于改 煤粉炉； ( 7 ) 水煤浆燃料烟尘排放量小，燃烧时排放的s 0 2 和n o 。可大大减少； ( 8 ) 水煤浆炉底渣和飞灰含碳量很低，灰可以综合利用； ( 9 ) 与煤粉相比，在制浆过程中采用水磨机，磨浆温度低( 5 0 6 0 c ) ，安 全，热损失少； ( i 0 ) 采用无级变速调节浆泵，比煤粉易于调节； ( 1 1 ) 精煤水煤浆含灰分低，锅炉受热面磨损低于燃煤，维修费用降低； ( 1 2 ) 不需要炉前给煤系统和储煤厂，排灰少，灰场占地仅为燃煤的1 4 ： ( 1 3 ) 燃油锅炉改烧水煤浆经济效益显著。 1 4 本文研究内容 1 研究背景 中国石化吉林分公司现有燃油蒸汽锅炉1 】台，年消耗燃料油总量2 3 7 万吨。 近年来油价不断攀升，导致燃油锅炉产生的蒸汽成本高，同时增加了化工产品的 生产成本。为了降t f 氐4 t i 产品的生产成本，提高企业的经济效益，拟改变锅炉的 燃料结构降低化工产品的生产成本，以提升企业的综合竞争能力，适应未来市场 发展的要求。 由于现有燃油锅炉的平面布置、铁路运输、煤的贮存等均受现场条件限值， 无法改烧原煤。水煤浆燃烧效率达9 6 9 9 ，锅炉效率在9 0 左右，达到燃 油同等水平，且燃烧调节方便，运行稳定可靠，贮存、运输比燃油简单、安全， 便于管理，适宜于管道运输。 浙江大学硕士学位论文徐慧芳 第一章绪论 经初测算：燃油锅炉的产汽成本在1 2 0 1 3 0 元吨汽左右：水煤浆锅炉的产 汽成本在8 0 9 0 元吨汽左右；燃煤锅炉的产汽成本在4 0 5 0 元吨汽左右。因 此，以水煤浆替代燃油，改变锅炉的燃料结构在技术是可行、可靠的，经济上是 合理的。 吉林石化公司拟将炼油厂四台燃油锅炉、聚乙烯厂一台燃油锅炉( 另一台油 炉备用) 改烧水煤浆；有机厂新建一台烧水煤浆锅炉( 油炉备用) ，年可节省燃 料油、气3 9 万吨。 项目分两期实施： 一期工程：改造炼油厂四台燃油锅炉；建设有机厂7 5 t h 高压水煤浆锅炉； 同时配套建设一座3 5 万吨年规模水煤浆厂； 二期工程：改造聚乙烯厂一台燃油锅炉：同时建设全厂1 4 k m 的水煤浆输送 管线。 2 研究内容 吉林石化有机合成厂委托浙江大学和南通锅炉厂设计制造的7 5 t h 高温高 压水煤浆锅炉，于2 0 0 3 年1 0 月安装完毕，2 0 0 3 年1 2 月和2 0 0 4 年4 月分2 个 阶段完成燃烧调整试验。该7 5 t h 高压水煤浆锅炉在国内属首创产品，完全采用 了国内成功的水煤浆燃烧技术。试验结果达到了设计规定的技术指标，取得了可 贵的实验数据及运行经验，为进一步推广水煤浆在石化企业中的应用起到了示范 作用。 本文主要内容是针对吉化新建7 5 t h 高压水煤浆锅炉的燃烧特性、炉内传热 特性、炉内积灰结渣特性以及污染物排放特性进行了试验研究。 具体而言，本文主要研究以下几个方面的内容： 1 吉化自制水煤浆的稳定性、流变性；在热重分析仪上比较制浆煤、水煤浆 的着火特性，燃烧特性； 2 吉化7 5 t h 高压水煤浆锅炉的冷态试验、热态调整试验，对油气混烧、 浆气混烧以及全烧浆工况做了对比，并结合实际情况，提出了消除水煤浆燃烧过 程中缺陷的方法； 3 针对锅炉积灰结渣问题进行了积灰结渣诊断实验，并且提出了解决积灰 严重问题的技术措施。 