粮食烘干节能环保煤粉热风炉设计与燃烧分析

邱禹鑫， 于保军， 张保林， 郝兆朋， 任万飞

（1.吉林省允祥环保设备有限公司，长春130012；2.长春工业大学 机电工程学院，长春130012）

0 引 言

传统的烘干用煤粉热风锅炉设备主要以煤粉作为燃料。煤粉的燃烧具有速度快、燃烧完全且效率高、使用煤种类范围大，通过煤粉量的调节便于控制等优点。在煤粉热风锅炉设备工作时，煤粉燃料随助燃气体（空气、氧气等）一起喷入锅炉设备的燃烧室，煤粉粒径一般很小，在1000 μm以下，以20～50 μm的居多，比表面积大，在炉内悬浮态下燃烧。煤粉锅炉燃烧设备主要由点火装置、锅炉内膛、燃烧器等部分组成。煤粉在锅炉内膛停留的时间约为1～2 s，具有强化燃烧特点，燃烧的速度受化学动力和扩散的双重影响。目前，煤粉炉主要存在的问题为：燃烧效率低；产生的灰渣较软，易黏结，很难进行二次利用；燃料煤中含有一定的硫，在高温燃烧过程中会产生粉尘、二氧化硫和氮氧化物等，对周围的空气环境造成严重污染；高温度烟气排放和热量传导等导致热量损失严重，燃料燃烧放出的热量利用率不高。基于以上煤粉燃烧的问题与现状，燃烧过程中的化学因素得到了许多企业界与学术界相关学者与技术人员的关注，相关学者对于煤粉燃烧过程中NOx的形成特点与机制,通过实验和数值分析的方法开展了减少NOx生成量的基本途径和分级燃烧的研究[1]。通过对电站煤粉锅炉生成NOx特性的详细研究，锅炉负荷、过量空气系数、热风温度、制粉系统运行方式、燃烧器配风形式、煤种等与NOx的生成存在一定的关系，可以通过燃烧调整来达到控制NOx排放的目的[2]。中国石化上海石油化工股份有限公司针对煤粉锅炉存在的NOx质量浓度高等问题,对锅炉进行了整体燃烧优化调整，大大提升锅炉的经济性[3]。某电厂采用数值模拟研究分析不同负荷下不同煤粉细度对锅炉燃烧的影响，研究得出：在深度低氧燃烧的状态下，通过风量和煤粉细度的控制，煤粉的燃烧更彻底，烟气中的含碳量明显下降[5]。

根据煤粉炉及燃料燃烧的研究现状，本文提出了一种粮食烘干用节能环保煤粉炉设计，传统煤粉热风炉与蒸汽发生器相结合，能通过水蒸汽与煤粉燃料间相混合形成水煤气，使煤粉燃烧充分，提高燃烧利用率，减少有害气体的排放，从而达到节能环保的效果。

1 节能环保煤粉热风炉总体设计

为解决当前粮食烘干煤粉热风炉燃烧不充分、燃烧效率不高，由热传导、烟气温度高等热量损失严重，高温燃烧过程中产生的粉尘、SO2和氮氧化物会对周围的大气环境造成了一定的污染等问题，本文提出一种节能环保粮食烘干煤粉炉，总体设计如图1所示。

可以看出，当煤粉进入燃烧室开始燃烧，加热炉壁的蒸汽发生器，产生的水蒸汽达到一定的压力后，开始喷入燃烧室。如图2所示，设计的蒸汽发生装置对煤粉炉燃烧产生的热量有回收作用，可通过压力表和开关阀控制水蒸汽的喷出量，而且还能够有效阻止热量通过炉壁向外传导损失热量。该蒸汽发生装置具有热能回收效率高、节约运行成本的优点，还有与煤粉炉结合设备不增加占地面积的特点。

图1 节能环保煤粉热风炉总体设计结构示意图

图2 水蒸汽发生装置示意图

2 煤粉+水蒸汽燃烧分析

当水蒸汽喷射到炉内，利用水蒸汽与煤粉燃料间的反应及表面活性作用，促进燃料充分燃烧，降低灰粉、粉尘等流速，达到节约能源和保护环境的目的。碳与水蒸汽在炉内高温化学反应生成水煤气：

生成的CO、H2，还可以发生一系列连锁化学反应：

这大大提高了能源的利用率。因为煤粉是固体粉末状燃料，在煤粉燃烧的时候，其与空气的接触面积不大，这种情况下燃烧一般不够充分，还会产生不完全燃烧的有毒气体CO，但生成的大部分CO并不会与O2再反应，而是直接随烟气排掉。而水煤气是气态的，气体与气体反应接触面大，更能充分燃烧，并且还有H2的燃烧，所以放出的热量确实要多些，也就是充分燃烧比不充分然烧放出的热量多。

水蒸汽在炉内可产生“爆炸”，蒸汽爆炸提高热能能量转化系数；水蒸汽可掺杂一些有机物产氢催化剂，如烃、小分子醇等，提高火焰温度，其反应化学方程式如下：

生成的CO还可以与水蒸汽进一步发生放热反应：

在掺水燃料中加入产生氢的催化剂时，不但可以提高能量的利用率，而且还能减少烟气中有害气体（如NOx）的排放。

在煤粉燃烧时，水蒸气可以增加烟气和火焰的辐射释放出来的热强度，在火焰中二氧化碳和水蒸气是发生强大辐射作用的主要因素，可以有效地提高燃烧火焰黑度。

此外，水蒸汽在助燃过程中能够加强过细煤粉的团聚力，过细煤粉将被粗化，形成较大颗粒的结块，而水蒸汽也会使煤块的表面被湿润，易于黏结过细煤粉，使其块状化。最适于燃烧的煤粉粒度为3～25 mm，因此在燃烧过程中大量过细煤粉在水蒸汽的作用下被颗粒化，会有效地提高燃烧效率。过细煤粉既可以随烟气扬飞，也不易随煤渣漏落，可以大大增加可燃物的利用率，从而增加了煤粉燃烧的热量，提高燃煤热风锅炉设备的热效率。

将煤粉+水蒸汽复合燃烧技术应用于粮食烘干煤粉热风锅炉设备上，可有效地改善粮食烘干机热风炉的燃烧状况，能够提高煤种适应范围和放热效率，使其热效率提高到85%，煤粉热风炉效率较改造前提高10%～15%左右。

通过上述分析，本设计可以带来如下有益效果：1）使煤粉燃烧充分，提高燃烧利用率；2）通过蒸汽发生装置能够有效回收由炉壁热传导损失的热量；3）能够提高炉内火焰温度；4）减少有害气体的排放，有益于大气环保。

3 结 论

通过节能环保煤粉热风炉的设计及相关分析，有效阻止热量通过炉壁向外传导损失热量，且能加热蓄水器中的水形成水蒸汽，当水蒸汽射入燃烧室后，水蒸汽与煤粉燃料混合形成水煤气，并发生一系列连锁化学反应，对煤粉表面产生活性作用，促进燃料充分燃烧，降低灰粉、粉尘等流速，达到节约能源和保护环境的目的。