四通道回轉(zhuǎn)窯燃燒器的開發(fā)、研制與應(yīng)用

作者:徐麗娟、曾學(xué)鋒、夏敬賢

摘要:燃燒器是水泥廠燒成系統(tǒng)的主要設(shè)備，它對節(jié)能降耗、提高熟料產(chǎn)質(zhì)量、延長回轉(zhuǎn)窯耐火磚和窯體的使用壽命、提高運轉(zhuǎn)率、擴大資源利用、縮短窯筒體長度、降低有害氣體NOx的排放有著舉足輕重的作用。隨著新型干法窯外分解技術(shù)的不斷應(yīng)用，對燃燒器的要求也日益提高。鑒于其對回轉(zhuǎn)窯技術(shù)性能及運轉(zhuǎn)率的影響較大，各國水泥裝備設(shè)計、制造公司均把燃燒器作為重點設(shè)備進行開發(fā)和研制。隨著我國水泥廠規(guī)模的不斷擴大，5000t /d，10000t/d生產(chǎn)線逐漸普及，為解決大型多通道燃燒器長期依靠進口的狀態(tài)，我國各大水泥裝備公司、大專院落校先后進行了各種形式的多通道燃燒器的開發(fā)與研究，取得了可喜成果。本文將主要針對新型多通道燃燒器的設(shè)計開發(fā)及應(yīng)用中的理論依據(jù)、工作原理及其結(jié)構(gòu)特點作論述。
1、回轉(zhuǎn)窯燃燒器的發(fā)展

　　回轉(zhuǎn)窯燃燒器發(fā)展到，已有4代產(chǎn)品。
（1）單通道燃燒器。單通道燃燒器一次風(fēng)用量大，火焰調(diào)節(jié)范圍窄，靈活性小，對不同煤質(zhì)適應(yīng)性差。適用于長回轉(zhuǎn)窯，除濕法窯外，也適用于干法窯生產(chǎn)。
（2）三通道燃燒器。20世紀80年代初，隨關(guān)回轉(zhuǎn)窯變短以及預(yù)熱器和分解爐系統(tǒng)的開發(fā)，三通道燃燒器被開發(fā)出來，它節(jié)省了一次空氣量，燃燒煤粉時能取得短、分散、強渦流形的火焰。
（3）第三代燃燒器。20世紀90年代末開發(fā)的第三代燃燒器的火焰的細長，但比較集中。優(yōu)點是火焰溫度高，燃燒器出口處的速度高，減少了一次空氣量。
（4）四通道燃燒器。四通道燃燒器是新一代燃燒設(shè)備，專門用于回轉(zhuǎn)窯。其設(shè)計可以使用權(quán)火焰的基部形成循環(huán)渦流，在冷窯點火時產(chǎn)生理想的穩(wěn)定火焰。主要的特點是節(jié)能（通過大幅度減少一次空氣量）和減少環(huán)境污染（通過降低NOx排放量。）

2、四通道燃燒器的理論依據(jù)

