水煤浆燃烧器结构设计

1、水煤浆燃烧器的结构设计摘要我国拥有丰富的煤矿资源，研究燃烧效率高的燃烧器不仅能带来巨大的经济、环保效率，还能为节约能源做出贡献。本为在充分了解水煤浆的特性及目前已有的燃烧器的基础上，创新设计出一种新型的叶片型CWS水煤浆旋流燃烧器，与别的燃烧器相比，具有使用寿命长、结构简单、启动速度快等一系列优点。关键词：叶片型燃烧器、撞击式雾化喷嘴、氮硅基陶瓷、二次风气流前言 我国矿物能源以煤为主，大力发展洁煤技术，高效清洁地利用煤炭资源，对于促进能源与环境协调发展，满足国民经济快速稳定发展需要，具有极其重要的战略意义。煤炭液化、汽化和浆化成为先进工业国家普遍重视的研究课题。水煤浆则是煤炭液化的最佳成果，也

2、是煤炭洁净利用最廉价的实用技术。本文以高效清洁地利用煤炭资源为出发点，通过改进已有燃烧器的喷嘴结构、材料的使用等，创新出一种较之以往燃烧器使用寿命更长、燃烧效率更高、启动速度更快等一系列有点。第一节 水煤浆1.1水煤浆的概述1.1.1水煤浆的定义水煤浆以煤炭（由70左右的煤炭，30左右的水和少量药剂混合制备而成的液体）为主要材料，可然部分，以水（3040）为辅材料，载体，助燃、经过专用设备和工艺的研磨、细化，达到一定的粒度级配，充分均匀混合，在化学添加剂（13%）的作用下保证均匀、稳定、流动的悬浮液体1。 1.1.2 我国水煤浆的发展历程 中国的水煤浆技术研究始于1982年。1983年1月，“

3、水煤浆制备与燃烧技术”被列为国家“六五”科技攻关项目2，同年5月，“大同水煤浆”研制成功，并首次在实验室试烧成功，1984年8月，在北京造纸一厂20t/h工业锅炉代油燃烧成功，同时建成抚顺胜利矿、枣庄八一矿30kt/a简易制浆生产线。“七五”期间，扩大了水煤浆工业应用的试烧规模和范围，制浆方面，建成了抚顺胜利矿70kt/a和枣庄八一矿50kt/a2个制浆厂。 随后在北京造纸一厂60t/h，北京印染厂20t/h燃油工业锅炉及轧钢加热炉、锻造加热炉、隧道窑等工业窑炉上改烧水煤浆获得成功，建立了一批示范应用点。“八五”期间，针对大型电站锅炉燃用水煤浆及与之配套的大型制浆厂建设，进行国家“八五”科技攻

4、关和工程建设，建成了北京和兖日2个250kt/a水煤浆厂，枣庄八一矿250kt/a水煤浆厂1996年底建成，改造了白杨河电厂3号230t/h锅炉，并于1995年12月进行连续72h试运行，燃烧稳定 “九五”期间，开发出了35t/h水煤浆专用锅炉，完成了白杨河电厂1号锅炉的改造，成为集水煤浆制浆、燃烧为一体的系统示范基地，进行了北京造纸一厂燃烧器改造和厂区水煤浆系统改造。2001年7月大同汇海30万t/a的制浆厂一期工程已竣工投产，拟向燕山石化和广东地区供浆。目前，胜利油田50万t/a的制浆厂正在运转，大同汇海100万t/a的制浆厂已经扩建，广东南海电厂200万t/a 的制浆厂正在试运行。 1.

5、1.3水煤浆的生产意义 煤浆是一种新型煤基流体洁净环保燃料，发展和应用水煤浆既具有实意义，又具有战略 意义。1.替代部分燃料油，弥补石油资源的相对不足我国油气资源相对贫乏，人均石油资源量和人均产油量仅为世界平均水平的18%和21%，石油供需矛盾日益突出3，从行业看，主要集中在电力系统、石油石化系统、建材 行业等。水煤浆的应用对象主要是发电锅炉、热电联供锅炉、工业锅炉、油田的采暖炉、热 采炉和陶瓷热风炉等。从地区上看，广东省燃料油消耗约占全国燃油总量的1/3。水煤浆的 应用，不仅给燃油企业带来明显的经济效益，同时可以节约外汇、节省石油资源，对我国 节约和替代石油资源、优化和改善能源结构，将起到积

6、极的作用。 2.代替散煤燃烧，降低污染、改善环境 目前我国水煤浆应用，除代油外还有利于环保。 我国煤炭约85%用于直接燃烧，煤炭占 终端能源消费的33.8%4。能源终端利用效率仅为32%左右，比先进国家低10%左右。我国现有 的50万台工业锅炉中，10t/h的占80%，4t/h的占43%，平均锅炉运行效率为60%65% 。燃煤引起酸雨覆盖区已超过国土总面积的30%。将水煤浆用于中小型层燃锅炉，替代直接烧散煤，既可以取消城市煤场，减少散煤运输 造成的损失和粉尘污染，又可提高燃烧效率10%15%，降低污染物排放。 1.2水煤浆的特点水煤浆是20世纪70年代兴起的煤基液态燃料，可作为炉窑燃料或合成气

7、原料，具有燃烧稳定、污染排放少等优点5。同时水煤浆是一种燃烧效率较高和低污染的较廉价的洁净燃料，可代重油缓解石油短缺的能源安全问题，其主要特点如下。1.2.1环保特点水煤浆做为清洁燃料，其清洁性主要表现在制浆时剔除部分有害物质和燃料充分等方面。同煤炭直接燃烧相比，具有明显的环境效益， 一是水煤浆由于经过精加工，其硫、灰分含量低，所以原料较煤炭更加清洁， 二是燃烧方式更为科学燃烧率高，热效率高，节约燃料，减少了污染物质的排放，所以燃烧过程符合清洁生产要求； 三是水煤浆密封存放，占地面积少，没有煤、灰场的二次污染6。1.2.2 经济特点 价格相对低廉：水煤浆和混合煤气发生炉煤气的可比价格相当，均远