浙江大学硕士学位论文徐慧芳第二章7 5 t i h 高压水煤浆锅炉介绍 第二章7 5 t h 高压水煤浆锅炉介绍 2 1 锅炉设计参数： 一、锅炉的主要设计特性( 注：括号内为燃油参数，后为降压运行参数) ( 1 ) 主蒸汽流量：7 5 ( 7 5 ) 1 7 5 1 t h ； ( 2 ) 主蒸汽压力：1 2 0 ( 1 2 0 ) 8 4 m p a ； ( 3 ) 主蒸汽温度：5 2 5 ( 5 2 5 ) 5 0 0 ； ( 4 ) 给水温度：1 5 0 ( 1 5 0 ) 1 5 0 ； ( 5 ) 排烟温度：1 3 5 3 ( 1 2 8 3 ) 1 5 9 ： ( 6 ) 热空气温度：3 6 0 ( 3 3 5 7 ) 3 5 0 ； ( 8 ) 锅炉设计效率：9 0 7 ； ( 9 ) 炉膛出口烟气温度1 0 0 8 4 ( 9 5 2 9 ) ( 1 0 ) 炉膛容积热强度：1 3 2 9 6 ( 1 3 3 ) 1 0 3k c a l m 3 h r 二、锅炉设计燃料特性及燃料消耗量 水煤浆( 采用俊德洗精煤制备的水煤浆) 、燃料油( 7 0 急冷油，3 0 c 1 0 ) 特性见表2 1 ，燃料气特性见表2 2 ，燃料消耗量见表2 3 。 表2 - 1 水煤浆及燃料油工业分析、元素分析( 水煤浆 3 46 ，7 22 2 6 73 6 6 14 5 6 0 5 0 1 23 2 2o 4 40 15 4 燃料油 f9 4 1 5 9 09 4 80 2o 1 2 0 2 表2 - 2 燃料气特性 项目h 2c h 4c 2 h z c 9 i 3 分c h 4 = 1f 1 q 盏 密度 单位 k c a l k gk g n m 3 燃料气 1 7 8 96 3 7 3 0 3 42 5 50 1 81 4 9 3 0 2 50 1 31 0 4 0 0 o 8 6 4 5 水煤浆其他特性：表观粘度：u = 1 0 0 0 m p a s ( 2 0 1 2 、1 0 0 s ) 制浆煤粉平均粒度：4 2 u i l l ，最大粒径2 5 0 u m ( 小于0 5 ) 7 5 斗m 以下：8 4 7 4 ：5 i i m 以下：2 3 灰熔点；t l = 1 2 2 0 ，t 2 = 1 2 5 0 ，t 3 = 1 4 0 0 c 密度：p 。= 1 2 3 0 k g m 3 7 新江人学硕士学位论文徐慧芳第二章7 5 t b 高压水煤浆锅炉介绍 表2 - 3 锅炉燃料消耗量( d = ? 5 t h ) 三、锅炉性能技术要求 1 锅炉能适应设计水煤浆。在燃用设计燃料，锅炉负荷为锅炉最大蒸发量时， 锅炉保证热效率9 0 。 2 过热器出口气温稳定在额定值时，偏差不超过5 c 。 3 锅炉在燃用设计燃料时，不投油最低稳燃负荷，不大于锅炉的( b m c r ) 3 0 。 4 锅炉负荷变化率：5 0 1 0 0 额定出力时不小于5 ，分。 2 2 锅炉结构简述 本锅炉为国内第一台专烧水煤浆的高压锅炉。锅炉露天布置，带单汽包自然 循环。锅炉本体呈玎型布置，水煤浆悬浮燃烧固态排渣方式，锅炉断面为正方形 ( 见图2 - 1 ) ，采用正四角切圆燃烧方式，燃烧器两侧墙四角布置，均等配风， 一二次风切圆均为逆时针旋转，其假想切圆直径均为6 0 0 r a m 。炉膛四壁布满了 膜式水冷壁。水平烟道内布置了两级垂直式对流过热器，中间设喷水减温器。尾 部垂直烟道间隔布置两级钢管式省煤器和两级直立钢管式空气预热器。横向单面 水力排污，砖砌轻型炉墙。锅简中心标高：2 5 0 0 0 m m ；运转层标高：7 0 0 0 m m ；锅 炉宽度：? 