回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器的技術(shù)進(jìn)展

1、回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器的技術(shù)進(jìn)展作者:孔學(xué)標(biāo)單位:南京水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院 2007-2-14關(guān)鍵字:燃燒器-技術(shù)-進(jìn)展摘要:回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器的技術(shù)進(jìn)展0 引言  70年代中其國(guó)際上發(fā)展起來(lái)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(shí)窯的操作及熟料煅燒情況得到明顯改善。經(jīng)過(guò)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(shí)，水泥窯對(duì)燃煤品質(zhì)要求不斷降低，無(wú)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(diǎn)，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

2、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)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(jì)算機(jī)數(shù)值模型技術(shù)的發(fā)展使燃燒器開(kāi)發(fā)專(zhuān)家不再依賴(lài)傳統(tǒng)的冷態(tài)氣體模擬試驗(yàn)，以KILNFLAMESYSTEMS公司為代表的酸堿水模擬試驗(yàn)方法可使回轉(zhuǎn)窯燃燒的流暢設(shè)計(jì)更加精確，從而確保了高風(fēng)險(xiǎn)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(duì)回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒認(rèn)識(shí)的深入  從工藝過(guò)程角度看，用于對(duì)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(duì)燃燒品質(zhì)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，特別是在燃燒無(wú)煙煤或劣質(zhì)煤時(shí)，能確保在較低空氣過(guò)

3、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(zhǎng)，使整個(gè)燒成帶具有強(qiáng)而均勻的熱輻射。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(zhǎng)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(zhǎng)”以形成合理的燃燒帶長(zhǎng)度，而不再象以往那樣強(qiáng)調(diào)化燃燒以適應(yīng)強(qiáng)化煅燒要求，這是因?yàn)閺?qiáng)化燃燒所形成的局部高溫對(duì)燒成帶窯皮不利，從而影響耐火磚使用壽命，另一方面局部高溫將增加NOx的排放量。  一般情

4、況，來(lái)自冷卻機(jī)的二次風(fēng)溫可達(dá)900以上，窯頭燃燒火焰溫度高達(dá)1800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(diǎn)在于：煤粉燃燼時(shí)間受煤粉細(xì)度的影響較大（正比于煤粉粒徑的平方），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(shuō)，在燃料品種和煤粉細(xì)度一定情況下，為在整個(gè)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(shí)質(zhì)上是控制燃燒器出口射流股對(duì)二次風(fēng)的引射速率。至于火焰形狀除受到對(duì)二次風(fēng)的引射速率和一次射流股的旋流強(qiáng)度等方面

5、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(lái)衡量。上述這些都取決窯頭受限射流空氣動(dòng)力學(xué)方面的精確設(shè)計(jì)。圖1為我們實(shí)測(cè)到的典型的窯及三通道燃燒器所形成的受限射流速度場(chǎng)。    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(shí)，按一次射流動(dòng)量通量大小可分兩種情況：  1)當(dāng)一次射流動(dòng)量通量不大時(shí)，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(dòng)量通量大到一定值時(shí)，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(gè)位置，二次空氣被引

6、射完畢，過(guò)剩的射流動(dòng)量隨即開(kāi)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氧含量和擠占燃燒空間，這會(huì)引起燃燒速度降低，增加了火焰長(zhǎng)度，所以外回流的大小有一最佳范圍。  此外，適度的外回流對(duì)煤粉/空氣混合過(guò)程有促進(jìn)作用，而沒(méi)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(gè)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(yàn)表明，在射流擴(kuò)展的理論碰撞點(diǎn)附近常常發(fā)生耐火磚磨損過(guò)快現(xiàn)象，導(dǎo)致窯運(yùn)轉(zhuǎn)周期

7、縮短。  在使用低揮發(fā)分燃燒時(shí)，火焰的氣體流場(chǎng)是非常重要的，因?yàn)榈蛽]發(fā)燃燒一般具有較高的著火點(diǎn)，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(diǎn)燃的最簡(jiǎn)便方法是增加火焰內(nèi)循環(huán)量，使下游熾熱的燃燒產(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(dòng)量通量和旋流強(qiáng)度是窯頭火焰設(shè)計(jì)和操作的重要參數(shù)。噴煤管出口動(dòng)量通量是射流股對(duì)來(lái)自冷卻機(jī)二次空氣引射能力的度量。過(guò)小的動(dòng)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

