燃水煤浆导热油炉与水煤浆喷嘴的研究开发
汪琦，俞红啸，张慧芬，汪育佑
（上海热油炉设计开发中心 上海 200042）
摘 要：介绍了水煤浆的种类，分析了燃水煤浆导热油炉的结构型式及循环供热系统，探讨了水煤浆燃烧器和预燃室的结构设计方法，并对水煤浆喷嘴的结构类型和材质进行了分析比较，讨论了水煤浆喷嘴的雾化效果，研究了水煤浆燃烧器中的油枪点火及着火燃烧过程，总结了水煤浆喷嘴的设计与计算方法，最后对炉膛结构型式、辐射受热面与对流受热面、空气预热器的设计与计算步骤进行了分析研究。
关键词：水煤浆；导热油炉；燃烧器；喷嘴；预燃室；热定型机
前 言
涤纶等合成纤维均属于热塑性纤维，在它们的大分子结构中亲水基团，纤维结构又紧密，吸湿性很低，湿润后纤维的膨胀程度小，在通常条件下的缩水现象并不显著。合成纤维织物尺寸和形态的稳定性主要是指织物在受热时，特别是在较高温的条件下，发生收缩和变形。
这就降低了纤维的使用价值，所以要进行热定型加工。其加工原理是利用合成纤维的热塑性，将织物保持在一定的尺寸和形态，加热到所需温度，然后急速冷却，使受热后变化了的微结构固定下来，从而使织物的尺寸和形态达到稳定。其本质上是由于纤维大分子链段的重排，从而消除内应力。
采用导热油炉加热定型机烘箱内的空气[1]，通过安装在各节烘箱内的导热油散热器加热空气的方式，定形温度高达180℃～210℃，供热温度稳定、温差波动非常小，用循环风机将空气送至导热油加热器加热，在经热风管喷射至织物上下面。由于织物带有一定的水分进入烘箱，因此前部比较潮湿的空气可排除出室外，而后部比较干燥的空气则可继续使用。
通常把织物表面达到所需定型温度前经过的距离称为预热区，而把预热区后一直到加热烘焙区这段距离称为定型区。通常根据织物品种和要求、热定型机烘箱内的空气温度等情况控制定型区温度与湿度，定型时间为20秒～90秒。织物离开定型区后，便要设法将它保持在定型时的状态进行强制冷却。
冷却方法是采用向织物吹冷风或者使用织物通过冷却辊，一般要求冷却后落布的温度在50℃以下；否则，织物堆入布箱内或打成卷后，不仅因为热的作用发生收缩，而且还可能产生难以消除的皱痕。
1．燃水煤浆导热油炉结构的设计开发
水煤浆主要有以下几种类型：
（1）超低灰精细水煤浆
灰分要求在1%～2%，细度小于10μm，黏度很小，其制备方法较复杂，销售价格很高，但是环境保护效果最好。
（2）精煤水煤浆
原煤采用焦煤或肥煤，将原煤经过洗煤或选煤，除去大量灰分及硫分，制作成为精煤，并以精煤为原料制造成的水煤浆。精煤水煤浆质量指标是：浓度不小于65%，灰分为6%～10%，硫分不大于0.5%，挥发分不小于35%，平均粒度不大于50μm，黏度为1000～1500厘泊，发热值为17～21MJ/kg。
（3）环保型水煤浆
在水煤浆制造过程中加入碱性有机废液（例如造纸废液）或石灰石粉等固硫剂，以提高脱硫效果。
（4）气化水煤浆
是由灰分小于25%的原煤制成，粒度较粗，粒度小于74μm占比为60%左右；导热油炉的燃料一般不使用气化水煤浆。
从环保效果及经济合理上考虑，燃水煤浆导热油炉的燃料一般使用的是精煤水煤浆或环保型水煤浆。燃水煤浆导热油炉在结构上可以分为炉体和炉膛两大部件。