4 0 0 0 m m ；锅炉深度：1 4 0 4 0 m m 。锅炉外观图2 - 2 ，锅炉结构简图见图2 3 。 右 侧 墙 图2 - 1 炉膛简图 8 图2 - 2 锅炉外观图 浙江大学硕士学位论文徐慧黄 第二章7 5 f f h 高压水煤浆锅炉介绍 币 基11 l黼碰n 鲤 硼 产彳 嗣嗣 毒d 翌 ii d i ， ，j | 护 粥 火检 各瓣 图2 - 37 5 t h 水煤浆锅炉结构简圈图2 - 4 燃烧器结构简图 2 3 水煤浆、油两用燃烧器的设计 1 。燃烧器设计 燃烧器设计成既可全烧水煤浆，又能全烧油，也可以油、水煤浆混烧或燃料 气( 3 0 ) 、水煤浆混烧。具有强化着火和稳燃的优点，采用正四角切圆燃烧， 每台燃烧器共分5 层，最下层为下二次风，并在该喷口设置点火气枪，自下而上 第二、四层为油、水煤浆两用燃烧器，第三、五层为中二次风，上二次风喷口， 其结构见图2 4 。为了强化水煤浆的着火一次风口设计成扩锥形状。煤浆雾炬 首先进入这个锥形的减速蒸发区域。为了有利于油的完全燃烧，每层一次风喷口 均带有旋转的中心风，同时可用于烧浆时调节着火距离。在上二次风喷口布置燃 油工况时保主蒸汽温度的辅助油枪，即烧油时如果主蒸汽温度偏低可将此油枪投 入( 相应停用第二层主油枪) ，使火焰中心上移，以保证额定的主蒸汽温度。 四角共布置8 支水煤浆( 或油) 喷枪，燃烧水煤浆或油时投入6 支枪就能达 到1 0 0 负荷；冷态升炉时，处于下二次风喷口的点火燃气枪首先投运( 用高能 点火装置点燃) 使锅炉带3 0 5 0 负荷，然后对角逐个投入水煤浆枪，后停用 点火燃气枪，保持在】0 0 负荷下稳定燃烧水煤浆，停用的燃烧器喷口应适当送 保护喷口的冷却风。 在上二次风口、中二次风口和下二次风口均设有火检装置。燃烧器设计配风 参数见表2 4 。 浙江大学硕士学位论文徐慧芳 第二章7 5 t h 高压水煤浆锅炉介绍 2 水煤浆喷嘴设计 水煤浆喷嘴是燃用水煤浆的专用设备之一，经计算采用浙江大学研制的 d z 2 0 0 0 b 型撞击式多级雾化水煤浆喷嘴，雾化介质可以用蒸汽也可以用压缩空 气。主要技术性能为： 设计容量：2 t h 支： 容量范围：1 4 2 4 t h 支： 雾化介质：蒸汽； 浆压( 喷嘴前) 1 1 m p a ： 设计蒸汽压力 1 2 5 m p a ( 2 8 0 ) ，。 汽耗率：0 2 0 o 2 5 k g 汽k g 浆 要求煤浆粘度： 1 0 0 0 m p a s ( 2 0 ，1 0 0 s - 1 ) 喷嘴雾化细度s m d ： 9 51 1m 。 3 燃料油枪设计 油枪容量按1 0 0 负荷设计，其设计参数如下： 设计容量： 9 6 0 k g h 支 容量范围：4 8 0 1 1 5 0 k g h 支 喷嘴前油压0 7 m p a 喷嘴雾化角 9 0 。 4 点火燃气枪设计 点火燃气枪容量按锅炉额定负荷的5 0 i 妣t ，额定出力为7 5 0 n m b ，喷嘴 前额定压力为2 5 k p a ，长度l = 1 7 3 4 m m 。 2 4 锅炉热力计算汇总表及计算结论 对锅炉燃用设计燃料和燃烧调试用双鸭山水煤浆的情况，分别进行了热力计 算，包括高压和降压运行工况，计算结果见附表1 附表1 1 。 1 0 浙江大学硕士学位论文徐慧芳第二章7 5 f f h 高压水煤浆锅炉介绍 表2 - 5 燃烧调试试验用双鸭山水煤浆的工业分析、元素分析 表2 6 燃烧调试试验用双鸭山水煤浆灰络点( ) 由热力计算结果可知，燃用设计水煤浆、调试用双鸭山水煤浆1 0 0 、1 1 0 、6 5 负荷下均达到锅炉额定参数，且两种燃料的热力计算结果相近，说明调 试用煤浆符合锅炉燃料要求。