新型干法回轉(zhuǎn)窯燃燒器進(jìn)展與介紹

　　1.前言  

　　1.1燃燒器發(fā)展歷史 

　　上世紀(jì)70年代，國(guó)外使用的還是低效率的單通道燃燒器；但隨著能源危機(jī)和全球建筑業(yè)的興起，水泥行業(yè)使用了高效率的燃煤多通道燃燒器取代了原先單通道燃燒器。同時(shí)由于產(chǎn)量﹑燃料等實(shí)際情況的不同以及降低生產(chǎn)成本的目的，多通道燃燒器歷經(jīng)了三個(gè)發(fā)展階段，這里的三個(gè)階段是從工藝發(fā)展的角度出發(fā)便于簡(jiǎn)介在時(shí)間上并不一致。第一個(gè)階段：以pillar公司三通道燃燒器為起點(diǎn)的第一代多通道燃燒器。第二階段：第一代多通道燃燒器的改進(jìn)型：改變了外軸流風(fēng)的出口方式及旋流風(fēng)道與煤風(fēng)道的分布位置。第三階段：能夠燃燒兩種或多種燃料的多通道以及具有突破性的新型雙通道燃燒器。實(shí)際上，不同技術(shù)的燃燒器彼此之間不能作同樣的比較，因?yàn)楦髯詽M足的實(shí)際要求是不相同的。  

　　1.2燃燒器的性能和操作  

　　國(guó)內(nèi)外燃燒器，性能雖然是很重要的，但在實(shí)際的使用中，性能和操作其實(shí)是同樣重要的。性能好的燃燒器在使用情況不好的時(shí)候，一樣不能發(fā)揮其特點(diǎn)。而性能一般的燃燒器，如果有非常良好的操作，那么效果一樣會(huì)非常好。例如某水泥廠兩條同規(guī)模生產(chǎn)線使用的相同的燃燒器，在使用者相同、燃料相同的情況下燃燒情況并不一樣，實(shí)際的生產(chǎn)中，燃燒器的操作有時(shí)候甚至占了更主要的因素。在水泥生產(chǎn)中，設(shè)備的性能和實(shí)際的操作總是相輔相成的，在生產(chǎn)運(yùn)行中，缺一不可的。  

　　2. 燃燒器的工藝特性   

　　 回轉(zhuǎn)窯燃燒器不僅為燃燒提供了燃料和氧化劑，同時(shí)也是火焰成型最主要的動(dòng)力裝置。因此，精確的工藝，將提供良好的工況，對(duì)熟料煅燒，成本減少都十分的重要。   

　　 2.1 一次風(fēng)  

　　一次風(fēng)是對(duì)水泥燒成系統(tǒng)影響最大的人工風(fēng)，它不僅起到輸送煤粉的作用，而且對(duì)火焰成形﹑燃料燃燒﹑吸卷二次風(fēng)的數(shù)量都有很大的影響，因此精確的控制有助于熟料產(chǎn)﹑質(zhì)量的提高和煤電資源的節(jié)省。  

　　2.1.2一次風(fēng)率   

　　 一次風(fēng)的溫度很低，過(guò)多的參與燃燒過(guò)程則明顯的降低了著火條件﹑增大風(fēng)機(jī)電耗﹑也不利于煤粉的燃燒而造成資源的浪費(fèi)。但由于一次風(fēng)起著輸送燃料和火焰成形的作用因而不可取消，因此只有盡量降低一次冷風(fēng)在總風(fēng)量（包括一次風(fēng)﹑二次風(fēng)﹑窯尾高溫?zé)煔猓┲械恼加新室员ＷC燃燒器的燃燒效果。  

