回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器技術(shù)進(jìn)展

1、Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse0引言70年代中其國際上發(fā)展起來的水泥回轉(zhuǎn)窯多通道煤粉燃燒器，使窯的一次風(fēng)用量由傳統(tǒng)的20%30%下降至12%15%,同時窯的操作及熟料煨燒情況得到明顯改善。經(jīng)過20多年的技術(shù)進(jìn)步，目前窯的一次凈風(fēng)用量已降低到6%8%,大大改進(jìn)了窯的燃燒效率和熱效率。與此同時，水泥窯對燃煤品質(zhì)要求不斷降低，無煙煤、劣質(zhì)煤及再生燃料（即工業(yè)和民用可燃垃圾）的利用技術(shù)漸成熱點，從而促使燃燒器結(jié)構(gòu)形式不斷的改進(jìn)。自傳統(tǒng)的單通道燃燒器向多通道（如三通道、四通道等）燃燒器發(fā)展以后，新一代的雙通道燃燒器，由于調(diào)

2、節(jié)性能、火焰成形能力及燃燒效率等方面的優(yōu)良性能正作為一種新的技術(shù)發(fā)展方向。多相流及反應(yīng)計算機(jī)數(shù)值模型技術(shù)的發(fā)展使燃燒器開發(fā)專家不再依賴傳統(tǒng)的冷態(tài)氣體模擬試驗，以KILNFLAMESYSTEMS公司為代表的酸堿水模擬試驗方法可使回轉(zhuǎn)窯燃燒的流暢設(shè)計更加精確，從而確保了高風(fēng)險的窯頭燃燒器的投運(yùn)調(diào)試順利達(dá)到預(yù)期效果。1對回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒認(rèn)識的深入從工藝過程角度看，用于對回轉(zhuǎn)窯燒成帶提供熱量的燃燒器應(yīng)滿足下述要求：1）對燃燒品質(zhì)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，特別是在燃燒無煙煤或劣質(zhì)煤時，能確保在較低空氣過剩系數(shù)下完全燃燒，其CO和NOx排放量降至最低限度。2）火焰形狀應(yīng)是細(xì)而不長，使整個燒成帶具有強(qiáng)而均勻的熱輻射。

3、這一方面有利于熟料結(jié)粒、熟料礦物晶相正常發(fā)育，防止燒成帶揚(yáng)塵；另一方面有利于形成致密穩(wěn)定的燒成帶窯皮，延長耐火磚使用壽命。3）一次風(fēng)用量盡可能少，但必須保證在不正常的窯況下火焰燃燒的穩(wěn)定。值得指出的是，在上述要求中強(qiáng)調(diào)了火焰形成應(yīng)是細(xì)而不長”以形成合理的燃燒帶長度，而不再象以往那樣強(qiáng)調(diào)化燃燒以適應(yīng)強(qiáng)化煨燒要求，這是因為強(qiáng)化燃燒所形成的局部高溫對燒成帶窯皮不利，從而影響耐火醇使用壽命，另一方面局部高溫將增加NOx的排放量。一般情況，來自冷卻機(jī)的二次風(fēng)溫可達(dá)900c以上，窯頭燃燒火焰溫度高達(dá)1800c左右，其燃燒一般已進(jìn)入擴(kuò)散控制區(qū)。擴(kuò)散控制區(qū)的燃燒特點在于：煤粉燃燼時間受煤粉細(xì)度的影響較大（正比

4、于煤粉粒徑的平方），而受煤品種特性影響較小，煤粉燃燒速率取決于其擴(kuò)散速率，即煤粉和助燃空氣的混合速率及火焰區(qū)的湍流強(qiáng)度。換句話說，在燃料品種和煤粉細(xì)度一定情況下，為在整個燒成帶范圍內(nèi)形成均勻燃燒強(qiáng)度的火焰，必須控制煤粉和助燃空氣的混合速率。在窯頭的所有助燃空氣中，二次風(fēng)量一般占80%以上，所以控制煤粉和助燃空氣的混合速率實質(zhì)上是控制燃燒器出口射流股對二次風(fēng)的引射速率。至于火焰形狀除受到對二次風(fēng)的引射速率和一次射流股的旋流強(qiáng)度等方面因素的影響外，還取決于燃燒器出口一次射流本身的剛度”，一次射流本身的剛度”可以一次射流最大速度沿軸向的衰減程度來衡量。上述這些都取決窯頭受限射流空氣動力學(xué)方面的精確設(shè)

