水煤浆工业锅炉优势分析及系统优化设计实现

剑晓

摘 要：本文通过分析我国的能源现状，并在此基础上，分析水煤浆燃料的优点和特点，在分析水煤浆燃料机理的基础上，分析燃烧装置、锅炉本身和尾部烟尘的处理功能各异，并对锅炉的控制进行了优化分析，分析水煤浆燃烧的稳定性和尾部烟气的处理问题。

关键词：水煤浆；工业锅炉；系统；优化设计

能源问题与环境问题是我国的重点问题，我国是人口大国，能源总量相对不足，而且燃料的质量不高，燃料呈现区域分布不均匀的问题。我国的煤炭储存量还是比较多的，已经探明的煤炭储量能够达到2000亿吨，人均每年要消耗150吨煤炭。我国还有很多潜在的煤炭资源能够供后人探明和使用。我国的石油勘探专家也对相关的数据做了统计，认为我国的石油可开采的总量为114亿吨。我国的石油的进口依赖程度还是比较严重的，在进口石油的过程中会消耗我国大量的资金，而且会对我国的能源安全带来不利的影响，所以，我国应该充分发挥能源的优势，使煤炭资源的优势得以发挥，从而能够生产出清洁的能源。

1 水煤浆的特征

按照煤与不同流体的混合程度来分析，煤浆的类型是不同的。主要可以分为油煤浆、油水煤浆、水煤浆和煤-甲醇煤浆。其中，油煤浆是由50%的煤粉和50%的油混合而成的，油水煤浆是由煤粉、油和10%以上的水构成的。水煤浆是60%的煤粉和40%的水构成的。煤-甲醇煤浆是由50%的煤粉和50%的甲醇古城的。

按照对煤的灰进行分析的基础上，煤浆又可以分为超低灰煤浆、低灰煤浆等。高灰煤浆是一种最常见的煤浆，是由煤泥和水构成的，在工业锅炉中被广泛地使用。石油焦浆是石油焦和油混合形成的。

水煤浆是一种新型的流体燃料，其70%是由水构成的，其特点主要有以下几点：

其外观呈现出重油的特征，其能够通过管道泵进行输送和装卸，也可以运用阀门进行流量的控制，而且也能够运用压力表对其压力进行分析。锅炉的燃料系统与燃油机组的运行机理十分的相似；其在燃烧时与重油具有相同的特征，都可以进行雾化后的燃烧，而且能够实现对空气的压缩，而且其燃烧具有稳定性特带你，能够使煤粉的燃烧特性得以保留。但是启动的时间过长，在负荷发生变动时，其适应能力也是比较好的，其能够实现完全的燃烧；水煤浆中含有30%的水，而且，即使是在封闭的环境中进行输送，也不会出现爆炸的事故，在运输和储存的过程中不用采取任何的防范措施；在媒体储存的过程中不会出现物料损失的问题，而且在锅炉燃烧的过程中不会产生大量的粉尘，也锅炉燃烧时也不会产生很大的噪音；与燃煤机组相比，锅炉的除尘设备的容量是比较小的，其灰场的容量仅仅为燃煤机组的四分之一。灰场扬尘不会对大气造成严重的污染。

2 水煤浆的环保优势

水煤浆在使用之前都是经过净化和浮选的，所以，能够将水煤浆中的灰尘清除，将水煤浆中的黄铁矿清除，所以，水煤浆在燃烧时不会产生灰尘和硫化气体，在燃烧时烟尘和硫化物的排放量是比较低的。在实际的应用中，可以发现，在水煤浆燃烧的过程中，其排出的烟尘中的二氧化氮气体也不多，所以，水煤浆是一种清洁环保的燃料。水煤浆的中水在燃烧中是不能提供热量的，在燃烧时由于水汽的蒸发还会造成热量的流失，但是，水能够使煤炭的活性提高，从而使煤炭由原先的固体燃料转化成液体燃料。水煤浆在正常的温度下其粘度为1000mpa，能够在管道泵中输送，也能够像原油一样雾化和燃烧，也能够通过长时间的运输，所以水煤浆从生产到燃烧，整个过程都是在封闭的环境中进行的，所以其使用起来是比较洁净的。

2.1 水煤浆锅炉的烟尘排放计算和比较

水煤浆在燃烧会产生的烟尘主要有两个原因，一是煤在燃烧时产生大量的粉灰，二是煤中含有的碳元素没有完全燃烧。

对1千克的水煤浆的烟尘排放量进行计算，烟尘排放量H=灰分的份額*1000000+1000000*煤粉的浓度*炭的份额*（1-燃尽率）*飞灰的份额=74004mg。

