回转窑煤粉燃烧器技术进展

1、0引言70年代中其国际上发展起来地水泥回转窑多通道煤粉燃烧器，使窑地一次风用量由传统地20%30%下降至12%15%,同时窑地操作及熟料煅烧情况得到明显改善.经过20多年地技术进步，目前窑地一次净风用量已降低到6%8%,大大改进了窑地燃烧效率和热效率.与此同时，水泥窑对燃煤品质要求不断降低，无烟煤、劣质煤及再生燃料 即工业和民用 可燃垃圾）地利用技术渐成热点 ，从而促使燃烧器结构形式不断地改进自传统地单通道燃烧器向多通道 如三通道、四通道等）燃烧器发展以后，新一代地双通道燃烧器，因为调节性能、火焰成形能力及燃烧效率等方面地优良性能正作为一种新地技术发展方向多相流及反应计算机数值模型技术地发展使

2、燃烧器开发专家不再依赖传统地冷态气体模拟实验，以KILN FLAME SYSTEMS公司为代表地酸碱水模拟实验方法可使回转窑燃烧地流畅设 计更加精确，从而确保了高风险地窑头燃烧器地投运调试顺利达到预期效果1对回转窑煤粉燃烧认识地深入从工艺过程角度看，用于对回转窑烧成带提供热量地燃烧器应满足下述要求：1对燃烧品质具有较强地适应性 ，特别是在燃烧无烟煤或劣质煤时 ，能确保在较低空气过剩 系数下完全燃烧，其CO和NOx排放量降至最低限度2火焰形状应是细而不长，使整个烧成带具有强而均匀地热辐射 这一方面有利于熟料结 粒、熟料矿物晶相正常发育，防止烧成带扬尘；另一方面有利于形成致密稳定地烧成带窑皮 延长

3、耐火砖使用寿命3 一次风用量尽可能少，但必须保证在不正常地窑况下火焰燃烧地稳定 值得指出地是，在上述要求中强调了火焰形成应是细而不长”以形成合理地燃烧带长度，而不再象以往那样强调化燃烧以适应强化煅烧要求，这是因为强化燃烧所形成地局部高温对烧成带窑皮不利，从而影响耐火砖使用寿命，另一方面局部高温将增加 NOx地排放量一般情况，来自冷却机地二次风温可达900 C以上，窑头燃烧火焰温度高达 1800 C左右，其燃烧一般已进入扩散控制区 扩散控制区地燃烧特点在于：煤粉燃烬时间受煤粉细度地影 响较大 正比于煤粉粒径地平方），而受煤品种特性影响较小，煤粉燃烧速率取决于其扩散速 率，即煤粉和助燃空气地混合速

4、率及火焰区地湍流强度换句话说，在燃料品种和煤粉细度一定情况下，为在整个烧成带范围内形成均匀燃烧强度地火焰，必须控制煤粉和助燃空气地混合速率在窑头地所有助燃空气中，二次风量一般占80%以上，所以控制煤粉和助燃空气地混 合速率实质上是控制燃烧器出口射流股对二次风地引射速率至于火焰形状除受到对二次风地引射速率和一次射流股地旋流强度等方面因素地影响外，还取决于燃烧器出口一次射流本身地刚度”，一次射流本身地刚度”可以一次射流最大速度沿轴向地衰减程度来衡量上述这些都取决窑头受限射流空气动力学方面地精确设计图1为我们实测到地典型地窑及三通道燃烧器所形成地受限射流速度场 4回応匕:I ,II-.1J17（27

5、 3?廿 4：-PJ 血 7j-U -7: a-.j 50 1 7I-1 117| 1 2rD图1窖及三逓H燃烧器受醍射範理度场水泥回转窑内煤粉地燃烧属受限射流火焰，在二次空气供给量一定时，按一次射流动量通量大小可分两种情况：1当一次射流动量通量不大时，二次空气足够引射，也即射流在扩展到窑壁前，引射量不受影 响2当一次射流动量通量大到一定值时，二次空气不能满足引射量地要求，即在射流量到窑壁 之前地某个位置，二次空气被引射完毕，过剩地射流动量随即开始引射下游区域地燃烧烟气，形成外部回流区外回流地产生一方面使下游炽热燃烧烟气地回流增加了上游火焰化学活性基团和温度浓度，从而增加煤粉后期燃烧速度；另一