炉体主要是由辐射螺旋盘管、炉顶回流管、对流蛇形管、集箱管、空气预热器等部件组成，炉膛主要是由燃烧器、稳燃室、燃烧室、出灰系统等部件组成，并配有循环油泵、注油泵、高位膨胀油槽、低位储油槽、鼓风机、引风机、除尘器、油气分离器、导热油过滤器、水煤浆供应系统和控制系统等装置共同组成向热定型机烘箱提供循环导热油的供热系统[2]。
从供热循环工艺系统和导热油炉的结构设计来看，该热源系统可分为燃烧发热系统和吸热输出系统两部分。燃烧发热系统的工况是：通过供浆泵把水煤浆送入燃烧器，并被压缩空气雾化后，在稳燃室和燃烧室中着火燃烧。水煤浆燃烧后的部分灰渣落入炉底，再通过出渣机把灰渣清出炉底。水煤浆燃烧时由鼓风机向燃烧室提供大量的空气，加热后的高温烟气穿过辐射段，并由引风机吸引后经顶部烟道进入对流段，再经过空气预热器后进入烟气除尘器，除去烟气中的烟尘，最后将达到标准的废气经烟囱排入大气中。
吸热输出系统的工况是：循环热油泵将低温导热油从密集的蛇形对流管下部的集箱管中输进炉体，在每根对流管中吸收热量后，从对流段上部的集箱管输出，进入炉顶部的回流管中接受辐射吸收热量，再经下降集箱管进入辐射螺旋盘管下部，经螺旋盘管的再次辐射加热后，使导热油内部含有较多热量，最后向热定型机烘箱供热。
经过热定型机用热后的低温导热油返回流进循环油泵，并再次输入导热油炉中，如此反复循环，源源不断地将水煤浆燃烧的热能输送至热定型机烘箱，从而实现能源的转换与输送作用[3]。
2．水煤浆喷嘴的研究开发
水煤浆是高黏度的液固两相流体，其黏度很高，而且含有较多的煤粉，因此，水煤浆燃烧器的雾化方式宜采用蒸汽雾化，由于蒸汽比空气重，其雾化效果较好；但若用空气雾化，则冲击力较小。如果燃水煤浆导热油炉附近没有蒸汽源，故只有采用压缩空气进行雾化，通常采用空气雾化就要求将空气压力提高至0.7～0.8MPa，故一般需要设置空气压缩机。同样如果采用蒸汽进行雾化，则一般需要购置一套导热油蒸汽发生器，用于产生蒸汽源。
2.1 水煤浆喷嘴的分析研究
水煤浆喷嘴应满足如下要求：
（1）有良好的雾化特性，能稳定着火，雾化角和射程都合适，具有较好地燃烧特性和较高的燃烧效率。
（2）有良好的防止堵塞性能，不至于因堵塞而影响长期的连续运行。
（3）有较好的防磨损性能，从而具有较长的使用寿命。
（4）有较好的负荷调节性能。
（5）有较低汽耗率。
水煤浆喷嘴按照雾化介质区分，有蒸汽雾化和压缩空气雾化，但都是利用雾化介质来撞击水煤浆。按照雾化介质和水煤浆交叉流动方式来分，常见的是T型结构和Y型结构，但无论何种形式的喷嘴，一般都是水煤浆从内侧流动，而雾化介质从外侧流动。
目前，导热油炉的水煤浆燃烧器通常采用Y型雾化、T型雾化及机械撞击雾化等多级雾化，其功能都是为了力求获得良好雾化效果。在燃烧器喷嘴的设计开发中，通常可将水煤浆的通道设计成较大，而且长度又较短，这样就具有了良好的防堵性能。
2.2 水煤浆喷嘴的材质
水煤浆是液固两相的流体，需要较大的能量进行雾化，而水煤浆又含有70%左右的煤粉，故喷嘴必然会产生较严重的磨损。所以，为了尽量减少其磨损、延长其使用寿命，就应该从水煤浆喷嘴材质与结构设计上进行充分的考虑。
