燕化三電站220 t/h鍋爐系我國首臺設計燃用水煤漿的鍋爐，其爐前燃燒器由日本無償援助，燃漿霧化噴嘴為公司制造，鍋爐燃燒器為前墻布置，水煤漿槍共8支。鍋爐于2000年3月9日投燒水煤漿成功，之后進行了水煤漿的燃燒試驗，雖經中日雙方技術人員多方調整，但水煤漿燃燒不好、落渣和飛灰中含碳量高的問題一直未能得到解決，由于日方人員只進行了燃燒參數的調整，堅持認為霧化噴嘴結構沒有問題，故到2000午5月底，水煤漿的燃燒質量一直未能得到根本性的改觀。在這種情況下，對日立公司的燃漿噴嘴進行了改進和研制，經過多次實際試驗后，運行效果良好，鍋爐燃漿運行各參數均達到了設計要求。2000年10月至2002年10月，又對燃漿霧化噴嘴中的耐磨部件進行了實際運行試驗和結構的調整改造，實現了耐磨陶瓷件的國產化，降低了水煤漿燃燒運行成本，富通新能源生產銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料。
1、燃漿霧化噴嘴運行情況
日立公司制造的水煤漿槍為套筒式，其噴嘴結構如圖1所示。
水煤漿在槍內筒中通過，而霧化蒸汽則由槍內外筒中間通過。燃漿噴嘴為Y型蒸汽霧化撞擊式，其主要原理是利用霧化蒸汽和水煤漿的動量傳遞來撞擊破碎漿體。具體過程為：水煤漿從中心孔a進入，霧化蒸汽從四周孔b進入，兩者沖擊霧化后的混合體，通過孔c進入噴嘴頭部的混合室A中，然后再次沖擊正前方的撞擊件4，由于機械撞擊而使霧化的混合體進一步霧化，最后從噴嘴頭上的小孔d中噴出。
此燃漿霧化噴嘴運行中主要存在如下問題：
1.1水煤漿燃燒渣量大
由表1可以看出，使用日立燃漿霧化噴嘴，爐底渣量遠遠大于設計值，約為設計值的3倍。燃燒渣量的過大，不僅降低了鍋爐的熱效率，增加了蒸汽耗漿量，而且使得爐底撈渣機必須連續高負荷運行，無法保證鍋爐安全經濟生產。2000年5月8日，因為渣量太大，撈渣機來不及撈出，致使爐底渣井被爐渣堵塞，撈渣機過負荷運行，導致傳動鏈條斷裂，從而被迫停爐清渣處理，直接影響鍋爐正常運行。
1.2爐底渣及飛灰中可燃物含量高
使用日立燃漿霧化噴嘴燃燒水煤漿時，爐底渣顏色與原煤相差無幾，形狀為小顆粒，部分己結塊，撈渣機溢流水呈黑色，除塵器中的飛灰呈深灰色。經過多次取樣分析，爐底渣中的可燃物含量（平均值）為90%，飛灰中的可燃物含量（平均值）為14%。2000年5月25日，鍋爐燃用京西水煤漿，燃燒量為16t/h，檢測爐底渣中可燃物含量為93. 44%，電除塵飛灰中可燃物含量為16. 76%。
可燃物含量高，表明水煤漿中有絕大部分的固定碳未能得到充分燃燒，這不僅造成水煤漿燃料的浪費，更重要的是增加了鍋爐尾部受熱面二次燃燒的可能性，給鍋爐設備安全運行帶來危害。
1.3實際燃漿量達不到設計值
日立燃漿噴嘴的單支設計最大燃漿量為4.8t/h，而在試驗過程中發現，當燃漿量超過2 t/h后，水煤漿的霧化效果明顯變差，燃燒開始惡化，火焰形狀不穩定，且后部出現大量火星，當燃漿量達到4t／h時，目測大量的漿粒帶著火星掉進渣井，爐膛內火焰溫度明顯下降，鍋爐運行受到影響。
1.4漿量與霧化蒸汽量相互影響，調整困難