　　2.1.2一次風(fēng)輸出方式  

　　早期的單通道燃燒器全部的一次風(fēng)和煤粉從同一個(gè)通道噴出，事實(shí)證明不僅一次風(fēng)率高而且火焰形狀也比較差，燃燒情況十分不好。利用多個(gè)通道輸出一次風(fēng)，不僅可以降低一次風(fēng)率而且高速的外軸流風(fēng)還可以大量的引射高溫的二次風(fēng)，內(nèi)部的旋流輸出風(fēng)可以增大火焰內(nèi)部回流區(qū)，改善燃料著火條件，中心風(fēng)調(diào)節(jié)黑火頭以避免燃燒器由于高溫被燒壞。同時(shí)，各個(gè)風(fēng)道的出口形狀也影響著燃燒，相比與環(huán)隙式出口，如果外軸流凈風(fēng)采用數(shù)個(gè)環(huán)繞的圓型孔出風(fēng)，這不僅減小出口面積，而且在保證了出口動(dòng)量的基礎(chǔ)上，增加了火焰剛度，減少了一次風(fēng)量，更多的吸卷了二次風(fēng)。國(guó)外某公司的新型雙通道燃燒器，一次風(fēng)基本上由一組環(huán)繞著燃燒器的軟管輸出，不僅大大降低一次風(fēng)率而且可以簡(jiǎn)便地調(diào)節(jié)旋流強(qiáng)度。  

　　2.1.3一次風(fēng)速度和旋流強(qiáng)度 

　　 一次風(fēng)各出口速度和旋流風(fēng)的旋流強(qiáng)度對(duì)燃燒和窯運(yùn)作有比較大的影響。燃燒器出口速度要適當(dāng)，過(guò)大會(huì)引起生料的堆料和窯尾溫度過(guò)高；過(guò)小則不利于火焰成形和吸卷周?chē)母邷乜諝庖约霸斐苫鹧孢^(guò)于疲軟而缺乏穿透力。旋流風(fēng)的旋流強(qiáng)度是一次風(fēng)中一個(gè)重要的指標(biāo)；合適的旋流強(qiáng)度加速燃料和燃燒空氣的混合,并且在火焰中心形成高溫回流區(qū)，改善燃燒環(huán)境，使燃燒完全，并且在火焰中下游區(qū)形成外回流氣膜，保護(hù)窯皮；但是過(guò)大則會(huì)使火焰中心向燃燒器出口移動(dòng)，損壞燒嘴。實(shí)際工況中的旋流強(qiáng)度通常是調(diào)節(jié)內(nèi)外凈風(fēng)比，這容易改變一次風(fēng)風(fēng)量和出口動(dòng)量，因此能否不改變出口動(dòng)量前提下簡(jiǎn)易進(jìn)行調(diào)整也是燃燒器很重要的工藝指標(biāo)。  

　　2.2火焰  

　　由于生料煅燒需要的熱能大部分是通過(guò)火焰光輻射進(jìn)行傳播的，因此火焰的溫度和形狀就十分的重要。火焰溫度反映了能量粒子的分布情況，均勻的分布對(duì)熟料煅燒非常有利；根據(jù)國(guó)外研究表明，短而窄的火焰最有利于熟料的煅燒﹑煤粉的燃燒﹑熔渣的結(jié)晶和窯皮及燃燒器壽命的延長(zhǎng)，而且這種火焰的熱流分布也比較理想?；鹧娴姆€(wěn)定性將保證熟料煅燒的質(zhì)量的穩(wěn)定性和設(shè)備運(yùn)行的安全性。影響火焰的主要是一次風(fēng)率﹑出口速度，旋流強(qiáng)度，煤粉種類(lèi)﹑顆粒大小等。  

　　2.3 火焰動(dòng)量理論 

　　火焰動(dòng)量理論是國(guó)外長(zhǎng)期研究得出的關(guān)于火焰成形的理論。這個(gè)理論認(rèn)為影響火焰形狀的關(guān)鍵參數(shù)是一次風(fēng)的比率乘以一次風(fēng)的速度，而良好的形狀所需要的數(shù)值大概在1200－1500(%,m/s)；同時(shí)也可以用單位熱耗的火焰推力來(lái)描述火焰的工作狀況，其定義是單位時(shí)間出口風(fēng)量（kg/s）乘以出口速度再除以單位熱耗，國(guó)外研究表明在3—7N/MW之間是比較合理的火焰推力范圍。而不良的火焰會(huì)導(dǎo)致火焰過(guò)長(zhǎng)，煅燒區(qū)和燃燒區(qū)下游部分過(guò)高的窯表面溫度，過(guò)多的游離氧化鈣，同時(shí)不穩(wěn)定的窯運(yùn)作且伴隨著過(guò)長(zhǎng)過(guò)冷的煅燒區(qū)，因此會(huì)產(chǎn)生不利的溶渣結(jié)晶。

