四通道回转窑燃烧器的开发、研制与应用

1、回转窑燃烧器的发展

　　回转窑燃烧器发展到今天，已有4代产品。
　　（1）单通道燃烧器。单通道燃烧器一次风用量大，火焰调节范围窄，灵活性小，对不同煤质适应性差。适用于长回转窑，除湿法窑外，也适用于干法窑生产。
　　（2）三通道燃烧器。20世纪80年代初，随关回转窑变短以及预热器和分解炉系统的开发，三通道燃烧器被开发出来，它节省了一次空气量，燃烧煤粉时能取得短、分散、强涡流形的火焰。
　　（3）第三代燃烧器。20世纪90年代末开发的第三代燃烧器的火焰的细长，但比较集中。优点是火焰温度高，燃烧器出口处的速度高，减少了一次空气量。
　　（4）四通道燃烧器。四通道燃烧器是最新的一代燃烧设备，专门用于回转窑。其设计可以使用权火焰的基部形成循环涡流，在冷窑点火时产生理想的稳定火焰。主要的特点是节能（通过大幅度减少一次空气量）和减少环境污染（通过降低NOx排放量。）

2、四通道燃烧器的理论依据

　　四通道燃烧器是科研人员根据冷、热态实验基地的技术参数，对国内上百家水泥厂进行实地考察，以国内外三通道煤粉燃烧器为基础开发出来的。采用现代最新燃烧技术--大速差和强旋流理论，使火焰的内部范围的燃料聚集；通过降低一次空气消耗量来降低火焰根部范围内的氧含量并降低温度峰值；优化燃烧器喷嘴系统，通过调节喷嘴的几何形状来改变一次风量。
　　2.1、一次空气量与轴向喷射速度
　　燃烧器的作用首先是保证火焰的长度。火焰长度主要取决于煤粉与燃烧空气的混合速率，而混合速率主要由燃烧器单位推力（即一次空气的动量和单位时间输送空气的流量）所决定。如果推力大，火焰短，煤粉的潜热就会在一个小的体积内释放，因而火焰温度变得很高；如果减小推力而使火焰长度延长，火焰温度将会下降。
火焰是经喷射气流形成的，确定气流喷射量的大小是动量（M）。
M=A×V
式中：
M--动量，%·m/s;
A--一次空气体积百分数，%；
V --轴向风喷速，m/s。
　　对同一种煤来说，其完全燃烧所需的动量是一定的。而对同一型式的燃烧器来说，其动量有一定的范围，因而一次空气百分数用量愈低，其轴向喷速愈高。不同型式燃烧器的动量范围是不同的，因而其喷速也不等，但各种燃烧器的喷速均符合上述规律。早期燃烧器轴向喷速在100m/s-150/s左右，随着一次风量的降低，目前均设计在200m/s以上。轴向喷速增加，相应增加了火焰长度，降低了峰值温度，有利于窑皮和耐火砖的使用周期。
　　窑内燃料燃烧时，供燃烧用的空气一是通过燃烧器向窑内喷射的低温一次空气，另一是从篦冷机来的高温二次空气。在燃烧过程中，一次空气量比例降低，则二次空气量比例就增高。经估算当二次风温为900℃时，每降低1%的一次风量，多用的二次空气可使燃料热耗降13.5kj/kg。早期的三通道燃烧器一次空气量在12%-15%以上。经优化，四通道燃烧器一次空气量已降到7%以下，大大节省了能量。
　　2.2旋流强度与燃料的挥发分含量
　　除了火焰长度外，燃烧器还应保持火焰具有合适的气体流场。回转窑内的燃烧过程是受扩散控制的，在燃烧着火温度较高的燃料时，火焰的气体流畅是非常重要的。确保燃料正常着火并稳定燃烧的最简便的方法是使热的燃烧产物重新回到燃烧器端部与较冷的一次风及燃料混合。故要求设计上应设计上应充分考虑燃烧器出口部分的流场，可采用大速差及稳燃腔的结构。对于挥发分低的煤和无烟煤，在回转窑内燃烧时，着火点高，温度低且最大热量区靠后。为使其挥发分快速挥发燃烧，增加燃烧温度并加快碳粒燃烧，提高火焰温度，缩短最大热流距窑头的位置，必须有较强的旋流强度。所以，应增设可调旋流装置，形成旋流风
　　2.3火焰形状与窑皮的稳定性
　　回转窑生产过程中，火焰必须保持稳定，避免出现陡峭的峰值温度，且较长的火才能形成稳定的窑皮，从而保护烧成带耐火砖的使用周期。可采取如下措施：
　　（1)将旋流空气从输送煤粉及空气的内管移至管。旋流空气在煤粉管内侧会造成局部的旋流，从而造成陡消的峰值温度，而在煤粉管外侧则火焰在较长的距离内形成旋流，其强度较为均衡，燃料挥发分挥发也较均衡，相应峰值温度也较均衡。
　　（2）加大轴流风速，并在轴流喷口前端设置拢焰罩。风速增大，则火焰拉长；前端设置拢焰罩，可适当减少火焰横向扩散程度，相应火焰均衡。
　　（3）调节旋流角度和旋流喷速以及轴流喷速，从而调节火焰形状。
　　（4）在燃烧器设计时，中心空气采用圆形喷口平行射流，最外层的轴向空气采用环形射流或圆形喷口平行射流，这两种射流均能产生气流回流，因而在火焰的中间形成一个内回流，在火焰外部也形成一个大的回流，这两种回流有利于煤粉中挥发分均衡挥发，减缓峰值陡峭温度，稳定了火焰。
　　2.4 NOx排放
　　氮化物的生成量随温度增高而增加，在燃烧过程中，氧含量愈高，产生的NOx也愈高。采取措施，通过降低火焰的峰值温度和促使燃烧在局部还原气氛内进行，可实现降低NOx排放。