8、低于其他燃料； 制备成本较低：当供热功率较大时，水煤浆投资费用相对较低。同时人工费用在锅炉台数较多时相对成本也较低7。1.2.3 燃烧特点水煤浆的燃烧过程8一般先通过雾化器将水煤浆雾化成细小的浆滴，一个浆滴通常包括若干细小的煤粉颗粒，进入炉膛后，浆滴受热蒸发，将煤粉颗粒暴露在炉膛内，然后发生与煤粉炉内煤粒类似的燃烧过程，直到燃尽。从总体来看，在雾化器喷口处，水煤浆呈雾炬形燃烧，如图11所示。 图11 水煤浆的雾炬形燃烧水煤浆经雾化以后高速喷入炉膛，在喷口处形成雾炬。雾炬在高温烟气对流及辐射作用下，迅速升温，并开始水分蒸发，其中的煤粉颗粒发生结团。当浆滴温度升高到300400时9，其中的挥发分开

9、始析出并率先着火，形成火焰；此后进入强烈燃烧阶段，同时焦炭开始燃烧，直至彻底燃尽。对比煤粉炉内煤粉的燃烧，水煤浆燃烧主要有以下特点： 水煤浆着火前需要多余的热量蒸发水分，同时水煤浆雾炬的入口速度相当高，是普通煤粉炉一次风的近10倍，所以水分蒸发的很快，但仍存在0.51m的脱火距离。 水分蒸发会浪费部分热值（34%）,但燃烧特性要优于普通煤粉燃烧。其表面积和微孔容积都要比煤粉颗粒大，有利于挥发分的析出，提高焦炭的燃烧速度。 水煤浆的燃烧火焰稳定，但燃烧火焰温度低；同时由于水分的存在，使得其火焰温度平均比煤粉火焰低100200。 水煤浆具有与煤粉一样的燃尽水平和燃烧效率。即使在较低的火焰温度下，其

10、燃烧速度也要比煤粉高，其燃烧效率与煤粉燃烧相当，对于大型水煤浆锅炉可以稳定达到99%以上。在影响水煤浆燃烧过程的各个因素中，影响最大也是其雾化特性和特殊的配风要求。雾化效果越好，其浆滴粒径越小，越容易着火，还能提高燃烧效率。如表11所示，可见雾化器（雾化喷嘴）是水煤浆燃烧中最为重要的设备。1.3水煤浆的制备 1.3.1水煤浆的质量要求 水煤浆是大约70%的煤炭，30%左右的水及少量添加剂调制而成的浆体。由于它是一种燃料，所以必须具备某些便于燃烧、使用的性质。主要有：l 为利于燃烧，水煤浆的含煤浓度要高。通常要求在62%-70%。l 为便于泵送和雾化，粘度要低。通常要求在100S-1剪切率及常温

11、下，表观粘度不高于1000-1200mPas。l 为防止在贮、运过程中产生沉淀，应有良好的稳定性。一般要求能静置存放一个月不产生不可恢复的硬沉淀。l 为提高煤炭的燃烧效率，其中煤粒应达到一定的细度。一般要求粒度上限为300m 的含量不少于75%。1.3.2水煤浆的技术要求和试验方法煤种不同，制浆的难易程度有很大的差异10。煤阶越低，内在水分越高，煤中氧碳比越高，亲水官能团越多，空隙愈发达，可磨性指数值越小，煤中所含可溶性高价金属离子越多，煤的制浆难度就越大。 水煤浆中煤炭颗粒不但要有良好的粒度分布，而且希望其中不同大小的煤粒能够相互填充，尽可能地减少煤粒间的空隙，达到较高的堆积效率。空隙少就可

12、以减少水的消耗，容易制成高浓度的水煤浆。水煤浆技术要求和试验方法项 目技 术 要 求试验方法浓度C/%I级：65.0II级：63.065.0III级：60.063.0GB/T18856.2粘度 (在浆体温度20，剪切率10OS1时）/mPa.s1200GB/T18856.4发热量Qnet.cwm/（ MJ/kg）I级：19.00II级：18.0019.00III级：17.0018.00GB/T 213灰分Acwm/%I级：6.00II级：6.008.00III级：8.0010.00GB/T 212硫分St.cwm/%I级：0.35II级：0.350.65III级：0.650.80GB/T 21

13、4煤灰熔融性软化温度（适合于固态排渣方式）ST/1250GB/T 219粒度分 布 Pcwm0.3mm/%I级：0.05II级：0.050.20III级：0.200.80GB/T18856.3 Pd0.075mm/%75.01.3.3制浆工艺与设备 在给定原煤的粒度特性与可磨性条件下，如何使水煤浆最终产品的粒度分布能达到较高的“堆积效率”就取决于所选用的磨矿设备、磨矿设备运行工况及制浆工艺流程。 磨矿是水煤浆制备过程中的关键环节, 与其他工业中磨矿不同的是 , 不但要求产品达到一定的细度 , 更重要的是产品应有较好的粒度分布11。这一点在选择磨矿设备、磨机结构、磨机运行工况及磨矿流程时都必须充

14、分注意。 磨矿可用干法 , 亦可用湿法。但干法磨矿制浆存在许多缺点 , 所以主张采用湿法。原则上各种类型的磨机都可用于制浆 , 但就湿法磨矿而言 , 主要是球（棒）磨、振动磨与搅拌磨。这3 种磨机所适应的原料粒度与产品细度各不相同 ,最常用的是球磨。 1.3.4水煤浆的制浆工艺生活中制浆工艺多种多样，但基本环节大多相同12，目前应用比较成熟且普遍应用的主要制浆技术有干法制浆和干法，湿法联合制浆13。 a.干法制浆 图 12干法制浆工艺不足之处：1、对一般的干法磨机，要求入料煤的水分小于5%，洗精煤的水分都比较高，难以满足该要求。电厂有热风分级和干燥；2、能耗比湿法磨高，在同样的细度下，干法磨机