由于喷嘴磨损程度与喷嘴材料有关，故在设计开发时就应该采用抗磨性能优良的材料，当然抗磨性能越好的材料，其价格也就越昂贵。目前水煤浆喷嘴如果采用碳化硅、氮化硅陶瓷材料，其使用寿命一般都能用到1000小时以上；如果水煤浆喷嘴采用碳化钨硬质合金耐磨材料，其使用寿命通常可达到10000小时。另外，有的水煤浆喷嘴在容易磨损的部位采用镶嵌陶瓷材料以增加其耐磨性能[4]。
在水煤浆喷嘴结构设计时可将压缩空气雾化孔的布置加以改进，使喷嘴内部雾化压缩空气与水煤浆在进行动量交换时，其径向分力互相抵消，从而减少对喷嘴壁面的磨损；同时在喷嘴的结构设计上，在容易磨损的部位出现了较大的磨损量时，喷嘴仍能具有良好的雾化性能。
2.3 水煤浆喷嘴的结构类型
水煤浆喷嘴的工作原理是运用气、液两相互高速冲击、剪切作用方法，水煤浆喷嘴的结构特点是借助内混或者外混的雾化空气来快速而均匀的稀释及雾化水煤浆，水煤浆喷嘴的类型有空气单、双级旋流雾化喷嘴、标准型与改进型的Y型喷嘴等型式，而在水煤浆燃烧器的设计开发过程中，应该考虑各种喷嘴结构型式的优缺点及其特性，来进行水煤浆喷嘴的设计开发和计算分析。
（1）气浆双级旋流单面空气雾化喷嘴
在单级旋流空气雾化与双级空气旋流雾化喷嘴的基础上进行设计开发，该种喷嘴通过单面空气雾化后，水煤浆经过大的旋流室之后会形成均匀的浆膜喷出，并且与安排在空气通道出口处的旋流空气相互作用，故其最终的效果是改善了水煤浆的雾化质量。另外，由于切向槽孔、旋流室及喷口处的压力损失等粘性影响；所以，该种旋流喷嘴一般仅适用于粘度不太高的水煤浆。
（2）双面强旋流空气雾化喷嘴
通常采用双面空气高速、强旋流对水煤浆液膜会产生强剪切力，可以解决高粘度水煤浆的雾化质量。早期的水煤浆喷嘴设计是在单面空气旋流雾化的基础上，在煤浆薄膜中央再加入一股雾化空气，故能雾化粘度高达2200mPa·s的高粘度水煤浆；但是该种水煤浆喷嘴所需要的空气/水煤浆的比例较高，故喷嘴的空气消耗会较大。
而在目前的水煤浆喷嘴设计过程中，则是利用高速气流作用在低速的、且逐渐减薄的悬浮状水煤浆膜上而使之雾化，该种喷嘴是在两股气流之间的扩张锥形液层逐渐减薄，经过环形窄缝喷出，与挟带高速气流再次加速，形成细而极稠密的喷雾流，促成快速而均匀的稀释及雾化，气流喷出速度为供给速度的10倍。
同时在喷嘴中心供入冷却空气可以作为冷却喷嘴之用，故该种喷嘴的冷却空气可以减少喷嘴头部受到导热油炉膛内辐射升温造成的影响；而在水煤浆喷口处采取了低的水煤浆流速，故有利于减少喷口处的磨损与腐蚀。
（3）反向平衡双旋流的外混式空气雾化喷嘴
该种型式的喷嘴是利用空气雾化的特点，从而可获得良好的雾化质量。在导热油炉燃烧室的结构设计开发时，一般在燃烧室前部的空气供给风是通过旋流器一、二次配风，并且在燃烧室后部的设计开发中安排布置了三次进风装置，从而使得整个燃烧室就像是一个高速燃烧器，这样通过合理的水煤浆喷嘴设计与组织配风装置，从而可使得水煤浆达到高效稳定的燃烧状况。
（4）标准Y型水煤浆喷嘴
