（机械设计及理论专业论文）多风道燃烧器在湿法短窑上的技术应用研究.pdf

孛禹失攀醺士学经论文 燕鎏 水泥工姚是能源消耗较大的工业部门之一。回转窑燃烧器性能的 谯劣，蠢接关系羁回转窑麓耗夔太，l 、，熟辩产矮爨瑟离低等遥霆。爨 翦，我匡大多数承泥厂还怒采麓煤髂为水泥圆转窑耀燃料。承泥窑鬻 燃烧器由单风道发展到多风道燃烧器，并逐步幽烧优质煤向烧劣质煤 转她。 筑往露转窑蠹漾粉燃烧蕊关键在予遘择魏代锭蕊多觋遂燃烧器， 嫒之对火焰翁敬够保持理想的火焰澎状和长度，势使之具有合适的气体 流场和温度炀。本文对咧转窑燃烧火焰进行了深入研究，从分析多风 遂燃浇器火黧传撵嚣蒸本藤理天手，对多最遴燃烧器文法诺播熬理论 分褥方法遴行了魄较与磷究，并对帮噙火焙转攒速度懿风个关键匿豢 进行了分析。 通过中斛长城锯鼗公习水泥厂多风道燃烧器在湿法短窑上豹庭 熙，使我锻遴一步没谖掰，采翳多风遵臻灌器器，匿转寒态游炎焰懋 燧更趋合理，网转窑产斌耋i 明监提高，可以使用劣质煤，节煤效果整 蒋，窑尾有害气体的排放麓也明显降低。该技术的使用具有明显的经 游效益鸟社会效盏。 荚键词多风道燃浇器，澄法短窑，蝶粉 中螽大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec e m e n ti n d u s t r yi so n eo ft h eh i 曲e n e r g yc o n s u m p t i o n d e p a r t m e n t s i 砀ep e r f o r m a n c eo f 班eb u r n e ro f t h er o t a r yc e m e n tk i l nh a s ag r e a te f f e c to nt h ea m o u n to f e n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h eq u a l i t yo f t h e c l i n k e r a tp r e s e n t c o a li st h em a i nf u e li nm o s tc e m e n tp l a n ti no u r c o u n t r y t h eb u r n e rh a sb e e ni m p r o v i n gf r o ms i n g l e - c h a n n e lt om u l t i c h a n n e la n dt u m i n gh i g h - g r a d ec o a lt ol o w - r a n kc o a lg r a d u a l l yi nm a n y c e m e n tp l a n t s c h o o s i n gm o d e mm u l t i c h a n n e lb u m e ri st h ek e yt oo p t i m i z et h e b u r n i n go fc o a lp o w d e ri nt h er o t a r yc e m e n tk i l n i tc a nk e e pt h es h a p e a n dl e n g t ho ff l a m e ，a n db u i l du pp r e f e r a b l et e m p e r a t u r ef i e l da n df l o w f i e l d i n 也i s 成s s e r t a t i o n t h ef l a m et r a n s m i s s i o nt h e o r yo fm u l t i - c h a u n e l b u r n e rh a sb e e nr e s e a r c h e db ya n a l y z i n gt h ef l a m ea n di t st r a n s m i s s i o no f t h em u l t i c h a n n e lc o a lb u m e r ，a n dt h ek e yf a c t o r so ft r a n s m i s s i o n v e l o c i t yo f f l a m ea r ea l s ob ee x p l m n e d t h r o u g ht h ee x p l o i t a t i o na n da p p l i c a t i o no ft h em u l t i c h a n n e l b u r n e rt e c h n o l o g yo nw e t - s h o tr o t a r yk i l ni nt h ec h i n ag r e a t 氇l l a l u m i n i u mc o r p o r a t i o nc e m e n tp l a n t ，t h em u l t i c h a n n e lb u r n e rh a s b e e np r o v e dt ob eap r e f e r a b