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水煤浆技术在锅炉改造上的应用

前言  水煤浆是一种煤基流体洁净燃料,它是以70%左右的煤,30%左右的水,加上少量化学添加剂经过物理加工过程而制成的具有一定细度、能流动的稳定浆体。作为一种液体燃料,具有石油一样的流动性和稳定性,可以像油一样泵送、雾化、储存和稳定着火燃烧,燃烧效率高达98%以上且负荷调节范围大,并具有节能、污染物排放低、储存运输方便等特点。可广泛应用于工业锅炉、电站锅炉、工业窑炉等作为燃料代煤、代油、代气燃烧,其应用范围可涉及宾馆、医院、学校工矿企业、电厂、集中供热站等需要燃料的各行各业。  据资料介绍,我国是一个煤炭资源较为丰富而石油资源相对贫乏的国家,随着能源需求的快速增长,油、气、水煤浆的市场价格比约为10:6:2.4。水煤浆作为一项具有良好经济效益和环保效益的以煤炭转化为洁净燃料的技术,是国家重点推广的高科技产业项目――洁净煤技术之一,它的广泛应用对改善我国能源紧缺和环境恶化,建设良好的人居环境具有十分重要的现实意义。下面以某单位一台6.5t/h重油锅炉的改造为例来介绍水煤浆技术的应用。
工具/原料
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本着减少投资,控制造价的原则,考虑水煤浆与重油在锅炉内燃烧方式基本相近,锅炉采用水煤浆燃烧系统的改造就是在原锅炉承压部件不作任何改动的情况下,将锅炉的炉膛重新砌筑以适合水煤浆燃烧工艺,并配备水煤浆燃烧的其它辅助设施。锅炉的水煤浆燃烧工程改造分为六大系统:

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水煤浆锅炉本体系统;

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水煤浆储存、供浆系统;

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高压雾化系统;低压系统(消烟除尘系统);

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油点火系统;电气控制系统。

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下面分别予以介绍。

步骤/方法
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水煤浆锅炉本体系统(该系统包括锅炉本体及燃烧器等) 水煤浆因含有30%左右的水分而使其从加热蒸发到着火燃烧的时间延长,水煤浆的燃烧属于动力-扩散燃烧范畴。因此,水煤浆着火和稳定燃烧的基本条件是高温热源加热,良好的雾化和合理的配风以及保持燃烧区的高温。 锅炉本体改造的重点就是针对水煤浆燃烧的特点重新砌筑炉膛以适合水煤浆燃烧工艺。为提高炉膛温度,强化水煤浆的空间燃烧,提高燃烬率,在炉膛前部布置了稳燃室。打开原锅炉前墙,向前延伸适当长度,做成一个刚性的支撑框架结构以便安装燃烧器及除灰门,里侧全部用耐火砖及耐火混凝土浇注。考虑水煤浆燃烧所需的火焰长度及烟气行程,在炉膛中部距喷嘴一定距离处设置一道挡火墙,该墙设在炉膛温度较高处,一方面改变烟气流通方向,增加烟气在炉内停留时间,更重要的是利用它的蓄热和反向作用,使煤粉在燃烬区得到充分燃烧,同时又把部分热烟气反射到前部增加高温区的混合效果,而该区域正是焦碳燃烧阶段,其燃烧速度主要取决于温度水平。后部增加一道折烟墙,增加烟气的行程,以利煤粉的燃烬。在炉膛的前部还敷设了卫燃带,以减少前部水冷壁的吸热,保持前部着火区,焦碳燃烧区有足够高的温度,保证水煤浆雾化炬具有很高的升温速度,使水煤浆液滴中的水分迅速蒸发,进而使煤粉中的挥发份快速析出和着火,达到稳定燃烧。 其次,采用燃烧技术先进的燃烧器,使水煤浆得到充分雾化,与周围空气能良好混合,促进燃烧。可采用国产的烧油、烧浆共用的自动气体雾化漩流式专用燃烧器,其中浆枪为多级压力空气雾化、撞击式水煤浆喷枪,使压缩空气与水煤浆充分混合、细化喷射而出。调风器的一次风为固定切向叶片弱旋流型,阻力较小,它及时提供适量的火焰根部风并使燃烧器出口处形成大小和位置适当的高效烟气回流,以利稳定着火。二次风是通过可以调节旋流强度的叶片进入炉膛,提供空气和煤粉在燃烧的中期(焦碳燃烧)和后期(燃烬)均能有较强烈的混合,提高燃烧效率。 锅炉本体系统是锅炉改造的主要设备,是保证水煤浆充分燃烧和热量充分吸收的关键。燃烧器、炉膛的空间布置、流程和卫燃带等是否合理,将直接影响燃烧效率进而影响锅炉热效率,因此,该系统是改造工作的核心部分。