　　回轉(zhuǎn)窯中作為噴射器的燃燒器，其目的是為了盡可能利用來(lái)自于冷卻器的二次風(fēng)使得燃料燃燒盡可能接近二次風(fēng)聚集的窯中線。這就解釋了為什么燃燒器的動(dòng)量決定了火焰的形狀。更高動(dòng)量意味著更快的混合和更短更熱的火焰。

　　窯內(nèi)好的火焰形狀可以使用盡量少的空氣而幾乎沒(méi)有CO的部分，一個(gè)有正確火焰動(dòng)量的燃燒器不論溫度多高都會(huì)有比較低動(dòng)量的卻消耗更多空氣的燃燒器有更低的NOX含量。圖1是不同動(dòng)量火焰形狀的比較。  

　　3.國(guó)內(nèi)外煤粉燃燒器介紹  

　　國(guó)外水泥行業(yè)用燃燒器真正開(kāi)始發(fā)展應(yīng)該是在上世紀(jì)70年代，以法國(guó)pillard公司研制的第一代三通道燃燒器為起點(diǎn)。實(shí)際上，在之前曾經(jīng)出現(xiàn)了模仿燃油燃燒器的雙通道的燃煤燃燒器，但由于對(duì)煤粉燃燒和氣固動(dòng)力科學(xué)研究不夠以及具體操作參數(shù)的不當(dāng)，在工業(yè)生產(chǎn)中，效果并不理想。Pillard三通道燃燒器的出現(xiàn)，不僅取代了原先落后的單通道燃燒器（即噴煤管），同時(shí)也正式標(biāo)明水泥用燃燒器的研究進(jìn)入了人們的視線。   

　　 3.1 pillard公司生產(chǎn)的煤粉燃燒器 rotaflam kiln burner   

　　rotaflam kiln burner是pillard公司在其原始的三通道燃燒器基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的，在效率和節(jié)能方面都得到改善。  

　　3.1.1工藝原理  

　?。?）Rotaflam燃燒器的制造概念主要是基于GRC鍋爐燃燒器的經(jīng)驗(yàn)發(fā)展起來(lái)的，并且優(yōu)化了火焰穩(wěn)定性。這種穩(wěn)定性在增大中心渦流尺度的同時(shí)限制了渦流的再流動(dòng)，保證了即使冷啟動(dòng)也能有很好穩(wěn)定性的火焰。  
　　（2）煤粉、燃油和燃?xì)舛伎梢栽?個(gè)空氣管道內(nèi)流動(dòng)。這種新的設(shè)計(jì)目的為了避免氧氣在火焰根部過(guò)多聚集，減少NOX。  
　　（3）外部風(fēng)管超過(guò)噴嘴的長(zhǎng)度。這種出口位置分布造成了燃燒初期會(huì)形成十分快速膨脹的擴(kuò)展型氣流，以使火焰有較好的形狀。  
　?。?）軸向氣流經(jīng)由數(shù)個(gè)圓孔管?chē)娚?，與連續(xù)的環(huán)隙出口不同，這一設(shè)計(jì)使得內(nèi)外部燃燒管能夠同軸。而且火焰根部可以引入更多的高溫CO2氣體，以減少O2的分量。  
　?。?）通過(guò)優(yōu)化直流和旋流風(fēng)動(dòng)量比獲得了高效率的燃料/空氣混合。而且，與傳統(tǒng)的3通道燃燒器比較，rotaflam的一次風(fēng)量只有它的一半， 但是燃燒器的出口動(dòng)量卻大大增加。  

　　3.1.2工藝特點(diǎn)  

　?。?）有較好的火焰形狀并且降低了火焰的峰溫，熱流分布良好。  
　?。?）由于使一次風(fēng)量減少了4%，取而代之的是高溫回流煙氣(700-11000C),使得燃料燃燒更加完全，大約節(jié)省1.5%的燃料。  
　?。?）簡(jiǎn)化了對(duì)火焰形狀調(diào)節(jié)過(guò)程并擴(kuò)大了調(diào)節(jié)的范圍。  
　?。?）由于火焰溫度峰值的降低和高溫回流煙氣的增加，使NOX生成量大大減少。圖2是pillard 公司燃燒器結(jié)構(gòu)圖，1是外凈風(fēng)通道 2是旋流風(fēng)通道 3是風(fēng)煤通道 4是中心冷風(fēng)通道