3.开发及应用

　　3．1技术方案的确定
综上所述理论依据，新型四通道燃烧器的技术方案应符合如下要求。
（1）所需一次风量低，且燃烧的火焰温度高，峰值均衡；
（2）煤种适应性强，不同挥发分的燃煤均能稳定燃烧；
（3）轴向风、煤风、环流风及中心风均可调节，使其动量在一可调节的范围内；
（4）燃烧器使用寿命应显著延长，尤其是煤风人口和头部喷嘴处；
（5）内外风出口截面调节灵活方便；
（6）内外风阀门调节灵活方便，调节特性好；
（7）燃烧器头部有一高温烟气回形成的负压区，可避免产生局部高温，沿窑长的温度曲线变化平衡，因而可有效抑制“燃烧NOx”和“高温NOx”的产生，降幅达20%-30%，烟气排放达国家环保标准。
　　3.2结构特点
　　燃烧器系统由燃烧器本体、煤粉输送管、行走小车、点火油枪系统组成；主体外风管、环流风管、煤风风管、中心风风管、支撑管、中心套管以及各部分进风管组成。其中燃烧器的头部结构是该设备的关键部件，如图1所示。

（1）燃烧器最内层为中心风道，在它的头部装有火焰稳定器，只有少量的空气通过。火焰稳定器由耐热钢板组成。圆板中心均匀的分布有小孔，允许中心风接触圆板面上的火焰，此处风速为60m/s。
（2）煤粉风道位于中心风道的外层，煤风夹带着煤粉气流以委小的分散度将煤粉喷人，与一次风混合进行燃烧。在煤粉风道的外侧火焰在较长的距离内形成旋流，其强度较为均衡，燃料挥发分挥发也较均衡，相应峰值温度也较均衡。此处的风速为20-25m/x可调。
（3）环流风风道的头部装有20o 25o 30o等不同角度的旋流装置，它使环流风在出口处产生旋转，同时向四周喷射，旋流器的旋转方向与转窑的转方向一致。通过改变出口截面，改变出口风速，从而改变火焰形状。环流通风道的头部出口风速可控制在通过调节出口截面，改变径向空气流量，而改为火焰形状。
（4）喷煤管的最外层为轴流风道，其头部为带槽形通道的出口，可以单独喷射空气，通过改变出口截面改变出口风速，从而改变火焰形状。
（5）外部套管位于燃烧器的最外部，比其它头部装置长出50mm，目的是为了在产生碗状效应时发生气体膨胀。在喷煤管的外风管上设有防止喷煤管弯曲的筋板。
（6）各风道头部锥体的角度是喷煤管设计的关键，在一次风一定的情况下，参数的大小直接影响燃烧器的动量范围，与喷射速度有直接关系。图2显示了 2500t/d级回转窑窑头燃烧器轴流风速与锥度的关系。
（7）煤风入风管为上下分半式结构，中分面能过螺栓和定位销连接，在其内部设有分半式可更换耐磨套，在煤粉管入口处的磨损三角区内设有渗炭化钨耐磨层，其硬度为HRC60-63，有较强的耐磨性。另外分半式内设有外耐磨套的被冲刷面亦设有渗炭化钨耐磨层，这种设计的特点是在更换时非常方便，不需将喷煤管抽出，直接更换。在喷煤管的煤粉化钨耐磨层，这种设计的特点是在更换时非常方便，不需将喷煤管抽出，直接更换。在喷煤管的煤粉入口处设有检查孔，可随时检查其磨损情况。
（8）每个风管的相应位置设有丝杠调节装置和相应的膨胀节。通过调节丝杠的伸缩，可调节相应的风管，其调节范围为沿轴向±50mm。为了调整方便，特设置了调节手柄。
（9）油枪的头部是一种雾化燃烧器，喷嘴本体连接到两个平行的供油管，分别为进油和回油，通过调节回油管路上的回油节流装置来控制喷嘴处的压力，从而调节其雾化效果。