15、的能耗比湿法磨机约高30%；3、干法磨矿的安全和环境不如湿法磨矿；4、粒度分布不如湿法磨，堆积效率较低，干法磨煤颗粒表面氧化较快，影响制浆效果。b.干法、湿法联合制浆图 13 干法、湿法联合制浆工艺 该流程是在干法制浆工艺的基础上，分出一部分干法粉碎的物料再用湿法进一步粉碎，其特点是与干法相比，可以获得更好的粒度分布，即获得更好的级配。但该流程仍是以干法磨煤为主，干法制浆的不足之处依然存在。1.4水煤浆的应用 水煤浆作为一种液体燃料，具有石油一样的流动性和稳定性，可以像油一样泵送、雾化，储存和稳定燃烧，燃烧效率高达98%以上，且负荷调节范围大，并具有节能、污染排放低、储存运输方便等特点14。可

16、广泛应用于工业锅炉、电站锅炉、工业窑炉等作为燃料代煤，代油、代气燃烧，其应用范围可涉及宾馆、医院学校、工矿企业、电厂、集中供热站等需要燃料的各行各业。1.5水煤浆的储运水煤浆是流态物质，必须用专用设施储存。为保证一定时间内的储存安全，要求水煤浆有足够的稳定性。根据储存时间的不同，要求浆体的稳定性也不一样。1.5.1水煤浆的稳定性水煤浆是固液混合物，由于固体密度比水大，不容易保持均质状态，固体下沉使浆体发生固液分离。通常要求在储存中不产生难以通过搅拌及其他形式的扰动使水煤浆重新均匀化的“硬沉淀”，这种性能称为水煤浆的稳定性。1.5.2水煤浆储存装置水煤浆储存装置包括储浆罐、输浆泵、管道和阀门等。

17、为了保证储存期间水煤浆的质量，储浆罐应带有搅拌装置，并采取防止水分蒸发和防冻措施。1.5.3水煤浆的运输a.罐车运输： 罐车运输是公路和铁路的传统运输方式，与运送其他物料的不同之处在于要保存水煤浆的稳定性和防止冻结等。b.船舶运输：由于运量大和运价低，水运是一种极具竞争的运输方式，因此，许多国家先后开展了船运水煤浆的实验研究，探索水煤浆水运的可能性。 c. 管道运输：基于水煤浆的良好的流动性，可采取管道运输。目前，制浆厂内部和炉前供浆的制浆生产企业与锅炉之间均采用管道输浆，在水煤浆制浆和燃烧中发挥了重要作用。第二节 水煤浆燃烧器燃烧器是锅炉的主要燃烧设备，他通过各种形式，将燃料和燃烧所需要的空

18、气送入炉膛使燃料按照一定的气流结构迅速、稳定的着火，连续分层次供应空气，使燃料和空气充分混合，提高燃烧强度的一种设备。2.1水煤浆燃烧器的常用结构 目前我国的各种水煤浆燃烧器机构比较多，下面我们将我国常用的各种燃烧器结构燃烧方式介绍如下：2.1.1 水煤浆双通道旋流燃烧器水煤浆双旋流燃烧器15多用于建成的小型水煤浆工业锅炉中,使用的燃烧器结构如图21 所示。图21 水煤浆双通道旋流燃烧器结构示意图其主要特点如下：（1）该燃烧器为全钢结构,加工制造要求精度低,价格便宜。（2）燃烧器中水煤浆喷枪和点火油枪共用同一圆形枪孔,水煤浆着火后点火油枪即可撤离。 （3）在实际运行中,由于水分的蒸发需要一定的

19、时间,所以在燃烧器的出口将会看见一段水煤浆雾炬,这段着火距离在300500 mm。 （4） 由于炉膛长度有限,水煤浆雾化颗粒往往还没有燃尽就会被烟气带出炉膛,导致锅炉的飞灰颜色发黑,水煤浆的燃烧效率下降。 2.1.2 水煤浆旋风燃烧器 据旋风燃烧器要解决的问题及实现的功能,对旋风燃烧器主体结构进行设计,结构模型如示意图22 所示。图22 水煤浆旋风燃烧器工作原理:旋风燃烧器的设计原理16和运行程序为:启动点火时，将点油枪伸入点火孔点燃预热。油着火后投入水煤浆喷枪，将水煤浆雾化喷入内筒。燃烧的雾化颗粒随切向进入的旋风做螺旋线向前推进，受到离心力的作用，较大的颗粒将被甩向壁面，缓慢向前。另外，在燃

20、烧器外侧布置了旋转的二次风口，补充从燃烧器出口喷出火炬充分燃烧所需要的空气，同时加强水煤浆燃烧颗粒的切向旋转，更进一步提高燃尽率。旋风燃烧器特点17：(1) 该燃烧器结构简单、制造容易、价格便宜。但是运行中存在着很多问题,其中燃烧效率低和炉膛严重结渣的矛盾表现尤为突出。(2) 旋风燃烧器可以从理论上解决这种矛盾,使水煤浆首先在燃烧器内部着火,而且有效地延长了大颗粒的燃烧时间,并且通过模拟试验得到证实。(3) 旋风燃烧器还有待于进一步深入的研究,要点为因燃烧器内部的高温而产生的熔融液渣对长期稳定运行的影响。(4) 启动速度快、耗油量少,针对挥发分较低的煤种或者粒度较粗的水煤浆有绝对性的优势。水煤

21、浆旋风燃烧器可以用在各种工业锅炉、窑炉、加热炉等不同领域,并将成为中小型水煤浆燃烧器发展的主要方向。2.1.3 CWS-I 系列燃烧器目前我国大部分工业窑炉使用的燃烧器是CWS-I系列水煤浆专用燃烧器。该系列燃烧器由配风器和喷枪两部分组成，如图23所示。23 CWS-I 系列燃烧器示意图该系列燃烧器在使用过程中，具有以下一些优点：结构设计较合理、操作简单、调节容易、安装方便；运行参数设计适宜，雾化良好，燃烧稳定，热负荷调节范围广，燃烧效率高；适应的水煤浆种类广泛，启动点火容易；气耗率低；既可烧水煤浆，也可以烧重油，压缩空气和蒸汽均可作为雾化介质。CWS-I 系列燃烧器的不足。燃烧器寿命较短，当

