摘 要：煤粉低塵燃燒技術對傳統的煤粉液排渣旋風燃燒器作了重大改進，簡化結構，改善流場，提高捕渣率。煤粉低塵燃燒器可向工業窯爐提供含塵量極低的潔凈火焰，可用於燃油工業窯爐進行以煤代油改造以及對老式燃煤工業窯爐進行技術改造，是一種應用前景廣闊的潔凈燃煤技術。
關鍵詞：煤 低塵 燃燒 窯爐
前 言：我國有工業窯爐約十多萬台，年耗燃料約1.6億噸標煤，其中有約四分之一的窯爐由於對燃燒加熱的條件，如燃燒氣氛、燃燒的穩定性、連續性、火焰的潔凈度等有較高的要求，只能以油、氣為能源。估計這部分工業爐、窯每年要消耗3,000萬噸的燃油或燃氣。其餘的工業窯爐由於得不到油、氣的供應，只能燃用煤炭。
現有的燃煤技術均難以滿足現代工業窯爐的要求。比如，當採用層燃方式時，雖可獲得較潔凈的火焰，但卻難以得到長時間連續穩定的燃燒工況，也難以實現燃燒過程的自動控制和調節。倒焰窯、反射爐等就是燃煤層燃工業爐的例子。這類爐子只能是間歇操作，熱效率相當低。若採用煤粉火炬燃燒方式，雖可像燃油或燃氣一樣實現火焰的長時間連續穩定的燃燒，也易於實現對燃燒狀況的自動控制和調節，但是其火焰和煙氣中卻含有大量的灰渣，這些灰渣會污染產品，堵塞窯爐或換熱設備，污染環境。因此，難以在工業窯爐中使用。水煤漿的使用和燃燒方式較接近於燃油，許多人試圖將其應用於工業窯爐上以實現以煤代油，但水煤漿仍存在灰分太高（一般為5~10%），火焰潔凈度不夠的缺點。這與煤粉燃燒的缺點類似，此外其價格還比煤粉高得多。因此，水煤漿也不是個良好的解決辦法。把煤製成煤氣供給工業窯爐雖可滿足工業加熱工藝的要求，但煤氣化設備投資高，常常要高出工業窯爐本身的投資。同時，煤氣化的能源轉換率比較低，運行費用相當高，其經濟性難以為目前我國一般工業部門所接受。因此，可以說現有的燃煤技術均不能滿足現代工業窯爐的要求。 我國的能源資源以煤為主，石油的產量不能滿足國民經濟發展的需求，只能優先用作石油化工工業的原料和運輸工具的燃料。能供工業窯爐使用的燃油十分有限。我們不能像多數工業化國家一樣鼓勵工業窯爐燃油燃氣化。世界上各先進工業國家均不像中國這樣以煤為主要能源。在這些國家中，煤基本上只用於發電。他們不可能發展工業窯爐以煤代油技術。因此，我們發展潔凈煤技術不能不顧中國國情完全按國外的路子走。所以，研究一種能滿足工業窯爐加熱工藝嚴格要求的潔凈燃煤技術對我國具有重大意義，也是中國科研人員責無旁貸的責任。本文所述的「煤粉低塵燃燒技術」就是為滿足這一需求而提出的一種煤潔凈燃燒技術。
圖一 液排渣旋風燃燒器流場
（二）煤粉低塵燃燒技術
煤粉低塵燃燒技術是在液排渣旋風燃燒技術基礎上發展起來的。傳統的液排渣旋風燃燒器技術是使煤屑在一個具有強烈旋轉迴流流場的圓柱型燃燒室中進行旋風燃燒，進入燃燒室的煤粉及灰渣在旋轉流場的作用下被燃燒室壁面捕集並附著在壁面熔渣層上進行附壁燃燒，較細小的煤粉則濃集在壁面附近進行懸浮燃燒。這種燃燒器具有非常高的燃燒強度，其容積熱強度可達42×106KJ/m3.h。由於大量灰渣被壁面熔渣層捕集並在高溫下成液態渣除去，進入爐膛的是比較潔凈的高溫火焰和煙氣。這種燃燒方式保留了煤粉燃燒方式的優點，如燃燒連續穩定、易於調節、燃燒氣氛可控等，克服了煤粉燃燒火焰含灰量高的缺點。但是傳統的液排渣旋風燃燒器，不論是立式還是卧式的，為了在燃燒室中形成強烈的旋流，其二次風均是從燃燒室的側面切向或割向引入。