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220t/h水煤浆锅炉燃浆雾化喷嘴改造探讨
发布时间：2013-09-05 07:47 来源：未知
水煤浆（简称CWM）是一种低污染、以煤代油的新型洁净煤燃料，它是通过将固体煤磨成一定细度的煤粉，再加入一定量的水和少量添加剂而得到的。它既保持了煤炭原有的物理特性，又具有油一样的流动性、稳定性和雾化性，从而可以代替重油作为锅炉燃料，具有很好的发展前景。但因其粘度、浓度、粒度分布等诸方面的特殊性，使得它在炉内的燃烧要较一般液体燃料困难得多，而水煤浆燃烧用雾化喷嘴的雾化性能更直接关系到水煤浆在炉内的燃烧质量。因此，按照锅炉的具体型式、负荷要求等，合理地选择、改进燃浆雾化喷嘴结构，提高水煤浆的燃尽率，解决其燃烧问题，才能使水煤浆代替重油产生一定的经济效益，并得以推广应用。
燕化三电站220 t/h锅炉系我国首台设计燃用水煤浆的锅炉，其炉前燃烧器由日本无偿援助，燃浆雾化喷嘴为公司制造，锅炉燃烧器为前墙布置，水煤浆枪共8支。锅炉于2000年3月9日投烧水煤浆成功，之后进行了水煤浆的燃烧试验，虽经中日双方技术人员多方调整，但水煤浆燃烧不好、落渣和飞灰中含碳量高的问题一直未能得到解决，由于日方人员只进行了燃烧参数的调整，坚持认为雾化喷嘴结构没有问题，故到2000午5月底，水煤浆的燃烧质量一直未能得到根本性的改观。在这种情况下，对日立公司的燃浆喷嘴进行了改进和研制，经过多次实际试验后，运行效果良好，锅炉燃浆运行各参数均达到了设计要求。2000年10月至2002年10月，又对燃浆雾化喷嘴中的耐磨部件进行了实际运行试验和结构的调整改造，实现了耐磨陶瓷件的国产化，降低了水煤浆燃烧运行成本，富通新能源生产销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧木屑颗粒机压制的生物质颗粒燃料。
1、燃浆雾化喷嘴运行情况
日立公司制造的水煤浆枪为套筒式，其喷嘴结构如图1所示。
水煤浆在枪内筒中通过，而雾化蒸汽则由枪内外筒中间通过。燃浆喷嘴为Y型蒸汽雾化撞击式，其主要原理是利用雾化蒸汽和水煤浆的动量传递来撞击破碎浆体。具体过程为：水煤浆从中心孔a进入，雾化蒸汽从四周孔b进入，两者冲击雾化后的混合体，通过孔c进入喷嘴头部的混合室A中，然后再次冲击正前方的撞击件4，由于机械撞击而使雾化的混合体进一步雾化，最后从喷嘴头上的小孔d中喷出。
此燃浆雾化喷嘴运行中主要存在如下问题：
1.1水煤浆燃烧渣量大
由表1可以看出，使用日立燃浆雾化喷嘴，炉底渣量远远大于设计值，约为设计值的3倍。燃烧渣量的过大，不仅降低了锅炉的热效率，增加了蒸汽耗浆量，而且使得炉底捞渣机必须连续高负荷运行，无法保证锅炉安全经济生产。2000年5月8日，因为渣量太大，捞渣机来不及捞出，致使炉底渣井被炉渣堵塞，捞渣机过负荷运行，导致传动链条断裂，从而被迫停炉清渣处理，直接影响锅炉正常运行。
1.2炉底渣及飞灰中可燃物含量高
使用日立燃浆雾化喷嘴燃烧水煤浆时，炉底渣颜色与原煤相差无几，形状为小颗粒，部分己结块，捞渣机溢流水呈黑色，除尘器中的飞灰呈深灰色。经过多次取样分析，炉底渣中的可燃物含量（平均值）为90%，飞灰中的可燃物含量（平均值）为14%。2000年5月25日，锅炉燃用京西水煤浆，燃烧量为16t/h，检测炉底渣中可燃物含量为93. 44%，电除尘飞灰中可燃物含量为16. 76%。
