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摘 要：煤粉低尘燃烧技术对传统的煤粉液排渣旋风燃烧器作了重大改进，简化结构，改善流场，提高捕渣率。煤粉低尘燃烧器可向工业窑炉提供含尘量极低的洁净火焰，可用于燃油工业窑炉进行以煤代油改造以及对老式燃煤工业窑炉进行技术改造，是一种应用前景广阔的洁净燃煤技术。
关键词：煤 低尘 燃烧 窑炉
前 言：我国有工业窑炉约十多万台，年耗燃料约1.6亿吨标煤，其中有约四分之一的窑炉由于对燃烧加热的条件，如燃烧气氛、燃烧的稳定性、连续性、火焰的洁净度等有较高的要求，只能以油、气为能源。估计这部分工业炉、窑每年要消耗3,000万吨的燃油或燃气。其余的工业窑炉由于得不到油、气的供应，只能燃用煤炭。
现有的燃煤技术均难以满足现代工业窑炉的要求。比如，当采用层燃方式时，虽可获得较洁净的火焰，但却难以得到长时间连续稳定的燃烧工况，也难以实现燃烧过程的自动控制和调节。倒焰窑、反射炉等就是燃煤层燃工业炉的例子。这类炉子只能是间歇操作，热效率相当低。若采用煤粉火炬燃烧方式，虽可像燃油或燃气一样实现火焰的长时间连续稳定的燃烧，也易于实现对燃烧状况的自动控制和调节，但是其火焰和烟气中却含有大量的灰渣，这些灰渣会污染产品，堵塞窑炉或换热设备，污染环境。因此，难以在工业窑炉中使用。水煤浆的使用和燃烧方式较接近于燃油，许多人试图将其应用于工业窑炉上以实现以煤代油，但水煤浆仍存在灰分太高（一般为5~10%），火焰洁净度不够的缺点。这与煤粉燃烧的缺点类似，此外其价格还比煤粉高得多。因此，水煤浆也不是个良好的解决办法。把煤制成煤气供给工业窑炉虽可满足工业加热工艺的要求，但煤气化设备投资高，常常要高出工业窑炉本身的投资。同时，煤气化的能源转换率比较低，运行费用相当高，其经济性难以为目前我国一般工业部门所接受。因此，可以说现有的燃煤技术均不能满足现代工业窑炉的要求。 我国的能源资源以煤为主，石油的产量不能满足国民经济发展的需求，只能优先用作石油化工工业的原料和运输工具的燃料。能供工业窑炉使用的燃油十分有限。我们不能像多数工业化国家一样鼓励工业窑炉燃油燃气化。世界上各先进工业国家均不像中国这样以煤为主要能源。在这些国家中，煤基本上只用于发电。他们不可能发展工业窑炉以煤代油技术。因此，我们发展洁净煤技术不能不顾中国国情完全按国外的路子走。所以，研究一种能满足工业窑炉加热工艺严格要求的洁净燃煤技术对我国具有重大意义，也是中国科研人员责无旁贷的责任。本文所述的“煤粉低尘燃烧技术”就是为满足这一需求而提出的一种煤洁净燃烧技术。 （图片）
图一 液排渣旋风燃烧器流场 （二）煤粉低尘燃烧技术
煤粉低尘燃烧技术是在液排渣旋风燃烧技术基础上发展起来的。传统的液排渣旋风燃烧器技术是使煤屑在一个具有强烈旋转回流流场的圆柱型燃烧室中进行旋风燃烧，进入燃烧室的煤粉及灰渣在旋转流场的作用下被燃烧室壁面捕集并附着在壁面熔渣层上进行附壁燃烧，较细小的煤粉则浓集在壁面附近进行悬浮燃烧。这种燃烧器具有非常高的燃烧强度，其容积热强度可达42×106KJ/m3.h。由于大量灰渣被壁面熔渣层捕集并在高温下成液态渣除去，进入炉膛的是比较洁净的高温火焰和烟气。这种燃烧方式保留了煤粉燃烧方式的优点，如燃烧连续稳定、易于调节、燃烧气氛可控等，克服了煤粉燃烧火焰含灰量高的缺点。但是传统的液排渣旋风燃烧器，不论是立式还是卧式的，为了在燃烧室中形成强烈的旋流，其二次风均是从燃烧室的侧面切向或割向引入。