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   水煤漿（簡(jiǎn)稱CWM）是一種低污染、以煤代油的新型潔凈煤燃料，它是通過(guò)將固體煤磨成一定細(xì)度的煤粉，再加入一定量的水和少量添加劑而得到的。它既保持了煤炭原有的物理特性，又具有油一樣的流動(dòng)性、穩(wěn)定性和霧化性，從而可以代替重油作為鍋爐燃料，具有很好的發(fā)展前景。但因其粘度、濃度、粒度分布等諸方面的特殊性，使得它在爐內(nèi)的燃燒要較一般液體燃料困難得多，而水煤漿燃燒用霧化噴嘴的霧化性能更直接關(guān)系到水煤漿在爐內(nèi)的燃燒質(zhì)量。因此，按照鍋爐的具體型式、負(fù)荷要求等，合理地選擇、改進(jìn)燃漿霧化噴嘴結(jié)構(gòu)，提高水煤漿的燃盡率，解決其燃燒問(wèn)題，才能使水煤漿代替重油產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，并得以推廣應(yīng)用。
    燕化三電站220 t/h鍋爐系我國(guó)首臺(tái)設(shè)計(jì)燃用水煤漿的鍋爐，其爐前燃燒器由日本無(wú)償援助，燃漿霧化噴嘴為公司制造，鍋爐燃燒器為前墻布置，水煤漿槍共8支。鍋爐于2000年3月9日投燒水煤漿成功，之后進(jìn)行了水煤漿的燃燒試驗(yàn)，雖經(jīng)中日雙方技術(shù)人員多方調(diào)整，但水煤漿燃燒不好、落渣和飛灰中含碳量高的問(wèn)題一直未能得到解決，由于日方人員只進(jìn)行了燃燒參數(shù)的調(diào)整，堅(jiān)持認(rèn)為霧化噴嘴結(jié)構(gòu)沒(méi)有問(wèn)題，故到2000午5月底，水煤漿的燃燒質(zhì)量一直未能得到根本性的改觀。在這種情況下，對(duì)日立公司的燃漿噴嘴進(jìn)行了改進(jìn)和研制，經(jīng)過(guò)多次實(shí)際試驗(yàn)后，運(yùn)行效果良好，鍋爐燃漿運(yùn)行各參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。2000年10月至2002年10月，又對(duì)燃漿霧化噴嘴中的耐磨部件進(jìn)行了實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)的調(diào)整改造，實(shí)現(xiàn)了耐磨陶瓷件的國(guó)產(chǎn)化，降低了水煤漿燃燒運(yùn)行成本，富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料。
1、燃漿霧化噴嘴運(yùn)行情況
    日立公司制造的水煤漿槍為套筒式，其噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示。
    水煤漿在槍內(nèi)筒中通過(guò)，而霧化蒸汽則由槍內(nèi)外筒中間通過(guò)。燃漿噴嘴為Y型蒸汽霧化撞擊式，其主要原理是利用霧化蒸汽和水煤漿的動(dòng)量傳遞來(lái)撞擊破碎漿體。具體過(guò)程為：水煤漿從中心孔a進(jìn)入，霧化蒸汽從四周孔b進(jìn)入，兩者沖擊霧化后的混合體，通過(guò)孔c進(jìn)入噴嘴頭部的混合室A中，然后再次沖擊正前方的撞擊件4，由于機(jī)械撞擊而使霧化的混合體進(jìn)一步霧化，最后從噴嘴頭上的小孔d中噴出。
此燃漿霧化噴嘴運(yùn)行中主要存在如下問(wèn)題：
1.1水煤漿燃燒渣量大
    由表1可以看出，使用日立燃漿霧化噴嘴，爐底渣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值，約為設(shè)計(jì)值的3倍。燃燒渣量的過(guò)大，不僅降低了鍋爐的熱效率，增加了蒸汽耗漿量，而且使得爐底撈渣機(jī)必須連續(xù)高負(fù)荷運(yùn)行，無(wú)法保證鍋爐安全經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。2000年5月8日，因?yàn)樵�量太大，撈渣機(jī)來(lái)不及撈出，致使?fàn)t底渣井被爐渣堵塞，撈渣機(jī)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致傳動(dòng)鏈條斷裂，從而被迫停爐清渣處理，直接影響鍋爐正常運(yùn)行。