在对上述的飞灰的份额进行分析的基础上，运用台式的水墨脱硫装置，能够提高除尘的效果，其除尘率能够达到90%。在上面的计算结果中，灰分和水煤浆的浓度都是达到了最大的限值，所以，其计算的结果数值是偏高的。尽管如此，在对烟尘的排放浓度进行计算时，其标准还是高于国家的水平。

运用静电或者布袋的除尘器，其除尘的效果非常好，可以使锅炉燃烧时的排放达到国家一级的标准。这可以充分地表明，水煤浆的烟尘排放在经过处理后是可以达到要求的。

2.2 水煤浆锅炉的硫化物排放的计算和对比

在对水煤浆和重油燃烧的过程中，燃烧中的硫化物能够达到95%，一般是以硫酸离子的形式呈现，在这个过程中，假设燃料燃烧后产生的硫化物都是硫酸离子。

我国对于重油的排放浓度的规定时在900mg，通过对表1的数据分析，看出我国的锅炉燃烧排放量还是能够达到国家的相关标准的，但是在重油燃烧的过程中，重油燃烧产生的硫化物的量已经严重超标。

水煤浆是一种流体的燃料，其在使用的过程中可以起到脱硫剂的效果，在使用时结合碳酸钙和氧化钙一起使用，其脱硫的效果非常好，几乎四分之三的硫化物可以被清除，其排放的浓度为150mg，比国家的标准要低很多。而且水煤浆在燃烧中脱硫的工艺不复杂，而且也不用使用过于复杂的设备，不会产生大量的污染。

表1 水煤浆锅炉和重油锅炉燃烧时硫化物排放的浓度对比（每千克燃料燃烧）

燃料 硫分 硫化物量/mg 硫酸离子量/mg 热值MJ 烟气量/Nm 硫酸离子浓度/mg

水煤浆 0.407 4070 8130 19.32 11.343 733

低硫重油 0.99 9980 19990 40 13.5 1486

普通重油 2.4 24000 50000 40 13.5 3745

2.3 水煤浆锅炉燃烧的氮化物的计算和对比

锅炉在燃烧的过程中产生氮化物的原因是多方面的，其主要分为两大类，第一类是热力型的氮化物，还有一类是燃料型的氮化物。这两种氮化物都会随着锅炉温度的升高而升高，所以，氮化物生成过程中温度是一个比较重要的因素。在水煤浆锅炉燃烧过程中，因为燃料中水分的含量是比较多的，所以，锅炉燃烧时会有大量的水汽蒸发，这样就会导致很多热量的蒸发，水煤浆锅炉的温度比重油锅炉的温度低很多，所以，水煤浆锅炉中产生的氮化物也比重油锅炉燃烧产生的氮化物少。在国家对锅炉燃烧氮化物排放的指标为400mg，但是很多锅炉的燃烧是达不到这个要求的。

3 水煤浆燃烧的原理和相关的问题分析

水煤浆是由60%的煤粉和30%的水构成的，所以，其燃烧的原理与煤粉燃烧的原理是十分相似的，在燃烧中，所以的燃烧过程几乎都是在炉膛中完成的，水煤浆通过雾化直接喷入到炉膛中，在高温条件下，在炉膛内产生对流和辐射的作用，其加热的速度是非常快的，而且水分在蒸发时容易产生焦炭。水煤浆在燃烧的过程中与煤粉燃烧的区别在于水煤浆在燃烧之前是不用经过干燥处理的，其可以直接通过雾化的方式进入到炉体内燃烧，这样就会提高水煤浆着火的时间。水煤浆中的水分在炉内着火之前是必须完全蒸发的，但是在水分蒸发的过程中会消耗大量的热量，使水煤浆锅炉着火的时间比较慢，所以，在对水煤浆燃烧的原理进行分析的基础上，对煤的特性、煤颗粒的大小等因素进行分析的基础上，分析水煤浆的浓度，使水煤浆能够完全、稳定的燃烧。

水煤浆锅炉使用的过程中，着火时间过慢是个问题，水煤浆是由煤粉、水和少量的添加剂构成的，所以，在着火中水汽的蒸发会导致锅炉达不到着火点。所以，对不同的水煤浆的着火热进行分析，如表2所示。

