硅酸鹽熱工基礎34

水煤漿燃燒加固體燃料燃燒過程及設備1 煤漿燃料煤漿燃料是煤粉與液體如水、油或甲醇混合而成的燃料。種類以煤與何種液體相混合來命名有：（1）油煤漿（COM或COD）

油與煤粉混合，可以包含＜10%的水（2）煤油水漿（COW）和煤水油漿（CWO）：水含量大于10%加固體燃料燃燒過程及設備（3）水煤混合燃料煤與水的混合物煤漿CWF－水煤燃料CWS－水（4）煤－甲醇－水混合物（5）油－石油焦?jié){（6）水－石油焦?jié){2

水水煤煤漿漿加固體燃料燃燒過程及設備水煤漿是近十幾年發(fā)展起來的一種新型燃料，它由煤粉、水和少量化學添加劑組成。水煤漿的用途可以代油：（1）用于工業(yè)蒸汽鍋爐（2）用于電站鍋爐（3）用于各種工業(yè)窯爐（4）用于內燃機（5）用于燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)（6）用于煤粉鍋爐的點火燃料3

水水煤煤漿漿的的種種類類加固體燃料燃燒過程及設備煤漿特征

使用方式特點用途50%煤

/

50%水管道運輸降低運輸費用舊和新設計燃煤鍋爐70%煤

/

29%水 /

1%添加劑直接燃用燃料費用低于燃油、民用燃

料舊的燃油設計鍋爐60%煤

/

40%水管道運輸直接

過程費用降燃用

低舊和新設計燃煤鍋爐超細煤漿直接燃用燃料減小降負荷燃油和燃氣鍋爐水焦?jié){直接燃用燃料降低燃料費用船用鍋爐，燃油鍋爐降低燃料費油焦?jié){直接燃用燃料用燃油鍋爐超細、超凈煤漿替代燃料替代油內燃機直接燃用超凈煤漿直接燃用燃料減小降負荷燃油和燃氣鍋爐4

水煤漿的要求與特點加固體燃料燃燒過程及設備(1)非牛頓流體，一種高濃度煤粉顆粒在水中的懸浮混合物,可以泵送或霧化噴入爐中(2)需有穩(wěn)定的剪切應力和良好的穩(wěn)定性（抵制煤粉顆粒沉積）(3)低粘度和很好的流變特性(4)霧化水煤漿時要求其顆粒容易分離加(5)水煤漿在制造過程中進行凈化處理，處理以后可除去原料煤中灰分的50%～75%和黃鐵礦（硫）的40%～90%，并回收原料煤熱值的90%～98%。(6)煤礦可以用水力開采，并把原煤的洗選和水煤漿的制造過程結合起來

水煤漿的經(jīng)濟性會更高。5

水水煤煤漿漿的的制制作作加固體燃料燃燒過程及設備制造水煤漿主要包括以下幾步：(1)濕磨

將原料煤

濕，一般為50~200μm。至需要的顆粒尺寸(2)浮選凈化

含有合格煤粉的煤漿被送到浮選凈化段，通過浮選工藝除去其中大部分灰分和硫分。加固體燃料燃燒過程及設備(3)過濾和脫水

從浮選段出來的煤漿送至一過濾器（常用真空濃縮過濾器），把水煤漿制成相對干燥和清潔的煤餅狀，以使最終的水煤漿產品達到所要求的固體濃度。(4)混合和儲存

由濃縮過濾器出來的清潔煤漿的濾餅被送到連續(xù)攪拌的混合器，在混合器中加入化學添加劑，以滿足所需要的水煤漿特性。當混合過程完成以后，水煤漿就制備好了，可以泵送去儲存或直接輸送到用戶。