1.2爐底渣及飛灰中可燃物含量高
    使用日立燃漿霧化噴嘴燃燒水煤漿時(shí)，爐底渣顏色與原煤相差無(wú)幾，形狀為小顆粒，部分己結(jié)塊，撈渣機(jī)溢流水呈黑色，除塵器中的飛灰呈深灰色。經(jīng)過(guò)多次取樣分析，爐底渣中的可燃物含量（平均值）為90%，飛灰中的可燃物含量（平均值）為14%。2000年5月25日，鍋爐燃用京西水煤漿，燃燒量為16t/h，檢測(cè)爐底渣中可燃物含量為93. 44%，電除塵飛灰中可燃物含量為16. 76%。
    可燃物含量高，表明水煤漿中有絕大部分的固定碳未能得到充分燃燒，這不僅造成水煤漿燃料的浪費(fèi)，更重要的是增加了鍋爐尾部受熱面二次燃燒的可能性，給鍋爐設(shè)備安全運(yùn)行帶來(lái)危害。
1.3實(shí)際燃漿量達(dá)不到設(shè)計(jì)值
    日立燃漿噴嘴的單支設(shè)計(jì)最大燃漿量為4.8t/h，而在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃漿量超過(guò)2 t/h后，水煤漿的霧化效果明顯變差，燃燒開(kāi)始惡化，火焰形狀不穩(wěn)定，且后部出現(xiàn)大量火星，當(dāng)燃漿量達(dá)到4t／h時(shí)，目測(cè)大量的漿粒帶著火星掉進(jìn)渣井，爐膛內(nèi)火焰溫度明顯下降，鍋爐運(yùn)行受到影響。
1.4漿量與霧化蒸汽量相互影響，調(diào)整困難
    日立燃漿噴嘴設(shè)計(jì)水煤漿控制壓力為0. 65～0.9 MPa，霧化蒸汽控制壓力為0.75～1.0MPa，燃燒水煤漿量為2.5～4.8t/h。實(shí)際運(yùn)行中，要使水煤漿能正常噴出燃燒，必須調(diào)整水煤漿壓力，使其大于霧化蒸汽壓力（實(shí)際控制水煤漿壓力為0.85～1.3 MPa，霧化蒸汽壓力控制為0.75～1.2 MPa)，而且燃燒漿量的大小與漿壓和霧化汽壓的差值成正比，差值越大，漿量越大；但在提升漿壓的過(guò)程中，霧化汽壓也隨之升高，相反，降低霧化汽壓時(shí)，漿壓也隨之降低，故欲調(diào)整好燃漿量和漿壓等參數(shù)是比較困難的。
2、水煤漿燃燒過(guò)程分析
    水煤漿是由煤粉、水和少量添加劑混合而成的，著火困難是水煤漿燃燒的一個(gè)難點(diǎn)。一般把水煤漿的著火燃燒分為4個(gè)階段，即煤漿加熱階段、水份蒸發(fā)階段、揮發(fā)分析出和著火階段、固定碳燃燒及燃盡階段。
    水煤漿霧炬噴入爐膛后，首先進(jìn)行的是煤漿加熱和水份蒸發(fā)，蒸發(fā)過(guò)程為表面蒸發(fā)過(guò)程，即水份隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，不斷從漿滴中心輸送到蒸發(fā)表面，雖然其時(shí)間很短（毫秒級(jí)），只占總反應(yīng)時(shí)間的0.1%～0.5%，但由于噴霧的初速度很高，所以經(jīng)過(guò)此過(guò)程漿滴己運(yùn)行到0.5～1 m以外。因此，水煤漿燃燒不好時(shí)，在噴嘴出口約0.5～1 m處會(huì)有黑區(qū)出現(xiàn)。水煤漿著火的另一重要因素是水煤漿中揮發(fā)份的析出和著火，該過(guò)程的關(guān)鍵是水份蒸發(fā)的情況，漿霧炬如能得到足夠的熱量，其中的水份即能迅速蒸發(fā)，揮發(fā)份析出和著火就很容易；相反，如水份蒸發(fā)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則著火就困難。