22、喷嘴材料采用普通钢时，寿命不足100h;当采用硬质合金时，寿命也只有700h左右，和国外先进的水煤浆燃烧器相比有较大差距。CWS-I 系列燃烧器火焰张角较小、火焰长度较长。正对这两个问题，对原系列燃烧器的喷枪结构进行了改进，成功研制了CWS 系列燃烧器。2.2.4 CWS系列水煤浆燃烧器在CWS-I系列燃烧器的基础上18，借鉴了国外应用于锅炉设备上水煤浆燃烧器的设计思想，以提高燃烧器寿命和进一步提高雾化质量为目标，研制开发了 CWS系列水煤浆专用燃烧器，如图3, 所示。其工作原理同CWS-I 系列燃烧器。图24 燃烧器喷枪结构图CWS系列燃烧器与CWS-I 系列燃烧器相比的改进主要体现在一下几

23、个方面：由于将压缩空气和水煤浆的混合方式改为内混的混合方式，为水煤浆的雾化创造了更好的混合条件，雾化质量得到了改善，提高了燃烧效率。原燃烧器由于喷枪喷头的严重冲蚀磨损，影响了燃烧器的整体寿命。新的燃烧器设计了雾化室，避免了冲蚀磨损。由于将压缩空气和水煤浆的混合方式改为内混的混合方式，为水煤浆的雾化创造了更好的混合条件，雾化质量得到了改善，提高了燃烧效率。在混合介质出口端合理布置了出口，使雾化矩的张角增大、射程减小，从而使燃烧火焰张角增大、火焰长度缩短，使燃烧效率得到进一步提高。压缩空气和水煤浆混合后其出口端盖的材料性能决定了水煤浆燃烧器的整体寿命。当选用高硬度材料后，其寿命大于1500h。由于

24、雾化片更换方便，从而简化了操作。2.2燃烧器的分类燃烧器的分类的种类比较多，其主要的分类方式有旋流燃烧器和直流燃烧器。2.2.1旋流式燃烧器旋流式燃烧器是其出口气流是旋转射流。气流旋转的情况有两种,一种是一次风粉气和二次风都旋转,一种是二次风旋转而一次风为直流。按气流旋转的旋流部件分,有蜗壳型旋流燃烧器和叶片型旋流燃烧器两类。蜗壳型旋流燃烧器又可以分为双蜗壳型旋流燃烧器和单蜗壳型旋流燃烧器两种，下面我们就常用的旋流燃烧器进行分类19，并进行概述如下：a.单蜗壳型旋流燃烧器 单蜗壳型旋流燃烧器的一次风为直流,二次风气流利用蜗壳产生旋转后沿环状通道进入燃烧室。一次风由中心风管进入燃烧室,在一次风出

25、口处装有一个蘑菇形扩散锥,扩散锥后产生的回流区有助于煤粉气流的着火。扩散锥可通过手轮和拉杆前后移动,从而改变一次风粉气流的扩散角度,但扩散锥处于高温烟气回流区,容易结渣或烧坏。 b.双蜗壳型旋流燃烧器 双蜗壳型旋流燃烧器20的一二次风均利用在蜗壳中的流动而产生旋转,两股射流的旋转方向相同。大蜗壳中是二次风,小蜗壳中是一次风。二次风进口处装有舌形挡板,用来调整二次风的旋流强度。由于一二次风都是旋转气流,因此在进入燃烧室后就扩散成为空心锥环状气流。在气流的卷吸作用下,空心锥的内外表面部会受到高温烟气的加热。这种燃烧器旋流强度的调节幅度小,当煤种变化时可能会因火焰位置不好调整而容易结渣。另外,一二次

26、风的阻力大,煤粉在一次风气流中的分布不均匀,也是这种燃烧器的不足之处。图25双壳型旋流燃烧器结构示意图 c.叶片型旋流燃烧器 叶片型旋流燃烧器，它的一次风为直流,二次风是旋转。这种燃烧器的中心有一根中心风管,中心风管外是一次风的环形通道,中心风管内可以设置油喷嘴。二次风通道是一个环锥形的套筒,二次风叶轮是环锥形的,叶轮装在套筒内。用叶轮上的拉杆轴向移动叶轮,就可改变叶轮与环锥形通道之间的径向间隙。由于流经环状通道径向间隙的气流是不旋转的直流气流,因此调节叶轮的位置便可改变旋转气流与直流气流的比例,从而达到调整二次风气流旋流强度的目的。一次风虽为直流,但可以在一次风壳上装设舌形挡板调节,使一次风

27、出口气流有一定的扩展。 图26 叶片型旋流燃烧器结构示意图2.2.2直流式燃烧器 直流式燃烧器的出口气流是直流射流,它的特征是扩散角小、射程远,仅就单股射流来说,它较旋流式燃烧器的周围卷吸作用小而且没有中心回流,这对着火不利。但是直流式燃烧器采用的是四角布置、切圆燃烧方式,炉内的气流流动由四角燃烧器的四股射流共同形成,总体上组成一个旋转气流。燃烧器射出的煤粉气流经过燃烧室中部区域变成强烈燃烧的高温烟气,一部分直接补充到相邻燃烧器射流的根部,使相邻燃烧器的升温引燃。射流本身的卷吸和邻角的相互点燃特点,使直流式燃烧器四角布置、切圆燃烧方式具有良好的着火性能。2.3 水煤浆燃烧器的优势水煤浆燃烧器的