当标准Y型喷嘴作为水煤浆的喷嘴使用时，需要在混合孔内镶嵌陶瓷套管、或者碳化钨硬质合金耐磨材料，从而可以提高其耐磨性，使得水煤浆喷嘴的寿命达到4000小时以上。
（5）改进优化Y型水煤浆喷嘴
改进优化的Y型喷嘴是将稍加变形的Y型喷嘴作为第一级喷嘴，水煤浆和空气的混合物由中心孔进入混合孔，与从四周对称分布气孔进入的空气进行冲击碰撞，然后进入一个内混室，进一步混合后再从多孔喷头内喷出。其雾化质量一般优于标准Y型水煤浆喷嘴，但是水煤浆和空气的供给压力则需要提高；另外，喷嘴的喷口表面则需要采用氧化铝涂层，以增强其耐磨性。
（6）撞击式多级雾化喷嘴
撞击式多级雾化喷嘴是多种、多级雾化方式的组合体，通常水煤浆进入喷嘴一级或多级混合室之前，与Y型结构雾化气（空气或蒸汽）进行逐级多次冲击雾化，最后在临近出口处会遇见一级T型雾化器的冲击，然后两相流雾化体一起以一定的速度冲击正前方的撞击件，从而产生机械雾化，最后雾化好的水煤浆从喷嘴头部喷孔喷出。
2.4 水煤浆燃烧器中的油枪点火与着火燃烧
水煤浆的燃烧与燃油有很大的区别，水煤浆中含有30%左右的水分，故增加了着火热量，延长着火距离是其主要区别之一，由此带来了着火困难。因为着火需用热量的增加，使得着火时间延迟，完成水分蒸发过程约需0.5～1.0米的射程，这就给水煤浆稳定燃烧带来很大的困难，为了使水煤浆雾炬顺利着火，必须使它获得足够的着火热量；而加热水煤浆雾炬的热量有高温回流热烟气、辐射热、化学反应热，这其中以烟气回流加热为主。所以，为了将水煤浆加热到着火温度，必须同时将进入炉膛的一次风也加热到着火温度。
故在水煤浆燃烧器结构设计中增加了油枪装置用于点火，通常油枪的设置有不同方式，一般大型水煤浆导热油炉可设置固定的油枪；而中、小型水煤浆导热油炉在空气雾化喷嘴上设置有水煤浆及喷油两个中心管，或在导热油炉外部进行更换水煤浆喷枪和油枪。
另外，水煤浆中的水分对燃烧过程的影响还表现在燃烧温度方面，水分的蒸发使部分热量消耗而炉膛内的温度下降则不利于着火，故在炉膛结构设计开发时，为了有利于水煤浆的着火，会在水煤浆燃烧器的周围附近炉壁上进行局部增设助燃带，以提高辐射热和减少散热损失。
燃水煤浆导热油炉的燃烧器一般安置在前墙上，故在设计开发时在前墙两侧布置不吸收热量的绝热炉墙，这样就使得前置式稳燃室处于保温状态中，从而提高了附近炉膛内的温度，用以加强水煤浆着火燃烧作用。
2.5 水煤浆喷嘴的设计与计算方法
水煤浆喷嘴的煤浆孔内流动属于层流运动，由于煤浆喷口的流速很低，因此，在计算水煤浆的流动阻力损失时，应该包括沿程阻力损失和进口阻力损失的计算，最后再计算单个煤浆孔内的煤浆流速和流量。
（1）层流流动的沿程阻力损失hL计算公式如下：
（2）进口阻力损失hi计算公式如下：
（3）煤浆孔内的煤浆流速uL计算公式如下：
（4）通过水煤浆孔的煤浆流量q计算公式如下：
（5）水煤浆雾化粒径dm的计算经验公式如下：
水煤浆喷嘴的设计与计算包括两方面的工作内容：一是由已经要求的水煤浆喷嘴流量、喷雾锥角、工作压力及水煤浆物性参数，去确定计算水煤浆喷嘴的几何参数；二是在已知喷嘴几何参数及水煤浆物性参数的前提下，计算出供煤浆量、喷雾锥角，以及预估雾化质量。前者称为水煤浆喷嘴的设计计算，后者称为水煤浆喷嘴的性能校核计算。