日立燃漿噴嘴設計水煤漿控制壓力為0. 65～0.9 MPa，霧化蒸汽控制壓力為0.75～1.0MPa，燃燒水煤漿量為2.5～4.8t/h。實際運行中，要使水煤漿能正常噴出燃燒，必須調整水煤漿壓力，使其大于霧化蒸汽壓力（實際控制水煤漿壓力為0.85～1.3 MPa，霧化蒸汽壓力控制為0.75～1.2 MPa)，而且燃燒漿量的大小與漿壓和霧化汽壓的差值成正比，差值越大，漿量越大；但在提升漿壓的過程中，霧化汽壓也隨之升高，相反，降低霧化汽壓時，漿壓也隨之降低，故欲調整好燃漿量和漿壓等參數是比較困難的。
2、水煤漿燃燒過程分析
水煤漿是由煤粉、水和少量添加劑混合而成的，著火困難是水煤漿燃燒的一個難點。一般把水煤漿的著火燃燒分為4個階段，即煤漿加熱階段、水份蒸發階段、揮發分析出和著火階段、固定碳燃燒及燃盡階段。
水煤漿霧炬噴入爐膛后，首先進行的是煤漿加熱和水份蒸發，蒸發過程為表面蒸發過程，即水份隨著蒸發的進行，不斷從漿滴中心輸送到蒸發表面，雖然其時間很短（毫秒級），只占總反應時間的0.1%～0.5%，但由于噴霧的初速度很高，所以經過此過程漿滴己運行到0.5～1 m以外。因此，水煤漿燃燒不好時，在噴嘴出口約0.5～1 m處會有黑區出現。水煤漿著火的另一重要因素是水煤漿中揮發份的析出和著火，該過程的關鍵是水份蒸發的情況，漿霧炬如能得到足夠的熱量，其中的水份即能迅速蒸發，揮發份析出和著火就很容易；相反，如水份蒸發時間過長，則著火就困難。同時，水煤漿在燃燒過程中還會出現一種結團現象，其主要機理是：在水煤漿滴揮發份析出的粘塑性階段，存在著兩個力的作用，一個是離心力，促使煤結團物的破碎；一個是粘著力，促使煤結團的進一步形成。在顆粒結團過程中，粘著力與顆粒粘塑性持續的時間成正比，因而快速的加熱可以減少這個時間，從而減少煤粒形成結團的趨勢。因此，如果漿滴能在高加熱速率下燃燒，粘塑性階段的時間就將大大縮短，使得顆粒還來不及熔化和結合，就形成一個松疏的結團物，結團物中顆粒間的粘著力很弱，由于高速加熱，結團物的角速度會很高，更大的離心力促使本來結合松散的結團物分散，從而使結團物更易于破碎，達到更完全的燃燒。
水煤漿能穩定著火和正常燃燒，并達到一定的燃燒效率還與原煤的種類、水煤漿的濃度、灰分、粘度以及鍋爐的爐溫、配風情況等有著密不可分的關系，但在以上條件均相同時，水煤漿霧化后的漿滴直徑對漿的燃燒起到至關重要的作用，霧化漿滴直徑的大小直接關系到漿中水份蒸發的時間，從而影響水煤漿的正常燃燒。霧化漿滴直徑增大，會使水煤漿霧炬著火燃燒4個階段的時間均加長，從而造成漿著火延遲，燃燒不穩定，燃燒效率低。故提高噴嘴的霧化性能，盡量減小霧化漿滴的直徑，對水煤漿的正常穩定燃燒有著積極的作用。
3、燃漿噴嘴霧化性能的分析
由于水煤漿的比重遠遠大于霧化蒸汽，因此從燃漿霧化噴嘴孔a中噴出的水煤漿柱作為一個整體與切向進入的霧化蒸汽相遇時，漿的動量要遠大于霧化蒸汽的動量，這樣兩相物質不易實現動量的傳遞，也就是只形成了漿柱在中心、蒸汽在四周包圍的汽漿兩相分離的混合體，未能達到使汽漿形成均勻混合體的目的。這樣的汽漿兩相分離物質通過孔c進入槍頭部混合室A中時，霧化蒸汽的動量己消耗殆盡，無法使漿體得到更長的霧化時間，當再次沖擊到撞擊件4后，雖能得到一定的使漿體撞擊破碎的效果，但霧化質量很差，造成霧化后顆粒度偏大，不能達到一定的燃燒粒度分布，而且燃漿量越大，噴嘴噴出的顆粒就越粗。