`燃燒器參數(shù)、選型、診斷

1、燃燒器選擇燃燒器選擇報(bào)告人：齊硯勇v水泥回轉(zhuǎn)窯作為水泥熟料生產(chǎn)的關(guān)鍵裝備，其具燃料燃燒、氣固換熱、化學(xué)反應(yīng)、物料輸送等多重功能，然而燃料釋放能量的過程是實(shí)現(xiàn)其它功能的基礎(chǔ)。隨著國內(nèi)能源供應(yīng)的日益緊張，目前新型干法水泥廠普遍使用的煤炭，價(jià)格急速上漲，因此采用劣質(zhì)煤尤其是低熱值煤生產(chǎn)水泥熟料是降低水泥生產(chǎn)成本的必然趨勢。利用劣質(zhì)煤（指無煙煤、貧煤及褐煤）代替優(yōu)質(zhì)煙煤煅燒水泥熟料，雖然可大大降低水泥成本，提高水泥廠的經(jīng)濟(jì)效益，但是劣質(zhì)煤尤其是低熱值煤的使用，易引起燒成帶溫度低、飛沙料增多，熟料產(chǎn)、質(zhì)量下降。還可產(chǎn)生灰分沉積及窯內(nèi)液相量的過早出現(xiàn)，引起窯內(nèi)結(jié)圈，結(jié)蛋，磨蝕耐火磚，影響窯內(nèi)通風(fēng)和窯的運(yùn)行

2、，因此開發(fā)適應(yīng)水泥預(yù)分解窯使用低熱值煤的燃燒器是解決水泥窯生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)熟料的重要措施。燃燒器使用存在問題v燃燒器使用中的困惑v.參數(shù)不全、不知v（）設(shè)計(jì)幾何尺寸不知v（）設(shè)計(jì)各風(fēng)道風(fēng)速不知v（）風(fēng)機(jī)選型依據(jù)不知v.調(diào)節(jié)范圍不清楚v燃燒器配置適應(yīng)煤種的范疇不知v.燃燒器工作原理不熟悉v（）擴(kuò)散角度v（）卷吸量、旋流強(qiáng)度v（）煤燃燒距離一次風(fēng)機(jī)v燃燒器與熟料質(zhì)量的關(guān)系燃燒器與熟料質(zhì)量的關(guān)系v燃燒器特點(diǎn)、參數(shù)燃燒器特點(diǎn)、參數(shù)v燃燒器適應(yīng)性燃燒器適應(yīng)性一、預(yù)分解窯熟料巖相v優(yōu)質(zhì)水泥熟料來源于較高含量的硅酸鹽礦物，而硅酸鹽礦物含量的高低與回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的溫度場密切相關(guān)。圖圖1 液相分布富裕區(qū)域的A 礦，尺寸 圖圖

3、2液相分布富裕區(qū)域的A礦，巨大、有一定量地包裹物，明顯的不 尺寸巨大、外形不完整規(guī)則的層環(huán)帶構(gòu)造大窯熟料圖3多孔區(qū)域分布的小堆B礦及尺寸 圖4 多孔區(qū)域分布的小堆B礦及尺寸巨大的A礦晶體浸蝕程度較重 巨大的A礦晶體浸蝕程度較重大窯熟料圖5 A礦晶體邊緣發(fā)生分解，棱角不完整 圖6 大部分A礦晶體發(fā)生分解1%硝酸酒精浸蝕，反光200X 1%硝酸酒精浸蝕，反光200X大窯熟料圖7 集中分布的樹葉狀、手指狀B礦 圖8 集中分布的樹葉狀、手指狀B礦小窯 熟料圖圖1 結(jié)晶規(guī)則的短柱狀結(jié)晶規(guī)則的短柱狀A(yù)礦礦 圖圖2結(jié)晶規(guī)則的短柱狀結(jié)晶規(guī)則的短柱狀A(yù)礦礦 小窯熟料圖3 A礦晶體不規(guī)則，晶體尺寸普遍偏小 圖4