水煤漿的制作流程圖加固體燃料燃燒過程及設備6

水水煤煤漿漿的的霧霧化化加固體燃料燃燒過程及設備水煤漿良好的霧化特性是使其穩(wěn)定著火和燃

燒并保證高的燃燒效率的首要因素。霧化不好不僅會造成燃燒不穩(wěn)定和燃燒損失增加，而且還會造成爐膛結渣。因此，水煤漿霧化噴嘴是關鍵的燃燒設備。

由于水煤漿在常溫下的工作粘度一般為0.3~1Pa·s，比燃料油在運行時的工作粘度大得多，所以，水煤漿多用空氣或蒸汽霧化噴嘴。一個良好設計的水煤漿噴嘴應能達到以下要求：水煤漿噴嘴要求：加固體燃料燃燒過程及設備(1)具有良好的霧化性能，能得到盡可能細的水煤漿液滴。希望霧化炬的平均液滴直徑在75μm，這樣才能保證良好的燃燒。(2)霧化介質（壓縮空氣或蒸汽）和水煤漿的流量比為0.1~0.25，這樣經(jīng)濟上才合理。(3)由于水煤漿中含有70%~75%的固體顆粒，因此，從結構和材料上，要使噴嘴具有防磨損的功能。采用碳化硅或陶瓷作為噴口材料，可使噴嘴的工作壽命在2000小時以上。(4)噴嘴不會被水煤漿堵塞，并能承受燃燒器重復

啟停所產生的熱應力

空氣霧化水煤漿噴嘴加固體燃料燃燒過程及設備a）

T型噴嘴；b）標準Y型噴嘴；c）漸擴Y型噴嘴1-碳化硅或陶瓷管水煤漿水分含量和霧化液滴質量平均直徑的關系加固體燃料燃燒過程及設備圖為以煙煤為原料煤制成的水煤漿，當采用空氣霧化噴嘴，空氣壓力為1.2×105Pa，空氣和水煤漿的流量比分別為10%、20%、30%、40%和50%時，水煤漿的水分含量和霧化液滴的質量平均直徑的關系。7水煤漿的燃燒加體料固 燃 燃燒過程及設備

水煤漿的燃燒過程加固體燃料燃燒過程及設備首先通過噴嘴將其霧化成液滴，液滴在高溫爐膛中迅速蒸發(fā)掉水分，然后就像煤粉燃燒那樣，析

出揮發(fā)分、著火和焦炭粒燃燒和燃盡。由于水煤漿的水分含量為25~30%，因此其燃燒的首要問題是在燃燒器根部保證穩(wěn)定的著火。保證水煤漿的穩(wěn)定著火和燃燒，除了上述的正

確設計噴嘴和保證霧化質量外，還要能在燃燒器出口火焰根部維持一個高溫區(qū)

以保證水煤漿霧化炬具有很高的升溫速率，以使水煤漿液滴中的水分能迅速蒸發(fā)和使揮發(fā)分析出并著火。

水煤漿的燃燒階段加固體燃料燃燒過程及設備水煤漿燃燒過程分三個階段：（1）水分蒸發(fā)（2）揮發(fā)分析出和燃燒（3）焦炭燃燒

水煤漿燃燒器加固體燃料燃燒過程及設備旋流燃燒器

水煤漿的燃燒特點（與一般煤粉燃燒相比）加固體燃料燃燒過程及設備(1)

水煤漿中含有30%～40%的水分，在燃燒過程中首先必須有一個蒸發(fā)過程

使煤漿的著火熱增加，大約是同種煤粉的66%～87%。(2)水煤漿以噴霧方式進入燃燒區(qū)域，為達到良好的霧化，噴嘴出口速度往往高達200～300m/s，而煤粉則以一次風混合帶入，速度較低，一般為20～30m/s。(3)霧化過程不可能得到比原煤粉更小的液滴，在煤粉燃燒中，往往小顆粒煤粉在著火階段起主要作用，可以迅速加熱而著火，而對于煤漿，這些小顆粒都形成了較大的液滴。加固體燃料燃燒過程及設備(4)水煤漿霧滴中有多個煤粉顆粒，在水分加熱蒸發(fā)和揮發(fā)分析出過程中會產生二次破碎分離和結團現(xiàn)象，由于這種結團引起焦炭顆粒明顯大于一般煤粉焦炭粒子而難于燃燒。(5)水煤漿霧炬本身具有很高的動量，這對燃燒室流場組織產生影響。