　　四通道燃燒器是科研人員根據(jù)冷、熱態(tài)實驗基地的技術(shù)參數(shù)，對國內(nèi)上百家水泥廠進行實地考察，以國內(nèi)外三通道煤粉燃燒器為基礎(chǔ)開發(fā)出來的。采用現(xiàn)代多新燃燒技術(shù)--大速差和強旋流理論，使火焰的內(nèi)部范圍的燃料聚集；通過降低一次空氣消耗量來降低火焰根部范圍內(nèi)的氧含量并降低溫度峰值；優(yōu)化燃燒器噴嘴系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)噴嘴的幾何形狀來改變一次風(fēng)量。
2.1、一次空氣量與軸向噴射速度
燃燒器的作用優(yōu)先是保證火焰的長度。火焰長度主要取決于煤粉與燃燒空氣的混合速率，而混合速率主要由燃燒器單位推力（即一次空氣的動量和單位時間輸送空氣的流量）所決定。如果推力大，火焰短，煤粉的潛熱就會在一個小的體積內(nèi)釋放，因而火焰溫度變得很高；如果減小推力而使火焰長度延長，火焰溫度將會下降。
火焰是經(jīng)噴射氣流形成的，確定氣流噴射量的大小是動量（M）。
M=A×V
式中：
M--動量，%·m/s;
A--一次空氣體積百分數(shù)，%；
V --軸向風(fēng)噴速，m/s。
對同一種煤來說，其完多燃燒所需的動量是一定的。而對同一型式的燃燒器來說，其動量有一定的范圍，因而一次空氣百分數(shù)用量愈低，其軸向噴速愈高。不同型式燃燒器的動量范圍是不同的，因而其噴速也不等，但各種燃燒器的噴速均符合上述規(guī)律。早期燃燒器軸向噴速在100m/s-150/s左右，隨著一次風(fēng)量的降低，目前均設(shè)計在200m/s以上。軸向噴速增加，相應(yīng)增加了火焰長度，降低了峰值溫度，有利于窯皮和耐火磚的使用周期。
窯內(nèi)燃料燃燒時，供燃燒用的空氣一是通過燃燒器向窯內(nèi)噴射的低溫一次空氣，另一是從篦冷機來的高溫二次空氣。在燃燒過程中，一次空氣量比例降低，則二次空氣量比例就增高。經(jīng)估算當二次風(fēng)溫為900℃時，每降低1%的一次風(fēng)量，多用的二次空氣可使燃料熱耗降13.5kj/kg。早期的三通道燃燒器一次空氣量在12%-15%以上。經(jīng)優(yōu)化，四通道燃燒器一次空氣量已降到7%以下，大大節(jié)省了能量。
2.2旋流強度與燃料的揮發(fā)分含量
除了火焰長度外，燃燒器還應(yīng)保持火焰具有合適的氣體流場?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)的燃燒過程是受擴散控制的，在燃燒著火溫度較高的燃料時，火焰的氣體流暢是非常重要的。確保燃料正常著火并穩(wěn)定燃燒的 簡便的方法是使熱的燃燒產(chǎn)物重新回到燃燒器端部與較冷的一次風(fēng)及燃料混合。故要求設(shè)計上應(yīng)設(shè)計上應(yīng)充分考慮燃燒器出口部分的流場，可采用大速差及穩(wěn)燃腔的結(jié)構(gòu)。對于揮發(fā)分低的煤和無煙煤，在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒時，著火點高，溫度低且 大熱量區(qū)靠后。為使其揮發(fā)分快速揮發(fā)燃燒，增加燃燒溫度并加快碳粒燃燒，提高火焰溫度，縮短 大熱流距窯頭的位置，必須有較強的旋流強度。所以，應(yīng)增設(shè)可調(diào)旋流裝置，形成旋流風(fēng)
2.3火焰形狀與窯皮的穩(wěn)定性
回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過程中，火焰必須保持穩(wěn)定，避免出現(xiàn)陡峭的峰值溫度，且較長的火才能形成穩(wěn)定的窯皮，從而保護燒成帶耐火磚的使用周期?？刹扇∪缦麓胧?br /> （1)將旋流空氣從輸送煤粉及空氣的內(nèi)管移至管。旋流空氣在煤粉管內(nèi)側(cè)會造成局部的旋流，從而造成陡消的峰值溫度，而在煤粉管外側(cè)則火焰在較長的距離內(nèi)形成旋流，其強度較為均衡，燃料揮發(fā)分揮發(fā)也較均衡，相應(yīng)峰值溫度也較均衡。
（2）加大軸流風(fēng)速，并在軸流噴口前端設(shè)置攏焰罩。風(fēng)速增大，則火焰拉長；前端設(shè)置攏焰罩，可適當減少火焰橫向擴散程度，相應(yīng)火焰均衡。
（3）調(diào)節(jié)旋流角度和旋流噴速以及軸流噴速，從而調(diào)節(jié)火焰形狀。
（4）在燃燒器設(shè)計時，中心空氣采用圓形噴口平行射流， 外層的軸向空氣采用環(huán)形射流或圓形噴口平行射流，這兩種射流均能產(chǎn)生氣流回流，因而在火焰的中間形成一個內(nèi)回流，在火焰外部也形成一個大的回流，這兩種回流有利于煤粉中揮發(fā)分均衡揮發(fā)，減緩峰值陡峭溫度，穩(wěn)定了火焰。
2.4 NOx排放
氮化物的生成量隨溫度增高而增加，在燃燒過程中，氧含量愈高，產(chǎn)生的NOx也愈高。采取措施，通過降低火焰的峰值溫度和促使燃燒在局部還原氣氛內(nèi)進行，可實現(xiàn)降低NOx排放。

