燃煤锅炉改燃煤气喷嘴的设计及应用

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1、燃煤锅炉改燃煤气喷嘴的设计及应用朱文雷一、研究工作的背景和目的：石家庄焦化集团公司现有4台SHL20-13型蒸汽锅炉，原设计燃烧二类烟煤，自1980年投产以来，一直燃烧原煤，运行状态良好。近年来，由于石家庄市天然气进市后，开始陆续替换城市煤气，我公司生产的焦炉煤气除去民用、工业用及自耗外，尚有剩余煤气放散，即造成了能源浪费，又污染了环境。因此，锅炉改燃煤气项目被作为首要任务提出，而且要求改造后的锅炉即可单独燃烧煤气，又不影响单独燃煤，亦可煤和煤气混燃，还可根据煤气的富裕程度，调整锅炉燃煤与燃煤气比例，起到调节煤气的作用

2、，彻底解决煤气放散问题。其实，石家庄焦化集团公司一直有锅炉燃煤气的历史，特别是在80年代前，焦炉煤气没有工业和民用用户时，基本上用于烧锅炉。由于当时没有这方面的技术，大都用煤气管道直接送入炉膛燃烧，由于煤气没有配风和燃烧器，燃烧效率相当低，且存在不安全因素。90年代初期，我公司把一台20t/h蒸汽锅炉由燃煤进行了燃煤气改造，拆除了炉排系统，设计了直焰式燃烧器，把燃烧器装在前墙底部，这种燃烧器燃烧效率只能达到锅炉负荷的70%，且对水冷壁管及对流管束等受压部件造成损坏。因此，该项目立项后，设计人员观摩了兄弟单位锅炉燃煤气情

3、况，结合我公司燃煤气的经验，参考了大量资料，大胆探索试验，研究开发出了“双环型平行射流扩散式直焰燃烧喷嘴燃烧器”装置，该装置已正常运行近两年，其燃烧效率高，达到了预期目标。二、锅炉煤气燃烧器的选型及有关内容的讨论。（一）所选择的燃烧器应适应如下要求：1、锅炉所产生的蒸汽，供焦化生产各工序使用，要求蒸汽压力和流量稳定、连续，因此，所选择的燃烧器应燃烧稳定；2、原来锅炉以煤为燃料，因为外供煤气量减少，为充分利用煤气，减少煤用量，因此改烧煤气是作为一种技术措施，要求在原烧煤锅炉受压部件不动，炉膛结构不变的基础上，设置煤气燃烧

4、器；3、作为燃料的煤气，靠外供煤气管道余压送入炉膛，而空气则靠原有的鼓风机送入；4、烧煤气的燃烧器，应保证燃烧稳定，在正常操作时，不能发生回火（因此，应选用扩散式燃烧，而动力燃烧和大气式燃烧均不适用），也不能发生脱火现象（应带有稳焰器或相应措施）；5、安全：煤气燃烧火焰的形状、火焰长度、燃烧温度，对锅炉对流管束、水冷壁管、炉墙及炉排等不产生损伤；6、调节方便，便于切换燃料（煤，煤气），便于调整煤和煤气比例，制造、安装方便，经久耐用等特点。（二）所选择燃烧器的型式：8根据以上要求，综合分析各类燃气燃烧器的特点，确定采用双

5、环型平行射流扩散式直焰燃烧器，如图1所示：（一）燃烧器的选择依据及说明：1、由图1可见，所谓双环型平行射流扩散式直焰燃烧器，是指煤气在内管，空气在外内管的环隙内平行流动。为使煤气也形成环状流，在煤气出口（内管出口）处，与内管同心增加一个直径较内管直径小的圆盘——中心挡板。于是，空气和煤气从各自关口靠其余压射出时便形成两股环形射流，为强化扩散燃烧，缩短火焰长度，要求两股气均为湍流流动。两股环形气流在射流方向上沿纵向流动的同时，在各自径向方向上靠微团扩散和分子扩散混合，并进行燃烧。2、在煤气管出口处设置中心挡板的目的，一是

6、使煤气形成环状流，降低煤气流束的径向厚度；二是提高煤气出口流速；三是在中心挡板下游侧形成高温烟气回流。前两者可强化煤气和空气的横向混合，后者可将混合气体加热，尽快达到燃烧温度进行燃烧反应。因此，中心挡板尚有防止脱火的稳焰器作用。3、将煤气出口置于空气出口内部的目的，主要是减轻中心挡板下游侧的结碳现象。如上所述，强化横向混合，可使较多的氧渗入挡板下游侧，对分解析出的碳进行氧化反应。4、关于火焰长度的估计：文献[1]曾指出，“所有空气射流和双股平行射流，在离喷口一段距离后（8～10倍喷口直径处），均合成单一射流，显示出与单

7、股圆射流相类似的流型”。这说明，两股平行射流在离出口8～10倍处动量已完成，文献[1]指出，“单股射流的热量和质量传输系数均较动量传输系数Ci大，Cq=Cc=1.16Ci，随动量的增大，双股平行流轴线浓度下降得比单股射流要快，而且同步缩短火焰”。从而可初步估算，在正常炉膛温度下，火焰长度约为10倍煤气管口直径，既当煤气管口直径为100mm时，火焰长度约为1000mm左右。8应当指出，严格来说，应当针对一定的燃烧器及燃烧条件，联立求解动量传递方程，求得炉膛内气流速度场、温度场、浓度场，并借以确定火焰的形状和长短。但这样做

8、，必须以燃烧室气动力学的详尽研究为前提。显然，这类研究已远远超出本项工作的范围。因为本项工作的目的是如何在原有烧煤锅炉炉膛内布置煤气燃烧装置，因此，初步估计出火焰长度为1m左右。（一）关于煤气用量和空气用量的计算已知条件：锅炉产蒸汽量20t/h，锅炉运行压力P=1.1MPa饱和空气，锅炉排污率按10%计算，进水温度100℃（除氧后