水煤漿單滴燃燒模型加料固 燃 燃燒過程及設備體

水煤漿群燃燒模型加固體燃料燒燒過過程程及及設設備備液滴云的四種群燃燒方式：群燃燒數(shù)：G

nm

R

/

VG

102，外部殼燃燒101＜G

102，外部群燃燒102＜G

101，內部群燃燒

G

102，單滴燃燒燃燃

水煤漿群燃燒模型（一）加固體燃料燃燒過程及設備Lf

群殼包住火焰長度Ldv

揮發(fā)分析出長度群燃燒三種模式：Ladq

缺氧焦碳粒子存在區(qū)的

長度Lcc

焦碳燃燒區(qū)長度Lash

灰/無反應長度帶缺氧焦碳粒子存在區(qū)的水煤漿霧群燃燒

水煤漿群燃燒模型（二）加固體燃料群燃燒三種模式：燃燃燒過程及設備不帶缺氧焦碳粒子存在區(qū)的水煤漿霧群燃燒

水煤漿群燃燒模型（三）加固體燃料群燃燒三種模式：燃燃燒過程及設備顆粒揮發(fā)分析出和焦碳粒子燃燒的水煤漿霧群燃燒

水煤漿群燃燒模型加固體燃料群燃燒三種模式：火焰的4個燃燃區(qū)域：燒過程及設備①揮發(fā)分析出區(qū)②空氣不足未燃焦炭區(qū)③焦炭燃燒區(qū)④非燃燒區(qū)六 燃燒污染及防治加固體燃料燃燒過程及設備目前，我國的大氣環(huán)境，具有普遍影響的

污染主要是燃料的燃燒。影響較大的污染物有：飄塵、二氧化硫、氮

氧化物、一氧化碳等。各種污染物的濃度超過大氣質量標準，就會導致對環(huán)境污染，損害人體健康，造成對自然環(huán)境的嚴重破壞1 二氧化硫加固體燃料燃燒過程及設備主要為燃燒含硫的煤及石油等燃料產生。一般1t煤中含有約5~50kg硫，

1t石油約含5~30kg硫二氧化硫為無色有刺激性氣體，主要導致呼吸道疾病。大氣中SO2平均濃度達到3.5mg/m3，會誘發(fā)哮喘、

呼吸道感染、肺功能損傷。SO2還會對動植物造成損害，對金屬、建材造成腐蝕作用。防治二氧化硫污染的措施：加固體燃料燃燒過程及設備提高窯爐熱效率，降低燃料消耗高煙囪排放，降低污染源區(qū)的污染物濃度燃燒脫硫（沸騰脫硫：細碎煤燃燒時加入脫硫劑如石灰石、白云石等，在灼熱的沸騰燃料層中邊燃燒邊脫硫，使SO2與脫硫劑形成CaSO4隨灰渣排出）燃料脫硫（固體燃料轉換成氣體燃料過程中脫硫；洗煤、重油加氫脫硫）排煙脫硫（活性炭吸附SO2，再用水吸附回

收，制得副產品硫酸）2 氮氧化物（NOx）加固體燃料燃燒過程及設備指NO，NO2，N2O，NO3，N2O3，N2O4，N2O5等總稱

。造成大氣污染的主要是NO，NO2燃燒過程的是NOx有兩種：高溫燃燒下，空氣中N2的O2和反應生成燃料中含氮化合物（C6H5N，C12H9N）及氨基化合物（RNH3）燃燒分解出N2的O2形成加固體燃料燃燒過程及設備NO對人體和動物體內的血色素有強烈的親和作用，比CO大1000倍，任何動物吸入NO，會引起血液嚴重缺氧，損壞中樞

神經(jīng)系統(tǒng)引起麻痹癥狀。濃度為0.12×10-6時，有臭味濃度為80×10-6時，經(jīng)3~5min胸部出現(xiàn)絞痛

300~500×10-6時，數(shù)分鐘引起支氣管炎和肺水腫死亡加固體燃料燃燒過程及設備NO2對人體有強烈刺激作用。濃度1mg/m3時

連續(xù)吸入4h發(fā)生變化。肺細胞組織將濃度達100mg/m3時，1min內人的呼吸發(fā)生異常。濃度達200~300mg/m3時，人在0.5~1h內死亡。大氣中允許的濃度0.15mg/m33 煙塵加固體燃料燃燒過程及設備沒有完全燃燒的微小炭粒及隨廢氣一起排出的灰分。直徑大于10μm的煙塵在大氣中容易沉降，稱為