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水煤浆储存、供浆系统 水煤浆储存、供浆系统主要由储浆罐、搅拌桶,螺杆泵和过滤器等组成,储浆罐、搅拌桶具有储存、缓冲和搅拌水煤浆的作用,螺杆泵主要是向锅炉内供浆,过滤器清除水煤浆中的杂物以利于浆体输送。 储浆罐一般不宜过大或过小,设计时应从场地空间、日消耗量、供浆保障、方便使用及经济性几个方面综合考虑。该储浆罐设计储量为35吨,圆柱型结构;储浆罐上部应留有检查人孔,以备查看、进出用。进出浆口均设在下部靠近底板处,根据储浆罐的大小在罐周围装有均布的数只压缩空气管,切向入口,用来定期吹拌水煤浆,防止水煤浆产生软沉淀;储浆罐低部应有排放通道,便于罐体施工后试压验收及清洗时排污;整个罐体密闭,配有供空气流动的呼吸罐,使罐体内水煤浆与大气绝隔。搅拌罐按一天左右的使用浆量设计容量4吨,作为供浆的缓冲和搅拌用,每天工作时定期搅拌煤浆,防止软沉淀。 螺杆泵是输送水煤浆的容积式专用泵,主要是向锅炉供浆,考虑浆量的变化选择调速电机拖动。燃烧过程中,浆枪雾化需要一定的压力,当枪口堵塞时,压力可成倍增大,故炉前供浆管须选用无缝钢管,回浆管选用规格要与供浆管匹配。

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高压雾化系统 高压雾化系统是水煤浆雾化燃烧的关键。在浆枪头,压缩空气与煤浆混合并多次撞击、剪切,克服煤浆颗粒的表面张力,在压力作用下得到充分雾化以利燃烧;压缩空气还用来对储浆罐内煤浆进行风力搅拌,防止软沉淀和对煤浆管道进行吹扫。 主要设备为空气压缩机,可根据水煤浆燃烧时气耗量、锅炉改造后满负荷燃烧时耗浆量来选择合适的空气压缩机。空气压力要保证比浆压力略高,利于对浆雾化。

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低压系统(烟、风、除尘系统) 该系统由鼓风机、引风机、除尘器、排污水池和烟囱等组成。在保证水煤浆充分燃烧的同时,对排出烟囱的烟尘要控制在最低的范围内,达到环保要求。 鼓风机提供水煤浆燃烧所需的氧气,同时根据一、二次风的不同风量比例来调整火焰形状和火焰直径,使火焰处于最佳的燃烧状态,从而控制NOX化合物生成,减少大气污染。鼓风机风量应与锅炉出力匹配,一般1t/h锅炉需1200~1500m3/h的空气量,气压根据不同的调风器阻力选配,一般旋流式调风器,阻力约为1200~1500Pa。 引风机主要功能是组织火焰形状及保证在炉膛内的负压燃烧。为了将燃烧所产生的高温烟气经过热交换后排出锅炉,它克服锅炉、烟道和除尘器的阻力,达到与鼓风机平衡通风的目的,因此,它的流量与压头也应与整个燃烧产物和需要克服的阻力相匹配,在任一负荷下,保证炉膛负压稳定在10~30Pa。 除尘器根据引风量及除尘要求选用。为了达到理想的除尘效果,可采用中心场湿式除尘器,该种除尘器克服了普通水膜除尘仅采用离心效应除尘的原理带来的对于﹤10 μ m粒子除尘效果差的特点,充分利用中心场百叶窗结构,喷水与风流反向,增加了接触表面与时间,捕捉﹤10 μ m粒子能力增强,在除尘器出口加设水气分离板,减少引风机带水。另外除尘器制造可采用耐酸不锈钢材料,延长使用寿命。除尘器的排污通向室外沉淀池,在池的净水段,用水泵吸取净水喷入除尘器工作。沉淀池的大小依据除尘灰量及循环水量设计。水循环利用一方面节约了用水,另一方面也减少二次污染量。