3.開發(fā)及應(yīng)用

　　3．1技術(shù)方案的確定
綜上所述理論依據(jù)，新型四通道燃燒器的技術(shù)方案應(yīng)符合如下要求。
（1）所需一次風(fēng)量低，且燃燒的火焰溫度高，峰值均衡；
（2）煤種適應(yīng)性強，不同揮發(fā)分的燃煤均能穩(wěn)定燃燒；
（3）軸向風(fēng)、煤風(fēng)、環(huán)流風(fēng)及中心風(fēng)均可調(diào)節(jié)，使其動量在一可調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)；
（4）燃燒器使用壽命應(yīng)顯著延長，尤其是煤風(fēng)人口和頭部噴嘴處；
（5）內(nèi)外風(fēng)出口截面調(diào)節(jié)靈活方便；
（6）內(nèi)外風(fēng)閥門調(diào)節(jié)靈活方便，調(diào)節(jié)特性好；
（7）燃燒器頭部有一高溫煙氣回形成的負壓區(qū)，可避免產(chǎn)生局部高溫，沿窯長的溫度曲線變化平衡，因而可有效抑制“燃燒NOx”和“高溫NOx”的產(chǎn)生，降幅達20%-30%，煙氣排放達環(huán)保標準。
3.2結(jié)構(gòu)特點
燃燒器系統(tǒng)由燃燒器本體、煤粉輸送管、行走小車、點火油槍系統(tǒng)組成；主體外風(fēng)管、環(huán)流風(fēng)管、煤風(fēng)風(fēng)管、中心風(fēng)風(fēng)管、支撐管、中心套管以及各部分進風(fēng)管組成。其中燃燒器的頭部結(jié)構(gòu)是該設(shè)備的關(guān)鍵部件，如圖1所示。

（1）燃燒器 內(nèi)層為中心風(fēng)道，在它的頭部裝有火焰穩(wěn)定器，只有少量的空氣通過。火焰穩(wěn)定器由耐熱鋼板組成。圓板中心均勻的分布有小孔，允許中心風(fēng)接觸圓板面上的火焰，此處風(fēng)速為60m/s。
（2）煤粉風(fēng)道位于中心風(fēng)道的外層，煤風(fēng)夾帶著煤粉氣流以委小的分散度將煤粉噴人，與一次風(fēng)混合進行燃燒。在煤粉風(fēng)道的外側(cè)火焰在較長的距離內(nèi)形成旋流，其強度較為均衡，燃料揮發(fā)分揮發(fā)也較均衡，相應(yīng)峰值溫度也較均衡。此處的風(fēng)速為20-25m/x可調(diào)。
（3）環(huán)流風(fēng)風(fēng)道的頭部裝有20o 25o 30o等不同角度的旋流裝置，它使環(huán)流風(fēng)在出口處產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，同時向四周噴射，旋流器的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)方向一致。通過改變出口截面，改變出口風(fēng)速，從而改變火焰形狀。環(huán)流通風(fēng)道的頭部出口風(fēng)速可控制在通過調(diào)節(jié)出口截面，改變徑向空氣流量，而改為火焰形狀。
（4）噴煤管的 外層為軸流風(fēng)道，其頭部為帶槽形通道的出口，可以單獨噴射空氣，通過改變出口截面改變出口風(fēng)速，從而改變火焰形狀。
（5）外部套管位于燃燒器的 外部，比其它頭部裝置長出50mm，目的是為了在產(chǎn)生碗狀效應(yīng)時發(fā)生氣體膨脹。在噴煤管的外風(fēng)管上設(shè)有防止噴煤管彎曲的筋板。
（6）各風(fēng)道頭部錐體的角度是噴煤管設(shè)計的關(guān)鍵，在一次風(fēng)一定的情況下，參數(shù)的大小直接影響燃燒器的動量范圍，與噴射速度有直接關(guān)系。圖2顯示了2500t/d級回轉(zhuǎn)窯窯頭燃燒器軸流風(fēng)速與錐度的關(guān)系。
（7）煤風(fēng)入風(fēng)管為上下分半式結(jié)構(gòu)，中分面能過螺栓和定位銷連接，在其內(nèi)部設(shè)有分半式可更換耐磨套，在煤粉管入口處的磨損三角區(qū)內(nèi)設(shè)有滲炭化鎢耐磨層，其硬度為HRC60-63，有較強的耐磨性。另外分半式內(nèi)設(shè)有外耐磨套的被沖刷面亦設(shè)有滲炭化鎢耐磨層，這種設(shè)計的特點是在更換時非常方便，不需將噴煤管抽出，直接更換。在噴煤管的煤粉化鎢耐磨層，這種設(shè)計的特點是在更換時非常方便，不需將噴煤管抽出，直接更換。在噴煤管的煤粉入口處設(shè)有檢查孔，可隨時檢查其磨損情況。
（8）每個風(fēng)管的相應(yīng)位置設(shè)有絲杠調(diào)節(jié)裝置和相應(yīng)的膨脹節(jié)。通過調(diào)節(jié)絲杠的伸縮，可調(diào)節(jié)相應(yīng)的風(fēng)管，其調(diào)節(jié)范圍為沿軸向±50mm。為了調(diào)整方便，特設(shè)置了調(diào)節(jié)手柄。
（9）油槍的頭部是一種霧化燃燒器，噴嘴本體連接到兩個平行的供油管，分別為進油和回油，通過調(diào)節(jié)回油管路上的回油節(jié)流裝置來控制噴嘴處的壓力，從而調(diào)節(jié)其霧化效果。