（10）工艺送煤风管与燃烧器之间可以用伸缩节装置连接，两端可伸缩管的球形联接装置可保证水平、垂直及轴向方向调整燃烧器位置，其调整角度为 10o，距离为1500mm。
（11）特别设计了行走小车，蜗轮丝杠调节机构可使喷煤管出口端面中心沿圆方向350mm范围内自由调节，使其达到最佳的效果。在喷煤管工作时，以热态窑口为基点，喷煤管允许向前移动1050mm，此时，设在轨道上的限位开关动作，小车停止向前移动；再次起动时，小车仅允许向后移动，喷煤管亦允许退出窑口 200mm。在该位置设置了第2个开关，开关动作后小车停止移动，再起动时，小车允许向前或向后移动。导轨的尾端设有检修时喷煤管移出回转窑极限们置的限位开关。
　　 综上所述，新型四通道燃烧器主要特点如下：
（1）一次风比例低，仅为5%-7%，节能降耗显著，与传统燃烧器相比节煤10%以上。
（2）喷头部分采用耐高温、抗高温氧化的特殊耐热钢铸件机加工制成，提高了头部的抗高温变形能力。
（3）易磨损部位，采用独有的防磨技术处理，耐磨性能优异，且易于更换。
（4）火焰形状规整适宜，活泼有力温度高，窑内温度分布合理。
（5）热力集中稳定，卷吸二次风能力强，提高冷却机热效率。
（6）火焰调节灵活，简单方便，可调范围大，可达1：10。
（7）热工制度合理，可提高台时产量5%-10%，水泥熟料早期强度提高3-5MPa。
（8）低NOx排放量，降幅达20%-30%。
（9）使用寿命长，对煤质适应性强，可烧劣质煤、低挥发分煤、 无烟煤和烟煤。
（10）适用范围广，可用于各种窑型的回转窑。
　　3.3推广与应用
　　目前国内已开发出满足5000t/d水泥熟料生产线专用的多通道回转窑燃烧器。
　　多通道回转窑煤粉燃烧器既可应用于新型干法水泥预分解窑的水泥熟料生产线，亦可用于其他传统的水泥生产线上，尤其可在原生产线上利用此技术对老设备进行改造并达到同样效果。而且造价仅为同类进口产品的1/4-1/3，为此，无论是我国对外承包的工程项目或国内的自行筹建或利用亚洲（世界）银行贷款的项目，该产品均可此有相当强的竞争力，尤其是国内项目，可完全替代进口产品。

4、结 语

　　从长远看，建材工业必然要淘汰落后的小水泥厂。尽管我国水泥产量在世界上名列前茅，但旋窑水泥，特别是新型干法水泥所占的比例还不大，急待进行结构调整。从国家经济形势看，要拉动经济的发展，建材待业必须先行。为此，在今后的一段时期内，水泥工业特别是技术改造工作将会持续呈发展势态，而就国内自行开发研究的多通道回转窑煤粉燃烧器来讲，完全适应了这一发展的要求，我们相信，随着我们不断对该产品进行完善和提高，该产品将在今后将继续扩大其市场占有率。其广泛推广使用对推动我国整个新型干法生产线的技术进步、生产规模大型化、产业及品结构合理化等方面都有着重要意义，可以获得可观的经济效益和社会效益。