糧食烘干節能環保煤粉熱風爐設計與燃燒分析

邱禹鑫， 于保軍， 張保林， 郝兆朋， 任萬飛

（1.吉林省允祥環保設備有限公司，長春130012；2.長春工業大學 機電工程學院，長春130012）

0 引 言

傳統的烘干用煤粉熱風鍋爐設備主要以煤粉作為燃料。煤粉的燃燒具有速度快、燃燒完全且效率高、使用煤種類范圍大，通過煤粉量的調節便于控制等優點。在煤粉熱風鍋爐設備工作時，煤粉燃料隨助燃氣體（空氣、氧氣等）一起噴入鍋爐設備的燃燒室，煤粉粒徑一般很小，在1000 μm以下，以20～50 μm的居多，比表面積大，在爐內懸浮態下燃燒。煤粉鍋爐燃燒設備主要由點火裝置、鍋爐內膛、燃燒器等部分組成。煤粉在鍋爐內膛停留的時間約為1～2 s，具有強化燃燒特點，燃燒的速度受化學動力和擴散的雙重影響。目前，煤粉爐主要存在的問題為：燃燒效率低；產生的灰渣較軟，易黏結，很難進行二次利用；燃料煤中含有一定的硫，在高溫燃燒過程中會產生粉塵、二氧化硫和氮氧化物等，對周圍的空氣環境造成嚴重污染；高溫度煙氣排放和熱量傳導等導致熱量損失嚴重，燃料燃燒放出的熱量利用率不高。基于以上煤粉燃燒的問題與現狀，燃燒過程中的化學因素得到了許多企業界與學術界相關學者與技術人員的關注，相關學者對于煤粉燃燒過程中NOx的形成特點與機制,通過實驗和數值分析的方法開展了減少NOx生成量的基本途徑和分級燃燒的研究[1]。通過對電站煤粉鍋爐生成NOx特性的詳細研究，鍋爐負荷、過量空氣系數、熱風溫度、制粉系統運行方式、燃燒器配風形式、煤種等與NOx的生成存在一定的關系，可以通過燃燒調整來達到控制NOx排放的目的[2]。中國石化上海石油化工股份有限公司針對煤粉鍋爐存在的NOx質量濃度高等問題,對鍋爐進行了整體燃燒優化調整，大大提升鍋爐的經濟性[3]。某電廠采用數值模擬研究分析不同負荷下不同煤粉細度對鍋爐燃燒的影響，研究得出：在深度低氧燃燒的狀態下，通過風量和煤粉細度的控制，煤粉的燃燒更徹底，煙氣中的含碳量明顯下降[5]。

根據煤粉爐及燃料燃燒的研究現狀，本文提出了一種糧食烘干用節能環保煤粉爐設計，傳統煤粉熱風爐與蒸汽發生器相結合，能通過水蒸汽與煤粉燃料間相混合形成水煤氣，使煤粉燃燒充分，提高燃燒利用率，減少有害氣體的排放，從而達到節能環保的效果。

1 節能環保煤粉熱風爐總體設計

為解決當前糧食烘干煤粉熱風爐燃燒不充分、燃燒效率不高，由熱傳導、煙氣溫度高等熱量損失嚴重，高溫燃燒過程中產生的粉塵、SO2和氮氧化物會對周圍的大氣環境造成了一定的污染等問題，本文提出一種節能環保糧食烘干煤粉爐，總體設計如圖1所示。

可以看出，當煤粉進入燃燒室開始燃燒，加熱爐壁的蒸汽發生器，產生的水蒸汽達到一定的壓力后，開始噴入燃燒室。如圖2所示，設計的蒸汽發生裝置對煤粉爐燃燒產生的熱量有回收作用，可通過壓力表和開關閥控制水蒸汽的噴出量，而且還能夠有效阻止熱量通過爐壁向外傳導損失熱量。該蒸汽發生裝置具有熱能回收效率高、節約運行成本的優點，還有與煤粉爐結合設備不增加占地面積的特點。

圖1 節能環保煤粉熱風爐總體設計結構示意圖

圖2 水蒸汽發生裝置示意圖

2 煤粉+水蒸汽燃燒分析

當水蒸汽噴射到爐內，利用水蒸汽與煤粉燃料間的反應及表面活性作用，促進燃料充分燃燒，降低灰粉、粉塵等流速，達到節約能源和保護環境的目的。碳與水蒸汽在爐內高溫化學反應生成水煤氣：

生成的CO、H2，還可以發生一系列連鎖化學反應：

這大大提高了能源的利用率。因為煤粉是固體粉末狀燃料，在煤粉燃燒的時候，其與空氣的接觸面積不大，這種情況下燃燒一般不夠充分，還會產生不完全燃燒的有毒氣體CO，但生成的大部分CO并不會與O2再反應，而是直接隨煙氣排掉。而水煤氣是氣態的，氣體與氣體反應接觸面大，更能充分燃燒，并且還有H2的燃燒，所以放出的熱量確實要多些，也就是充分燃燒比不充分然燒放出的熱量多。

水蒸汽在爐內可產生“爆炸”，蒸汽爆炸提高熱能能量轉化系數；水蒸汽可摻雜一些有機物產氫催化劑，如烴、小分子醇等，提高火焰溫度，其反應化學方程式如下：

生成的CO還可以與水蒸汽進一步發生放熱反應：

在摻水燃料中加入產生氫的催化劑時，不但可以提高能量的利用率，而且還能減少煙氣中有害氣體（如NOx）的排放。

在煤粉燃燒時，水蒸氣可以增加煙氣和火焰的輻射釋放出來的熱強度，在火焰中二氧化碳和水蒸氣是發生強大輻射作用的主要因素，可以有效地提高燃燒火焰黑度。

此外，水蒸汽在助燃過程中能夠加強過細煤粉的團聚力，過細煤粉將被粗化，形成較大顆粒的結塊，而水蒸汽也會使煤塊的表面被濕潤，易于黏結過細煤粉，使其塊狀化。最適于燃燒的煤粉粒度為3～25 mm，因此在燃燒過程中大量過細煤粉在水蒸汽的作用下被顆粒化，會有效地提高燃燒效率。過細煤粉既可以隨煙氣揚飛，也不易隨煤渣漏落，可以大大增加可燃物的利用率，從而增加了煤粉燃燒的熱量，提高燃煤熱風鍋爐設備的熱效率。

將煤粉+水蒸汽復合燃燒技術應用于糧食烘干煤粉熱風鍋爐設備上，可有效地改善糧食烘干機熱風爐的燃燒狀況，能夠提高煤種適應范圍和放熱效率，使其熱效率提高到85%，煤粉熱風爐效率較改造前提高10%～15%左右。

通過上述分析，本設計可以帶來如下有益效果：1）使煤粉燃燒充分，提高燃燒利用率；2）通過蒸汽發生裝置能夠有效回收由爐壁熱傳導損失的熱量；3）能夠提高爐內火焰溫度；4）減少有害氣體的排放，有益于大氣環保。

3 結 論

通過節能環保煤粉熱風爐的設計及相關分析，有效阻止熱量通過爐壁向外傳導損失熱量，且能加熱蓄水器中的水形成水蒸汽，當水蒸汽射入燃燒室后，水蒸汽與煤粉燃料混合形成水煤氣，并發生一系列連鎖化學反應，對煤粉表面產生活性作用，促進燃料充分燃燒，降低灰粉、粉塵等流速，達到節約能源和保護環境的目的。