降塵。直徑小于10μm的煙塵不容易沉降，長時間漂浮于大氣，稱為飄塵。直徑小于0.01~0.1μm的煙塵會在肺部沉積下來，

難以排出,嚴重危害健康。窯爐、熔化爐、退火爐、干燥器、煤氣發(fā)生爐等易產生防治煙塵污染的措施：加固體燃料燃燒過程及設備合理選擇燃料組織燃燒過程氣體燃料灰塵甚少液體燃料燃燒不完全，煙囪冒大量黑煙，造成污染浪費燃料固體燃料加煤、拔火時易產生煙塵4 含酚廢水加固體燃料燃燒過程及設備煤氣凈化時易產生。其凈化洗滌水中含酚量較

高，若直接排入這些有毒廢水，會污染水源，危害人體將康，危害漁業(yè)、農業(yè)酚類屬有較高毒性的有機化合物，主要破壞細胞原漿，低濃度酚使蛋白質變質，高濃度酚使蛋白質沉淀，對各種細胞有直接危害，對皮膚、粘膜有強烈的腐蝕作用。長期飲用含酚廢水，會造成頭暈、貧血、皮疹、神經(jīng)系統(tǒng)癥狀含酚廢水很難處理，工廠發(fā)生爐廢水一般采取廢水全封閉循環(huán)。含酚廢水全封閉循環(huán)措施：加固體燃料燃燒過程及設備嚴格清污分流（將煤氣洗滌冷卻用水與生活污水、煤氣設備冷卻水和蒸汽冷凝水嚴格分開）廠區(qū)和站區(qū)的煤氣管道及設備冷凝下來的煤氣中水，應定期集中，納入循環(huán)水系統(tǒng)防止雨水和其他用水進入循環(huán)系統(tǒng)設置循環(huán)水調節(jié)池，作為清理池內污物和特殊情況的備用池以防止廢水外泄含酚廢水全封閉循環(huán)問題：加固體燃料燃燒過程及設備投資費用大長時間循環(huán)后，廢水中含酚量漸趨飽和，煤氣中酚不再溶解于水

而會被廢氣帶走循環(huán)水之惡化，會堵塞設備，腐蝕金屬設備水中揮發(fā)酚會彌散到大氣中污染環(huán)境含酚廢水經(jīng)溶劑萃取脫酚、活性污泥生化處理（利用活性污泥中的好氧微生物，在有氧條件下

將分氧化成二氧化碳、銨、水），可向外排放5 熱污染加固體燃料燃燒過程及設備主要集中在城市、工廠、火電站等人口稠密和

能源消耗大的地區(qū)（1）大氣中CO2的溫室效應

隨消耗能源量的增加，尤其是大量石油、煤等石化燃料的燃燒，使大氣中CO2量日益增加大氣中CO2可選擇性地吸收太陽輻射能，還大量吸收地球表面輻射出的紅外線，使大氣升溫。吸熱后的CO2再將能量輻射到地面，就像是個防止把熱散射到宇宙的蓋子，增強了近地層的熱效應（2）熱島效應加固體燃料燃燒過程及設備城市消耗大量燃料，燃燒產生的能量部分轉化為廢熱；部分轉化為有用功，最終也成為廢熱向環(huán)境散發(fā)。使城市氣溫升高，發(fā)生“熱島效應”。市、郊區(qū)的氣溫差顯著增大，市中心區(qū)溫度最高，往郊區(qū)逐漸降低，農村溫度最低。據(jù)一些城市檢測結果表明：在數(shù)百萬人口的城市，

市內外溫差為5

℃以上，數(shù)十萬人口的城市，市內外溫差為4~5℃。熱島效應對環(huán)境產生污染，并使城市上空云霧和降水量增加