當較大顆粒的漿霧炬進入爐膛后，煤漿加熱和水份蒸發時間延長，揮發分的析出和著火時間也相應延長，從而造成顆粒大的漿滴在重力和爐膛內配風的作用下，來不及燃盡便向下運動形成爐渣，只有一小部分小顆粒煤漿能正常燃燒。由此造成水煤漿燃燒時，爐底渣量大，爐渣和飛灰中可燃物含量偏高。故日立燃漿噴嘴的霧化性能較差，從而直接導致水煤漿燃燒不好。
4、燃漿霧化噴嘴的改進
以上分析表明，為使水煤漿能得到較好的霧化并能正常燃燒和燃盡，燃漿霧化噴嘴應達到如下質量要求：
(1)霧化特性良好，能夠穩定著火，并有較好的燃燒特性和較高的燃燒效率；
(2)防堵性能良好，能長期連續運行；
(3)使用壽命較長；
(4)汽耗率較低；
(5)霧化角和射程合適。
根據以上要求和對日立燃漿霧化噴嘴結構以及實際使用情況的分析，認為日立燃漿噴嘴的主要問題是霧化蒸汽對水煤漿的霧化作用太差，沒能達到一定的霧化效果。因此進行了以下的改造和實際燃漿試驗工作。
4.1增加蒸汽霧化的級數
改造后的日立燃漿霧化噴嘴結構簡圖如圖2所示。
首先，運用日立燃漿噴嘴的霧化機理，在噴嘴中增加了霧化件1。這樣，水煤漿以一定的動量從孔a進入，即遇到從孔b中切向進入的一級霧化蒸汽，通過動量傳遞后，使漿體得到初步的破碎后進入混合室A中；當霧化蒸汽的動量即將耗盡時，混合室A中的混合體即遇到從c處垂直進入的二級霧化蒸汽，再次動量傳遞后，使漿體得到進一步的破碎霧化；之后，通過孔e噴出的混合體，又一次遇到從d孔處進入的三級霧化蒸汽，又一次的動量傳遞后，汽漿兩相流進入混合室C中；最后以一定的動量撞擊撞擊件5，經機械撞擊破碎后從孔g中噴出。
由于以上三級霧化蒸汽的動量得以有效的利用，同時又延長了霧化蒸汽對水煤漿的作用時間，因而水煤漿的霧化質量得以大大提高。
4.2改造后的實際燃漿試驗
為了確定改造的合理性和正確性，先后進行了從燃燒1支到燃燒6支水煤漿槍的多種試驗。從表1可以看出改造后水煤漿燃燒后的實際渣量比設計值要小得多。實際觀察，水煤漿燃燒時能形成穩定的火焰，燃燒器璇口沒有黑區，實測爐膛火焰溫度在1350℃左右，表明水煤漿霧化后，燃燒過程處于正常狀態，漿中的固定碳得到了充分的燃燒和燃盡；而且，噴嘴的霧化角和射程均較合適，火焰沒有出現沖刷后水冷壁和側水冷壁的現象。相應的，燃燒后的爐底渣和飛灰中的可燃物含量也大大降低，實際檢測爐底渣中的可燃物含量由原先的90%左右降到10%以下，電除塵處飛灰中的可燃物含量也由原先的l4%左右降到6%以下。2000年10月30日，鍋爐燃燒6支水煤漿槍，燃漿量21 t/h，經檢測爐底渣和電除塵器處飛灰中的可燃物含量分別為2.27%和2.21%。
2000年12月19日至22日，220 t/h水煤漿鍋爐進行標定工作，為保證安全生產，鍋爐運行2支重油槍、6支水煤漿槍，燃漿量達到26～28 t/h，也就是平均每支水煤漿槍燃漿量達到4.3～4.5 t/h，此期間水煤漿燃燒穩定，爐渣量和飛灰量以及可燃物含量均正常，鍋爐各參數均達到了設計值。