28、优势21主要集中表现在，适应性强、技术成熟、节能、环保、安全、高效、占地面积小等方面。2.3.1 适应性优势a.适应改造范围广：燃烧方式为喷燃，适应原燃油燃气的绝大多数的锅炉改造，且燃烧技术容易掌握；b. 可以治废：可以利用造纸、化工等产生的废液进行水煤浆制备，既解决污水排放，又降低了生产成本。洗选煤泥也可以用来制浆，解决了煤泥出路；c.价格易接受：水煤浆价格易接受，改造费用不高，可利用部件多2.3.2 技术优势a.制备工艺简单：制备采用溢流式长径比球磨机一段湿法磨矿工艺，具有设备简单、经济性好、利用率高等优点；b.制备工艺形势多样：可与选煤工艺相结合，节省投资；c. 可以使用喷雾燃烧：由于其

29、流动性能，可以采用与燃油系统一样的喷雾燃烧，但煤浆系统不需要蒸汽加热，所以燃烧器体积小，结构简单。其火焰容易控制，温度调节方便，燃烧效率高。2.3.3 水煤浆燃烧器的其他优势a.安全效益：水煤浆运输，储存和泵送的过程基本是在常温下全密封状态下进行，因其含有30%左右水分为非易燃烧体，相对于燃油和煤粉的易燃，易爆性来说，其使用过程中的安全性得到了很大的提高。 b.效率效益：由于不设置储煤、上煤、制粉系统，可使电厂在运行，检修方面节省工作量，减少人力和资金的投入。同时水煤浆在御储、供方面简单、安全、可靠、易于管理。因此，可节省很多人力物力，提高生产效率。c.场地效益：水煤浆燃用一般灰份7%以下，灰

30、场占地小，相当容量场地的灰场容量仅为其他场地的25%左右。 2.4. 燃烧器结构的选择 燃烧器的类型种类较多，有单蜗壳型旋流燃烧器、双蜗壳型旋流燃烧器、直流式燃烧器、叶片型旋流燃烧器等。其优缺各异22。 2.4.1燃烧器壳型的选择a.单蜗壳型旋流燃烧器扩散锥后产生的回流区有助于煤粉气流的着火，但扩散锥处于高温烟气回流区,容易结渣或烧坏。b.双蜗壳型旋流燃烧器旋流强度的调节幅度小,当煤种变化时可能会因火焰位置不好调整而容易结渣。另外,一二次风的阻力大,煤粉在一次风气流中的分布不均匀。c.直流式燃烧器的出口气流是直流射流,它的特征是扩散角小、射程远,仅就单股射流来说,它较旋流式燃烧器的周围卷吸作用

31、小而且没有中心回流,这对着火不利。d.叶片型旋流燃烧器可改变叶轮与环锥形通道之间的径向间隙。流经环状通道径向间隙的气流是不旋转的直流气流,因此调节叶轮的位置便可改变旋转气流与直流气流的比例,从而达到调整二次风气流旋流强度的目的。一次风虽为直流,但可以在一次风壳上装设舌形挡板调节,使一次风出口气流有一定的扩展。 由上述各类燃烧器的优缺对比可知，叶片型旋流燃烧器23是这几类燃烧其中最好的一类燃烧器。 2.4.2 旋流燃烧器类型选择a.双通道旋流燃烧器纯在缺点：1.气动流场不够合理，沿程阻力使旋流强度产生无益损失；2.气流出口流场不均匀系数极大；3.供风不够合理，后期供风不足会产生黑烟；4.调节特性

32、欠佳，调节机构卡死，火焰尺寸不可调节等缺陷。b.旋风燃烧器纯在的难点：1.水煤浆沿壁面燃烧的过程中，由于高温而产生液态的渣，如何使这些液态渣顺利排出而不影响整个燃烧器的运行是一个重要的问题，2.旋风燃烧器内部在启动和停运的相互切换中，必定会在壁面残留熔融的灰渣或者焦炭，如何保持燃烧器内壁原始结构是其中一个问题。3.当水煤浆质量、雾化效果、锅炉负荷等因素发生变化时，将直接影响燃烧器内的燃烧工况。c. CWS-I旋流燃烧器纯在的缺点：1.燃烧器寿命较短，当喷头材料采用普碳钢时，寿命不足100h；当采用硬质合金时，寿命也只有700h 左右，和国外先进的水煤浆燃烧器相比有较大差距。2.CWS-I系列燃

33、烧器火焰张角较小、火焰长度较长。针对这两个主要问题，对原系列燃烧器的喷枪结构进行了改进，成功研制了CWS旋流水煤浆专用燃烧器。从上述第二节的旋流燃烧器的分类中可知CWS系列燃烧器24存在各种燃烧器的优点，其集合了各类燃烧器的优点和弥补了各类燃烧器的缺点，从而研制CWS旋流燃烧器。外加在壳型的选择中，其叶片型是各类燃烧器壳型中优点突出，同时更多克服各类壳型缺点的燃烧器。因此，研制叶片型CWS系列水煤浆旋流燃烧器是一重要的课题，本课件设计主要集中在叶片型CWS水煤浆旋流燃烧器的设计上。 第三节 水煤浆燃烧器的结构设计3.1 叶片型CWS旋流燃烧器结构设计水煤浆在燃烧或气化前，必须进行雾化，因为雾化

34、后，雾化的颗粒较小， 其比表面较大，有利于提高燃烧和气化时热和质的交换速率，同时还可增进燃烧和气化过程的稳定性。但由于其自身雾化出现的问题：水煤浆是高浓度的颗粒悬浮体 在喷嘴中容易发生堵塞和磨损；水煤浆是非牛顿流体，其流变学特性多种多样，并且均具有很高的表面粘性，增加了雾化难度。鉴于此，具有高雾化质量的水煤浆喷嘴则是人们研究的热点。下面我们将燃烧器的设计集中在结构和喷嘴上。3.1.1 CWS水煤浆旋流燃烧器的调风装置 燃烧器的调风装置能保证燃烧器正常工作，获得预定的火焰特性，运行时需经常调节25。在装置的机构中有两种类型：一种在一次空气吸入口外面安装调风板， 通过转动调风板来改变一次空气吸入口