6、方面冲淡了可燃混合物中氧含量和挤占燃烧空间，这会引起燃烧速度降低，增加了火焰长度，所以外回流地大小有一最佳范围此外,适度地外回流对煤粉/空气混合过程有促进作用，而没有外回流，则表明并非所有地 二次空气都被带入一次射流火焰中值得指出地另一个重要方面是，适度地外回流可以防止扫窑皮现象”,防止一次射流扩展碰撞窑皮经验表明，在射流扩展地理论碰撞点附近常常发生耐火砖磨损过快现象，导致窑运转周期缩短在使用低挥发分燃烧时，火焰地气体流场是非常重要地，因为低挥发燃烧一般具有较高地着火点，加之因为挥发分含量低、挥发分燃烧所产生地热量不足以使炭粒加热到着火温度 而使燃烧持续进行确保低挥发煤持续点燃地最简便方法是增

7、加火焰内循环量，使下游炽热地燃烧产物回流到火焰根部以提高该处一次风和煤粉温度内循环地产生及其大小主要取决于燃烧器出口结构参数综上分析，喷煤管出口动量通量和旋流强度是窑头火焰设计和操作地重要参数喷煤管出口动量通量是射流股对来自冷却机二次空气引射能力地度量过小地动量通量将导致二次空气和煤粉不能很好地混合，燃烧不完全，窑尾CO含量升高，煤灰沉落不均而影响熟料质量，甚至引起结前圈另外因为火焰下游外回流消失，加之火焰刚度不够 火焰地浮升）使火焰易碰撞窑皮，影响耐火砖使用寿命过大地动量通量会引起过大地外回流一方面挤占火焰下游地燃烧空间；另一方面降低火焰下游氧浓度，同样导致燃烧不完全，窑尾温度升高喷煤管出口

8、射流旋流主要控制着火焰形状、因此被称之为火焰形状系数随着旋流强度地增加，火焰变粗、变短，可强化火焰对熟料地热辐射但过强地旋流会引起双峰火焰，即发散 火焰，易使局部窑皮过热、剥落；另一方面也易引起黑火头”肖失，喷嘴直接接触火焰根部而被烧坏虽然大多数多通道燃烧器地旋流强度可在操作中调节，但极限参数地限定是很重要地，也是必须地2窑头火焰地空气动力学计算2.1 一次射流动量通量根据经验，多通道燃烧器地同轴射流在其不远地下游，表现出和单股射流相同地空气动力学特征为了分析方便作以下假定，在射流混合区内作一垂直于射流轴线地截面，截面上游(1 )(2)(4)地引射量伯为其下游射流地一部分则旋转射流对二次风地引

9、射速率为：其中：K, /pn/? = f X + u） t 呂 ora 二 + KSti式中：M引射量地质量流量，kg/s ；X距喷口地轴向距离，m;KI 温度系数；C射流出口轴向总动量通量，N.对于多通道煤粉燃烧器，总动量通量等于各通道出口轴向 动量通量之和：C = G ;S任意垂直于燃烧器轴线截面地旋流数；P.被引射空气地密度，kg/m3 ;P.射流混合物地密度，kg/m3 ;旋流风地角动量通量，N m ;Gx射流出口轴向动量总通量，N;R射流出口当量半径，m ;a将同轴射流看作单股射流而引入地常数；a射流扩展半角，随旋流数量呈线性增加；S.按三通道燃烧器出口尺寸和风速计算地旋流数有关资料

10、介绍，K.、K分别为4.8和14,不过对于多通道燃烧器地具体喷嘴形式应由冷态实 验等方法确定根据动量守恒原理，在射流扩展过程中，角动量和轴向动量均保持为常数，解联立议程1 ）、3 ）和4）可得到下列等式：M = K1X + K2K1/G2将G0 /Gx = SoRo代入该式得；M = K1KtX/G2 + K2KtRoSotg-1a -In （X+a/ G26）不难看出 ,式6）中第一项为射流轴向运动地引射量,第二项为射流旋转运动而产生地附加引射量 .为达到煤粉在接近等当量比下燃烧，式式中：M次空气、煤粉输送空气问题，kg/s ;Gm煤粉消耗量，kg/s ;K3单位煤粉燃烧实际空气需要量，kg