这种进风方式的优点一是结构简单；二是二次风具有最大的角动量，能产生最大限度的强旋流。但是，我们通过对其流场的测定发现，切向进风导致燃烧室中旋转回流流场的严重畸变，極大地破坏了旋转流场的轴对称性，回流区缩小，旋流的回流现象大大减弱，从而缩短了煤粉在燃烧室中的停留时间。由于旋流流场的紊乱，对灰渣的离心分离作用显著减弱，大量煤粉及灰渣短路逸出燃烧室，使得捕渣率难以提高。更成问题的是，由于二次风口开在燃烧室侧壁熔渣的流场之中，高速的二次风气流对风口处的强烈冷却作用使熔渣在该处凝结，造成结渣，使燃烧不稳定，严重时还会堵塞风口而被迫停炉。为解决风口结渣堵塞问题，一个办法是将二次风预热到摄氏一千度以上，如TRW公司的液排渣旋风燃烧器就是这么做的。为此必须采用预燃室结构，从而使燃烧装置变得很复杂，难以在一般工业窑炉上应用。（图片） 针对上述问题，我们从如下几个方面入手，进行改进：
1）改进燃烧室中的流场。流场对燃烧室中的燃烧状况起着决定性的影响。图一为传统的液排渣旋风燃烧器实测的流场轴向分速分布图。可以看出该流场对称性极差，畸变严重。 图二 煤粉低尘燃烧器
我们通过流场多次试验，采用端面预旋进风技
术在燃烧室中形成一个完全轴对称的、完整、规则的旋转回流流场（见图二）。这为合理组织燃烧、延长煤粉在燃烧室中的停留时间、防止煤粉短路逸出燃烧室、充分发挥旋转流场的离心分离作用创造了必要的基本条件。
2）取消燃烧室侧壁上的一切开口，使燃烧室侧壁成为一个完整连续的圆柱面。这为液渣和煤粉的附着进行强烈的附壁燃烧并在高速旋转气流的驱动下沿螺旋轨迹逐渐向排渣口流动
提供了一个没有任何阻碍的流场。消除了产生风口结渣、堵塞事故的根源。具有以上两个特征的燃烧室已完全不同于以切向进风为特征图一 液排渣旋风燃烧器流场的传统液排渣旋风燃烧器。
3）改进给煤结构，采用浓相定向的给煤结构直接把煤粉加进最外层旋转气流中，使煤粉在燃烧室中具有最长的运动路径，消除煤粉“短路”逸出燃烧器的机会，从而提高了捕渣率。
4）合理的煤粉粒度控制既保证绝大多数煤粒子能被惯性分离附着到燃烧室壁面上进行附壁燃烧，又保证液渣到达出渣口时煤粒均已燃尽，使捕渣率及燃烧效率均大大提高，同时也节省磨煤电耗。
5）加入添加剂以调节液渣的熔点及黏度，同时由于低尘燃烧器中燃烧气氛为强还原性气氛，可抑制NOx的生成及促进CaS的形成以达脱硫目的。
通过上述的改进，显然这种新型的煤粉低尘燃烧技术已不同于传统的液排渣旋风燃烧技术，其主要特点是它具有液排渣旋风燃烧器所不可能有的高捕渣率和相对简单的结构。这是一项符合我国的能源资源情况，适合我国经济技术水平的以煤代油技术。这项技术特别适用于连续生产的大型燃油工业窑炉的改造。据推算，使用本技术，每用煤顶替一吨燃油，可节省燃料费用人民币500元左右。本技术也适合于燃煤工业窑炉的改造，特别是可把间歇生产的燃煤工业窑炉改造成连续生产的窑炉,从而大大提高窑炉的热效率，节能潜力巨大。
（三）结论
煤粉低尘燃烧器对传统的液排渣旋风燃烧器进行了重大的技术革新，克服了其固有的缺点，使捕渣率大幅度的提高。其火焰的洁净度高于水煤浆火焰，可与重油火焰相媲美。此外，这项技术不需对煤进行特殊加工，煤种适用范围宽，经济性好。因此，这是一项在工业窑炉上实现以煤代油以及对老式燃煤工业窑炉进行改造的极有前途的煤洁净燃烧技术。
1/10/2005
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