35、的有效流通截面，从而调节一次空气的吸入量。另外一种是在引射器混合管内安装调节螺丝或弯曲钢条 ，借助螺丝或钢条的上下运动来改变燃气射流的能量损失，从而调节一次空气吸入量。其结构形式如下图所示。 为保证燃烧器正常工作，获得预定的火焰特性，运行时需经常调节这一原则。我们选用通过调节螺丝的方法来设计调节装置。3.1.2 旋流雾化燃烧器的引射器燃烧器的机构形式如下图所示。其工作原理是燃气在一定压力下以一定流速从喷嘴1喷出，进入吸气收缩管2，燃气靠自身动量传递来吸入一次空气；在混合管3内和一次空气的流速、成分充分混合均匀，然后，经扩压管4进一步匀速后，经燃烧器头部火孔流出燃烧。引射器的形式26有下列三种，

36、其中1型最佳，能量损失最小，但引射器 最长，2型和3型阻力较大，但长度较短。当喷嘴前燃气压力较高，允许有较大能量损失时，可采用。在撞击型雾化器中我们选用2型引射器。3.1.3 旋流雾化燃烧器的头部 撞击型雾化器的头部27设计成如下形式，其作用可将燃气空气混合物均匀地分布到各火孔上，并运行稳定、燃烧完全。其设计是头部各点混合气体 图34 旋流雾化燃烧器头部示意图的压力相等，二次空气能均匀地畅通到每个火孔上，容积设计不大，可避免灭火噪声过大。3.2 喷嘴的结构设计 3.2.1 喷嘴的常用结构形式水煤浆雾化喷嘴是燃烧器的重要部分28。它是从油喷嘴、油煤浆喷嘴技术上发展和变化来的。为了使水煤浆燃料能有

37、效地燃烧，关键是燃料雾化良好。根据燃料的性质以及雾化质量的要求不同，所采用的喷嘴形式不同，下面我们列出在实际应用中使用较多的几种机构形式的喷嘴。1.Y型喷嘴 Y型喷嘴是目前应用最广泛的一种水煤浆喷嘴，它因为水煤浆和雾化气成Y形相交而得名。水煤浆沿斜孔进入喷嘴的混合室，雾化气沿直线进入混合室，从斜孔进来的水煤浆，一部分水煤浆在气流的冲击下形成雾滴，另一部分水煤浆被气流冲向壁面，形成流动的薄膜并产生表面波，形成初次雾化；同时水煤浆被加速名气膜变薄，离开喷嘴后因为失去壁面的支撑而变成不稳定波动，最后全部雾化。 Y 型喷嘴一般设计成中心进气，侧孔入浆的形式。因为雾化气的动量比水煤浆的动量要大得多，气流

38、走直道有利于减少流动阻力，也可以减轻薄壁面的磨损。如果气流从侧孔通入则高速气流冲击壁面，会加剧喷嘴的磨损。 Y型喷嘴的特点是出力大、雾化效果好，气耗低等，而且为提高雾化质量可设计成多级Y型喷嘴，但加工起来比较复杂。 2. T型喷嘴T型喷嘴实际上是Y型喷嘴的一种演变形式，其结构特点是雾化气于水煤浆垂直或接近垂直，这样雾化气能够最大限度地与水煤浆进行动量交换，使雾化气动量得以充分利用。这种喷嘴的特点是：a. 喷嘴磨损小。雾化气与水煤浆在喷嘴出口处相交，减少了煤粒对喷嘴内部的磨损。b. 雾化效果易调整，雾化质量高。通过改变水煤浆与雾化气出口缝隙宽度可以调整水煤浆的雾化质量，并且还能起到调整喷嘴雾化角

39、的作用。但是钝体受到水煤浆的高速冲蚀，因此磨损严重。为了减少磨损提高喷嘴的使用寿命，钝体材料一般采用耐磨性能好的硬质合金。3.撞击式多级雾化喷嘴撞击式多级雾化喷嘴29主要由内件、T形喷口、撞击件和雾化头的组成。水煤浆从中心浆孔进入混合室，经一级或多级对称Y形结构的雾化气冲击雾化后，在临近出口处遇上一级雾化气的冲击，然后气浆正冲前方的撞击件，产生撞击雾化，最后从喷嘴雾化头上的出孔喷出。该喷嘴的优点是：a.雾化效果好，燃烧效率高。该喷嘴采用了多级强化雾化措施，大大提高了水煤浆的雾化质量，燃烧效率高。b.防堵性能好。该喷嘴的水煤浆通道直径较大且呈直线型，从而避免了粗粒子和杂质在浆道中的积留，杜绝了堵

40、塞现象的发生。c.喷嘴使用寿命长。该喷嘴采取了雾化气孔对称分布、易磨部位镶嵌耐磨材料等放佛措施，大大提高了喷嘴的使用寿命。d.喷嘴的负荷调节范围交宽、气耗力低。4.对冲型喷嘴对冲型喷嘴一般形式喷出并收到多股对称分布的雾化气得冲击而雾化。为了提高水煤浆雾化质量，降低雾化颗粒平均直径，可采用多级对称式喷嘴。这种贴喷嘴的优点是：a.物化性能好。通过采用多股雾化气，增加了雾化气对煤浆的冲击，使雾化充分。b.防堵性能好。由于水煤浆管路比较短，一般不会发生喷嘴赌赛现象。但这种结构喷嘴的气耗率通常比较高。随着水煤浆应用广泛的扩大，实际生产中对喷嘴规格的系列化、喷嘴制作的简单化以及喷嘴长寿等方面提出了更高的要