5、計。圖1為我們實測到的典型的窯及三通道燃燒器所形成的受限射流速度場。第I窯及三通灌燃燒器受累射漉速度場水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煤粉的燃燒屬受限射流火焰，在二次空氣供給量一定時，按一次射流動量通量大小可分兩種情況：1）當(dāng)一次射流動量通量不大時，二次空氣足夠引射，也即射流在擴(kuò)展到窯壁前，引射量不受影響。2）當(dāng)一次射流動量通量大到一定值時，二次空氣不能滿足引射量的要求，即在射流量到窯壁之前的某個位置，二次空氣被引射完畢，過剩的射流動量隨即開始引射下游區(qū)域的燃燒煙氣，形成外部回流區(qū)。外回流的產(chǎn)生一方面使下游熾熱燃燒煙氣的回流增加了上游火焰化學(xué)活性基團(tuán)和溫度濃度，從而增加煤粉后期燃燒速度；另一方面沖淡了可燃混合物中

6、氧含量和擠占燃燒空間，這會引起燃燒速度降低，增加了火焰長度，所以外回流的大小有一最佳范圍。此外，適度的外回流對煤粉/空氣混合過程有促進(jìn)作用，而沒有外回流，則表明并非所有的二次空氣都被帶入一次射流火焰中。值得指出的另一個重要方面是，適度的外回流可以防止掃窯皮現(xiàn)象：防止一次射流擴(kuò)展碰撞窯皮。經(jīng)驗表明，在射流擴(kuò)展的理論碰撞點附近常常發(fā)生耐火磚磨損過快現(xiàn)象，導(dǎo)致窯運(yùn)轉(zhuǎn)周期縮短。在使用低揮發(fā)分燃燒時，火焰的氣體流場是非常重要的，因為低揮發(fā)燃燒一般具有較高的著火點，加之由于揮發(fā)分含量低、揮發(fā)分燃燒所產(chǎn)生的熱量不足以使炭粒加熱到著火溫度而使燃燒持續(xù)進(jìn)行。確保低揮發(fā)煤持續(xù)點燃的最簡便方法是增加火焰內(nèi)循環(huán)量，使

7、下游熾熱的燃燒產(chǎn)物回流到火焰根部以提高該處一次風(fēng)和煤粉溫度。內(nèi)循環(huán)的產(chǎn)生及其大小主要取決于燃燒器出口結(jié)構(gòu)參數(shù)。綜上分析，噴煤管出口動量通量和旋流強(qiáng)度是窯頭火焰設(shè)計和操作的重要參數(shù)。噴煤管出口動量通量是射流股對來自冷卻機(jī)二次空氣引射能力的度量。過小的動量通量將導(dǎo)致二次空氣和煤粉不能很好地混合，燃燒不完全，窯尾CO含量升高，煤灰沉落不均而影響熟料質(zhì)量，甚至引起結(jié)前圈。另外由于火焰下游外回流消失，加之火焰剛度不夠（火焰的浮升）使火焰易碰撞窯皮，影響耐火磚使用壽命。過大的動量通量會引起過大的外回流。一方面擠占火焰下游的燃燒空間；另一方面降低火焰下游氧濃度，同樣導(dǎo)致燃燒不完全，窯尾溫度升高。噴煤管出口射

8、流旋流主要控制著火焰形狀、因此被稱之為火焰形狀系數(shù)。隨著旋流強(qiáng)度的增加，火焰變粗、變短，可強(qiáng)化火焰對熟料的熱輻射。但過強(qiáng)的旋流會引起雙峰火焰，即發(fā)散火焰，易使局部窯皮過熱、剝落；另一方面也易引起黑火頭”消失，噴嘴直接接觸火焰根部而被燒壞。雖然大多數(shù)多通道燃燒器的旋流強(qiáng)度可在操作中調(diào)節(jié)，但極限參數(shù)的限定是很重要的，也是必須的。2窯頭火焰的空氣動力學(xué)計算2.1一次射流動量通量根據(jù)經(jīng)驗，多通道燃燒器的同軸射流在其不遠(yuǎn)的下游，表現(xiàn)出和單股射流相同的空氣動力學(xué)特征。為了分析方便作以下假定，在射流混合區(qū)內(nèi)作一垂直于射流軸線的截面，截面上游的引射量伯為其下游射流的一部分。則旋轉(zhuǎn)射流對二次風(fēng)的引射速率為：(I