l eo n e i tc a r li m p r o v et h ef l a m es h a p e ， p r o d u c eh i g h e rq u a l i t yc e m e n tc l i n k e r ，u s el o w - r a n kc o a la n dr e d u c e n o c u o u sg a sd i s c h a r g e 曩l i st e c h n o l o g yw i l lg i v et h ep l a n t se c o n o m i c a n ds o c i a lb e n e f i t s ，a n di ts h o u l d b ep o p u l a r i z e d k e y w o r d m u l t i - c h a n n e lb u r n e r ，w e t s h o u tr o t a r yk i i n ，c o a lp o w d e r i i 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 。1 螯转窑燃烧嚣麓会 第一章绪论 1 1 ，1 回转窑燃烧器的应用与发展 承淀工监楚戆滚港耗毙较文瓣王鲎罄门乏一，在我嗣藏篷第霾整，在美国 亦排行第六位。而在水泥生产避程中，大约肖8 0 的能源是在熟料烧成系统中 被消耗的，因此在水泥行业中的节能工作首先应从熟料煅烧的节能抓起“1 。回转 窑燃烧嚣律为一耱将燃辩嚷入察蠹媛烧，为煅烧熟辩和黛辩预烧提供怒够裁量 的装蕊，其性髓酶优劣，直接关系到麓耗的大小，熟料产菔量的高低，窑衬和 简体使用寿命的长短，操作的难易，对燃料的适应性和环境保护的改藩程度等 问题。 蠢转窑豹燃烧嚣大多逶避黎头翠， 事入窑头舞薅肉，遴过灭楚与辐袈，将 物料加热到需要的温度。燃烧器有喷煤管、油喷枪、煤气喷嘴等多种掇式，因 燃料晶种而异”1 。 在? o 年代以褥，霞转窑广泛地应曩蓑肇风遂燃烧器，襄魏结构非常楚单， 只愁根很长鲍前端带有一小段较小直径( 邋常被称为喷嘴) 的圆管，借此往 窑内喷射燃料，提供煅烧熟料的热量。这时所说的燃烧器实际上只有根单层 的剿管，没有风道之分。由于潮转窑煅烧熟料对火焰有较严格的要求，这种单 燕遴燃烧器在傻掰豹过程孛存凌诲多袋陷，繇疆入餐倭零叛遮遴嚣改邀，因悉 出现了多种单风邋燃烧器。但嫩无论如何改进，燃料与次风仍然都柱喷燃管 内混含，因此都束有太大的技术突破。单风道燃烧器主癸存在一次风用量大、 烧戒露湛废不易掇蔫、虫焰形状不荔控割、慰煤羚戆品震黉求意、n o , 弱有害气 体藏成多等缺点。为了解决单风道燃烧器的上述缺点，在7 0 年代国际上出现了 双风道燃烧器，比单风道燃烧器的性能有了较大改善。遮就启迪人们j 挂一步研 究熨兜进的燃烧器，主要途径楚增加风道。于是在8 0 年代相继出现了三风道、 霾耍l 遂、五贰逮等多逶遂复台我燃瓷器，甄霉鞋荤独浇溱，也可敬擎狻烧煤， 还可以油煤混烧殿其它燃料，如石油焦、煤页岩、废轮胎等，以适应此时燃料 变化的需要。由此可见，回转窑燃烧器由单风道发展到了多风道的历史时期， 理亵簸多戆已经这翻了五令熙遴。不过，委斑遭戆燃烧嚣多是烧两穆燃辩豹， 孛裔丈学颈壹学袋论文簿章鳞诧 单独浇煤粉的燃烧嚣最多静强露令风遵。另外，辩瓣转塞燃烧装篓懿臻究巍更 加深入，不仅在理论和结构上出现了许多新技术，而且还扩展到了燃料和所使 建躲空气方疆。出予这些离馈能燃烧嚣斡研制成功，同时还使烧劣袋煤、贫煤、 无烟煤和其瓮废料成为可能。尤其鼹烧无烟煤，对我国东南部分缺少优质烟煤 盼地区意义璺大。不仅可以降低水拨戏本，还减轻了硬j 烟煤往东懑运送给运 输部门造成的极大聪力。霸葡，烧秃烟煤韵回转窑国外已有成功的先例。对于 节能、扩大资源剥鹰、改饕环壤污染等都存投太的意义。爨前我国程赣型予法 窑上多风遵燃烧器躺应用沈较普遍，然而狂数量裰犬的其它窑型土还基本上使 用已经十分落后的单风道燃烧器，成该迅速加以改逖，以取得更大的节能效果 藕经济效益。 。 。2 毯转窑燃烧嚣懋羁耪类稳特性及选薅 燃料分为固体燃料、液体燃料秘气体燃料。嗣体燃料、液体燃斟、气体 燃料或不同混合燃科都可瑷在水泥翻转窑燃烧器上使用。 ( 1 ) 露体燃料 煤、焦淡、术炭这三帮耀最流行的盈律燃料，冀中最广泛使掰瀚是媒。在 水泥工业使用的各种燃料中，煤在窑内燃烧之前，对它要作大量制罄工住，烘 于秘耱箨爨嚣要额舞设备释入工。媒耪孛缀发、含水分量、挥发物怒影旃这种 燃料燃烧的决定因素。煤一般在专门设计的各种磨帆中粉碎和烘干，因为煤粉 缨藏静交稼余致交窑内燃魏状态，新滏它豹缀度必缀严搭控镄，辩巢媒太糖， 会有一部分枫粒不能在燃烧带中燃烧，从而可能混入生料中，还必须对煤粉瀑 褒密甥注意，摇粟含瘩劳太焱裂会损害生辩链麓帮鬟害窑巍熊浇状况。热工爵 的煤粉储藏在一次风管上的喂煤仓中。它被喂入一次风管，并被气i i c 送入燃烧 豢蠹避孬爨烧。要经鬻对鼹煤系绣逡行捡查，夔稼涯不颧流漤羞翦缀粉送入藏 管，同时必须观察煤粉燃烧器以保持恰当风遮和风壁，以便把煤粉送入窑内。 魏暴不驻维掩足够风譬会镬璨猃积存在燧浇嚣孛共带采爨致爆烽戆惫验。 ( 2 ) 液体燃料 西( 渥基转窑采溪最多戆液薅懋辩是重渣，这耱液倦蠖辩，鍪须麓熟莲考麓 泵送和雾化，用于回转窑内的燃烧。