3.4 粉状有机废弃物悬浮燃烧
在工业上，固体有机废弃物除了可以采用层状燃烧、沸腾燃烧和流化燃烧外，还可将其碾磨成一定细度（一般是20～70m）的粉末，用空气通过喷燃器（或称煤粉燃烧器，如图3-18所示）送入炉膛，在炉膛空间中悬浮燃烧（见图3-19）。这种燃烧方法称悬浮燃烧法，由于工业上所采用的燃料大多为煤炭，因此习惯上称其为煤粉燃烧法。
图3-18 煤粉燃烧器
图3-19 悬浮燃烧
悬浮燃烧法是20世纪20年代出现的一种燃烧方法，但直到1935年出现了较完善的制粉设备以后，才开始在动力锅炉上大量采用。
与层状燃烧法相比，悬浮燃烧法的最大优点是可以大量使用固体有机废弃物。实践证明，当用层状燃烧法燃烧发热量较低和灰分含量较高的固体有机废弃物时，炉温只能达到1100℃，而改用悬浮燃烧法时，由于悬浮燃烧的燃烧速率快，完全燃烧程度高，炉温可达到1300℃。
用来输送粉料的空气叫一次空气，一般占全部助燃空气量的15%～20%（与粉料的挥发分产率有关），其余的空气叫二次空气，另外用管道单独送至炉内。在采用悬浮燃烧法时，二次助燃空气可以允许预热到较高的温度，因而有利于回收余热和节约燃料。此外，采用悬浮燃烧法时，炉温容易调节，可以实现炉温自动控制，并且可以减轻体力劳动强度和改善劳动条件。
采用悬浮燃烧法，最好使用挥发分高一点的有机废弃物，这样可以借助于挥发分燃烧时放出的热量来促进炭粒的燃烧，有利于提高燃烧速率和完全燃烧程度，一般希望挥发分大于20%。对于以生物质为主要组成的城市生活垃圾，特别适宜采用悬浮燃烧法，但应注意控制含水量。有机废弃物中的水分对粉料的磨制和输送妨碍极大，因此，对于含水量较大的固体有机废弃物，在磨制前应进行干燥处理，最好把水分降到1%～2%，一般不超过3%～4%。实践证明，当水分含量达到7%时，在同样粉料细度的情况下，磨粉电力消耗将显著增加，而且还会显著降低磨粉机的粉料产量。
3.4.1 悬浮燃烧
悬浮燃烧是将磨成微粒或细粉状的有机废弃物与空气混合后从喷燃器喷出，在炉膛空间呈悬浮状态的一种燃烧。按空气流动方式的不同，悬浮燃烧可分为直流式（火炬式）燃烧和旋涡式（旋风式）燃烧两种。直流式燃烧采用的燃烧设备叫悬浮燃烧炉（又称煤粉炉，因采用粉状燃料得名），旋涡式燃烧采用的燃烧设备叫旋风炉（因空气旋转得名）。
悬浮燃烧系统由磨粉装置、粉料输送设备和燃烧设备所组成。图3-20所示是悬浮燃烧系统的一般组成。固体有机废弃物经给料器按一定速率进入磨粉机，在磨粉机中经过粉碎后送到分离器，不合格的粗粉沿回路重新回至磨粉机中进行研磨，合格的细粉则沿管道送至一次风机，在一次空气的带动下，以规定的速率送往粉料燃烧器。
图3-20 悬浮燃烧系统的一般组成
1—给料器；2—磨粉机；3—分离器；4—粉料输送管道；5—一次空气；6—二次空气；7—粉料燃烧器
根据供粉方式的不同，悬浮燃烧系统有直吹式供粉燃烧系统和中间储仓式供粉燃烧系统。直吹式供粉燃烧系统在任何时候整台磨粉机的制粉量都等于燃烧器的燃烧量，制粉量是随燃烧量而变化的，当燃烧量减少时，制粉系统负荷降低，会造成运行的不经济。中间储仓式供粉燃烧系统是将磨好的粉料用细粉分离器分离下来，储存在粉料仓中，然后再从粉料仓中根据燃烧量的需要，调节给粉机把粉料送入燃烧器进行燃烧。这种供粉燃烧系统供粉可靠，且可使磨粉机在经济工况下运行，但需要增加细粉分离器、螺旋输粉机及粉料仓等设备，因而系统复杂，投资较大，一般在电站锅炉中应用较多。