9、 )(2)(3)(4)(51喘工（而+"）茁可其中：&=q_。，GRR-（X+a=M+KSe式中：Ml引射量的質(zhì)量流量，kg/s;X距噴口的軸向距離，m;Kl溫度系數(shù)；C射流出口軸向總動量通量，No對于多通道煤粉燃燒器，總動量通量等于各通道出口軸向動量通量之和：C=I2G；S任意垂直于燃燒器軸線截面的旋流數(shù)；P。一一被引射空氣的密度，kg/m3;P。一一射流混合物的密度，kg/m3;*旋流風(fēng)的角動量通量，Nm;Gx-一射流出口軸向動量總通量，N;R射流出口當(dāng)量半徑，m；a將同軸射流看作單股射流而引入的常數(shù)；a射流擴(kuò)展半角，隨旋流數(shù)量呈線性增加；So按三通道燃燒器出口尺寸和風(fēng)速

10、計算的旋流數(shù)。有關(guān)資料介紹，K。、K分別為4.8和14,不過對于多通道燃燒器的具體噴嘴形式應(yīng)由冷態(tài)實驗等方法確定。根據(jù)動量守恒原理，在射流擴(kuò)展過程中，角動量和軸向動量均保持為常數(shù)，解聯(lián)立議程（1）、（3）和（4）可得到下列等式：M=K1X+K2（G0/GxtgaIn（X+a）K1/G2將G0/Gx=SoRo代入該式得；M=K1KtX/G2+K2KtRoSotg-1aIn（X+a）/G2（6）不難看出，式（6）中第一項為射流軸向運(yùn)動的引射量，第二項為射流旋轉(zhuǎn)運(yùn)動而產(chǎn)生的附加引射量。為達(dá)到煤粉在接近等當(dāng)量比下燃燒，式（6）中M應(yīng)根據(jù)燃燒計算所需的實際空氣需要量給出。為分析方便，令：M=K3Gm-M

11、o=K3qcGc/Qnet.ar-M式中：Mo次空氣、煤粉輸送空氣問題，kg/s;Gm煤粉消耗量，kg/s;K3單位煤粉燃燒實際空氣需要量，kg/kg;qc熟料單位熱耗，kg/kg；Gc-熟料產(chǎn)量，kg/s;Qnet.ar煤粉應(yīng)用基低位熱值，kJ/kg；式（6）中，X的最大值等于射流混合區(qū)長度。只有當(dāng)射流出口動量小到一定值時，外回流區(qū)完全消失，才會出現(xiàn)這一情況，此時X為:X=Xmax=D/2tga-a（8）式中：D窯燒成帶有效內(nèi)徑，m將（7）、（8）式代入（6）整理后得：G=Po/Pctg2a（K3qcGc/Qnet.ar-Mo/K1（D/2-atga）+K2RoSoIn（D/2tga）2（9

12、）根據(jù)實驗資料，等溫旋轉(zhuǎn)射流的引射量可用下列經(jīng)驗式表示：M/Mo=（K1'+K2'S）（X/2Ro）（10）根據(jù)不同資料，K1',K2'取值范圍為：K1=0.32-0.35K2=0.8-1.07比較（10）和（1）不難看出：K1=（0.32-0.35）np/2K2=0.8-1.07np/2K3可以通過燃燒計算得出。因此，若通過對現(xiàn)行噴嘴結(jié)構(gòu)利用冷態(tài)實驗等方法確定a值和a值，則便可以利用式（9）計算出燃燒器射流必須達(dá)到的最小軸向總動量通量。根據(jù)計算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果，a的范圍基本上在（1.5-3）do之間，do為燃燒器出口外徑。a基本上符合式（5），只不過Ko不是4.

13、8而是11.5，K仍為14。2.2旋流數(shù)可近似從燃燒器出口根據(jù)有關(guān)介紹，在不知道旋轉(zhuǎn)射流橫截面上的速度分布和靜壓分布時，端結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)計算旋流數(shù)，其近似程度良好，即S=G/Gx'R由于前述理由，可將多股同軸射流近似看作單股旋轉(zhuǎn)貢獻(xiàn)，從而確定出一次射流的旋流數(shù)。(11)式是根據(jù)上述觀點經(jīng)推導(dǎo)整理后得到的三通道噴煤管嘴旋流數(shù)的計算公式：=2爾分幟*(一0)L產(chǎn)_U+r"一*+,工_二9*rp|ra#CIrTirTL(11)式中：P1各通道風(fēng)量與一次風(fēng)總量(包括煤風(fēng))之比；6旋流葉片的軸向夾角；Pm-煤粉濃相輸送視密度，kg/m3;P一次風(fēng)凈風(fēng)密度，kg/m3;R各通道環(huán)形出