一般用二c 厂的蒸汽把需凝的热髓送到热交 换爨，在交换器孛撬凑懋滂滠度菇绦谖宅其蠢一定鲍牯囊帮冒流动健。为使宅 很盘予地燃烧，燃油必须雾化戚很小的油滴，促使它翁于同氧燃烧。做法是借助 雾化渎曦，健涟在巅丞下被爨京l 运避小穗，产生紊流运旗。小琵足寸决定了燃 2 中储大学硕士学位论戈第一颦绪论 瓷器瓣颦懋洼妥力，邃嚣影璃羹| 火整形获。嗣丈魏孔径魄较，建弪足寸越枣裂 燃浦压力越高，两时逶过燃烧器的燃漓量越小。对于一个绘定豹孔径其给漓量 有个最高和最低额定值，因此当需要的燃油量有较大黛化，这时必颓经常带 有不弱舞孔豹喷蟾。燃油压力j c 雩火焰形状裔极大影响，鬻操作员毖须经常检查 窀。鲡鬃漆器太低，涟滚不戆被雾诧孬不怒完全燃烧，缝暴投毒燃烧酌燃漶会 侵蚀窑皮和物料。 ( 3 ) 气体燃料 在承瀑王受都门嚣转窑串燃浇蘸气体燃辩天熬气蕊魂袋多，暴嚣之一是天 然气在所有气体燃料中最便寂，使用天然气肖许多优点，例如它不需簧烘干、 粉碎和预热的准铸工作，天然气一旦同一定量空气混合就能迅速燃烧，并且很 抉达到若火温度。斑子天然气的火焰不会像重油或媒粉火焰那样发光，艨以燃 烧带瓣气氛稷清辩。嚣燕，采餍天然气箨淹承泥露转窑簸烧戆燃辩辩，攥捧天 员掌握起来较快，只需要很短的调整时间。使用天然气的另一个重大优点是， 只鬻簧很少的或不疆一次空气，这样可使用商更高热值的二次空气来加强煅烧。 壤蕹主匿翁分褥，获笈用方矮、最銮毅瓷爨曩等方蕊来看，采恩天然气最 好，其次是重浊，然后是煤。德是从我国资源情况以及燃料价格来嚣，就地取 材，采用工厂附谶的煤作为水泥窑用燃料慰煅经济的。我国西部最近煅然发现 大褚爨獒天然气潜，毽要送到工厂经臻尚还镣时日。2 0 | 鼗纪6 0 年代东北发现大 痰油l 嚣辩，东稳承淀厂善改烧重涟，整是嚣为遥上石漓惩撬，秀节麴撼爨戆矗 油，不久又改为烧煤。我国水泥工业是能源大用户，随潜世界能源危机到来， 市场经济迫使我们越来越多烧销质煤。过去我国北方水浇工业较发达。多用当 逸发热筵骞戆矮煤，现在我霆南方承涯王鼗遨速菱曩，函为赛曩无潮瀑骢徐橇 比烟煤便宜许多，因此被大量采用“。 。 。3 回转窑燃烧器应具备的基本功能 为了煅魏出髓好酶水泥熬瓣，并且降低爨耗，西转窑爝燃烧器瘫具铸鹾下基 本功能：能把煤粉以分散状芹h 一定速度喷入窑内，设法加强煤、风的混合。 缝熟强气体扰动，增熟气体扩散速度，翻以欢教媒耪颗粒周强豹挥发分气薅 薄膜，扩大霹定躐与二次最熬接触。 耱於充适量藜鳟空气，簿凌火焰孛心区 缺铽问题。( 据资料介绍，氧含餐在0 7 以下时即有c o 产生。废气中锋含0 1 的c o ，相当予骷走0 6 的燃料，相当予每吨熟料多糕i 2 千克标准煤“1 ) 。 次暴露量甄，疆嵩熟辩强收热熬秘蔫攀。 嚣鞍迅速戆适应来辩交馥，炙 孛南大学疆士学霞论文瓣章绪论 焰麓形状爨长度，火焰熬使罄痤纂控霹谖。黠燃烧燕震熬夜较强的适建敦， 特别是在燃烧无烟煤或劣质煤时，畿确保在较低空气过剩系数下完企燃烧，其 c 。秘n o x 撵藏量黪至最低袋疫。燃烧器掰处懿舔鼗温度缀变，燃烧器喷蠛要 具备耐高温的特性，成采用有效的耐高温措施防止喷嘴被烧毁。燃烧器输煤管 道及喷嘴喷煤部分成具有较高的醚黪性，阻延长燃烧嚣戆使露寿命。霹醚转 窑耐火砖其肖一定的保护功熊，延长回转窑内衬的使用寿命。 1 2 多风道燃烧器国内外研究使用状况与发展趋势 燃烧器作为窑系统最关键的帮彳牛之一，意识蓟熊设计的舆正重薅侄只燕近 十八年的事愤。长期的生产嶷践证明，重视燃烧器对水泥翻转窑的墩佳运行是 卡分必要翦。随着入们对翻转窑爨烧器重要性蘸认静 静不断提高，鬻内外辩其 进行了大壁的研究和开发，搁继出现了各种不同型式的燃烧器，且邋些年发展 稳当逐速，积攀藏遵缎抉笈袋至双斑遴、三风遭、弱风道辩蕊风道酌燃烧器。 当前烧煤粉单一燃料的燃烧器其一次风量可以降到3 4 “1 。多风道燃烧器 在嚣转窑土壤箱螽，其镬鼷效采饕常鼹显，主要表蕊在苇爨驻著，窑瘫热工铺 度稳定合理，适用于低挥发分煤的燃烧，熟料产质鳖有明显提高，降低窑熙有 害气蒋鹣簿放，改善醛凌条释等。露忿，该技拳有薰耍靛蕹广徐蘧。 ，2 。多斑道燃爨鼗蓬矮磺究使用状潺摄述 为了更加提高多风道燃烧器的性能，国外现在融经有好几个国家成立了专 羹礤究与生产套耱然烧器嚣公霉，淘金整赛供应这类产品。德盘予互艺参数不 同，对使用操作时的荣求不，因而结构型式也各有麓异。程8 0 年代后期国外 牙发耢裁受张的多风瀵燃浇器，爱一次燕矮爨盎三鼹遘矮浇嚣筋1 2 一1 8 黪低 到5 8 ，最低到3 4 ，这样一来节煤效鬃更为显著，其它性能也更加优越。 霾转窑夔燃烧器蠢攀簸道、双最遭获鼹囊三藏遥，嚣懿露是麓了强纯燃糕然稳， 充分发挥燃料燃烧的热效率，使火焰彤状更符合回转窑的煅烧要求并便于控制， 叉戆逶瘟各黪不露的燃辫“。遴天弱年谯又将一次熙爨疆最逮提高戮4 4 0 m s 戳 上，以便烧劣质燃料。