（10）工藝送煤風(fēng)管與燃燒器之間可以用伸縮節(jié)裝置連接，兩端可伸縮管的球形聯(lián)接裝置可保證水平、垂直及軸向方向調(diào)整燃燒器位置，其調(diào)整角度為10o，距離為1500mm。
（11）特別設(shè)計了行走小車，蝸輪絲杠調(diào)節(jié)機構(gòu)可使噴煤管出口端面中心沿圓方向350mm范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，使其達到 佳的效果。在噴煤管工作時，以熱態(tài)窯口為基點，噴煤管允許向前移動1050mm，此時，設(shè)在軌道上的限位開關(guān)動作，小車停止向前移動；再次起動時，小車僅允許向后移動，噴煤管亦允許退出窯口200mm。在該位置設(shè)置了第2個開關(guān)，開關(guān)動作后小車停止移動，再起動時，小車允許向前或向后移動。導(dǎo)軌的尾端設(shè)有檢修時噴煤管移出回轉(zhuǎn)窯限們置的限位開關(guān)。
綜上所述，新型四通道燃燒器主要特點如下：
（1）一次風(fēng)比例低，僅為5%-7%，節(jié)能降耗顯著，與傳統(tǒng)燃燒器相比節(jié)煤10%以上。
（2）噴頭部分采用耐高溫、抗高溫氧化的特殊耐熱鋼鑄件機加工制成，提高了頭部的抗高溫變形能力。
（3）易磨損部位，采用獨有的防磨技術(shù)處理，耐磨性能優(yōu)異，且易于更換。
（4）火焰形狀規(guī)整適宜，活潑有力溫度高，窯內(nèi)溫度分布合理。
（5）熱力集中穩(wěn)定，卷吸二次風(fēng)能力強，提高冷卻機熱效率。
（6）火焰調(diào)節(jié)靈活，簡單方便，可調(diào)范圍大，可達1：10。
（7）熱工制度合理，可提高臺時產(chǎn)量5%-10%，水泥熟料早期強度提高3-5MPa。
（8）低NOx排放量，降幅達20%-30%。
（9）使用壽命長，對煤質(zhì)適應(yīng)性強，可燒劣質(zhì)煤、低揮發(fā)分煤、 無煙煤和煙煤。
（10）適用范圍廣，可用于各種窯型的回轉(zhuǎn)窯。
3.3推廣與應(yīng)用
目前國內(nèi)已開發(fā)出滿足5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線專用的多通道回轉(zhuǎn)窯燃燒器。
多通道回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器既可應(yīng)用于新型干法水泥預(yù)分解窯的水泥熟料生產(chǎn)線，亦可用于其他傳統(tǒng)的水泥生產(chǎn)線上，尤其可在原生產(chǎn)線上利用此技術(shù)對老設(shè)備進行改造并達到同樣效果。而且造價僅為同類進口產(chǎn)品的1/4-1/3，為此，無論是我國對外承包的工程項目或國內(nèi)的自行籌建或利用亞洲（大范圍）銀行貸款的項目，該產(chǎn)品均可此有相當強的競爭力，尤其是國內(nèi)項目，可完多替代進口產(chǎn)品。

4、結(jié) 語

　　從長遠看，建材工業(yè)必然要淘汰落后的小水泥廠。盡管我國水泥產(chǎn)量在大范圍上名列前茅，但旋窯水泥，特別是新型干法水泥所占的比例還不大，急待進行結(jié)構(gòu)調(diào)整。從經(jīng)濟形勢看，要拉動經(jīng)濟的發(fā)展，建材待業(yè)必須先行。為此，在今后的一段時期內(nèi)，水泥工業(yè)特別是技術(shù)改造工作將會持續(xù)呈發(fā)展勢態(tài)，而就國內(nèi)自行開發(fā)研究的多通道回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器來講，完多適應(yīng)了這一發(fā)展的要求，我們相信，隨著我們不斷對該產(chǎn)品進行完善和提高，該產(chǎn)品將在今后將繼續(xù)擴大其市場占有率。其廣泛推廣使用對推動我國整個新型干法生產(chǎn)線的技術(shù)進步、生產(chǎn)規(guī)模大型化、產(chǎn)業(yè)及品結(jié)構(gòu)合理化等方面都有著重要意義，可以獲得可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。

摘自《國際建材設(shè)備》