11、/kg ;qc 熟料单位热耗 ，kg/kg ；Gc熟料产量，kg/s ;Qnet.ar 煤粉应用基低位热值 ，kJ/kg ;式式中：D窑烧成带有效内径，m将7 ）、 8）式代入 6）整理后得：G = Po/Pctg2aK3qcGc/Qnet.ar-Mo/K1 2 （9 根据实验资料 ，等温旋转射流地引射量可用下列经验式表示：M/Mo = K1 + K2S） X/2Ro ）10 ）根据不同资料，K1,K2取值范围为：K1 = 0.32-0.35K2 = 0.8-1.07比较10）和1）不难看出：K1 = 0.32-0.35 ） n p/2K2 = 0.8-1.07 n p/2K3可以通过燃烧计算

12、得出.因此,若通过对现行喷嘴结构利用冷态实验等方法确定a值和a值，则便可以利用式 9）计算出燃烧器射流必须达到地最小轴向总动量通量 .根据计算机数值模拟结果,a地范围基本上在1.5-3 ） do之间,do为燃烧器出口外径.a基本 上符合式 5） ，只不过 Ko 不是 4.8 而是 11.5，K 仍为 14.2.2 旋流数根据有关介绍 ，在不知道旋转射流横截面上地速度分布和静压分布时 ，可近似从燃烧器出口 端结构参数和工艺参数计算旋流数，其近似程度良好 ，即S = G/GxR因为前述理由，可将多股同轴射流近似看作单股旋转贡献，从而确定出一次射流地旋流数.11）式是根据上述观点经推导整理后得到地三

13、通道喷煤管嘴旋流数地计算公式：式中：P1各通道风量与一次风总量 包括煤风）之比； 旋流叶片地轴向夹角；Pm煤粉浓相输送视密度，kg/m3 ;P 一次风净风密度，kg/m3 ;R各通道环形出口外半径,mm ;R各通道环形出口内半径,mm.同理,双通道燃烧器地旋流数可表达为：12 ）将我院冷模实验用 CTI型燃烧器喷嘴结构参数代入2+10.532/P令 = 45 ,P 内=0.670,则 S = 0.487 ;令 = 45 ,P 内=0.335,则 S = 0.171 ;令 = 30P 内=0.335,则 S = 0.0986 ;令 = 30 ,P 内=0.670,则 S = 0.281 ;通过上

14、述计算可以发现，调节内、外风地比例来改变旋流数，从而达到改变火焰形状地目地 是极为有效地.这与冷态实验结构是一致地.3关于燃烧器喷嘴结构设计方面地几个值得讨论地问题3.1 喷嘴地基本结构形式 从上述分析中可知，增加一次射流地旋流数将提高一次射流地引射速率，即煤粉和二次风地混合速率，从而强化了窑头煤粉燃烧，使火焰变得粗短，所以旋流系数又被称之为火焰形状系 数.实际上燃烧器喷嘴结构形式和参数地变化也明显地影响火焰地形状.从空气动力学地角度简单地理解，一次射流对二次风地引射量取决于一次射流地动量通量，其引射速率除受一次射流角动量通量控制外，一次射流和二次风地接触面积 以水力半径度量）显然对引射速 率

15、有较大影响，因为引射是通过射流股和周边二次风接触而上地动量交换而产生地.喷嘴设计中,在保持喷嘴出口截面积不变情况下减小水力半径，即增加射流股和二次风地接触面积，将增加煤粉和二次风地混合速率，使火焰变得粗短；另一方面也因为过高地二次风混入速率使一次射流股地核心速度衰减过快，表现为火焰 刚度”下降，对窑内地穿透深度减小.笔者曾就3种基本结构形式，见图2.其中在相同地一次净风总大图2 三通道燃诜器3种基卒结喝地出口截面积情况下,c型对二次风地引射速率高于a型,实践中前者火焰粗短，燃烧剧烈，较适合于强化煅烧情况.b型中煤粉通道被分割成数个流股，因为煤粉通道介于内风和外风通道之间,因而增加了煤粉对一次风

16、地混合能力笔者认为，这种结构形式可能对燃烧速率影响不大,实践中我国在300t/d、600t/d地预热器窑上使用较多，普遍认为火焰散,有时甚至出现所3.2喷嘴地通道数传统地三通道煤粉燃烧器地旋流风通道、煤粉通道及直流风通道是由中心向外排列形术地发展，窑地一次风用量不断被减小以提高熟料冷却机地热回收效率；另一方面较少地次风用量也有利于低挥发分工或劣质煤地应用然而根据上述分析，为维持一定地一次射流动量能量，在减少一次空气用量地同时必须提高一次射流总地出口速度因此出现地问题有如下几个方面:道，外风通道地旋流强度可以高速从双通道燃烧器地旋流数表达式见式12 ）可以看出调整旋流器角度和调整旋流风比例P均可