对于新设计开发的水煤浆喷嘴，两方面工作都要进行计算；而对于已有的水煤浆喷嘴，则可以经测绘后进行性能校核计算，并且可作为改进型修正优化喷嘴的依据。因此，如果按照上述步骤进行新设计开发的水煤浆喷嘴，一般来说是较为准确可靠的，且设计误差也较小。
3．预燃室的设计开发
燃水煤浆导热油炉采用压缩空气雾化，由于空气的压力较低，温度也较低，故一般都采用预燃室结构，即水煤浆在预燃室中着火再喷送至炉膛内继续燃烧。由于水煤浆在预燃室中完成水分蒸发、挥发分析出、点燃并形成稳定的火焰直接喷入炉膛内继续燃烧，故使得炉膛结构具有体积小、调节灵活的特点；而根据燃烧空气动力学的稳定燃烧原理设计开发的预燃室气流结构，可使得水煤浆燃烧器的稳定燃烧性能更加好，并且可以在冷风条件下起动和稳定燃烧。
在预燃室设计开发时其内壁会衬有耐火材料，由于燃水煤浆导热油炉的燃烧室内温度较高，故炉膛内壁容易发生结渣、积灰现象。所以，采用前墙下偏置式预燃室的结构形式，就可以通过调节控制射流束，从而达到在燃烧室内部，下半部温度低、上半部温度高；头部温度低、尾部温度高；炉壁面附近温度会明显低于中心区域温度的良好效果；而这种温度分布既能强化水煤浆的燃烧，又能提高燃水煤浆导热油炉的传热效率，同时又可以防止炉膛结构内壁的结渣和积灰现象。
4．燃水煤浆导热油炉的设计与计算
燃水煤浆导热油炉的设计原则是：燃烧器在设计上应具有可靠的安全性、备用性和切换性；热负荷的调节范围在60%～100%之间，对水煤浆有较强的适应性和可调性，燃烧水煤浆时的导热油炉热效率应大于80%以上，而且要防止出现水煤浆喷嘴的严重堵塞、磨损、烧坏等现象发生，烟气排放中烟尘、SO2、NOX的浓度要低；炉膛壁表面、辐射受热面、对流受热面、炉顶受热面要防止结渣和积灰；导热油应在较长时间内保持良好的导热性能和物性参数，且工艺状态处于高效率、低消耗，避免在炉管内壁表面上出现沉积后形成了结焦层，避免在炉管内部发生导热油结焦积垢现象，并尽量延长导热油的使用寿命。
对于燃水煤浆导热油炉的设计计算，必须结合其水煤浆的燃烧特性和导热油传热特性进行计算分析，再对炉膛的结构型式、辐射受热面与对流受热面、空气预热器等进行设计开发[5]。笔者设计开发燃水煤浆导热油炉的性能参数如表1所示。
炉膛结构设计与计算包括：炉膛结构进行水煤浆预燃室和燃烧室的结构选择和尺寸计算，以达到保证水煤浆的充分燃烬，并尽可能提高燃烧效率，同时还应使水煤浆燃烧产生的烟气在炉膛出口处能够被冷却至低于烟灰渣的变形温度，以防止结渣的产生。
辐射受热面的设计与计算包括：辐射受热面进行炉管热强度计算分析和温度传热计算分析[6]、以及预防在炉管内发生导热油结焦与积炭现象，并进行导热油流动及流速的计算分析。
对流受热面的设计与计算包括：对流受热面进行炉管热强度计算分析和温度传热计算分析、以及预防导热油内部结垢的发生，并进行导热油流动及流速的计算分析，同时还要进行烟气的流动及流速的计算分析[7]，并且需要防止烟气在对流受热面上的积灰与积碳，设计吹灰器的结构型式和布置吹灰器的安装位置[8]。