同時(shí)，水煤漿在燃燒過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)一種結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，其主要機(jī)理是：在水煤漿滴揮發(fā)份析出的粘塑性階段，存在著兩個(gè)力的作用，一個(gè)是離心力，促使煤結(jié)團(tuán)物的破碎；一個(gè)是粘著力，促使煤結(jié)團(tuán)的進(jìn)一步形成。在顆粒結(jié)團(tuán)過(guò)程中，粘著力與顆粒粘塑性持續(xù)的時(shí)間成正比，因而快速的加熱可以減少這個(gè)時(shí)間，從而減少煤粒形成結(jié)團(tuán)的趨勢(shì)。因此，如果漿滴能在高加熱速率下燃燒，粘塑性階段的時(shí)間就將大大縮短，使得顆粒還來(lái)不及熔化和結(jié)合，就形成一個(gè)松疏的結(jié)團(tuán)物，結(jié)團(tuán)物中顆粒間的粘著力很弱，由于高速加熱，結(jié)團(tuán)物的角速度會(huì)很高，更大的離心力促使本來(lái)結(jié)合松散的結(jié)團(tuán)物分散，從而使結(jié)團(tuán)物更易于破碎，達(dá)到更完全的燃燒。
    水煤漿能穩(wěn)定著火和正常燃燒，并達(dá)到一定的燃燒效率還與原煤的種類、水煤漿的濃度、灰分、粘度以及鍋爐的爐溫、配風(fēng)情況等有著密不可分的關(guān)系，但在以上條件均相同時(shí)，水煤漿霧化后的漿滴直徑對(duì)漿的燃燒起到至關(guān)重要的作用，霧化漿滴直徑的大小直接關(guān)系到漿中水份蒸發(fā)的時(shí)間，從而影響水煤漿的正常燃燒。霧化漿滴直徑增大，會(huì)使水煤漿霧炬著火燃燒4個(gè)階段的時(shí)間均加長(zhǎng)，從而造成漿著火延遲，燃燒不穩(wěn)定，燃燒效率低。故提高噴嘴的霧化性能，盡量減小霧化漿滴的直徑，對(duì)水煤漿的正常穩(wěn)定燃燒有著積極的作用。
3、燃漿噴嘴霧化性能的分析
    由于水煤漿的比重遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于霧化蒸汽，因此從燃漿霧化噴嘴孔a中噴出的水煤漿柱作為一個(gè)整體與切向進(jìn)入的霧化蒸汽相遇時(shí)，漿的動(dòng)量要遠(yuǎn)大于霧化蒸汽的動(dòng)量，這樣兩相物質(zhì)不易實(shí)現(xiàn)動(dòng)量的傳遞，也就是只形成了漿柱在中心、蒸汽在四周包圍的汽漿兩相分離的混合體，未能達(dá)到使汽漿形成均勻混合體的目的。這樣的汽漿兩相分離物質(zhì)通過(guò)孔c進(jìn)入槍頭部混合室A中時(shí)，霧化蒸汽的動(dòng)量己消耗殆盡，無(wú)法使?jié){體得到更長(zhǎng)的霧化時(shí)間，當(dāng)再次沖擊到撞擊件4后，雖能得到一定的使?jié){體撞擊破碎的效果，但霧化質(zhì)量很差，造成霧化后顆粒度偏大，不能達(dá)到一定的燃燒粒度分布，而且燃漿量越大，噴嘴噴出的顆粒就越粗。當(dāng)較大顆粒的漿霧炬進(jìn)入爐膛后，煤漿加熱和水份蒸發(fā)時(shí)間延長(zhǎng)，揮發(fā)分的析出和著火時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)，從而造成顆粒大的漿滴在重力和爐膛內(nèi)配風(fēng)的作用下，來(lái)不及燃盡便向下運(yùn)動(dòng)形成爐渣，只有一小部分小顆粒煤漿能正常燃燒。由此造成水煤漿燃燒時(shí)，爐底渣量大，爐渣和飛灰中可燃物含量偏高。故日立燃漿噴嘴的霧化性能較差，從而直接導(dǎo)致水煤漿燃燒不好。
4、燃漿霧化噴嘴的改進(jìn)
    以上分析表明，為使水煤漿能得到較好的霧化并能正常燃燒和燃盡，燃漿霧化噴嘴應(yīng)達(dá)到如下質(zhì)量要求：
    (1)霧化特性良好，能夠穩(wěn)定著火，并有較好的燃燒特性和較高的燃燒效率；
    (2)防堵性能良好，能長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行；
    (3)使用壽命較長(zhǎng)；
    (4)汽耗率較低；