根据粉料用量的大小，制粉系统一般可以分为两种类型，即：集中式的制粉系统，规模较大，供全厂集中使用；分散式的制粉系统，规模较小，分散在各个车间，一套设备只供一个车间或一个炉子使用。
图3-21是一种简易的粉料制备和输送系统示意图。这种简易粉料制备系统的主要特点是，在粉料磨制过程中不使用干燥剂，而且从磨粉机出来的粉料不经过分离器就直接送往炉内燃烧。
图3-21 简易粉料制备和输送系统
1—料斗；2—给料器；3—磨粉机；4—送粉风机（一次风机）；5—粉料输送管理；6—二次风机；7—粉料烧嘴；8—加热炉
磨粉机是粉料制备系统的重要设备，它的类型很多，如何选取主要取决于产量的大小和料质的情况，后者主要指有机废弃物的含水量、挥发分产率和可磨性系数。可磨性系数是用来表示将物料制成细粉的难易程度的一个指标，它是在实验室条件下，将粒度相同的标准煤和被测定物料磨制成同样细度时所消耗的能量之比。可磨性系数越大，表示该物料越容易磨细。
悬浮燃烧的基本特点是，炉膛内的有机废弃物粉末和空气不进行旋转。它们在炉膛内的停留时间很短，一般只有2～3s。要在这么短的时间内完成燃烧过程，必须把有机废弃物磨得很细（平均直径在100m以下）。由于磨得细，表面积大大增加，因而改善了与空气的混合条件。再加上炉膛温度高，燃烧可以进行得很剧烈。各种有机废弃物都可有效地燃烧，所以悬浮燃烧炉具有燃烧效率高、热强度较大、负荷调节方便的特点。
图3-22为采用悬浮燃烧技术的生物质水管锅炉。在悬浮燃烧中，需要对生物质进行预处理，要求颗粒尺寸小于2mm，含水率不超过15%。先将生物质粉碎至细粉，再与空气混合后一起切向喷入燃烧室内形成涡流，呈悬浮燃烧状态，这样可增加滞留时间。悬浮燃烧系统可在较低的过剩空气下运行，可减少NOx的生成。生物质颗粒尺寸较小，高燃烧强度会导致炉墙表面温度升高，这会较快损坏炉墙的耐火材料。另外，该系统需要辅助启动热源，辅助热源在炉膛温度达到规定要求时才能关闭。
图3-22 采用悬浮燃烧技术的生物质水管锅炉示意图
1—初级空气；2—燃料输送；3—还原段；4—烟气回流；5—灰室；6—二次空气；7—三次空气；8—锅炉水管
与层燃炉相比，悬浮燃烧炉具有下列优点：a．燃烧效率高；b．可采用灰分、水分多的固体有机废弃物；c．可实现操作运行的全部机械化和自动化；d．单机容量可以做得很大，适宜于大型动力工业的需要。
悬浮燃烧炉虽有上述优点，但亦存在一些不足，主要是：烟气中飞灰含量高；金属受热面易磨损；受热面上积灰和结渣问题较严重；需要一套制粉设备，使能耗增加。此外，操作、运行也较复杂。
3.4.2 悬浮燃烧装置
悬浮燃烧系统中的燃烧器是一个重要部件，其功能是将燃料和空气送入燃烧室，并组织气流使燃料和空气合理地在燃烧室中混合、着火和燃烧。这类燃烧器在工业炉中常用于煤粉的燃烧，因此习惯上称其为煤粉燃烧器或煤粉烧嘴。煤粉燃烧器分为直流式和旋流式两类。
根据喷口断面形状，煤粉燃烧器有圆口煤粉燃烧器和扁口煤粉燃烧器，如图3-23所示。在设计时，重要的不是选择烧嘴的形式，而是按照有机废弃物的质量及炉子对火焰的要求选择合理的喷出速度。根据有机废弃物的不同，应当选择不同的喷出速度。