可燃物含量高，表明水煤浆中有绝大部分的固定碳未能得到充分燃烧，这不仅造成水煤浆燃料的浪费，更重要的是增加了锅炉尾部受热面二次燃烧的可能性，给锅炉设备安全运行带来危害。
1.3实际燃浆量达不到设计值
日立燃浆喷嘴的单支设计最大燃浆量为4.8t/h，而在试验过程中发现，当燃浆量超过2 t/h后，水煤浆的雾化效果明显变差，燃烧开始恶化，火焰形状不稳定，且后部出现大量火星，当燃浆量达到4t／h时，目测大量的浆粒带着火星掉进渣井，炉膛内火焰温度明显下降，锅炉运行受到影响。
1.4浆量与雾化蒸汽量相互影响，调整困难
日立燃浆喷嘴设计水煤浆控制压力为0. 65～0.9 MPa，雾化蒸汽控制压力为0.75～1.0MPa，燃烧水煤浆量为2.5～4.8t/h。实际运行中，要使水煤浆能正常喷出燃烧，必须调整水煤浆压力，使其大于雾化蒸汽压力（实际控制水煤浆压力为0.85～1.3 MPa，雾化蒸汽压力控制为0.75～1.2 MPa)，而且燃烧浆量的大小与浆压和雾化汽压的差值成正比，差值越大，浆量越大；但在提升浆压的过程中，雾化汽压也随之升高，相反，降低雾化汽压时，浆压也随之降低，故欲调整好燃浆量和浆压等参数是比较困难的。
2、水煤浆燃烧过程分析
水煤浆是由煤粉、水和少量添加剂混合而成的，着火困难是水煤浆燃烧的一个难点。一般把水煤浆的着火燃烧分为4个阶段，即煤浆加热阶段、水份蒸发阶段、挥发分析出和着火阶段、固定碳燃烧及燃尽阶段。
水煤浆雾炬喷入炉膛后，首先进行的是煤浆加热和水份蒸发，蒸发过程为表面蒸发过程，即水份随着蒸发的进行，不断从浆滴中心输送到蒸发表面，虽然其时间很短（毫秒级），只占总反应时间的0.1%～0.5%，但由于喷雾的初速度很高，所以经过此过程浆滴己运行到0.5～1 m以外。因此，水煤浆燃烧不好时，在喷嘴出口约0.5～1 m处会有黑区出现。水煤浆着火的另一重要因素是水煤浆中挥发份的析出和着火，该过程的关键是水份蒸发的情况，浆雾炬如能得到足够的热量，其中的水份即能迅速蒸发，挥发份析出和着火就很容易；相反，如水份蒸发时间过长，则着火就困难。同时，水煤浆在燃烧过程中还会出现一种结团现象，其主要机理是：在水煤浆滴挥发份析出的粘塑性阶段，存在着两个力的作用，一个是离心力，促使煤结团物的破碎；一个是粘着力，促使煤结团的进一步形成。在颗粒结团过程中，粘着力与颗粒粘塑性持续的时间成正比，因而快速的加热可以减少这个时间，从而减少煤粒形成结团的趋势。因此，如果浆滴能在高加热速率下燃烧，粘塑性阶段的时间就将大大缩短，使得颗粒还来不及熔化和结合，就形成一个松疏的结团物，结团物中颗粒间的粘着力很弱，由于高速加热，结团物的角速度会很高，更大的离心力促使本来结合松散的结团物分散，从而使结团物更易于破碎，达到更完全的燃烧。
水煤浆能稳定着火和正常燃烧，并达到一定的燃烧效率还与原煤的种类、水煤浆的浓度、灰分、粘度以及锅炉的炉温、配风情况等有着密不可分的关系，但在以上条件均相同时，水煤浆雾化后的浆滴直径对浆的燃烧起到至关重要的作用，雾化浆滴直径的大小直接关系到浆中水份蒸发的时间，从而影响水煤浆的正常燃烧。雾化浆滴直径增大，会使水煤浆雾炬着火燃烧4个阶段的时间均加长，从而造成浆着火延迟，燃烧不稳定，燃烧效率低。故提高喷嘴的雾化性能，尽量减小雾化浆滴的直径，对水煤浆的正常稳定燃烧有着积极的作用。
3、燃浆喷嘴雾化性能的分析