41、求。因此，以实际需要为目的，以现有的机构形式为基础，开发出长寿的，结构多元化的，容量系列化的水煤浆喷嘴是今后科研者们努力的方向。3.2.2 喷嘴的选用原则烧嘴的设计原则是合理控制空气和燃料气的混合速度，即控制喷嘴火焰的角度、长度和速度。不能让空气和燃料气混合得太快，喷嘴火焰过短，这样容易形成局部高温；但也不能混合得太慢，即喷嘴火焰过长。为了保证燃料在低氧气氛中燃烧，必须在设计其供给通道时，考虑燃料和空气在空间的扩散、混合和射流的角度及深度。而这些参数应根据加热功率、辐射管尺寸、加热工艺要求、燃料种类、预热温度和燃料气压力等因素来确定。关于烧嘴喷头的关键几何尺寸需要参考喷嘴技术手册等相关资料进行

42、设计和制造。3.3撞击式多级雾化喷嘴 撞击型雾化器由后至前依次布置“Y”型、“T”型和撞击型雾化器，并相应布置有大、小两个混合室，以提供气浆充分混合的场所，属于内混式多级雾化型30。图 1 为撞击式多级雾化喷嘴机构示意图。 3.3.1 撞击式水煤浆雾化器喷嘴在水煤浆燃烧技术中，雾化喷嘴是最关键技术之一，其性能的好坏直接影响水煤浆能否顺利着火和燃烧效率的高低，因此研发性能良好的水煤浆喷嘴是研究水煤浆燃烧必须解决的问题。目前世界上常用的水煤浆喷嘴有固定喷嘴和可调喷嘴31。结构形式如下： 图35 常用喷嘴结构示意图在上述两种常用喷嘴中，可调喷嘴：结构复杂，阻力较大，引射空气的性能较差，但能适应燃气性

43、质的变化。固定喷嘴：结构简单、阻力较小，引射空气性能较好。为高效地利用喷嘴结构，可选择撞击型雾化器结构为固定喷嘴。 3.3.2喷嘴孔径与热负荷的关系喷嘴孔径与热负荷的关系当前主要集中在天然气喷嘴孔径与热负荷关系和液化石油气喷嘴孔径与热负荷的关系32，其关系见下（表22）和（表23）。表22 天然气喷嘴孔径与热负荷关表23 液化石油气喷嘴孔径与热负荷的关系3.3.3 水煤浆燃烧器喷嘴材料的选择水煤浆不同于一般的液体燃料，它浓度高，雾化困难，而且煤粉中的黄铁矿，石英等许多高硬度杂质的存在会对喷嘴渣造成严重的冲蚀磨损。另外，水煤浆喷嘴的工作环境具有特殊性，如在温度较高（最高温度可达1000C以上）和

44、水煤浆的连续冲击情况下，喷嘴会受到严重的影响，这种恶劣的工作环境对水煤浆喷嘴材料33通常有以下要求。a.良好的耐磨性好，在水煤浆冲击下具有较低的冲蚀磨损率。b.良好的抗热冲击性，能承受温度骤变带来的冲击，不会因热应力的交变产生裂纹，碎裂等。c.良好的加工工艺性。d.使用寿命长，性能价格比值大。目前国内外应用最多的水煤浆喷嘴主要有三大类：即金属材料、硬合金材料和陶瓷材料。金属材料因硬度低、耐磨性差、磨损率高，导致喷嘴口径迅速增大，从而雾化效果较差。硬质合金刚具有良好的综合性能，可以制成环状或块状镶嵌在喷嘴磨碎严重的部位，适用于各种场合的水煤浆喷嘴。而陶瓷材料由于具有很高的硬度和耐高温性能，可提高

45、喷嘴的寿命，减少资源（水煤浆，金属材料等）的消耗，并降低成本。氮硅基陶瓷材料具有高强度、高韧性和高抗热震性，同时可避免温度梯度的存在，水煤浆的连续冲击等这种恶劣的工作环境。因此在该设计中主要用材为氮硅基陶瓷材料。3.4撞击式燃烧器结构设计计算3.4.1 燃烧器头部计算头部的设计计算以保证稳定燃烧为原则。一个设计合理的头部，必须使火焰不出现离焰、回火和黄焰，并使火焰特性满足加热工艺的需要。计算内容及步骤如下34：a.选取火孔热强度qP或火孔出口速度vP 火孔的燃烧能力通常可由火孔热强度qP或燃气空气混合物离开火孔的速度vP来表示。在设计燃烧器头部时，正确选择火孔的燃烧能力是很重要的。为了保证燃烧

46、工况的稳定，通常是根据燃烧稳定范围曲线35（表3-3），在离焰和回火曲线所确定的参数范围内，选取合适的qP或vP值。二者之间有如下关系： 式（3-1）式中 qp火孔热强度，kW/mm2; Hl燃气低热值，kJ/m3;一次空气系数； V0理论空气需要量，m3/ m3；vP火孔出口气流速度，m/s。撞击型雾化燃烧器常用设计参数（表33）b. 确定燃烧火孔总面积FP 根据所选的qp或vP，可以确定燃烧火孔总面积。 式（32） 式（33）式中 ： FP火孔总面积，mm2； Q燃烧器热负荷，kW； vP火孔出口气流速度（m/s），按表2查得、3.4.2 引射器计算a. 燃气流量计算 式（34）式中 Lg

47、 燃气流量，m3/h； Q燃烧器热负荷，kW; Hl燃气低热值，kJ/m3b.喷嘴计算1） 喷嘴直径 式（35）式中 d喷嘴直径，mm； Lg燃气流量，m3/h；喷嘴流量系数； s燃气的相对密度；P喷嘴前燃气压力，Pa。2） 喷嘴截面积 式（36）式中 d 喷嘴直径，mm； Fj喷嘴截面积，mm2。C .计算引射器系数1).质量引射系数 式（37）式中 质量引射系数； V0理论空气需要量，m3/ m3。s燃气的相对密度；3） 容积引射系数s 式（38）式中 s容积引射系数； Lg燃气流量，m3/h。 La空气流量，m3/h。由上式（31）至式（38）及表（31）和表（33），在撞击型雾化燃烧器