17、有效地改变旋流数S,从而调整火焰形状以适应窑地煅烧工况，M.A.S燃烧器可在操作中改变旋流器角度以调整火焰形状在双通道燃烧器喷嘴结构上，因为煤粉通道被布置在中心，因而在控制火焰方面具有延缓煤粉和二次风地混合，降低火焰峰值温度地特点山东章丘水泥厂引进Unitherm公司1台双通道燃烧器，据反应使用当时市面上地三通道煤粉燃烧器归纳成谓地 鹰爪型”火焰,这种不利现象可以通过适当减小煤粉通道地动量通量得以改善成了 3个同轴环形喷嘴出口 ，该技术发展初期市面上出现过具有更多通道地燃烧器.随着技1因为出口速度高和一次风用量低地要求，旋流风及直流风环形出口缝隙往往很小，机加工和使用过程中难以保证较高地同轴度

18、要求,引起火焰变形偏转2多股风因出口缝隙小，核心速度衰减过快,射流穿透深度不够，导致火焰地 刚度不足，成形效果差.另外也因为多股风在出口处相互干扰，增加了不必要地溢流强度，使出口阻力损失增3过多地通道数，减少了外风通道地通过风量，使燃烧器外套管得不到跔地冷却，引起变形从而导致燃烧器外层耐火浇注料地过早损坏近期国际上发展起来地双通道燃烧器可有效地克服上述多通道燃烧地缺点,Uni therm公司地M.A.S燃烧器和F.L.Smidth公司地DULFLEX燃烧器均属这一类型,取消了内风通效果很理想3.3 稳定火焰地措施除一定地煤粉细度要求和较高地二次风温度及较低地一次风用量要求外,还可以从下述几方面

19、考虑稳定火焰地措施 .1) 一定地煤粉出口速度；2) 一定地热烟气内回流量；3) 采用值班火焰 .无论什么品质地煤粉 ,燃烧器煤粉出口速度地设定应以不发生脉冲为前提,无脉冲速度地选择依赖于实际煤粉输送工况如弯头数、输送距离、爬升高度、煤粉细度等.在冷窑启动过程中或窑况不稳定、燃烧带温度过低、二次风温不高地不利情况下,大部分无烟煤使用厂家需采用油煤混烧地方式渡过此难关.辅助燃油量占总供给热量地10%-20%, 起到了值班火焰地作用 .为有效地降低水泥生产地燃油成本, 这方面地技术问题有待进一步形容进一步降低燃油比例 ,如从一次风用量、内回流强度、值班火焰和煤粉火焰间地相互关系方面优化组 织燃烧

20、.如前所述 , 热烟气内回流是解决稳定低挥发分煤燃烧简单而经济地途径. 产生热烟气内回流地方法很多 ,主要措施有旋转射流、大速差射流,非流线体及整流罩 .一般情况下 , 水泥窑煤粉燃烧器地旋流数不超过 0.5, 属弱旋转射流范畴 ,其本身对内回流区地产生及尺寸影响不 大. 我院曾就大速并稳焰措施在某水泥厂进行了工业性实验,可稳定燃烧 1670/kg 以下地高灰分煤 ,但大速差燃烧器消耗地压缩空气量较大 ,工厂长期使用并不经济 .非流线体加整流罩 是目前多数燃烧器开发商常用地技术升旗 .非流线钝体地设计常结合喷煤管地结构情况,以圆台体或扩大地中心压力 ,使下游已燃烧烟气在反向压力梯度作用下回流至出口中心区,迅速加热出口煤粉射流混合物；另一方面 ,射流罩地存在阻挡了二次风地过早混入 ,即减少了 火焰中 Nox 量也降低了火焰峰值温度 ,从而避免了烧成带窑皮因局部高温而频繁脱落.4 水泥窑燃烧技术地发展方向4.1 降低 Nox 排放量我国目前水泥回转窑地 Nox 排放量大都超过 0.1%, 高地超过 0.2%, 而一些先进国家已 控制在 0