4、A礦晶體不規(guī)則，晶體尺寸 普遍偏小 圖11 A礦受液相溶蝕，邊緣殘缺不全 圖12 尺寸差異巨大的A礦v因此，只有具有優(yōu)良性能的燃燒器(包括:型式、規(guī)格、設(shè)置部位等)，才能保證喂入窯系統(tǒng)的燃料在燃燒空間內(nèi)與高溫二次空氣迅速混合，及時(shí)起火完全燃燒，并按照要求提供充足的熱量，形成一個(gè)合理的溫度場及熱工制度，從而使回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)充分發(fā)揮其應(yīng)有的功能，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、長期安全運(yùn)轉(zhuǎn)，并滿足環(huán)境保護(hù)規(guī)定的要求。二、燃燒器種類、特點(diǎn)v回轉(zhuǎn)窯燃燒器是燒成系統(tǒng)的重要工藝設(shè)備，它不僅影響窯系統(tǒng)的熱耗及操作性能，還對熟料質(zhì)量和有害物質(zhì)排放量產(chǎn)生影響，因此，一臺(tái)好的燃燒器應(yīng)有以下特點(diǎn)：v（1）在點(diǎn)火及操作期間火焰穩(wěn)定

5、；v（2）著火點(diǎn)接近噴嘴；概念v（3）明亮有力的火焰；v（4）火焰粗細(xì)及長度可調(diào)；v（5）燃燒器端部可更換；v（6）較低的一次風(fēng)量；v（7）結(jié)構(gòu)緊湊、活動(dòng)部件少；v（8）可燒替代燃料；v（9）較低的氮氧化物的排放。v 燃料的燃燒特性v所有的燃燒過程都可分為以下幾個(gè)步驟：v混合點(diǎn)火化學(xué)反應(yīng)熱量的傳播v1 燃料和空氣混合v對大多數(shù)燃燒器而言，燃料和氣流的混合是因?yàn)槿紵鞯膰娚渚砦a(chǎn)生的。v（1）自由射流的混合v當(dāng)燃燒器的噴射為自由射流時(shí)，因?yàn)樯淞鬟吔缗c周圍氣流之間的摩擦力(卷吸力)，使周圍氣流加速進(jìn)入射流，使射流范圍擴(kuò)大。這個(gè)過程由燃燒器的沖量控制，直到周圍氣流與射流的速度相同時(shí)為止。燃燒器的沖量

6、越大，卷吸的氣流越多。由于是自由射流，這個(gè)過程將持續(xù)到卷吸力完全釋放為止。v（2）受限射流的混合大部分燃燒器，比如回轉(zhuǎn)窯用燃燒器的噴射都為受限射流，射流受兩種方式的限制：v（2.1）周圍氣流（比如二次風(fēng)）的量是受控制且有限的；v（2.2）射流的擴(kuò)散邊界受回轉(zhuǎn)窯殼體的限制。v當(dāng)受限射流的沖量超過完全卷吸二次風(fēng)量的需要時(shí)， 將有回流產(chǎn)生。此時(shí)，二次風(fēng)像自由射流一樣，被射流卷吸， 當(dāng)二次風(fēng)被完全卷吸時(shí)，過剩的沖量將把燃燒產(chǎn)生的廢氣卷吸回來，產(chǎn)生外部回流。v2 一次風(fēng)的作用v（1）控制燃料和空氣的混合。v （2）幫助火焰的穩(wěn)定。火焰帶回流的差別燃燒器參數(shù)v回轉(zhuǎn)窯用燃燒器的設(shè)計(jì)一般有兩種常用模式：v動(dòng)能

7、型： 數(shù)學(xué)表達(dá)式為PV2，即一次風(fēng)量與風(fēng)速平方的乘積。v沖量型： 數(shù)學(xué)表達(dá)式為PV，即一次風(fēng)量與風(fēng)速的乘積（m s）。一次風(fēng)量為占化學(xué)需氧量的百分?jǐn)?shù)。v回轉(zhuǎn)窯用燃燒器都是噴射卷吸型燃燒器，其設(shè)計(jì)有兩種方式：v第一種：高動(dòng)能型。即：較高的一次風(fēng) （300m/s），較低的一次風(fēng)量，通常為 510。v第二種：高沖量型。即：相對較高的一次風(fēng)量，較低的一次風(fēng)速，以提供足夠的沖量來產(chǎn)生回流。v如果燃燒器的沖量不足而影響燃料與二次風(fēng)的混合，則每增加1的過剩氧含量，就會(huì)增加2的熱耗。這也是低一次風(fēng)量v燃燒器產(chǎn)生低的NOx 排放的主要原因。因此，在設(shè)計(jì)燃燒器時(shí)，必須考慮降低一次風(fēng)量及較低的過剩氧含量。v水泥廠廣