    (5)霧化角和射程合適。
    根據(jù)以上要求和對(duì)日立燃漿霧化噴嘴結(jié)構(gòu)以及實(shí)際使用情況的分析，認(rèn)為日立燃漿噴嘴的主要問(wèn)題是霧化蒸汽對(duì)水煤漿的霧化作用太差，沒(méi)能達(dá)到一定的霧化效果。因此進(jìn)行了以下的改造和實(shí)際燃漿試驗(yàn)工作。
4.1增加蒸汽霧化的級(jí)數(shù)
    改造后的日立燃漿霧化噴嘴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。
    首先，運(yùn)用日立燃漿噴嘴的霧化機(jī)理，在噴嘴中增加了霧化件1。這樣，水煤漿以一定的動(dòng)量從孔a進(jìn)入，即遇到從孔b中切向進(jìn)入的一級(jí)霧化蒸汽，通過(guò)動(dòng)量傳遞后，使?jié){體得到初步的破碎后進(jìn)入混合室A中；當(dāng)霧化蒸汽的動(dòng)量即將耗盡時(shí)，混合室A中的混合體即遇到從c處垂直進(jìn)入的二級(jí)霧化蒸汽，再次動(dòng)量傳遞后，使?jié){體得到進(jìn)一步的破碎霧化；之后，通過(guò)孔e噴出的混合體，又一次遇到從d孔處進(jìn)入的三級(jí)霧化蒸汽，又一次的動(dòng)量傳遞后，汽漿兩相流進(jìn)入混合室C中；最后以一定的動(dòng)量撞擊撞擊件5，經(jīng)機(jī)械撞擊破碎后從孔g中噴出。
    由于以上三級(jí)霧化蒸汽的動(dòng)量得以有效的利用，同時(shí)又延長(zhǎng)了霧化蒸汽對(duì)水煤漿的作用時(shí)間，因而水煤漿的霧化質(zhì)量得以大大提高。
4.2改造后的實(shí)際燃漿試驗(yàn)
    為了確定改造的合理性和正確性，先后進(jìn)行了從燃燒1支到燃燒6支水煤漿槍的多種試驗(yàn)。從表1可以看出改造后水煤漿燃燒后的實(shí)際渣量比設(shè)計(jì)值要小得多。實(shí)際觀察，水煤漿燃燒時(shí)能形成穩(wěn)定的火焰，燃燒器璇口沒(méi)有黑區(qū)，實(shí)測(cè)爐膛火焰溫度在1350℃左右，表明水煤漿霧化后，燃燒過(guò)程處于正常狀態(tài)，漿中的固定碳得到了充分的燃燒和燃盡；而且，噴嘴的霧化角和射程均較合適，火焰沒(méi)有出現(xiàn)沖刷后水冷壁和側(cè)水冷壁的現(xiàn)象。相應(yīng)的，燃燒后的爐底渣和飛灰中的可燃物含量也大大降低，實(shí)際檢測(cè)爐底渣中的可燃物含量由原先的90%左右降到10%以下，電除塵處飛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，鍋爐燃燒6支水煤漿槍，燃漿量21 t/h，經(jīng)檢測(cè)爐底渣和電除塵器處飛灰中的可燃物含量分別為2.27%和2.21%。
    2000年12月19日至22日，220 t/h水煤漿鍋爐進(jìn)行標(biāo)定工作，為保證安全生產(chǎn)，鍋爐運(yùn)行2支重油槍、6支水煤漿槍，燃漿量達(dá)到26～28 t/h，也就是平均每支水煤漿槍燃漿量達(dá)到4.3～4.5 t/h，此期間水煤漿燃燒穩(wěn)定，爐渣量和飛灰量以及可燃物含量均正常，鍋爐各參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計(jì)值。
    2001年3月至5月，在鍋爐運(yùn)行2支重油槍、6支水煤漿槍的情況下，又將漿量提高至30 t/h，此期間水煤漿燃燒穩(wěn)定，經(jīng)檢測(cè)爐渣量和飛灰量以及可燃物含量均正常；再提高到31t/h，此時(shí)燃燒有大量火星出現(xiàn)，為保證安全生產(chǎn)，未作進(jìn)一步的試驗(yàn)。在這期間，對(duì)大同漿、邢臺(tái)漿、京西漿及各種比例的混漿均進(jìn)行了燃燒試驗(yàn)，漿的燃燒及爐渣量和飛灰量以及可燃物含量均未出現(xiàn)異常。