图3-23 煤粉燃烧器
煤粉燃烧器根据结构的不同，主要有以下几种形式：
（1）扩散式燃烧器
1）直流式燃烧器
直流式燃烧器的结构比较简单，常由一组圆形或矩形喷口组成，如图3-24所示。有机废弃物粉料和空气分别从不同喷口送入炉膛。喷口分为一次风喷口（将有机废弃物粉料送入炉膛并供给着火阶段所需空气）、二次风喷口（供给助燃空气，保证有机废弃物粉料的燃尽）和三次风喷口（加强有机废弃物粉料燃烧后期的混合）。直流燃烧器一、二次风喷口的排列方式有两种：一种是一、二次风喷口交替间隔排列，称为均匀配风。这种配风可使有机废弃物粉料和空气混合较快，因而适用于燃烧挥发分较多的有机废弃物。另一种是几个一次风喷口相对集中，称为分级配风。这种配风使一、二次风的混合推迟，它适用于燃烧挥发分较少的有机废弃物。大部分直流煤粉燃烧器布置在炉膛的四角，四角燃烧器的轴线相切于炉膛中心的假想切圆，形成切向燃烧。从各喷口喷出的射流火炬呈L形，共同围绕炉膛中心轴线旋转，然后汇集成略有旋转的上升火焰并向炉膛出口流去。
图3-24 直流式煤粉燃烧器
2）涡流式或旋风式燃烧器
涡流式或旋风式煤粉燃烧器有多种形式。
图3-25所示是涡流式煤粉燃烧器，一次风是通过蜗壳送入的直流风，二次风是通过轴向叶片送入的旋转射流。轴向叶片的角度可用拉杆进行调节，从而可在较大范围内改变二次风的旋转强度以适应有机废弃物多变的要求。这种燃烧器还可换烧重油和煤粉。在烧油或烧很容易着火的煤粉时，可以减少二次风的旋流强度，缩小扩展角，使二次风和油雾及煤粉较快地混合，在烧煤粉时可采用较大的旋流强度，增大回流区尺寸，以使煤粉易于着火和稳定燃烧。
图3-25 涡流式煤粉燃烧器
图3-26所示是旋风式煤粉燃烧器的结构示意图，其特点是二次风呈螺旋状进入，燃烧时火焰产生旋流，燃烧速率明显加快，火焰较短。
图3-26 旋风式煤粉燃烧器的结构示意
1—烧嘴砖；2—钝体；3—风壳；4—旋风室；5—直管；6—弯管；7—调节杆；8—手轮
3）双管式煤粉燃烧器
图3-27所示为双管式煤粉燃烧器，有机废弃物粉料和一次空气混合物从中间喷管喷出，二次空气从外层套管送入，其特点是火焰较长。
图3-27 双管式煤粉燃烧器
4）煤气、煤粉两用燃烧器
图3-28所示是一种煤气、煤粉两用燃烧器，可同时燃用两种或单独燃用任何一种燃料。
图3-28 煤气、煤粉两用燃烧器
5）电加热多级点火燃烧器
浙江大学从事电加热方面的研究，并形成了一套独特的方式，图3-29所示为电加热式多级点火燃烧器示意。
图3-29 电加热式多级点火燃烧器示意
1—第1级煤粉气流；2—环间风；3—电热丝；4—第2级煤粉气流；5—第3级煤粉气流
6）速差射流型燃烧器
图3-30为在回转水泥窑中燃用低挥发分煤的速差射流煤粉燃烧器的强化燃烧，设计了一种新型的煤粉燃烧器。为了不使煤粉火焰发散，使其能形成稳定的窑皮，该燃烧器由内外两个燃烧筒组成，在两燃烧筒壁之间形成一通道，高温烟气通过此通道回流至一次风出口，与一次风混合、加热，使煤粉提前着火燃烧。燃烧器外筒端面的冷却风仅在燃用优质煤时打开，以阻止高温烟气的回流。在其他条件给定的情况下，燃烧器内筒端面与喷口端面之间的距离就决定了高温烟气的回流，这个距离过大和过小都不利于回流量。此外，为了进一步增大烟气的回流，强化燃烧，必须采用中心大速差射流。它的作用是：进一步增加高温烟气的回流量；将煤粉约束在一定范围内，不致扩散；使窑炉的NOx排放量降低。