2001年3月至5月，在鍋爐運行2支重油槍、6支水煤漿槍的情況下，又將漿量提高至30 t/h，此期間水煤漿燃燒穩定，經檢測爐渣量和飛灰量以及可燃物含量均正常；再提高到31t/h，此時燃燒有大量火星出現，為保證安全生產，未作進一步的試驗。在這期間，對大同漿、邢臺漿、京西漿及各種比例的混漿均進行了燃燒試驗，漿的燃燒及爐渣量和飛灰量以及可燃物含量均未出現異常。
對于水煤漿的燃燒壓力和霧化蒸汽壓力，改造后的噴嘴，其漿壓可在1. 0～1. 35 MPa之間調整，霧化蒸汽壓力可在0. 95～1.2 MPa之間調整；對于燃漿量的調整不再受漿壓與霧化汽壓差的影響，可以把霧化蒸汽壓力控制在一定值（按水煤漿質量情況調整定值），通過漿壓的調整來達到調整燃漿量的目的，這樣，對燃漿量的調整較改造前要容易操作得多。2001年12月26日，因外界突甩負荷，鍋爐運行人員緊急將漿量由30 t/h降至20 t/h，鍋爐燃燒未受影響。
至目前，單支槍的燃漿量一直保持在4.5～5t/h范圍內，燃燒正常，爐底渣和電除塵處飛灰中的可燃物含量均保持在8%和6%以下。
4.3對噴嘴耐磨損問題的考慮
材料磨損問題是普遍存在的。燃漿噴嘴中各部件的磨損，主要是由于水煤漿在噴嘴內與霧化蒸汽進行動量交換并被加速時，汽漿兩相流中的固體煤粒子和噴嘴孔內壁發生劇烈摩擦造成的。因此，解決好噴嘴的磨損問題，不僅可以延長其使用壽命，而且對節能降耗有著積極的意義。日立燃漿噴嘴在其易磨損部位采用了耐磨陶瓷材料，據日方介紹，使用壽命在5000 h左右，故在對噴嘴的改造過程中，未做改動，實際運行表明，材料的抗磨損性能確實很好，壽命最短的也在3 000 h左右，但價格相當昂貴，故必須找出國內的替代品，以進一步降低燃漿運行成本。
2000年12月，將噴嘴部分金屬部件進行了表面氮化處理，提高了金屬部件的抗汽蝕能力，延長了使用壽命；由于固定撞擊件5的金屬螺釘在強烈的撞擊沖刷下，特別易磨損，并失去其作用，因此將其更換成單只陶瓷釘，效果良好；同時，對國內的耐磨陶瓷件分別進行了各種試驗，比較了各自的性能和壽命。兩年來的多次試驗表明，國內的耐磨陶瓷件連續運行時間最短的在1 000 h左右，部分可以達到2 500 h，基本能夠保證鍋爐燃漿的正常需要，且其總體價格比日本件要低得多。
5、改造前后的經濟性比較
表2分析了日立燃漿霧化噴嘴改造前后的運行燃料成本情況。
由表2可知，同樣運行條件下，鍋爐燃料成本費用每h就會降低15 913-13 203=2 710（元），按年運行時間7 200 h計算，每年降低燃料成本費用2 710×7200=1 951.2（萬元、
6、結論
實際運行情況表明，對220 t/h水煤漿鍋爐日立燃漿霧化噴嘴的改造是正確和有效的，并且取得了一定的經濟效益。
影響水煤漿正常燃燒的因素很多，對燃漿霧化噴嘴的選型和進行一定程度的改造，應根據鍋爐的具體情況而定，增加噴嘴霧化蒸汽的級數，有利于水煤漿的霧化和進一步的燃燒，但應考慮耗汽量不能太高，一般控制在15%左右即可。
燃漿噴嘴的抗磨損性能不僅能延長噴嘴的使用壽命，保證鍋爐設備的安全穩定運行，而且對于降低備件成本至關重要，應得到必要的重視和進一步的探討，富通新能源不但生產銷售生物質鍋爐，而且還大量銷售生物質鍋爐燃燒專用的生物質顆粒燃料，生物質顆粒燃料主要由木屑顆粒機壓制生產而成。