    對(duì)于水煤漿的燃燒壓力和霧化蒸汽壓力，改造后的噴嘴，其漿壓可在1. 0～1. 35 MPa之間調(diào)整，霧化蒸汽壓力可在0. 95～1.2 MPa之間調(diào)整；對(duì)于燃漿量的調(diào)整不再受漿壓與霧化汽壓差的影響，可以把霧化蒸汽壓力控制在一定值（按水煤漿質(zhì)量情況調(diào)整定值），通過(guò)漿壓的調(diào)整來(lái)達(dá)到調(diào)整燃漿量的目的，這樣，對(duì)燃漿量的調(diào)整較改造前要容易操作得多。2001年12月26日，因外界突甩負(fù)荷，鍋爐運(yùn)行人員緊急將漿量由30 t/h降至20 t/h，鍋爐燃燒未受影響。
    至目前，單支槍的燃漿量一直保持在4.5～5t/h范圍內(nèi)，燃燒正常，爐底渣和電除塵處飛灰中的可燃物含量均保持在8%和6%以下。
4.3對(duì)噴嘴耐磨損問(wèn)題的考慮
    材料磨損問(wèn)題是普遍存在的。燃漿噴嘴中各部件的磨損，主要是由于水煤漿在噴嘴內(nèi)與霧化蒸汽進(jìn)行動(dòng)量交換并被加速時(shí)，汽漿兩相流中的固體煤粒子和噴嘴孔內(nèi)壁發(fā)生劇烈摩擦造成的。因此，解決好噴嘴的磨損問(wèn)題，不僅可以延長(zhǎng)其使用壽命，而且對(duì)節(jié)能降耗有著積極的意義。日立燃漿噴嘴在其易磨損部位采用了耐磨陶瓷材料，據(jù)日方介紹，使用壽命在5000 h左右，故在對(duì)噴嘴的改造過(guò)程中，未做改動(dòng)，實(shí)際運(yùn)行表明，材料的抗磨損性能確實(shí)很好，壽命最短的也在3 000 h左右，但價(jià)格相當(dāng)昂貴，故必須找出國(guó)內(nèi)的替代品，以進(jìn)一步降低燃漿運(yùn)行成本。
    2000年12月，將噴嘴部分金屬部件進(jìn)行了表面氮化處理，提高了金屬部件的抗汽蝕能力，延長(zhǎng)了使用壽命；由于固定撞擊件5的金屬螺釘在強(qiáng)烈的撞擊沖刷下，特別易磨損，并失去其作用，因此將其更換成單只陶瓷釘，效果良好；同時(shí)，對(duì)國(guó)內(nèi)的耐磨陶瓷件分別進(jìn)行了各種試驗(yàn)，比較了各自的性能和壽命。兩年來(lái)的多次試驗(yàn)表明，國(guó)內(nèi)的耐磨陶瓷件連續(xù)運(yùn)行時(shí)間最短的在1 000 h左右，部分可以達(dá)到2 500 h，基本能夠保證鍋爐燃漿的正常需要，且其總體價(jià)格比日本件要低得多。
5、改造前后的經(jīng)濟(jì)性比較
    表2分析了日立燃漿霧化噴嘴改造前后的運(yùn)行燃料成本情況。
    由表2可知，同樣運(yùn)行條件下，鍋爐燃料成本費(fèi)用每h就會(huì)降低15 913-13 203=2 710（元），按年運(yùn)行時(shí)間7 200 h計(jì)算，每年降低燃料成本費(fèi)用2 710×7200=1 951.2（萬(wàn)元、
6、結(jié)論
    實(shí)際運(yùn)行情況表明，對(duì)220 t/h水煤漿鍋爐日立燃漿霧化噴嘴的改造是正確和有效的，并且取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。
    影響水煤漿正常燃燒的因素很多，對(duì)燃漿霧化噴嘴的選型和進(jìn)行一定程度的改造，應(yīng)根據(jù)鍋爐的具體情況而定，增加噴嘴霧化蒸汽的級(jí)數(shù)，有利于水煤漿的霧化和進(jìn)一步的燃燒，但應(yīng)考慮耗汽量不能太高，一般控制在15%左右即可。
    燃漿噴嘴的抗磨損性能不僅能延長(zhǎng)噴嘴的使用壽命，保證鍋爐設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，而且對(duì)于降低備件成本至關(guān)重要，應(yīng)得到必要的重視和進(jìn)一步的探討，富通新能源不但生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，而且還大量銷售生物質(zhì)鍋爐燃燒專用的生物質(zhì)顆粒燃料，生物質(zhì)顆粒燃料主要由木屑顆粒機(jī)壓制生產(chǎn)而成。