這種進風方式的優點一是結構簡單；二是二次風具有最大的角動量，能產生最大限度的強旋流。但是，我們通過對其流場的測定發現，切向進風導致燃燒室中旋轉迴流流場的嚴重畸變，?O大地破壞了旋轉流場的軸對稱性，迴流區縮小，旋流的迴流現象大大減弱，從而縮短了煤粉在燃燒室中的停留時間。由於旋流流場的紊亂，對灰渣的離心分離作用顯著減弱，大量煤粉及灰渣短路逸出燃燒室，使得捕渣率難以提高。更成問題的是，由於二次風口開在燃燒室側壁熔渣的流場之中，高速的二次風氣流對風口處的強烈冷卻作用使熔渣在該處凝結，造成結渣，使燃燒不穩定，嚴重時還會堵塞風口而被迫停爐。為解決風口結渣堵塞問題，一個辦法是將二次風預熱到攝氏一千度以上，如TRW公司的液排渣旋風燃燒器就是這麼做的。為此必須採用預燃室結構，從而使燃燒裝置變得很複雜，難以在一般工業窯爐上應用。
針對上述問題，我們從如下幾個方面入手，進行改進：
1）改進燃燒室中的流場。流場對燃燒室中的燃燒狀況起著決定性的影響。圖一為傳統的液排渣旋風燃燒器實測的流場軸向分速分布圖。可以看出該流場對稱性極差，畸變嚴重。 圖二 煤粉低塵燃燒器
我們通過流場多次試驗，採用端面預旋進風技
術在燃燒室中形成一個完全軸對稱的、完整、規則的旋轉迴流流場（見圖二）。這為合理組織燃燒、延長煤粉在燃燒室中的停留時間、防止煤粉短路逸出燃燒室、充分發揮旋轉流場的離心分離作用創造了必要的基本條件。
2）取消燃燒室側壁上的一切開口，使燃燒室側壁成為一個完整連續的圓柱面。這為液渣和煤粉的附著進行強烈的附壁燃燒並在高速旋轉氣流的驅動下沿螺旋軌跡逐漸向排渣口流動
提供了一個沒有任何阻礙的流場。消除了產生風口結渣、堵塞事故的根源。具有以上兩個特徵的燃燒室已完全不同於以切向進風為特徵圖一 液排渣旋風燃燒器流場的傳統液排渣旋風燃燒器。
3）改進給煤結構，採用濃相定向的給煤結構直接把煤粉加進最外層旋轉氣流中，使煤粉在燃燒室中具有最長的運動路徑，消除煤粉「短路」逸出燃燒器的機會，從而提高了捕渣率。
4）合理的煤粉粒度控制既保證絕大多數煤粒子能被慣性分離附著到燃燒室壁面上進行附壁燃燒，又保證液渣到達出渣口時煤粒均已燃盡，使捕渣率及燃燒效率均大大提高，同時也節省磨煤電耗。
5）加入添加劑以調節液渣的熔點及黏度，同時由於低塵燃燒器中燃燒氣氛為強還原性氣氛，可抑制NOx的生成及促進CaS的形成以達脫硫目的。
通過上述的改進，顯然這種新型的煤粉低塵燃燒技術已不同於傳統的液排渣旋風燃燒技術，其主要特點是它具有液排渣旋風燃燒器所不可能有的高捕渣率和相對簡單的結構。這是一項符合我國的能源資源情況，適合我國經濟技術水平的以煤代油技術。這項技術特別適用於連續生產的大型燃油工業窯爐的改造。據推算，使用本技術，每用煤頂替一噸燃油，可節省燃料費用人民幣500元左右。本技術也適合於燃煤工業窯爐的改造，特別是可把間歇生產的燃煤工業窯爐改造成連續生產的窯爐,從而大大提高窯爐的熱效率，節能潛力巨大。
（三）結論
煤粉低塵燃燒器對傳統的液排渣旋風燃燒器進行了重大的技術革新，克服了其固有的缺點，使捕渣率大幅度的提高。其火焰的潔凈度高於水煤漿火焰，可與重油火焰相媲美。此外，這項技術不需對煤進行特殊加工，煤種適用範圍寬，經濟性好。因此，這是一項在工業窯爐上實現以煤代油以及對老式燃煤工業窯爐進行改造的極有前途的煤潔凈燃燒技術。