14、口外半徑，mm;R各通道環(huán)形出口內(nèi)半徑，mm。同理，雙通道燃燒器的旋流數(shù)可表達(dá)為：(將我院冷模試驗用CTI型燃燒器噴嘴結(jié)卞勾參數(shù)代入(11)式，并令P煤=0.33,P=P',得到下式：S=94.282tg6/170+288(0.67/P-1)2+10.532/P令6=45°,P內(nèi)=0.670，則S=0.487;令6=45°,P內(nèi)=0.335,則S=0.171;令6=30°,P內(nèi)=0.335，貝US=0.0986;令6=30°,P內(nèi)=0.670，則S=0.281;通過上述計算可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)內(nèi)、外風(fēng)的比例來改變旋流數(shù)，從而達(dá)到改變火焰形狀的目的是極為

15、有效的。這與冷態(tài)試驗結(jié)構(gòu)是一致的。3關(guān)于燃燒器噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的幾個值得討論的問題3.1 噴嘴的基本結(jié)構(gòu)形式從上述分析中可知，增加一次射流的旋流數(shù)將提高一次射流的引射速率，即煤粉和二次風(fēng)的混合速率，從而強(qiáng)化了窯頭煤粉燃燒，使火焰變得粗短，所以旋流系數(shù)又被稱之為火焰形狀系數(shù)。實際上燃燒器噴嘴結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)的變化也明顯地影響火焰的形狀。從空氣動力學(xué)的角度簡單地理解，一次射流對二次風(fēng)的引射量取決于一次射流的動量通量，其引射速率除受一次射流角動量通量控制外，一次射流和二次風(fēng)的接觸面積(以水力半徑度量)顯然對引射速率有較大影響，因為引射是通過射流股和周邊二次風(fēng)接觸而上的動量交換而產(chǎn)生的。噴嘴設(shè)計中，在保

16、持噴嘴出口截面積不變情況下減小水力半徑，即增加射流股和二次風(fēng)的接觸面積，將增加煤粉和二次風(fēng)的混合速率，使火焰變得粗短；另一方面也由于過高的二次風(fēng)混入速率使一次射流股的核心速度衰減過快，表現(xiàn)為火焰剛度”下降，對窯內(nèi)的穿透深度減小。筆者曾就當(dāng)時市面上的三通道煤粉燃燒器歸納成3種基本結(jié)構(gòu)形式，見圖2。其中在相同的一次凈風(fēng)總的出口截面積情況下，c型對二次風(fēng)的引射速率高于a型，實踐中前者火焰粗短，燃燒劇烈，較適合于強(qiáng)化煨燒情況。b型中煤粉通道被分割成數(shù)個流股，由于煤粉通道介于內(nèi)風(fēng)和外風(fēng)通道之間，因而增加了煤粉對一次風(fēng)的混合能力。筆者認(rèn)為，這種結(jié)構(gòu)形式可能對燃燒速率影響不大，實踐中我國在300t/d、60

17、0t/d的預(yù)熱器窯上使用較多，普遍認(rèn)為火焰散，有時甚至出現(xiàn)所謂的鷹爪型”火焰，這種不利現(xiàn)象可以通過適當(dāng)減小煤粉通道的動量通量得以改善。3.2 噴嘴的通道數(shù)傳統(tǒng)的三通道煤粉燃燒器的旋流風(fēng)通道、煤粉通道及直流風(fēng)通道是由中心向外排列形成了3個同軸環(huán)形噴嘴出口，該技術(shù)發(fā)展初期市面上出現(xiàn)過具有更多通道的燃燒器。隨著技術(shù)的發(fā)展，窯的一次風(fēng)用量不斷被減小以提高熟料冷卻機(jī)的熱回收效率；另一方面較少的一次風(fēng)用量也有利于低揮發(fā)分工或劣質(zhì)煤的應(yīng)用。然而根據(jù)上述分析，為維持一定的一次射流動量能量，在減少一次空氣用量的同時必須提高一次射流總的出口速度。因此出現(xiàn)的問題有如下幾個方面：1）由于出口速度高和一次風(fēng)用量低的要求

18、，旋流風(fēng)及直流風(fēng)環(huán)形出口縫隙往往很小，機(jī)加工和使用過程中難以保證較高的同軸度要求，引起火焰變形偏轉(zhuǎn)。2）多股風(fēng)因出口縫隙小，核心速度衰減過快，射流穿透深度不夠，導(dǎo)致火焰的剛度'不足，成形效果差。另外也由于多股風(fēng)在出口處相互干擾，增加了不必要的溢流強(qiáng)度，使出口阻力損失增大。3）過多的通道數(shù)，減少了外風(fēng)通道的通過風(fēng)量，使燃燒器外套管得不到跑的冷卻，引起變形從而導(dǎo)致燃燒器外層耐火澆注料的過早損壞。近期國際上發(fā)展起來的雙通道燃燒器可有效地克服上述多通道燃燒的缺點，Unitherm公司的，取消了內(nèi)風(fēng)通道，外風(fēng)通道的旋流強(qiáng)度可以高速。從雙通道燃燒器的旋流數(shù)表達(dá)式（見式12）可以看出調(diào)整旋流器角度和