8、泛使用的燃燒器都可歸為這兩大類型：高動(dòng)能型和高沖量型。也可簡單劃分為“洪堡”型和“皮拉德”型。v隨著煤質(zhì)的變化， 特別是國內(nèi)，優(yōu)質(zhì)煙煤價(jià)格的越來越高， 劣質(zhì)煤、無煙煤被廣泛使用。很多廠更是使用劣質(zhì)煤或無煙煤摻部分熱值及揮發(fā)分高的煙煤來滿足煅燒要求。兩種類型的燃燒器有逐漸融合的趨勢，即一次風(fēng)速（軸流風(fēng)速）越來越高。各種煤的工業(yè)分析.燃燒器型式v國外高動(dòng)能型燃燒器的主要產(chǎn)品是KHD公司生產(chǎn)的PYRO-JET燃燒器；國內(nèi)大部分燃燒器也可歸為此類型。一般可統(tǒng)稱為三通道燃燒器。v國外高沖量型燃燒器的主要產(chǎn)品是FLS公司生產(chǎn)的DUOFLEX燃燒器，PILLARD公司生產(chǎn)的PILLARD燃燒器；國內(nèi)也有幾家

9、生此類燃燒器。一般可統(tǒng)稱為四通道燃燒器。燃燒器型式v21 KHD公司PYROJET燃燒器vPYRO-JET 燃燒器的總體結(jié)構(gòu)與一般的三通道燃燒器相似，為了保證較高的軸流風(fēng)速，其軸流空氣是由噴嘴環(huán)上的圍成圓形狀的圓 形小孔射出，噴口的數(shù)目、尺寸和位置取決于生產(chǎn)能力和燃料種類。燃燒器為高動(dòng)能型三風(fēng)道燃燒器，中間為油氣點(diǎn)火裝置，并增加了用于冷卻點(diǎn)火裝置的中心風(fēng)（占一次風(fēng)的比例很小， 國內(nèi)有叫第四風(fēng)道，），由內(nèi)向外依次為旋流風(fēng)，煤粉及其輸送空氣和軸流風(fēng)。燃燒器型式PYROJET 燃燒器原理圖燃燒器型式v設(shè)計(jì)特點(diǎn)和應(yīng)用情況:v（1）中心風(fēng)為圓孔形噴射口的平行射流，所通過的流量少且噴射速度低，圓孔形噴射口

10、噴射的氣流形成一個(gè)火焰內(nèi)部回流區(qū)，該回流區(qū)阻止含碳粒的熱煙氣進(jìn)入中心區(qū)內(nèi)燃燒，阻止了該部位因燃燒產(chǎn)生的結(jié)焦。v（2）適宜的內(nèi)部旋流風(fēng)，有利于燃料與空氣的混合及揮發(fā)分的燃燒。v（3）煤粉輸送風(fēng)速盡可能降低，以減少煤粉對管路的磨損。同時(shí)煤粉噴口略向外傾斜，以增加火焰寬度。燃燒器型式v（4）軸流風(fēng)是通過圓孔形噴嘴噴出，由于風(fēng)速高，所產(chǎn)生的噴射流吸入了周圍的慢速流動(dòng)的熱二次風(fēng)，易使燃料快速燃燒。同時(shí)，圓孔形噴嘴噴出的高速射流，可出現(xiàn)回流易使初始著火點(diǎn)接近其出口，因此在火焰中避免形成陡峭的峰值溫度，降低NOx的形成。燃燒器型式v（5）燃燒器的旋流空氣設(shè)置在煤風(fēng)管道里層，從而增加煤風(fēng)的旋流強(qiáng)度，加強(qiáng)煤粉的