表2水煤浆蒸发热和着火热及煤粉着火热的比值分析

水分（%） 水分蒸发占总着火热的比例 水煤浆与煤粉着火火热的比值

0 0 1.0

20 0.35 1.45

30 0.48 1.67

40 0.59 1.88

按照对水煤浆燃烧原理的分析，水分的蒸发会使水煤浆燃尽总时间延长8%。所以，水煤浆的浓度越高，其所占的百分比会越低。所以，水煤浆不能仅仅通过燃烧实现着火点，所以必须要运用辅助性的燃料帮助其燃烧。水分会降低燃烧的速率，原因在于水分的蒸发会带走很多的热量，水煤浆的水分越多，那么水煤浆锅炉燃烧的速度就越慢。如果水分过高，就会导致水煤浆燃烧的稳定性下降。

3.1 水煤浆稳定燃烧和燃尽的问题

水煤浆在燃烧的过程中其本质是实现的悬浮燃烧，其燃烧几乎都是在炉膛内进行的，因此，应该分析水煤浆的颗粒在进行悬浮燃烧时要用的时间，在对此进行分析时，应该控制好炉膛的容积，在对水煤浆炉膛进行设计时，应该分析其热负荷，确保水煤浆能够稳定的着火。

3.2 水煤浆燃烧炉膛结渣问题的分析

在对稳燃室设计后，能够提高水煤浆燃烧的速度，也能够提高水煤浆燃烧的稳定性，但是，在水煤浆燃烧的过程中，会在炉膛内存有大量的残渣，特别是在燃料的熔点比较低的问题下，如果锅炉的耐火砖上发生了结渣问题，是很难清除这些结渣的，而且结渣会越来越多，严重了会导致水冷壁管被埋在结渣中，导致炉膛的冷却功能失效。这些结渣会导致锅炉内的烟气不能及时地排出，而且这些烟气中也含有结渣的成分，会导致结渣的进一步增多，在锅炉运用中，会导致锅炉的负荷下降。

4 水煤浆工业锅炉的制作和系统的完善

我国的能源消耗是以煤炭为主的，因为我国的煤炭资源相对来说是比较充足的，这个现状是不能改变的。按照中国电器工业部门对工业锅炉使用情况的统计，对燃煤和然气的锅炉进行对比，燃煤的锅炉是占绝大多数的。按照我国的锅炉发展模式，对其今后的发展模式进行预测，燃煤锅炉的比例是在减少的，到2020年，我国燃煤的锅炉只占60%，到了2050年我国燃煤的锅炉只占50%、所以，作為国内锅炉生产的厂家都是根据能源的使用情况来研制锅炉的，对锅炉的燃烧装置、锅炉的本体进行了研究。锅炉系统的差别除了有燃煤和然气的差别，还有水处理系统的差别，排烟系统的差别等。

4.1 水煤浆工业锅炉炉前供浆系统的优化设计

在对炉前供浆系统进行设计时，一般要对浆罐、在线过滤系统设计，防止水煤浆中的颗粒不能完全燃烧，在浆罐中留下大量的结块，导致管路发生阻塞的问题。在进行炉前设计时，应该尽量将问题简化，减少管路的使用，确保管路在使用时是通畅的。所以，要对炉前供浆系统进行模块化的设计，分别对浆罐、过滤器、管路、阀门等进行设计，使这些装置能够在一个平台上操作，从而能够使安装和管理更加得便捷。在对回路进行设计时，要确保回路的循环，对工作台上的装置进行进行集中的优化处理。

4.2 水煤浆工业锅炉燃烧系统的优化设计

在对水煤浆锅炉燃烧的原理进行分析后，分析水煤浆燃烧效率的因素，其燃烧效率是受到很多因素的制约的，现在，还没有设计好合适的燃烧器的规格，所以，燃烧器与水煤浆锅炉不能匹配，水煤浆锅炉的燃烧装置在设计过程中比较简单，在锅炉燃烧时只能烧水或者烧油，而且从点火到锅炉的燃烧都是采用人工的方式，这种方式的效率比较低下。而且水煤浆锅炉的燃烧装置还没有设计保护措施，喷嘴很容易产生磨损，而且其寿命非常得短。

5 结语

在锅炉燃烧过程中，采用水煤浆作为燃料，其是一种清洁型的能源，能够减少硫化物和氮化物的排放，但是，在水煤浆锅炉燃烧时会产生燃烧不充分，热量的损失以及燃烧速度慢的问题，所以，应该改进锅炉的装置，采用辅助的燃料，提高水煤浆锅炉的燃烧效率。

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