图3-30 速差射流型煤粉燃烧器示意
1—冷却风；2—一次风；3—中心高速射流管；4—孔板；5—燃烧器外筒；6—燃烧器内筒；7—高温烟气
（2）预燃式燃烧器
图3-31为预燃式燃烧器的结构简图。由磨粉机连续供给的一次风和有机废弃物粉料通过燃烧器的蜗壳旋流器形成旋流，在预燃室内强烈旋转。来自高压助燃风机的二次风经过燃烧器的分配阀，分成切线风和直线风。切线风进入预热室，与一次风和有机废弃物粉料充分混合并加大其旋流强度，在预燃室中心造成局部负压，形成回流区，建立起点火稳焰条件。同时，旋流使有机废弃物粉料停留时间增长，在高温下完成所需的燃烧和气化反应，形成1200℃左右的半煤气化混合物喷入炉内。直线风从燃烧器出口四周引射，使半煤气燃烧完全，并起降低燃烧器表面温度的作用。
图3-31 预燃式燃烧器的结构简图
1—一次风与煤粉入口；2—点火观察孔；3—蜗壳旋流器；4—预燃室；5—耐火衬里；6—二次切线风出口；7—二次直线风出口；8—分配阀；9—二次风进口
预燃式燃烧器的两种燃烧形式和冷、热态点火迅速是其重要的特点，适合随时启停的需要。根据直接点火方式的不同，预燃式燃烧器又有以下几种有代表意义的形式。
1）带根部二次风预燃式直接点火燃烧器
图3-32所示的带根部二次风预燃式煤粉直接点火燃烧器是很有代表性的预燃式燃烧器。在20世纪80年代初预燃式技术得不到广泛推广的原因就在于其易发生积粉、结渣、烧坏预燃筒等事故，根部二次风是解决这一问题的办法之一。
图3-32 带根部二次风预燃式煤粉直接点火燃烧器
1—一次风筒；2—一次风旋流叶片；3—根部二次风直叶片；4—预燃室筒体；5—出口二次风旋流叶片；6—预燃室出口；7—二次风箱
2）中心火炬式煤粉直接点火燃烧器
图3-33所示的中心火炬式煤粉直接点火燃烧器，它设置了一个前置油燃烧室，形成1200℃高温火炬入燃烧室，投入一次风粉后即可着火，既可点燃，又可作主燃烧器连续运行。
图3-33 中心火炬式煤粉直接点火燃烧器
1—空气；2—一次风粉；3—二次风粉；4—煤燃烧室；5—油；6—油燃烧室；7—一次风粉夹套；8—二次风粉夹套
3）抛物线内筒式直接点火燃烧器
图3-34所示的抛物线内筒式直接点火燃烧器是一种发展较成熟的结构形式。一方面，预燃室内筒采用了抛物线型，有将热量聚积的作用，再加上旋流产生的热回流，可以较理想地点燃煤粉。另一方面，在内筒外流过的二次风既起冷却内筒的作用，又使本身加热，以一定的方式进入预燃筒，起到防渣、吹灰的作用。
图3-34 抛物线内筒式直接点火燃烧器
1—一次风进口管；2—锥形管；3—套管；4—旋流叶片；5—燃烧筒外壳；6—外层风套；7—内层风套；8—抛物线型内衬；9—二次风嘴；10—吹灰喷嘴；11—隔板
4）等离子体直接点火燃烧器
图3-35所示为俄罗斯开发的等离子体点火系统，由预燃室和具有可动石墨阴极的同轴直流等离子体发生器（功率达200kW）组成，属于无油直接点火燃烧器。我国也成功进行了等离子体直接点燃煤粉的工业性实验并取得成功。
图3-35 俄罗斯乌斯基-可麦洛沃斯克电站锅炉用等离子体点火系统