11、混合，同時(shí)軸流空氣的噴速較高，在外層又可控制煤風(fēng)的旋流強(qiáng)度， 因此更易調(diào)節(jié)火焰的形狀。同時(shí)圓孔形平行噴射的軸流空氣所形成的火焰外部回流有利于揮發(fā)分在靠近燃燒器噴口附近著火燃燒，再加上中心空氣的火焰內(nèi)部回流區(qū)，使火焰出現(xiàn)平穩(wěn)的較高的溫度，此類燃燒器不僅對揮發(fā)分含量高的煙煤有效，而且對揮發(fā)分低的無煙煤也適用，事實(shí)上有多臺(tái)燃燒器已經(jīng)連續(xù)使用100無煙煤和100石油焦長達(dá)數(shù)年圖圖12 奧地利奧地利 雙通道噴煤管雙通道噴煤管 圖圖13 史密斯新型雙調(diào)節(jié)伸縮式史密斯新型雙調(diào)節(jié)伸縮式Duoflex噴煤管噴煤管 燃燒器型式22 FLS 燃燒器第三代FLS 燃燒器噴射口第三代FLS 燃燒器風(fēng)道布置燃燒器型式vF

12、LS第三代燃燒器（DUOFLEX燃燒器）已由原有的三風(fēng)道燃燒器改為四風(fēng)道燃燒器，旋流風(fēng)由煤風(fēng)道的里層移到煤風(fēng)的外層， 在燃燒器出口，巧妙地把旋流風(fēng)道和軸流風(fēng)道合二為一，減少風(fēng)道的截面積，提高出口風(fēng)速。各風(fēng)道的布置情況和噴射口如圖。其特點(diǎn)如下：燃燒器型式v（1）增設(shè)中心圓孔形噴射口的平行射流，以減少中心部位因燃燒產(chǎn)生的結(jié)焦。v（2）煤粉輸送空氣在旋流空氣內(nèi)側(cè)， 在燃燒器中心形成一個(gè)富燃料區(qū)，燃料在還原氣氛下燃燒，以減少NOx 的生成量。燃燒器型式v（3）旋流空氣和軸流空氣相鄰，且在出口合二為一，從而減少了一半左右的出風(fēng)口面積，以大幅度提高出口噴速，增加燃燒器的沖量，來穩(wěn)定火焰形狀；并利用軸流風(fēng)噴

13、速來調(diào)節(jié)旋流強(qiáng)度，增加了調(diào)節(jié)的靈活性。v（4）軸流空氣與旋流空氣高速噴出，組成大的火焰外部循環(huán)回流區(qū)，并與中心風(fēng)的內(nèi)循環(huán)區(qū)相結(jié)合，加快了燃料的著火燃燒。燃燒器型式v（5）采用調(diào)節(jié)噴口面積大小來調(diào)節(jié)軸流和旋流的噴速，比原有的燃燒器依靠閥門調(diào)節(jié)的動(dòng)力消耗低。噴口面積調(diào)節(jié)時(shí)可降低一次風(fēng)量，同時(shí)保持較高的軸流空氣噴速。其一次風(fēng)量為68 ，最大軸流噴速達(dá)到250m/s， 其沖量約為12501780m/s。燃燒器型式v上述措施致使火焰的最大峰值溫度平穩(wěn)，達(dá)到保護(hù)窯皮和提高耐火磚的使用周期，同時(shí)還可降低NOx 的排放。燃燒器型式四風(fēng)道燃燒器燃燒器型式v2.3 PILLARD 燃燒器vPILLARD燃燒器與F

14、LS燃燒器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)類似：v（1）增設(shè)中心圓孔形噴射口的平行射流，減少該部位燃燒結(jié)焦。燃燒器型式v（2） 中心部位除設(shè)置油燃燒器外，還增加天然氣點(diǎn)火裝置。v（3）旋流空氣設(shè)置在煤粉和輸送空氣風(fēng)道外側(cè)和軸向空氣組成火焰外部循環(huán)氣流；在燃燒器中心形成一個(gè)富燃料區(qū)， 燃料在還原氣氛下燃燒，以減少NOx 的生成量。燃燒器型式v（4）相對較高的一次風(fēng)比例和較低的軸向噴速（新燃燒器也在大幅度提高風(fēng)速）。v（5）旋流風(fēng)道和軸流風(fēng)道均能前后調(diào)節(jié)， 從而改變其噴射口面積，達(dá)到調(diào)節(jié)其噴射風(fēng)速的目的。燃燒器型式v（6）在軸流風(fēng)道噴口外端，設(shè)置攏焰罩，防止火焰過于粗大而損壞窯皮。v以上措施有利于增加火焰長度及產(chǎn)生平穩(wěn)