8、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(guò)大的動(dòng)量通量會(huì)引起過(guò)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。  噴煤管出口射流旋流主要控制著火焰形狀、因此被稱(chēng)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(duì)熟料的熱輻射。但過(guò)強(qiáng)的旋流會(huì)引起雙峰火焰，即發(fā)散火焰，易使局部窯皮過(guò)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

9、的。  2 窯頭火焰的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算  2.1一次射流動(dòng)量通量  根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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(dòng)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(duì)二次風(fēng)的引射速率為：     式中：M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(dòng)量通量，N。對(duì)于多通道煤粉燃燒器，總動(dòng)量通量等于各通道出口軸向動(dòng)量通量之和：CG；  S

10、任意垂直于燃燒器軸線截面的旋流數(shù)；  P。被引射空氣的密度，kg/m3；  P。射流混合物的密度，kg/m3；  G旋流風(fēng)的角動(dòng)量通量，N·m；  Gx射流出口軸向動(dòng)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；  S。按三通道燃燒器出口尺寸和風(fēng)速計(jì)算的旋流數(shù)。  有關(guān)資料介紹，K。、K分別為4.8和14，不過(guò)對(duì)于多通道燃燒器的具體噴嘴形式應(yīng)由冷態(tài)實(shí)驗(yàn)等方法確定。  根據(jù)動(dòng)量守恒原理，在射流擴(kuò)展過(guò)程中，角動(dòng)

11、量和軸向動(dòng)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：  MK1XK2（G/Gx·tga）(X+a)K1/G2  將G/GxSoRo代入該式得；  MK1KtX/G2K2KtRoSotg-1a·(X+a)/ G2（6）  不難看出，式（6）中第一項(xiàng)為射流軸向運(yùn)動(dòng)的引射量，第二項(xiàng)為射流旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(jì)算所需的實(shí)際空氣需要量給出。為分析方便，令：  MK3Gm-MoK3qcGc/Qnet.ar-M (7)&#

12、160; 式中：Mo次空氣、煤粉輸送空氣問(wèn)題，kg/s；  Gm煤粉消耗量，kg/s；  K3單位煤粉燃燒實(shí)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(zhǎng)度。只有當(dāng)射流出口動(dòng)量小到一定值時(shí)，外回流區(qū)完全消失，才會(huì)出現(xiàn)這一情況，此時(shí)X為:  XXmaxD/2 tga-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：

13、60; GPo/Pctg2a（K3qcGc/Qnet.ar-Mo/K1（D/2-atga）+K2RoSo(D/2tga)2 (9)  根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料，等溫旋轉(zhuǎn)射流的引射量可用下列經(jīng)驗(yàn)式表示：  M/Mo（K1K2S）（X/2Ro）（10）  根據(jù)不同資料，K1，K2取值范圍為：  K10.32-0.35  K20.8-1.07  比較（10）和（1）不難看出：  K1（0.32-0.35）p/2  K20.8-1.07p/2  K3可以通過(guò)燃燒計(jì)算得出。因此，若通過(guò)對(duì)現(xiàn)行噴嘴結(jié)構(gòu)利用冷態(tài)實(shí)驗(yàn)等方法

14、確定a值和a值，則便可以利用式（9）計(jì)算出燃燒器射流必須達(dá)到的最小軸向總動(dòng)量通量。  根據(jù)計(jì)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(guò)Ko不是4.8而是11.5，K仍為14。  2.2 旋流數(shù)  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(shí)，可近似從燃燒器出口端結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)計(jì)算旋流數(shù)，其近似程度良好，即  SG/GxR  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(diǎn)經(jīng)推導(dǎo)整理后得到的三通道

15、噴煤管嘴旋流數(shù)的計(jì)算公式：     式中：P1各通道風(fēng)量與一次風(fēng)總量（包括煤風(fēng)）之比；  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：  （12）  將我院冷模試驗(yàn)用CTI型燃燒器噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)代入（11）式，并令P煤0.33，PP，得到下式：  S94.282tg/170+288(0.67/P-1)2+10.5