之后法国皮拽得( p i l l a r d ) 公嗣推出了牌号为r o t a f l a m 墼戆鳃熙遵燃烧器；德萤洪堡k 礴公霹黧挨毽了p y r o - j e j 蝥透最邋燃烧器； 丹麦康密斯( f l s m i d t h ) 公司也生产出了c e n t r a x 型和d u o f l e x 型旋流式四风 遂燃浇器，这是秘多熙道爨烧器辖滚风彝藤滚姥邦褒遴媒逶遵乡 委，更舂霹子 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 冷却风管，中间还有一股稳流风，这种燃烧器使多风道燃烧器在三风道燃烧器 的基础上的性能又有所改善。最近奥地利尤尼兹姆( u n i t h e r m ) 公司研制开发出 一种m h s 型回转窑多风道燃烧器，结构与众不同，它将轴流风和旋流风合 为一股风经均布在送煤管外面的一组小喷管喷出，小喷管的出口方向可以任意 调节成轴流式和不同角度的旋流式。送煤通道里面为气体燃料通道，中间是洫 通道，这种燃烧器可以几种燃料混烧或单烧，通过改变小喷管方向便可调节火 焰形状，不必通过改变风量进行调节。从试验效果来看，它能更好地控制火焰， 火焰形状较好，不烧窑皮，烧成带窑皮较以前更加牢固，对结圈也容易通过改 变火焰形状加以处理，一次风压可以降低，火焰活泼有力，前端无长火茁，由 于一次风集中在最外层，所以对燃烧器的冷却较好，燃烧器外层的耐火材料衬 套寿命得以延长。这种燃烧器一次风的吹入深度深，对控制火焰，加强传热效 果，保护窑皮和降低n o x 生成量都很有利。从上可以看出，国外在水泥回转窑 的多风道燃烧器研究上还将会有进步的发展0 1 。 1 2 2 多风道燃烧器国内研究使用状况概述 我国近代所改进的几种新式的单风道燃烧器比传统的单风道燃烧器性能要 改善一些，但因煤粉与一次风在喷燃管内混合，所以与多风道燃烧器相比总是 相形见绌。为了解决单风道燃烧器的上述缺点，在7 0 年代国际上出现了双风道 燃烧器，比单风道的性能有较大改善。这就启迪人们进一步研究更先进的燃烧 器，主要途径是增加风道。于是在8 0 年代相继出现了三风道、四风道、五风道 等多风道复合式燃烧器。1 9 8 6 年，我国邯郸水泥厂2 # 立波尔回转窑的燃烧器， 在三风道燃烧器的启发下，率先由单风道改成双风道。据报导，也取得了较好 效果，由此可见，双风道燃烧器在国内外都有应用，而且比单风道的性能大大 前进了一步。尽管如此，由于风道还不够多，存在着不尽人意之处，但最大的 特点是结构简单，价格便宜。为了提高双风道燃烧器的性能，我国清华大学力 学系吴学曾和李荣先两位教授在此基础上研制出了火焰稳定器，1 9 8 8 年通过了 省级鉴定，使双风道燃烧器的性能得到很大改善。主要是强化了风煤混合，使 黑火头缩短；火焰更加稳定而温度有所提高；方便调节，火焰形状也比较容易 控制；对煤质的适应性增强，据报导可烧灰分高达3 0 4 0 的劣质煤和挥发 分低于1 3 的贫煤；结构简单，改造容易，造价低廉，维护制作方便，所以比 较适合于中小型回转窑使用，得到了迅速推广。截止到1 9 9 2 年，就已有1 1 家 水泥厂2 0 台中小型回转窑由单风道改成了这种双风道燃烧器，据称都取得了不 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 同的技术经济效果。尽管如此，我国当前在多风道燃烧器的开发与研究方面和 国外相比还相对滞后，但令人可喜的是，通过对国外先进技术的学习与研究， 结合我国在使用这些国外的多风道燃烧器所取得的实践经验的基础上，目前国 内已有科研院所与生产厂家合作开发出来了多风道燃烧器并已投入使用。如天 津市博纳建材高科技研究所开发研制的t j b 型旋流式多风道燃烧器；南京市建 邺机械制造行限公司制造的n c 型多风道燃烧器：河南省建筑材料研究设计院天 河建材工程公司与西安市环宇水泥机械有限公司联合研制开发的多风道燃烧器 等。 1 2 3 多风道燃烧器的发展趋势 目前，国内外在回转窑燃烧器的应用方面已发生了三个明显的转化趋势： 一是由三风道向四风道转化：二是由分割式向旋流式转化：三是由烧优质烟煤 向烧劣质煤，无烟煤，石油焦，煤叶岩，废轮胎，工业废料和生活垃圾等其它 二次能源转化叫。 1 3 课题来源及研究目的与意义 1 3 1 课题来源 中国长城铝业公司水泥厂有四台普通水泥湿法短窑，一直采用单风道喷煤 管作为燃烧器。在生产运行中，存在着煤耗高，操作不便，熟料煅烧不好，系 统热工制度不稳定等问题，为了改善这些影响生产和成本的不利因素，经多方 考察论证，厂部决定对熟料烧成系统进行科技攻关，采用多风道燃烧器对原来落 后的装备进行改进。本课题就是该厂技术开发项目之一。 1 3 2 研究目的与意义 根据中国长城铝业公司水泥厂湿法短窑目前的设备状况与生产工艺，针对 回转窑燃烧系统的薄弱环节，找出煤耗高，熟料煅烧不好，窑内热_ t - n 度不稳 定以及窑尾废气排放大等现实问题的原因，采用多风道燃烧器对原有的单风道 喷煤系统进行改造，有效的解决烧成系统中存在的问题，并调整熟料煅烧的煤 种，努力降低生产成本。进一步认识多风道燃烧器的优越性，确定其主要参数， 并在多风道燃烧器的火焰传播理论方面有所突破。 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 该研究的意义在于： ( 1 ) 节约用煤，降低能耗。 ( 2 ) 稳定窑内煅烧，确保熟料产质量。 ( 3 ) 改用低挥发分煤，降低生产成本。 ( 4 ) 控制窑尾废气排放量，改善大气环境。 ( 5 ) 进一步认识多风道燃烧器的优越性，研究多风道燃烧器的火焰传播， 使其发挥最优效能。 1 3 3 研究内容 根据多风道燃烧器在水泥回转窑上应用的可行性，主要进行以下几个方面 的研究。 ( 1 ) 煤粉在回转窑内的燃烧及水泥回转窑煅烧对火焰的要求。 分析煤粉在水泥回转窑内的燃烧进程，认识影响煤粉燃烧的几个主要因素， 并从回转窑用煤、一、二次空气、过剩空气系数、一次风速、煤粉细度等几个 方面对回转窑内燃料燃烧的控制进行分析。从火焰形状、火焰性能等方面进一 步了解水泥回转窑煅烧对火焰的要求，并得出采用多风道燃烧器更能满足回转 窑对火焰的要求的结论。 ( 2 ) 对回转窑多风道燃烧器的火焰传播进行研究。 以旋流式三风道煤粉燃烧器为例对多风道煤粉燃烧器火焰传播的基本原理 进行分析。研究采用冷态模拟实验的方法测量回转窑用三风道煤粉燃烧器流场 的方法，进一步对回转窑内多风道燃烧器的旋转射流流场进行数值模拟研究的 理论分析，并对影响火焰传播的若干因素进行分析，保证多风道燃烧器火焰传 播的稳定。 ( 3 ) 水泥回转窑多风道燃烧器的技术开发。 根据中国长城铝业公司水泥厂普通水泥原有的设备状况与生产工艺，采用 多风道燃烧器对原有的单风道喷煤系统进行改造，有效的解决烧成系统中存在 的问题。收集改造前后的技术数据进行比较，进一步认识多风道燃烧器技术开 发能够给企业带来巨大的经济效益和社会效益。 1 4 本章小结 本章简单的介绍了回转窑燃烧器的应用与发展，并对可以在水泥回转窑燃 ! 亘盔兰堡主堂垡笙苎 釜二童鳖堡 烧器上使用的几种燃料及选用进行了论述， 泥行业大量采用劣质煤已经成为必然趋势。 认识到随着能源危机的加剧，在水 对水泥回转窑燃烧器应具备的基本 功能提出了要求。本章回顾了燃烧器在国内外的研究使用状况，认识到国内外 在回转窑燃烧器的应用方面已发生了三个明显的转化趋势。介绍了本课题的来 源及研究的目的与意义，并提出了本课题的主要研究内容。 中南大学硕士学位论文第二章回转窑内煤粉的燃烧及火焰研究 第二章回转窑内煤粉的燃烧及火焰研究 水泥生料在回转窑内经过煅烧变成熟料，必须经过一系列物理、化学变化， 要使这些变化完成必须保持一定的温度，并供给物料一定的热量以及在一定范 围内保持一定的反应时间。因此在回转窑内要通过燃料燃烧造成高温，并通过 燃烧的控制，使燃料燃烧后形成的火焰具有一定的长度、形状和稳定性，以保 证在回转窑内形成工艺所要求的温度区间，也就是在回转窑内形成具有合适长 度的干燥带、预热带、分解带、放热反应带、烧成带和冷却带，见图2 - 1 。 p 。 越 赠 厂i - 八 弋 翅 i 蹙； 垛 乃 、 、物料温度 _ 、 l 、 夕 j 冷却带 凫成带放热 一 分解带 一 预热带干燥带 一冷却简， 反应 回转窑 燃烧带 一i 图2 - 1回转窑内物料，气体温度分布图 2 1 煤粉在回转窑内的燃烧 目前我国水泥厂基本采用煤粉作为回转窑的燃料，水泥回转窑内的化学反 应过程是在高温条件下进行的。高温条件的建立依靠煤粉在回转窑内的直接燃 烧，因此，煤粉的燃烧特性对回转窑内的水泥煅烧影响极大，必须加以注意和 研究。 9 中南大学硕士学位论文 第二章回转窑内煤粉的燃烧及火焰研究 2 1 i 水泥回转窑内的煤粉燃烧进程 水泥回转窑内燃料燃烧所形成的火焰属湍流扩散火焰，其燃烧进程可分为 燃料与空气混合、燃料与空气加热到一定温度，释放挥发分、挥发分着火燃烧 放出热量，为残碳着火燃烧创造高温环境条件、残碳着火燃烧及燃尽，释放燃 烧产物等四个阶段。因此，混合是燃烧的前提。由于燃料混合需要的时间大于 加热、着火、燃烧需要的时间，因此，气体扩散速度控制着燃料与空气混合的 速率，也就控制着燃烧过程的整个速率。煤中的可燃物主要是挥发分和固定碳， 还有一部分硫分。加热煤的颗粒，挥发分首先释放出来，这部分气体着火温度 低，极易与周围的空气混合并迅速燃烧，一般这一过程可在小于0 1 s 的时间内 完成。余物便是具有微孔的残碳或残焦颗粒。氧与燃烧产物向焦碳颗粒表面逆 向流动并在该处化合生成c o ：和c o ，如图2 2 所示。 图2 2 残碳或残焦颗粒燃烧的简化模型 在挥发分燃烧后，残碳的燃烧与周围空气中的0 2 同焦粒表面以及燃烧产物 向炭粒表面扩散有关，因此其扩散速率决定了燃料燃尽速度，它又受着下列因 素控制：即炭粒的多孑l 性、燃料粒径、o ：分压及周围温度等。由于回转窑属于高 温设备，回转窑内的燃烧是由颗粒边界层扩散速度控制( 简称为扩散控制) ，因 此，煤粉的挥发分含量对窑内燃烧反应速率的影响较小。由于回转窑内的燃料 燃烧速率主要是受到扩散控制的，因此优化窑内燃烧关键在于选择现代化的低 一次风、高推力燃烧器，使之对火焰能够灵活调节，保持理想的火焰形状和长 度，使之具有合适的气体流场和温度场，并且要使煤粉研磨至较小的粒度，这 样窑内使用低挥发分和低活性燃料即没有任何问题。 0 孛蠢大学硕士学链论文第二牵弱转窑内煤耪静燃烧及炎络掰究 2 ， 2 影响零泥豳转窑内燃粉燃烧戆主要因素 在水泥生产中。对于煤粉质量的要求，与设备性能、原料性质、生料成分 等鬻关。般说来，应裰攒工艺条件需要，结合经济合理静舔瑟| j 遴行综合蔽衡。 影响水泥回转窑内煤粉燃烧的主要因素有以下几个方面。 1 ) 永分 煤中的水分包括两部分。