由于水煤浆的比重远远大于雾化蒸汽，因此从燃浆雾化喷嘴孔a中喷出的水煤浆柱作为一个整体与切向进入的雾化蒸汽相遇时，浆的动量要远大于雾化蒸汽的动量，这样两相物质不易实现动量的传递，也就是只形成了浆柱在中心、蒸汽在四周包围的汽浆两相分离的混合体，未能达到使汽浆形成均匀混合体的目的。这样的汽浆两相分离物质通过孔c进入枪头部混合室A中时，雾化蒸汽的动量己消耗殆尽，无法使浆体得到更长的雾化时间，当再次冲击到撞击件4后，虽能得到一定的使浆体撞击破碎的效果，但雾化质量很差，造成雾化后颗粒度偏大，不能达到一定的燃烧粒度分布，而且燃浆量越大，喷嘴喷出的颗粒就越粗。当较大颗粒的浆雾炬进入炉膛后，煤浆加热和水份蒸发时间延长，挥发分的析出和着火时间也相应延长，从而造成颗粒大的浆滴在重力和炉膛内配风的作用下，来不及燃尽便向下运动形成炉渣，只有一小部分小颗粒煤浆能正常燃烧。由此造成水煤浆燃烧时，炉底渣量大，炉渣和飞灰中可燃物含量偏高。故日立燃浆喷嘴的雾化性能较差，从而直接导致水煤浆燃烧不好。
4、燃浆雾化喷嘴的改进
以上分析表明，为使水煤浆能得到较好的雾化并能正常燃烧和燃尽，燃浆雾化喷嘴应达到如下质量要求：
(1)雾化特性良好，能够稳定着火，并有较好的燃烧特性和较高的燃烧效率；
(2)防堵性能良好，能长期连续运行；
(3)使用寿命较长；
(4)汽耗率较低；
(5)雾化角和射程合适。
根据以上要求和对日立燃浆雾化喷嘴结构以及实际使用情况的分析，认为日立燃浆喷嘴的主要问题是雾化蒸汽对水煤浆的雾化作用太差，没能达到一定的雾化效果。因此进行了以下的改造和实际燃浆试验工作。
4.1增加蒸汽雾化的级数
改造后的日立燃浆雾化喷嘴结构简图如图2所示。
首先，运用日立燃浆喷嘴的雾化机理，在喷嘴中增加了雾化件1。这样，水煤浆以一定的动量从孔a进入，即遇到从孔b中切向进入的一级雾化蒸汽，通过动量传递后，使浆体得到初步的破碎后进入混合室A中；当雾化蒸汽的动量即将耗尽时，混合室A中的混合体即遇到从c处垂直进入的二级雾化蒸汽，再次动量传递后，使浆体得到进一步的破碎雾化；之后，通过孔e喷出的混合体，又一次遇到从d孔处进入的三级雾化蒸汽，又一次的动量传递后，汽浆两相流进入混合室C中；最后以一定的动量撞击撞击件5，经机械撞击破碎后从孔g中喷出。
由于以上三级雾化蒸汽的动量得以有效的利用，同时又延长了雾化蒸汽对水煤浆的作用时间，因而水煤浆的雾化质量得以大大提高。
4.2改造后的实际燃浆试验
为了确定改造的合理性和正确性，先后进行了从燃烧1支到燃烧6支水煤浆枪的多种试验。从表1可以看出改造后水煤浆燃烧后的实际渣量比设计值要小得多。实际观察，水煤浆燃烧时能形成稳定的火焰，燃烧器璇口没有黑区，实测炉膛火焰温度在1350℃左右，表明水煤浆雾化后，燃烧过程处于正常状态，浆中的固定碳得到了充分的燃烧和燃尽；而且，喷嘴的雾化角和射程均较合适，火焰没有出现冲刷后水冷壁和侧水冷壁的现象。相应的，燃烧后的炉底渣和飞灰中的可燃物含量也大大降低，实际检测炉底渣中的可燃物含量由原先的90%左右降到10%以下，电除尘处飞灰中的可燃物含量也由原先的l4%左右降到6%以下。2000年10月30日，锅炉燃烧6支水煤浆枪，燃浆量21 t/h，经检测炉底渣和电除尘器处飞灰中的可燃物含量分别为2.27%和2.21%。
2000年12月19日至22日，220 t/h水煤浆锅炉进行标定工作，为保证安全生产，锅炉运行2支重油枪、6支水煤浆枪，燃浆量达到26～28 t/h，也就是平均每支水煤浆枪燃浆量达到4.3～4.5 t/h，此期间水煤浆燃烧稳定，炉渣量和飞灰量以及可燃物含量均正常，锅炉各参数均达到了设计值。