16、32/P  令45°，P內(nèi)0.670，則S0.487；  令45°，P內(nèi)0.335，則S0.171；  令30°，P內(nèi)0.335，則S0.0986；  令30°，P內(nèi)0.670，則S0.281；  通過(guò)上述計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)內(nèi)、外風(fēng)的比例來(lái)改變旋流數(shù)，從而達(dá)到改變火焰形狀的目的是極為有效的。這與冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)是一致的。  3關(guān)于燃燒器噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的幾個(gè)值得討論的問(wèn)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)

17、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(chēng)之為火焰形狀系數(shù)。實(shí)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(dòng)力學(xué)的角度簡(jiǎn)單地理解，一次射流對(duì)二次風(fēng)的引射量取決于一次射流的動(dòng)量通量，其引射速率除受一次射流角動(dòng)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(duì)引射速率有較大影響，因?yàn)橐涫峭ㄟ^(guò)射流股和周邊二次風(fēng)接觸而上的動(dòng)量交換而產(chǎn)生的。噴嘴設(shè)計(jì)中，在保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(guò)高的二次風(fēng)混入速率使一次射流股的核心速度衰減過(guò)快，表

18、現(xiàn)為火焰“剛度”下降，對(duì)窯內(nèi)的穿透深度減小。筆者曾就當(dāng)時(shí)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(jiàn)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(duì)二次風(fēng)的引射速率高于a型，實(shí)踐中前者火焰粗短，燃燒劇烈，較適合于強(qiáng)化煅燒情況。b型中煤粉通道被分割成數(shù)個(gè)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(duì)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(duì)燃燒速率影響不大，實(shí)踐中我國(guó)在300t/d、600t/d的預(yù)熱器窯上使用較多，普遍認(rèn)為火焰散，有時(shí)甚至出現(xiàn)所謂的“鷹爪型”火焰，這種不利現(xiàn)象可以通過(guò)適當(dāng)減小煤粉通道的動(dòng)量通量得以改善。     3.2噴

19、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(gè)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(guò)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(dòng)量能量，在減少一次空氣用量的同時(shí)必須提高一次射流總的出口速度。因此出現(xiàn)的問(wèn)題有如下幾個(gè)方面：  1)由于出口速度高和一次風(fēng)用量低的要求，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(guò)程中難以保證較高的同軸度要求，引起火焰變形偏轉(zhuǎn)。  2

20、)多股風(fēng)因出口縫隙小，核心速度衰減過(guò)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(guò)多的通道數(shù)，減少了外風(fēng)通道的通過(guò)風(fēng)量，使燃燒器外套管得不到跔的冷卻，引起變形從而導(dǎo)致燃燒器外層耐火澆注料的過(guò)早損壞。  近期國(guó)際上發(fā)展起來(lái)的雙通道燃燒器可有效地克服上述多通道燃燒的缺點(diǎn)，Unitherm公司的M.A.S燃燒器和F.L.Smidth公司的DULFLEX燃燒器均屬這一類(lèi)型，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(jiàn)式12）可以看出調(diào)整旋流器角度和調(diào)整

21、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)窯的煅燒工況，M.A.S燃燒器可在操作中改變旋流器角度以調(diào)整火焰形狀。在雙通道燃燒器噴嘴結(jié)構(gòu)上，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(diǎn)。山東章丘水泥廠引進(jìn)Unitherm公司1臺(tái)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；

22、0; 3） 采用值班火焰。  無(wú)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(wú)脈沖速度的選擇依賴(lài)于實(shí)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。在冷窯啟動(dòng)過(guò)程中或窯況不穩(wěn)定、燃燒帶溫度過(guò)低、二次風(fēng)溫不高的不利情況下，大部分無(wú)煙煤使用廠家需采用油煤混燒的方式渡過(guò)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(wèn)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

23、簡(jiǎn)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(guò)0.5，屬弱旋轉(zhuǎn)射流范疇，其本身對(duì)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(zhǎng)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(kāi)發(fā)商常用的技術(shù)升旗。非流線鈍體的設(shè)計(jì)常結(jié)合噴煤管的結(jié)構(gòu)情況，以圓臺(tái)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(guò)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