19、調(diào)整旋流風(fēng)比例P均可有效地改變旋流數(shù)S,從而調(diào)整火焰形狀以適應(yīng)窯的煨燒工況，由于煤粉通道被布置在中心，因而在控制火焰方面具有延緩煤粉和二次風(fēng)的混合，降低火焰峰值溫度的特點。山東章丘水泥廠引進(jìn)Unitherm公司1臺雙通道燃燒器，據(jù)反應(yīng)使用效果很理想。3.3 穩(wěn)定火焰的措施除一定的煤粉細(xì)度要求和較高的二次風(fēng)溫度及較低的一次風(fēng)用量要求外，還可以從下述幾方面考慮穩(wěn)定火焰的措施。1 )一定的煤粉出口速度；2 )一定的熱煙氣內(nèi)回流量；3 )采用值班火焰。無論什么品質(zhì)的煤粉，燃燒器煤粉出口速度的設(shè)定應(yīng)以不發(fā)生脈沖為前提，無脈沖速度的選擇依賴于實際煤粉輸送工況如彎頭數(shù)、輸送距離、爬升高度、煤粉細(xì)度等。在冷窯

20、啟動過程中或窯況不穩(wěn)定、燃燒帶溫度過低、二次風(fēng)溫不高的不利情況下，大部分無煙煤使用廠家需采用油煤混燒的方式渡過此難關(guān)。輔助燃油量占總供給熱量的10%-20%，起到了值班火焰的作用。為有效地降低水泥生產(chǎn)的燃油成本，這方面的技術(shù)問題有待進(jìn)一步形容進(jìn)一步降低燃油比例，如從一次風(fēng)用量、內(nèi)回流強(qiáng)度、值班火焰和煤粉火焰間的相互關(guān)系方面優(yōu)化組織燃燒。如前所述，熱煙氣內(nèi)回流是解決穩(wěn)定低揮發(fā)分煤燃燒簡單而經(jīng)濟(jì)的途徑。產(chǎn)生熱煙氣內(nèi)回流的方法很多，主要措施有旋轉(zhuǎn)射流、大速差射流，非流線體及整流罩。一般情況下，水泥窯煤粉燃燒器的旋流數(shù)不超過0.5，屬弱旋轉(zhuǎn)射流范疇，其本身對內(nèi)回流區(qū)的產(chǎn)生及尺寸影響不大。我院曾就大速并

21、穩(wěn)焰措施在某水泥廠進(jìn)行了工業(yè)性試驗，可穩(wěn)定燃燒1670/kg以下的高灰分煤，但大速差燃燒器消耗的壓縮空氣量較大，工廠長期使用并不經(jīng)濟(jì)。非流線體加整流罩是目前多數(shù)燃燒器開發(fā)商常用的技術(shù)升旗。非流線鈍體的設(shè)計常結(jié)合噴煤管的結(jié)構(gòu)情況，以圓臺體或擴(kuò)大的中心壓力，使下游已燃燒煙氣在反向壓力梯度作用下回流至出口中心區(qū)，迅速加熱出口煤粉射流混合物；另一方面，射流罩的存在阻擋了二次風(fēng)的過早混入，即減少了火焰中Nox量也降低了火焰峰值溫度，從而避免了燒成帶窯皮因局部高溫而頻繁脫落。4 水泥窯燃燒技術(shù)的發(fā)展方向4.1 降低Nox排放量我國目前水泥回轉(zhuǎn)窯的Nox排放量大都超過0.1%，高的超過0.2%，而一些先進(jìn)國家已控制在0.02%-0.04%以下。燃燒過程中Nox排放分3種類型，即熱力Nox排放、燃料Nox排放和催化Nox排放，三者與燃燒溫度的關(guān)系見圖3。由于窯頭火焰溫度高達(dá)1800左右，熱力Nox占主要地位(當(dāng)燃料中含有碳?xì)浠衔飼r，會在較低溫度下出現(xiàn)催化Nox排放)。減少窯頭Nox排放的主要途徑在于一方面應(yīng)盡量降低火焰的峰值溫度，避免局部高溫，這往往和強(qiáng)化燃燒概念相矛盾，需要對火焰各階段的二次風(fēng)混合速率進(jìn)行控制；另一方面應(yīng)控制局部氧濃度，特別是對燃燒器出口至著火