四通道回轉窯燃燒器的開發、研制與應用

作者:徐麗娟、曾學鋒、夏敬賢

摘要:燃燒器是水泥廠燒成系統的主要設備，它對節能降耗、提高熟料產質量、延長回轉窯耐火磚和窯體的使用壽命、提高運轉率、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的不斷應用，對燃燒器的要求也日益提高。鑒于其對回轉窯技術性能及運轉率的影響較大，各國水泥裝備設計、制造公司均把燃燒器作為重點設備進行開發和研制。隨著我國水泥廠規模的不斷擴大，5000t /d，10000t/d生產線逐漸普及，為解決大型多通道燃燒器長期依靠進口的狀態，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計開發及應用中的理論依據、工作原理及其結構特點作論述。
1、回轉窯燃燒器的發展

　　回轉窯燃燒器發展到，已有4代產品。
（1）單通道燃燒器。單通道燃燒器一次風用量大，火焰調節范圍窄，靈活性小，對不同煤質適應性差。適用于長回轉窯，除濕法窯外，也適用于干法窯生產。
（2）三通道燃燒器。20世紀80年代初，隨關回轉窯變短以及預熱器和分解爐系統的開發，三通道燃燒器被開發出來，它節省了一次空氣量，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年代末開發的第三代燃燒器的火焰的細長，但比較集中。優點是火焰溫度高，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備，專門用于回轉窯。其設計可以使用權火焰的基部形成循環渦流，在冷窯點火時產生理想的穩定火焰。主要的特點是節能（通過大幅度減少一次空氣量）和減少環境污染（通過降低NOx排放量。）

2、四通道燃燒器的理論依據

　　四通道燃燒器是科研人員根據冷、熱態實驗基地的技術參數，對國內上百家水泥廠進行實地考察，以國內外三通道煤粉燃燒器為基礎開發出來的。采用現代多新燃燒技術--大速差和強旋流理論，使火焰的內部范圍的燃料聚集；通過降低一次空氣消耗量來降低火焰根部范圍內的氧含量并降低溫度峰值；優化燃燒器噴嘴系統，通過調節噴嘴的幾何形狀來改變一次風量。
2.1、一次空氣量與軸向噴射速度
燃燒器的作用優先是保證火焰的長度?；鹧骈L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，%；
V --軸向風噴速，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律。早期燃燒器軸向噴速在100m/s-150/s左右，隨著一次風量的降低，目前均設計在200m/s以上。軸向噴速增加，相應增加了火焰長度，降低了峰值溫度，有利于窯皮和耐火磚的使用周期。
窯內燃料燃燒時，供燃燒用的空氣一是通過燃燒器向窯內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。經估算當二次風溫為900℃時，每降低1%的一次風量，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。經優化，四通道燃燒器一次空氣量已降到7%以下，大大節省了能量。
2.2旋流強度與燃料的揮發分含量
除了火焰長度外，燃燒器還應保持火焰具有合適的氣體流場。回轉窯內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定燃燒的 簡便的方法是使熱的燃燒產物重新回到燃燒器端部與較冷的一次風及燃料混合。故要求設計上應設計上應充分考慮燃燒器出口部分的流場，可采用大速差及穩燃腔的結構。對于揮發分低的煤和無煙煤，在回轉窯內燃燒時，著火點高，溫度低且 大熱量區靠后。為使其揮發分快速揮發燃燒，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，應增設可調旋流裝置，形成旋流風
2.3火焰形狀與窯皮的穩定性
回轉窯生產過程中，火焰必須保持穩定，避免出現陡峭的峰值溫度，且較長的火才能形成穩定的窯皮，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管移至管。旋流空氣在煤粉管內側會造成局部的旋流，從而造成陡消的峰值溫度，而在煤粉管外側則火焰在較長的距離內形成旋流，其強度較為均衡，燃料揮發分揮發也較均衡，相應峰值溫度也較均衡。
（2）加大軸流風速，并在軸流噴口前端設置攏焰罩。風速增大，則火焰拉長；前端設置攏焰罩，可適當減少火焰橫向擴散程度，相應火焰均衡。
（3）調節旋流角度和旋流噴速以及軸流噴速，從而調節火焰形狀。
（4）在燃燒器設計時，中心空氣采用圓形噴口平行射流， 外層的軸向空氣采用環形射流或圓形噴口平行射流，這兩種射流均能產生氣流回流，因而在火焰的中間形成一個內回流，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分均衡揮發，減緩峰值陡峭溫度，穩定了火焰。
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進行，可實現降低NOx排放。

3.開發及應用

　　3．1技術方案的確定
綜上所述理論依據，新型四通道燃燒器的技術方案應符合如下要求。
（1）所需一次風量低，且燃燒的火焰溫度高，峰值均衡；
（2）煤種適應性強，不同揮發分的燃煤均能穩定燃燒；
（3）軸向風、煤風、環流風及中心風均可調節，使其動量在一可調節的范圍內；
（4）燃燒器使用壽命應顯著延長，尤其是煤風人口和頭部噴嘴處；
（5）內外風出口截面調節靈活方便；
（6）內外風閥門調節靈活方便，調節特性好；
（7）燃燒器頭部有一高溫煙氣回形成的負壓區，可避免產生局部高溫，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”的產生，降幅達20%-30%，煙氣排放達環保標準。
3.2結構特點
燃燒器系統由燃燒器本體、煤粉輸送管、行走小車、點火油槍系統組成；主體外風管、環流風管、煤風風管、中心風風管、支撐管、中心套管以及各部分進風管組成。其中燃燒器的頭部結構是該設備的關鍵部件，如圖1所示。