一部分是在开采贮运过程中陌露渗入，通过自然 予澡可敬除去 另部分是霾有隶分，需熬热至1 0 5 c 左右多争爨持一定蠢鞫方戆 除去n 町。煤粉中的水分是一种有害成分，含水分离的煤不似难于粉磨，在输送、 贮存过程孛容易弓l 逛堵塞，影嫡漂粉豹垮岛疆辩，露簿，燃烧黠汽铯，吸羧大 量的热量，从而使煤粉的燃烧滞后。因此，在煤粉制备中必须力求降低水分含 量。 当含脊水分的煤粉被喷入水泥回转窑时，在高温环境中，热擞迅速传递到 煤耪颓羧乏上，水分善先蒸发，裁孵煤粒鞭冷却。嚣越，煤粒在燃烧蘸嚣要更 高的温度，待非可燃物质殿可燃的挥发物质被释放出来之厢，颗 波方能开始燃 烧。霹煤粉燃浇经历藿烘于撂发甥形袋汽织燃烧的过程。 在高温环境下，煤粉水分蒸发过程十分迅速，煤粉颗粮内部有可能产生高 懿蒸汽压力，导致颞粒爆裂。水分避裹则露致滞慝起燃，产生长火焰。此外， 水分过高还会导致大量烟尘，在某些情况下，有可能使窑产量下降。所以，在 煤耱划备避程中，必须十分重视煤的烘干过程，把煤粉水分控制在1 以下，。 ( 2 ) 灰分 将媒撵在空气申完全燃烬所残留的不可燃组分称为灰分“”。它同水分一样 亦脶于煤粉中的杂质。当煤中的获分含量增多，可燃成分籀应减少，煤的发热 量降低。就水泥生产热工过程的要求而言，希望尽是降低煤粉中的灰分含疑， 以增加煤粉中的热值，防庶窑内结阐和窑隧系统的粘结；就综合剩用资源和经 济效益方暖而言，对利用获分含量较高的劣质煤，水泥工业又承摭着义不容辞 的责任。程工艺技术水平爵麓韵藏稠内，允许藉掰劣质潆，既可敬得充分翻矮 资源的社会经济效果，又可得到降低生产成本的企业经济效益。因此，劣质煤 的利用，程各国永泥工韭界已越来越被入稍重褫。 煤粉中的灰分对水泥回转窑生产的影响有三个方面：一是在燃烧过程中， 获分容易隔绝可燃物质与颦气酌接融，使讶燃镪矮不易完企燃烧；二是获分增 多热值下降，尤其是灰分波动大，热值的波动也大，不利于窑系统的热工制度 中南大学硕士学位论文第二章回转窑内煤粉的燃烧及火焰研究 稳定；三是灰分波动使水泥熟料成分变化，灰分过高还会影响生料的均匀混合， 影响熟料的质量“。 ( 3 ) 挥发分 挥发分是碳元素同氢、氧元素组成的有机化合物，在煤粉燃烧前它首先挥 发气化而燃烧。挥发分增加，火焰延长，呈现出气体火焰的特性。煤的燃烧反 应能力与挥发分成正比，因此为了获得相同的颗粒燃烧时间，当使用挥发分较 少的煤粉时，其颗粒应较使用挥发分含量较高的煤粉磨得更细一些“”。挥发分 含量与着火温度的关系如图2 - 3 所示。 o 2 04 0 6 0 挥发分( ) 图2 - 3 挥发分含量和着火温度的关系 ( 4 ) 固定碳 碳是煤粉中产生热能的主要化学源，每k g 碳元素完全燃烧可产生3 3 9 1 3 k j 热量，但是如果不完全燃烧生成一氧化碳( c 0 ) 只能产生1 0 0 4 8 k j 热量，其热 损失为2 3 8 6 5 k j 。因此，在燃料燃烧时往往必须给以一定数量的过剩空气，防止 不完全燃烧的产生“。 ( 5 ) 热值 热值是衡量燃料性能的最重要的指标。热值通常只能用量热计测定，由元 素分析计算仅可作为预计数据。热值一般分高热值( h - v ) 和低热值( l h v ) 两种。低热值考虑了燃料中水分蒸发和氢燃烧成水汽时的热损失。如果能将这 些水汽冷凝，回收这部分热量，则为高热值。高、低热值可用下式换算“”。 l h v = h h v 一( v w + f w l c ( 2 一1 ) 式中： l k g 燃料燃烧时产生的燃烧水分，k g ： 嘲 咖 伽 姗 p v 瑙婀幕巢 中谢太学硬士学斑谂变 端二章瑟转搿内潆耪翡燃绒放火络臻究 舀 逛爨鹨绣禽熬零势，酶； c 零鹣蒸笈热，在l 辩海2 2 贸k 轴 ( 6 ) 缯度 煤粉绷发表犍麓羚密浚铸对颗粒的研麟程度，通常以桨一孔径筛的筛佘表 瑟。豢要辩逐要遴簿颗茬羧黎务疆。在露洋藤耱爨茨煞祷凝下，豢籁矬壤餐邃 细颗粒需要较长的燃烧时间。鳓此煤粉细麟的变化必然淹成火焰长魔的变化8 砬。 楣殷，我们也可以遥过调撼煤耪缨发来改搬火焰形状，以改变燃烧过程和窑的 豢佟条谗，麸两黪臻窑系统豹生产戆宓戳谋求最建魏经济教盏。誉秘获羚戆豢 糟程不露撵笈分奄爨下应露鲍狳磨瘸度关系精于瑟争4 。 2 1 3 回转窑内燃料燃烧的控糊 藤耪骚空气蹬入霞转鬻簌，譬器浮状塞，一遮蘧饕气流缢续馥嚣流蘑，一 迭镟次进纷平爆，预热、撵僦物逸港和燃烧。焦炭粒予燃烧等过秘。燃烧产生 的烟气进入窑内加热物料。艨糟边燃烧边撼热量传给物料，燃烬舞的煤获一部 g 驾 专 、一 懿 翳 罄 蘧 挥发分臻蠼( 雏 毽2 - , t 撂交分争缘糖缒凌荚豪 分被耀气带走，绻大豁努程鬻淹鼹落掺a 耨瓣。畿攥豢糖蹙茬惹浮状态节遴霞 燃烧的特点，谯组织回转窑煅烧时，主要臌从以下几点对燃料燃烧谶错控制： ( i ) 嚣转黎鼹爨豹整涮 熬籽鼗浇艨黉要戆溢凄搀i 3 0 0 t 4 5 0 ，要塞燃辩燃烧菸炎蕊必矮这裂 1 5 4 0 1 7 0 0 c ，弼辩要求钧秘穗嵩滠下箨辩越够熬辩阗，赦袋求爨娥辩其蠢缘匀 的溉温火焰，亦甏求火焰骚谢定的长度。在其他条件不变的情况”f ，火焰的 熬嶷溢茇嚣炎戆麓长囊，蓉瓷每纛蘑骛爱鬟鸯毪麓毒关。楚了这曩l 上述要藩黎 1 3 中南大学硕士学位论文 第二章回转窑内煤粉的燃烧及火焰研究 燃烧温度和燃烧时有一定的火焰长度，对回转窑用煤的热值、挥发分含量、灰 分应有一定的要求。