空气预热器设计与计算包括：空气预热器进行温度传热计算分析，同时还要进行烟气的流动和流速计算分析，并且要考虑烟气低温露点腐蚀问题，同时要认真选择好炉子排烟温度。
5．结语
由于水煤浆可以利用水力采煤、洗选精煤和湿磨获得，从而免去了复杂的、能耗高的脱水和干燥过程，并且可用地下管道输送与分配。因此，从煤的损耗、干燥费用、运输费用等方面核算是具有很大经济效益的，同时也改善了环境污染。另外，经过洗选精煤获得的水煤浆，降低了燃料中灰的含量和硫分的含量，燃料燃烧温度较低，氮氧化物NOX生成量少，水煤浆燃烧后烟气中污染物排量低于燃用煤粉的燃烧设备。
因此，以水煤浆代替重油燃烧是一项洁净煤燃烧技术，而将燃重油导热油炉改为燃水煤浆导热油炉具有投资少、见效快的特点，在采用水煤浆燃烧时，还应详细考虑一些具体的结构设计问题：
（1）燃油导热油炉改为燃水煤浆导热油炉时，要考虑增设冷灰斗，扩大炉膛空间。
（2）链条式燃煤导热油炉改为燃水煤浆导热油炉时，烟气中的夹带烟灰量会增大，蛇形炉管之间的间距中排尘量和积灰量也会增加，故要考虑增大除尘设备的排尘量，并采用干法和湿法除尘配合使用。
（3）水煤浆管路系统中的阀门在选用时，应充分考虑其抗腐蚀、抗磨损的问题，不采用阀门进行流量和压力控制时，应该保持阀门的全开或全关状态。
（4）要选用具有防磨措施、使用寿命长、可快速切换装配的水煤浆燃烧器。
（5）对流受热面要采取吹灰措施，增设吹灰装置，防止严重磨损和积灰现象。
（6）为了有利于水煤浆的着火燃烧，可在水煤浆燃烧器周围的局部区域增设助燃带。
通过对水煤浆、重油、天然气单位热值的价格互相比较后，可以得知水煤浆的价格低于重油及天然气的价格，因此燃烧水煤浆的经济效益显著；如果采用燃烧环保型水煤浆的环保效果就更加明显。但是燃用水煤浆也需要一定的条件，首先是要有水煤浆源，并且要有合适的输送条件。
若是虽有水煤浆厂供应水煤浆，但距离很远，或需用罐车输送，则应考虑增加运输费用后是否经济合理；而采用“炉前制浆”是可以降低水煤浆的输送费用，使运行成本下降，但是需要投入建立水煤浆制备设施的大量投资费用。
另外，水煤浆内终究含有煤粉粒子，属于化石燃料，燃烧水煤浆导热油炉的排放烟气中存在污染物和二氧化碳排放，因此，燃水煤浆导热油炉还需要进一步提高能效和减少碳排放。
参考文献：
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[4]汪琦,俞红啸,张慧芬等.燃水煤浆导热油炉的结构设计[J].工业加热,2015,44(3):29-30.
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[8]汪琦,汪萍,俞红啸等.载热体加热炉对流室中两层盘管之间的吹灰结构设计[J].工业加热,2015,44(3):57-60.
作者简介：
汪琦，硕士，高级工程师，长期从事热载体加热技术、新能源技术、节能减排技术、热油炉、热风炉、热水炉、熔盐炉、道生炉、联苯炉、焚烧炉、生物质气化炉的设计研究开发工作。
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