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油点火系统 油点火燃烧系统主要包括油箱、油泵及其管路,它要保证水煤浆燃烧前的点火,同时还可作为燃油系统独立运行。 水煤浆锅炉在投浆前,先用柴油点火,并使炉温上升至450℃以上才开始投浆,而后使油、浆混烧,迅速提高炉膛温度,当炉温升至1000℃以上再停油,此后水煤浆独立燃烧。柴油点火系统由油箱、过滤器,齿轮油泵、电磁阀、油枪、高压点火器和控制器组成。

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电气控制系统 为保证水煤浆锅炉的安全运行,必须设置电气自动控制系统。包括: (1)点火程序控制: 前扫气点火 点火火焰建立 水煤浆拌烧火焰建立 燃油火焰退出 水煤浆火焰燃烧。当点火火焰失败和燃油非正常退出时燃烧器立即自动停炉锁定。 (2)熄火保护。在锅炉前墙的燃烧器上方应配置火焰监测器,在锅炉熄火时能实现连锁保护,防止炉膛的爆炸事故。 (3)燃烧过程控制。采用温度控制及压力控制器,配有声光报警功能,通过采集煤浆压力、蒸汽压力和炉膛温度的数值信号,在自动燃烧的基础上控制燃烧器的启动/停止和大/小火的转换。 (4)水位自动控制。采用电极式水位控制器,设有高低水位报警铃和信号灯,根据电极信号,带动电磁接触器来启动和停止水泵运转。当水位达到危低水位时,危低水位信号灯亮并发出报警,同时供浆泵、燃烧器停止工作,连锁保护灯亮。 (5)断电保护。鼓风机、引风机、空压机断电时显示声光报警,并自动停止燃料供应;除尘器水泵断电时显示声光报警,提醒司炉人员采取抽施。 另外,主要机械设备的电压、电流信号也集中到控制屏上,在炉前还设置了煤浆压力表、压缩空气压力表、炉膛负压表、除尘器阻力表及油压表等就地仪表,方便司炉人员观察和对锅炉燃烧状况进行调整控制。

注意事项
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一、注意事项

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1. 锅炉出力的变化。由于油的燃烧速度比水煤浆快,所需燃烧空间比水煤浆小,再加上原锅炉是微正压燃烧,热强度较高,因此在现有炉膛空间下经过改造燃烧水煤浆后,不可能达到原锅炉的出力,改造后锅炉的出力将明显降低,业主和改造单位在燃烧器等设备选择时应充分考虑到这一变化。

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2. 为了减少煤浆的沉淀和堵塞管路,所有煤浆管道直径不宜太小,敷设时应尽可能保证沿介质流向有适宜的下降坡度,折向处曲率半径要大于4倍弯管直径,应尽可能考虑设置用水、气冲洗吹扫浆管的设施。

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3. 引风机采用调速电机。通过调速电机的转速和风门开度的双重调控,可以比较精确的控制锅炉的点火、燃油、油浆混烧时所需的风压和风量,从而在点火的每一个阶段都保持炉膛处在最佳的负压状态,提高锅炉点火的稳定性,减轻排烟对环境的污染。

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