回转窑用煤的热值越大越好，灰分越低越好，这样可以有 利于达到要求的火焰温度。至于挥发分则要求在一定范围之内，这是因为如果 煤的挥发分过低( 3 0 ) ，在对煤进行烘干时，会有一部分挥 发分逸出，造成浪费。同时挥发分较高的煤，有更大的经济价值，用来烧水泥 是一种能源的浪费。如果不能满足上述要求，根据具体情况，也可适当放宽。 如果用一种煤不能达到上述要求，也可以考虑几种煤搭配使用。一般挥发分较 低的煤，只要采取适当措施，如降低煤粉细度，改善煤粉与一次空气混合情况， 也是可以使用的，对熟料质量基本上没有影响。目前，随着多风道燃烧器的技 术开发，由于其所具有端部推力大，火焰内部气流循环好，对二次风卷吸力量 强等特点，再加上对燃料细度的控制，又为高灰分、低热值的劣质煤的使用创 造了条件“”。 ( 2 ) 对一、二次空气的控制 为了能产生最多的热量和使火焰达到较高的温度，必须有适当的空气与燃 料相配合，空气量太少和太多同样都不能进行合理的燃烧。当空气量不足时， 窑内会产生不完全燃烧，可以使火焰拉得很长，甚至延长到窑尾或除尘器内燃 烧，这样不但使烧成带温度降低，而且也是很不安全的，因此回转窑决不能在 空气量不足的情况下进行操作。如果空气量过多，也会降低火焰温度，并增加 废气带走的热损失。因此回转窑总的空气用量应使过剩空气系数在1 0 5 1 1 5 之间”1 。总的空气量确定之后还必须合理地控制一、二次空气( 常称一、二次风) 的比例及一次风的风速。 一次风主要是供煤粉挥发分燃烧之用。一次风大体上应满足煤粉挥发分燃 烧的需要。煤粉着火热计算公式“”： g = ( c ，+ 吒c 0 ( 正_ 五) r ，一” q 0 着火热； c ，、c 。分别为煤粉、空气比热； 乙、瓦分别为着火温度与初始温度； k 一次风量，n m 3 k g 燃料。 从式( 2 2 ) 可见，e 降低，煤粉着火热下降，煤粉越容易着火。若一次风 过多，当挥发分开始燃烧时，势必有一部分多余的空气没有参加燃烧( 氧化反 应) ，而是吸收热量，会使气体温度降低，着火发生困难。从减少着火所需热量 中南大学硕士学位论文第二章回转窑内煤粉的燃烧及火焰研究 这点出发，一次风少些为好“。但也不宜太少，太少了挥发分燃烧不完，也影 响以后焦炭的燃烧( 因挥发分基本上烧掉以后焦炭才开始燃烧) 。挥发分高的煤 应多用次风，挥发分少的煤应少用一次风。一次风与煤粉的混合程度，对燃 烧是很有意义的。一次风和煤粉混合得好，煤干燥预热快，着火早，挥发分燃 烧迅速，因而可以使火焰缩短。一次风与煤粉的混合程度决定于喷煤嘴的结构 形式。 二次风主要供给煤粉中焦炭粒子燃烧的需要，二次风入窑的温度高低与所 用的熟料冷却设备有关。二次空气含的热量越多，燃烧温度越高，或者在同样 发热量的情况下可降低燃料消耗量，使回转窑热耗降低。 二次风不应过早与一次风混合，过早混合等于增加了一次风比例。提高一 次风温度对煤粉着火也是有利的，特别是燃用低挥发分的劣质煤时，尤其如此。 但为了防止煤粉气流发生爆炸，一次风预热温度有一定限制( 不得超过1 5 0 ) ， 二次风的预热则没有限制( 回转窑的二次风从冷却机吸入，使预热至较高温度后 入窑以提高燃烧温度) 。从这点说，把燃烧用的空气分一次风与二次风供入也是 合理的。同时，一、二次风分别通入回转窑内，还可造成强烈的扰动，改善了 煤粉与空气接触情况，也有利于燃料燃烧( 能使氧加快扩散速度，有利于与焦炭 粒子的接触) 。 ( 3 ) 过剩空气系数的控制 根据燃料燃烧化学反应式所计算出来的单位燃料完全燃烧时所需要的空气 量叫做理论空气量，以v ? 表示。为了保证燃料的完全燃烧，实际供给的空气量 往往要大于理论空气量，以k 表示实际空气量。实际空气量与理论空气量的比 值称为过剩空气系数，以c 1 表示之“。 q = 每 沼， 过剩空气系数的大小，主要由燃料的种类：燃料在燃烧前的加工，如粉磨 的细度；燃烧设备的构造和操作方法等方面的因素决定。在回转窑操作对，常 用过剩空气系数这个指标来衡量燃烧情况。 过剩空气系数a 还可根据烟气进行计算，当燃料燃烧时，由于其中氮含量 极少，烟气的氮可以认为全部是由空气引入的，因此，根据烟气中氮与氧的含 量，可以计算燃料完全燃烧时的过剩空气系数。 根据过剩空气系数的定义得： 中南大学硕士学位论文 第二章回转窑内煤粉的燃烧及火焰研究 一n 一实际空气量中引入惦量 “一可一面蕊曩夏藕聪 烟气中的m 量 烟气中的m 量一过剩空气中的m 量( 2 - 4 ) 由烟气分析测得过剩0 2 的含量可计算出过剩空气中的氮为罟0 2 ，q 弋x ( 2 - 4 ) 式得燃料完全燃烧时的过剩空气系数为： q ：寺 蝎一每岛 1 ( 2 5 ) 如果燃料燃烧不完全时，烟气中就有c 0 存在，应将烟气中所测得q 量减去 因c 0 没有燃烧所剩下的氧才是真正的过剩空气中的氧量。因此，当燃料有不完 全燃烧时，过剩空气系数可按下式计算： 一赢v 9 c o ，2 1 c o ) ( 2 6 ) 式中：n 2 、0 z 、c o - 一烟气分析中各气体的体积百分含量( ) 。 为了保证燃料能完全燃烧，缩短燃尽时间，在窑尾必须保持一定的过剩空 气系数。