48、常用设计参数下，可得设计条件下叶片型CWS水煤浆旋流燃烧器的结构参数如下表所示。撞击型雾化燃烧器引射器设计参数（表3）设计条件已知条件设计部分计算数据热负荷2.8KW一次空气系数0.6燃气热值13423KJ/m3火孔热强度11.6X10-3kW/mm2燃气密度0.71Kg/m3内火孔数目 9理论空气3.25m3/m3外火孔数目30相对密度0.55火孔直径2.8mm燃气压力800Pa火孔面积6.15mm2火孔间距7.00mm设计部分计算数据火孔深度6.4mm火孔总面积241mm2火孔流量系数0.8火孔直径2.8mm火孔阻力系数0.56火孔出口温度100气流分配管径18mm能量损失系数2.3引射系

49、数3.5燃气流量 0.75Nm3/h燃气流量直径2.66mm面积系数X0.31引射器喉部面积60.25mm2喉部直径9.00mm喷嘴截面积60.25mm2根据上述撞击型雾化燃烧器的设计参数可得撞击型雾化燃烧器喷嘴结构示意图，如下所示： 1扩压管 2蜗壳 3导流叶片 4吸气收缩管 5氮化硅陶器喷嘴 6混合管 7 燃气旋流器 8移动式调风板图36水煤浆雾化喷嘴结构示意图3.5 叶片型CWS水煤浆旋流燃烧器优缺点 优点：、燃烧器寿命较较长，寿命l 500 h。同时，可以避免火焰张角较小、火焰长度较长，对燃料的不充分利用。、结构设计较合理、操作简单、调节容易、安装方便、雾化良好，燃烧稳定，燃烧效率高。

50、、启动速度快、耗油量少,特别是针对挥发分较低的煤种或者粒度较粗的水煤浆有绝对性的优势。、由于燃烧器形式选用叶片型，其可改变叶轮与环锥形通道之间的径向间隙，因此调节叶轮的位置便可改变旋转气流与直流气流的比例,从而达到调整二次风气流旋流强度的目的。、由于我们采用的是撞击式多级雾化喷嘴，可避免堵塞性能不好，燃烧效率不高、和灭火噪声。同时负荷调节范围交宽、气耗力低。、喷嘴的机构材料为氮硅基陶瓷，其有很高的硬度和耐高温性能，可提高喷嘴的寿命，减少资源的消耗，并降低成本36。缺点：、由于燃烧器和喷嘴材料以及结构尺寸的选择都为最佳结构组合，从而可能会产生过高的成本，以及加工难度。、不可以避免因温度梯度的存在

51、，水煤浆的连续冲击等这种恶劣的工作环境给设备带来的影响。、炉膛中飞灰中可燃物依然存在，严重结渣的现象仍然没有解决，第四节，水煤浆技术的发展趋势及其推广前景4. 1 水煤浆技术的发展趋势 经过近20年的研究和开发，水煤浆生产和应用技术日臻完善，随着国际国内油价的攀升和波动，正是水煤浆产品大面积推广的大好时机7。水煤浆技术的发展趋势应该是设备的大型化、专门化、系列化和成套化，系统的规范化，生产控制的自动化，产品质量检测的标准化和在线化，产品的多样化，添加剂的普适化。同时，必须提高水煤浆燃烧设备的性能。4.2 水煤浆技术推广前景 4.2.1 水煤浆技术在国内的发展 从国内国际油品市场看，由于石油资源

52、越来越紧张，国际石油市场油价不断上涨。而国内因原油资源及油品产量呈下降之势，油品供应严重不足。自1996年我国开始己成为原油与成品油的进口国14，为此我国国家计委己发文件。从2000年起逐步取消烧油设备，严禁烧重油。由于设备改造和环保要求的限制，所以代替燃料重油的最好产品是水煤浆，这不仅可降低燃油成本30左右，而且运输方便，可以满足环保要求，符合我国国情。鼓励以水煤浆代油而制订的一系列优惠政策在陆续出台。目前国内已有山东白杨河电厂以水煤浆代油发电，每年为电厂节约1500多万元。另有北京燕山石化98年将一台50MW机组进行燃油改烧水煤浆的试验，并利用日本日晖公司技术在燃烧过程中脱硫(可脱除50二

53、氧化琉)。4.2.2 水煤浆的潜在价值从99年10月份起，对后五台炉进行改造，年耗水煤浆l.2Mt以上。据统计，全国锅炉烧油量约为40Mta，用户分布在电力、化工、冶金等行业37。据1999年按行业有关燃油统计，电力系统烧油调峰电站燃油量约4300kta，建材窑炉燃油300万吨，钢铁窑炉和发电燃油264万吨，石油发电和工艺加热燃油822万吨，化肥原料用油34万吨。加之近期国际油品市场价格上扬，我国东南部沿海地区及日本方面也频频询价，可见，作为代油燃烧的水煤浆市场日益形成，市场潜力巨大。4.3 水煤浆产业化建议（1）“瞄准市场、统筹规划、同步实施”。以市场定生产，以用户定规模。对集中的大用户，供

54、需双方可采用股份合作制的形式在用户附近建水煤浆厂；对分散的中、小用户，可在适宜的供应半径内集中建水煤浆厂，供需双方以合同或联营方式处理双方利益关系，逐步建立稳定和规范的水煤浆市场。 （2）建立和完善标准化体系，包括水煤浆工程厂和油炉改造工程设计的标准化，水煤浆质量标准和检测方法，配套设备和仪器的产品标准，生产管理、操作规程和人员培训等基础工作。 （3）进一步完善水煤浆技术，包括制浆专用设备的大型化与系列化，研制单系统能力为25万t/a和50万t/a配套的专用设备（磨机、调浆器、滤浆器、高剪切强化泵、有防沉淀与保湿装置的大型储罐等）；各种在线检测仪器（流变仪、煤炭水分仪、精度0.5%重量浓度仪和浆位仪等），高稳定性脱硫环保型水煤浆等40。4.4水煤浆燃烧技术的重大意义水煤浆燃烧器在某种意义上可提高燃烧效率和减少污染，