15、的峰值溫度，保護(hù)窯皮和減少NOx 的生成量。3 幾種燃燒器的分析對比3 幾種燃燒器的分析對比三種燃燒器結(jié)構(gòu)性能比較3 幾種燃燒器的分析對比3 幾種燃燒器的分析對比各公司燃燒器使用特點(diǎn)v通過上面的分析比較可以看出，高動(dòng)能型（三風(fēng)道）和高沖量型（四風(fēng)道）燃燒器并沒有明顯的優(yōu)劣之分。高動(dòng)能型燃燒器由于煤粉在旋流風(fēng)和軸流風(fēng)之間， 火焰形狀易于調(diào)節(jié)，適合原燃料不是很穩(wěn)定的水泥廠使用。由于軸流風(fēng)風(fēng)速高，需要的一次風(fēng)量低，但風(fēng)壓較高（有的高達(dá)6080kPa），系統(tǒng)能耗不一定最低。v高沖量型燃燒器由于煤粉在旋流風(fēng)和軸流風(fēng)的里層， 火焰形狀穩(wěn)定， 適合原燃料穩(wěn)定的水泥廠使用。由于一次風(fēng)量相對高一些，但風(fēng)壓較低（

16、最高在30kPa 左右），也不一定增加系統(tǒng)能耗。.旋流度：三、燃燒器參數(shù)v流體密度流體密度vr任意半徑任意半徑vU、W和和分別為旋轉(zhuǎn)射流任一截面上的軸向和切向速度分別為旋轉(zhuǎn)射流任一截面上的軸向和切向速度分量以及靜壓力。分量以及靜壓力。v 軸向管流中設(shè)螺旋葉片的旋流器簡圖軸向管流中設(shè)螺旋葉片的旋流器簡圖 旋流度變成旋流數(shù)v阻塞系數(shù)皮拉得燃燒器現(xiàn)場測試v旋流數(shù)速度場卷吸量外內(nèi)風(fēng)比例對外回流的影響隨著外內(nèi)風(fēng)量比由4:1減小到3:1，外回流區(qū)長度由4.60m縮短為3.51m，寬度由0.30m收縮為0.21m，起點(diǎn)由4.87m延遲至5.89m處;隨著外內(nèi)風(fēng)量比降至2:1，外回流區(qū)消失。因此，外內(nèi)風(fēng)量比對

17、外回流區(qū)的形成和大小作用十分明顯，隨著外軸流風(fēng)比例的增加，對二次空氣的引外內(nèi)風(fēng)量比對碳燃盡速率(kg/s)的影響外內(nèi)風(fēng)量比對燃燒過程的影響由碳燃盡速率的變化可以清楚的表現(xiàn)出來，隨著外內(nèi)風(fēng)量比由2:1、3:1增大到4:1，碳燃盡長度由3.52m、2.35m縮短為1.95m，表明燃燒速率提高，對于燃盡是有利的;同時(shí)，碳燃盡起始位置由距燃燒器噴口0.37m、0.52m后移至1.02m處，表明著火點(diǎn)后移，對于著火是不利的。v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。我院曾就大速并穩(wěn)焰措施在某水泥廠進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，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)。在距燃燒器噴口小于O.65D的區(qū)域，混合強(qiáng)度沿徑向一般呈先增大后急劇減小的“單馬鞍形”結(jié)構(gòu)。1.012.51D的區(qū)域，混合強(qiáng)度沿徑向一般呈中間大兩邊小的趨勢，同樣，也可用一個(gè)高斯分布來表示。在距燃燒器噴口2.51D以外的區(qū)域，混合強(qiáng)度沿徑向基本保持不變。這是因?yàn)殡S著卷吸量的進(jìn)一步增加，這一區(qū)域的速度梯度基本消失的緣故。四、燃料特點(diǎn)分析四、燃料特點(diǎn)分析v表表1 水泥窯用煤的品質(zhì)要求水泥窯用煤的品質(zhì)要求劣質(zhì)燃料具有以下特點(diǎn)：v(1)著火性能下降。著火性能下降燃燒