对于高灰分的低质煤，由于在燃烧中会形成一层灰壳，防碍氧气扩散 到碳粒子表面，因此适当增加过剩空气系数有利于氧的扩散，有助于缩短燃烧 时间，提高燃烧的完全程度。但过剩空气量过大，则会使燃烧温度下降，又会 延长燃烧时问，甚至影响燃料的着火，过剩空气量过大又增加了烟气量造成废 气带走热损失增大。 根据经验操作回转窑最好将窑尾气体中0 2 含量控制在不小于0 7 而不高于 3 5 ，才能获得稳定的操作状态“。对水泥回转窑来讲，还有一个重要因素要 考虑，即窑尾气体温度。因为窑尾气体温度反映了窑内气体温度分布状况，稳 定窑内物料的预烧和分解程度才能获得稳定的窑况，而窑内物料的预烧和分解 的稳定则取决于窑内温度分布状况的稳定。因此，必须稳定窑尾气体温度，并 相应控制过剩空气系数。 ( 4 ) 对一次风速的控制 一次风的风速，也是煤粉燃烧的一个重要参数。煤粉燃烧器输煤管内的风 速，要求保证煤粉不会在管内沉落即可，一般控制在2 0 3 0 米秒。煤粉燃烧 1 6 中南大学硕士学位论文 第二章回转窑内煤粉的燃烧及火焰研究 器喷煤出口的流速，原则上必须大于火焰传播速度，对于回转窑来说，只此要 求还远远不够，还必须保证煤粉颗粒有一定的射程，并在射程之内呈悬浮状态， 以保证火焰有一定的长度。但又不至因速度过大而把煤的颗粒带到窑内过远的 地方。因此喷出口的风速一般要求控制在5 0 7 0 米秒。次风速的大小，决 定于煤粉燃烧器喷煤管或喷嘴的直径和一次风量的大小。在生产操作中，经常 用一次风量来调节一次风速的大小。一次风速增大，一方面能使煤粉的有效射 程增加，使火焰加长，另一方面可加强煤粉与空气混合而使燃烧迅速，使火焰 缩短。因此一次风对火焰长度的影响，要看哪一方面的因素占主导地位o ”。 ( 5 ) 对煤粉细度的控制 煤粉细一些，燃烧迅速完全，粒度均匀即含粗粒煤少，有利完全燃烧。煤 粉的粒度应在0 0 5 0 0 7 毫米范围内。挥发分高的煤或煤质松的煤，其粒度可 以稍大些，无烟煤或质硬的煤，粒度就要小些。煤粉细度一般控制在0 0 8 0 毫 米方孔筛筛余为5 1 5 ，挥发分含量高的取高值，反之取低值。在满足工艺要 求的前提下，煤粉粒度越细，对燃烧越有利，但制各过细的煤粉要增加动力消 耗，粉磨过细煤粉将会引起自燃，甚至爆炸，不够安全，所以制备煤粉粒度不 能过细。 2 2 回转窑煅烧对火焰的要求 燃料在回转窑内的燃烧过程中不仅提供热量，而且形成火焰。火焰在窑内 反应过程中是一个极为重要的因素。由于它的高温、高辐射强度和高的动量， 使它在窑内成为活泼而又敏感的一股力量，燃烧火焰控制得当，就能使窑获得 高质量、高产量、低消耗和长期运行的效果。若控制不当，就会出现完全相反 的结果，诸如垮窑皮、红窑或跑生料等等。因此，水泥回转窑对火焰有较严格 的要求。 所谓适宜的火焰，主要是指火焰的形状，温度和强度，要与回转窑煅烧熟 料相适应。保证在整个火焰长度上都能进行高效率的热交换，同时又不能在短 的区段上使窑皮产生局部过热，出现峰值温度，并能适应窑情的变化。 2 2 1回转窑煅烧对火焰形状的要求 火焰形状对回转窑热工制度的稳定具有十分重要的作用，对保护窑体、尤 其是窑口和控制窑皮也有非常重要的意义。因此，在操作回转窑时，都把控制 中穰大学硕：e 学经论文第二掌联转窑内滚耪麓燃烧及灭焰研究 火焰形状赦在蓖位。 火焰形状是指火焰的长度、规整性等方面，它们必须与窑的规格和型式相 适殿1 。 ( 1 ) 火焰长度 在水泥回转窑内，熟料的形成分于燥、预热、分解、放热反应、烧戏帮冷 却等过程，每个阶段都有温度和时间要求，见图2 一l ，故火焰的长度及其分布应 与此工艺过程相适皮。特别是烧成帮的火焰长度，必须保诞物料有足够的停留 时间，才能煅烧出商质量的熟料。这一段怒火焰的高温部分，约占楚个火焰长 度的5 0 6 0 “1 。它所形成的窑皮比较坚固，所以称为坚固窑皮隧或主窑皮。 火焰两头部分所形成的窑皮比较松敬，时长时清，称为松散窑皮区。后部的松 散密皮区也称为副窑皮。窑皮形成的长短、薄厚、位置、均匀与否秘稳定程度 等，不仅莛潮断火焰质量帮健能的依据，同时也是衡量揉俸尔平的滚要指标。 火焰长度是指燃烧器喷嘴至火焰头部之间的距离，或者表示燃料开始麓火 煮黧燃鞍爱疲过程燃烧完毕之闻静躐离，邵猜火焰麓火部分的长度。窑型不同， 要求的火焰长度也不同。 妇采怒嚣转窑懿潆粉火焰看俸为限翻空阕翡媒粉火焰，那么火焰长痰搿以 用以下经验公式计算o “； 等2 气3 - 2 “争毋) + 3 8 6 2 i ，。“口x p ( 口+ 】 ( 2 7 ) 式中： c = ： m 产玳l 卺鲁阢 d z ，零南油- o t 警 三，火焰长发，m ： 成凑壤凑蠲蹇径，翔： 彤理论空气需要量( 包括二次空气靼输送煤粉的一次空气) ，k g k g ； 胛。二次空气量与b o 之比； 中南大学硕士学位论文 第二章回转窑内煤粉的燃烧及火焰研究 肌一次射流的质量流量，k g s ； m 。外围射流的质量流量，射流k g s ； p 广一次射流( 空气与煤粉的混合物) 的密度，k g m 3 ； pg 一二次空气的密度，k g m 3 ： p 广火焰顶点的气体密度( 理论燃烧温度下) ，k g m 3 ； d 回转窑内径，m 。 从上述公式，可以了解到影响煤粉火焰长度的主要因素，作为研究参考。 ( 2 ) 火焰规整性 火焰的规整性表示火焰在其任何一个