2001年3月至5月，在锅炉运行2支重油枪、6支水煤浆枪的情况下，又将浆量提高至30 t/h，此期间水煤浆燃烧稳定，经检测炉渣量和飞灰量以及可燃物含量均正常；再提高到31t/h，此时燃烧有大量火星出现，为保证安全生产，未作进一步的试验。在这期间，对大同浆、邢台浆、京西浆及各种比例的混浆均进行了燃烧试验，浆的燃烧及炉渣量和飞灰量以及可燃物含量均未出现异常。
对于水煤浆的燃烧压力和雾化蒸汽压力，改造后的喷嘴，其浆压可在1. 0～1. 35 MPa之间调整，雾化蒸汽压力可在0. 95～1.2 MPa之间调整；对于燃浆量的调整不再受浆压与雾化汽压差的影响，可以把雾化蒸汽压力控制在一定值（按水煤浆质量情况调整定值），通过浆压的调整来达到调整燃浆量的目的，这样，对燃浆量的调整较改造前要容易操作得多。2001年12月26日，因外界突甩负荷，锅炉运行人员紧急将浆量由30 t/h降至20 t/h，锅炉燃烧未受影响。
至目前，单支枪的燃浆量一直保持在4.5～5t/h范围内，燃烧正常，炉底渣和电除尘处飞灰中的可燃物含量均保持在8%和6%以下。
4.3对喷嘴耐磨损问题的考虑
材料磨损问题是普遍存在的。燃浆喷嘴中各部件的磨损，主要是由于水煤浆在喷嘴内与雾化蒸汽进行动量交换并被加速时，汽浆两相流中的固体煤粒子和喷嘴孔内壁发生剧烈摩擦造成的。因此，解决好喷嘴的磨损问题，不仅可以延长其使用寿命，而且对节能降耗有着积极的意义。日立燃浆喷嘴在其易磨损部位采用了耐磨陶瓷材料，据日方介绍，使用寿命在5000 h左右，故在对喷嘴的改造过程中，未做改动，实际运行表明，材料的抗磨损性能确实很好，寿命最短的也在3 000 h左右，但价格相当昂贵，故必须找出国内的替代品，以进一步降低燃浆运行成本。
2000年12月，将喷嘴部分金属部件进行了表面氮化处理，提高了金属部件的抗汽蚀能力，延长了使用寿命；由于固定撞击件5的金属螺钉在强烈的撞击冲刷下，特别易磨损，并失去其作用，因此将其更换成单只陶瓷钉，效果良好；同时，对国内的耐磨陶瓷件分别进行了各种试验，比较了各自的性能和寿命。两年来的多次试验表明，国内的耐磨陶瓷件连续运行时间最短的在1 000 h左右，部分可以达到2 500 h，基本能够保证锅炉燃浆的正常需要，且其总体价格比日本件要低得多。
5、改造前后的经济性比较
表2分析了日立燃浆雾化喷嘴改造前后的运行燃料成本情况。
由表2可知，同样运行条件下，锅炉燃料成本费用每h就会降低15 913-13 203=2 710（元），按年运行时间7 200 h计算，每年降低燃料成本费用2 710×7200=1 951.2（万元、
6、结论
实际运行情况表明，对220 t/h水煤浆锅炉日立燃浆雾化喷嘴的改造是正确和有效的，并且取得了一定的经济效益。
影响水煤浆正常燃烧的因素很多，对燃浆雾化喷嘴的选型和进行一定程度的改造，应根据锅炉的具体情况而定，增加喷嘴雾化蒸汽的级数，有利于水煤浆的雾化和进一步的燃烧，但应考虑耗汽量不能太高，一般控制在15%左右即可。
燃浆喷嘴的抗磨损性能不仅能延长喷嘴的使用寿命，保证锅炉设备的安全稳定运行，而且对于降低备件成本至关重要，应得到必要的重视和进一步的探讨，富通新能源不但生产销售生物质锅炉，而且还大量销售生物质锅炉燃烧专用的生物质颗粒燃料，生物质颗粒燃料主要由木屑颗粒机压制生产而成。