锅炉燃用燃料油5 0 、1 0 0 负荷下能够满足锅炉 额定参数的要求。锅炉在降压运行6 5 、1 0 0 负荷下达到锅炉降压设计参数， 符合锅炉设计要求。 浙江大学硕士学位论文徐慧芳 第三章水煤浆的基础实验研究 3 1 引言 第三章水煤浆的基础试验研究 目前世界上主要国家制备的水煤浆有较多种类：如低灰水煤浆( a d = 1 3 ) 、中灰水煤浆( a d = 4 1 5 ) 、高灰水煤浆( a d = 2 5 3 0 ) ；高挥发份水 煤浆( v d = - 3 0 ) 、低挥发份水煤浆( v d = 2 0 左右) ；超细水煤浆( 9 0 d 1 9 1 tm ) 等，水煤浆的浓度c ；6 2 6 5 。目前锅炉燃用的水煤浆多为高挥发分中 灰水煤浆，均用洗精煤制浆。对大型集中制浆厂的水煤浆稳定性要求为l 3 个 月内无硬沉淀1 4 j 。 本文研究的水煤浆为吉化动力厂水煤浆车间自制水煤浆，为了更好的把它应 用于工业实际，必须对水煤浆的各种特性作出比较深入的基础研究。本章对吉化 水煤浆的流交特性、稳定性、在热天平中的燃烧特性做了一些基础研究。 3 2 吉化水煤浆介绍 吉化动力厂新建水煤浆车间，设计能力为3 5 万吨年，水煤浆产品主要供吉 化内部代替燃料油使用。制浆的煤选用黑龙江双鸭山动力煤，水煤浆的工业分析、 元素分析、灰成分分析、灰熔点分别见下表： 表3 1 元素分析、工业分析结果 样品 元素分析 发热量l d k g工业分析 c a rh “o a rn a rs a t q n e t a t m a ra a rv a tf c a r 水爆浆 4 8 6 22 5 74 5 40 7 3 0 2 11 8 4 7 33 6 3 5 6 9 8 2 1 1 9 3 5 a 8 表3 - 2 灰成分分析( ) 表3 - 3 灰熔点( ) 水煤浆的平均粒度为4 5u m ，粒度上限为3 0 0 u m ，7 5 | 1 1 1 1 以下的占8 4 7 4 ，6 2 ui 1 1 以下的占8 1 7 0 ，5 um 以下的占1 5 。 浙江大学硕士学位论文徐慧芳 第三章水煤浆的基础实验研究 3 3 吉化水煤浆稳定性、流变特性试验研究 3 3 1 水煤浆稳定性试验研究 水煤浆稳定性是指水煤浆在存储过程与输送过程中，可保持其物性均匀的一 种性质。水煤浆稳定性是水煤浆产品最重要的物理性质之一，也是评价水煤浆质 量的一项重要指标，它直接影响到水煤浆的生产和使用。 一水煤浆稳定性的影响因素1 5 棚 影响水煤浆稳定性的因素主要有煤种、煤浆浓度、煤粉的粒度分布、化学添 加剂、温度等，下面分别讨论。 ( 1 ) 煤种的影响 不同的煤种，对水煤浆稳定性的影响也不相同。一般认为：变质程度低的煤 所制水煤浆的稳定性比变质程度高的煤好。 煤中的无机矿物质对水煤浆的稳定性和流变性都有重要的影响。总的来说。 煤中的矿物质主要是通过影响煤表面的亲水性、电化学性质或通过与制浆用分散 剂的相互作用来影响浆体的稳定性。研究表明，煤中的矿物质可以吸收水分，从 而大大降低了浆体中作为流动介质的水分，同时煤中的高价金属离子溶出后能吸 附在煤表面而使煤亲水性增强，被吸附的水分子在固体颗粒表面定向排列，减少 了浆体中自由水的含量，并是由于这些水分子膜具有极大的粘滞性，导致浆体结 构化程度增大，稳定性提高。 ( 2 ) 煤浆浓度 有应用价值的水煤浆浓度通常要维持在6 0 以上。水煤浆的粘度对浓度变 化很敏感，尤其是接近最大堆积密度时，粘度及屈服应力急剧增加，从而使煤浆 稳定性变好。 当水煤浆中的固体含量增高时，煤粒间的相互作用力增大，空隙的减少降低 了煤颗粒的沉降速度。因此相应提高了水煤浆的稳定性。所以，水煤浆浓度越高， 煤浆稳定性越好。根据此特性，工业上采用高浓度储存、低浓度使用的方法。 ( 3 ) 煤的粒度分布 在制备水煤浆时，粒度分布是减小煤粒间隙，增加煤桨浓度的重要参数。研 究粒度分布与堆积效率之间关系的级配技术是水煤浆制备技术的基础之一。较高 的堆积效率要求水煤浆的粒度分布达到煤拉堆积时空隙少、固体体积浓度高。目 前，国内外大多采用双峰级配制浆。小的颗粒填充在大颗粒的缝隙之间，降低了 浆中的孔隙牢，提高了浆体的浓度。 ( 4 ) 添加剂的作用 分散剂的加入会改变煤粒表面的状况，影响浆体的分散性和稳定性：稳定剂 浙江大学硕士学位论文徐慧芳第三章水煤浆的基础实验研究 的加入也将直接影响到浆体的稳定性i 浆体p h 值的大小也会影响煤粒与添加剂 的相互作用，进而影响到浆的流变性和稳定性。 ( 5 ) 煤浆温度 一般认为，随着温度升高，煤浆的介质粘度降低。根据斯托克斯公式，颗粒 的沉降速率加快，从而使水煤浆的稳定性降低。 二、水煤浆稳定性的主要测量方法 目前，国际和国内对水煤浆稳定性的测量评价方法很多f 7 】，有静置观察法 棒测法浓度差法倒置定量评价沉降速度试验法振动法和离心法。方法 和的优点是所需设备和操作简单，但测定的为主观因素较多，无法定量描述， 结果重复性，如方法中玻璃棒的质量和用力大小等都会影响试验的结果。方法 中在水煤浆测定静止1 4 天、1 个月或2 个月后稳定性较差的水煤浆下部硬化， 会堵住专用的玻璃制圆筒容器的下层或中层引出口，使测定难以进行；另外下层沉 淀物常较硬很难搅拌均匀，无法进行下层浓度的准确测定。方法所需仪器设备 复杂，试验条件控制不易，概念较实际应用相差甚远。 三、试验方法与试验结果分析 水煤浆动态稳定性可近似模拟水煤浆在运输过程中保持物性均匀的性质；水 煤浆静态稳定性可近似模拟水煤浆在存储过程中保持物性的性质。 由于动态稳定性和静态稳定性的测定数值不同，它们之间的线性相关性在一 些情况较好，一些情况较差，因而将动态稳定性和静态稳定性作为2 个独立的试验 和独立的结果来处理 本文根据水煤浆质量试验方法口】g b t 1 8 8 5 6 6 2 0 0 2 ，对吉化水煤浆做了静态 稳定性试验和动态稳定性试验。 1 动态稳定性 测定原理为称量一定量均匀的的水煤浆试样置于容器中，在规定条件下振荡 一定时间后，将容器垂直完全倒置$ m i n ，称量在容器内的残留物的质量，以水煤浆 的残留物占水煤浆试样的质量百分比表示水煤浆的动态稳定性。 水煤浆动态稳定性按下式计算： s b d ”= 生x 1 0 0( 3 1 ) 脚s 式中：s b d y n 水煤浆动态稳定性( ) ； 水煤浆振荡后非流动性残留物的质量，单位为克( g ) ； 水煤浆试样的总质量，单位为克( g ) 。 试验结果为： 1 4 浙江大学硕士学位论文徐慧芳第三章水煤浆的基础实验研究 s b d y n l ：生x1 0 0 ：3 1 8 2 1 0 7 s b d v n 2 ：r _ 1 0 0 ：4 1 9 7 2 0 2 7 两次试验结果差为1 叭 1 - 2 ，满足动态稳定性测定的精