（1）燃燒器 內層為中心風道，在它的頭部裝有火焰穩定器，只有少量的空氣通過?；鹧娣€定器由耐熱鋼板組成。圓板中心均勻的分布有小孔，允許中心風接觸圓板面上的火焰，此處風速為60m/s。
（2）煤粉風道位于中心風道的外層，煤風夾帶著煤粉氣流以委小的分散度將煤粉噴人，與一次風混合進行燃燒。在煤粉風道的外側火焰在較長的距離內形成旋流，其強度較為均衡，燃料揮發分揮發也較均衡，相應峰值溫度也較均衡。此處的風速為20-25m/x可調。
（3）環流風風道的頭部裝有20o 25o 30o等不同角度的旋流裝置，它使環流風在出口處產生旋轉，同時向四周噴射，旋流器的旋轉方向與轉窯的轉方向一致。通過改變出口截面，改變出口風速，從而改變火焰形狀。環流通風道的頭部出口風速可控制在通過調節出口截面，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，目的是為了在產生碗狀效應時發生氣體膨脹。在噴煤管的外風管上設有防止噴煤管彎曲的筋板。
（6）各風道頭部錐體的角度是噴煤管設計的關鍵，在一次風一定的情況下，參數的大小直接影響燃燒器的動量范圍，與噴射速度有直接關系。圖2顯示了2500t/d級回轉窯窯頭燃燒器軸流風速與錐度的關系。
（7）煤風入風管為上下分半式結構，中分面能過螺栓和定位銷連接，在其內部設有分半式可更換耐磨套，在煤粉管入口處的磨損三角區內設有滲炭化鎢耐磨層，其硬度為HRC60-63，有較強的耐磨性。另外分半式內設有外耐磨套的被沖刷面亦設有滲炭化鎢耐磨層，這種設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有檢查孔，可隨時檢查其磨損情況。
（8）每個風管的相應位置設有絲杠調節裝置和相應的膨脹節。通過調節絲杠的伸縮，可調節相應的風管，其調節范圍為沿軸向±50mm。為了調整方便，特設置了調節手柄。
（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，通過調節回油管路上的回油節流裝置來控制噴嘴處的壓力，從而調節其霧化效果。

（10）工藝送煤風管與燃燒器之間可以用伸縮節裝置連接，兩端可伸縮管的球形聯接裝置可保證水平、垂直及軸向方向調整燃燒器位置，其調整角度為10o，距離為1500mm。
（11）特別設計了行走小車，蝸輪絲杠調節機構可使噴煤管出口端面中心沿圓方向350mm范圍內自由調節，使其達到 佳的效果。在噴煤管工作時，以熱態窯口為基點，噴煤管允許向前移動1050mm，此時，設在軌道上的限位開關動作，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。在該位置設置了第2個開關，開關動作后小車停止移動，再起動時，小車允許向前或向后移動。導軌的尾端設有檢修時噴煤管移出回轉窯限們置的限位開關。
綜上所述，新型四通道燃燒器主要特點如下：
（1）一次風比例低，僅為5%-7%，節能降耗顯著，與傳統燃燒器相比節煤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處理，耐磨性能優異，且易于更換。
（4）火焰形狀規整適宜，活潑有力溫度高，窯內溫度分布合理。
（5）熱力集中穩定，卷吸二次風能力強，提高冷卻機熱效率。
（6）火焰調節靈活，簡單方便，可調范圍大，可達1：10。
（7）熱工制度合理，可提高臺時產量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，對煤質適應性強，可燒劣質煤、低揮發分煤、 無煙煤和煙煤。
（10）適用范圍廣，可用于各種窯型的回轉窯。
3.3推廣與應用
目前國內已開發出滿足5000t/d水泥熟料生產線專用的多通道回轉窯燃燒器。
多通道回轉窯煤粉燃燒器既可應用于新型干法水泥預分解窯的水泥熟料生產線，亦可用于其他傳統的水泥生產線上，尤其可在原生產線上利用此技術對老設備進行改造并達到同樣效果。而且造價僅為同類進口產品的1/4-1/3，為此，無論是我國對外承包的工程項目或國內的自行籌建或利用亞洲（大范圍）銀行貸款的項目，該產品均可此有相當強的競爭力，尤其是國內項目，可完多替代進口產品。

4、結 語

　　從長遠看，建材工業必然要淘汰落后的小水泥廠。盡管我國水泥產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，急待進行結構調整。從經濟形勢看，要拉動經濟的發展，建材待業必須先行。為此，在今后的一段時期內，水泥工業特別是技術改造工作將會持續呈發展勢態，而就國內自行開發研究的多通道回轉窯煤粉燃燒器來講，完多適應了這一發展的要求，我們相信，隨著我們不斷對該產品進行完善和提高，該產品將在今后將繼續擴大其市場占有率。其廣泛推廣使用對推動我國整個新型干法生產線的技術進步、生產規模大型化、產業及品結構合理化等方面都有著重要意義，可以獲得可觀的經濟效益和社會效益。

摘自《國際建材設備》