【水泥知识】水泥窑煤燃烧器的参数选择

发布时间 2014-07-10 来源 -

【新华水泥人才网】水泥回转窑作为水泥熟料生产的关键装备，其具燃料燃烧、气固换热、化学反应、物料输送等多重功能，然而燃料释放能量的过程是实现其它功能的基础。随着国内能源供应的日益紧张，目前新型干法水泥厂使用的煤炭价格急速上涨，因此采用劣质煤尤其是低热值煤生产水泥熟料是降低水泥生产成本的必然趋势。利用劣质煤（指无烟煤、贫煤及褐煤）代替优质烟煤煅烧水泥熟料，虽然可大大降低水泥成本，提高水泥厂的经济效益，但是劣质煤尤其是低热值煤的使用，易引起烧成带温度低、飞沙料增多，熟料产、质量下降。还可产生灰分沉积及窑内液相量的过早出现，引起窑内结圈，结蛋，磨蚀耐火砖，影响窑内通风和窑的运行，因此开发适应水泥预分解窑使用低热值煤的燃烧器是解决水泥窑生产优质熟料的重要措施。

1 燃烧器使用存在问题

1.1 参数不全、不知

（1）设计几何尺寸不知

（2）设计各风道风速不知

（3）风机选型依据不知

1.2 调节范围不清楚：燃烧器配置适应煤种的范畴不知

1.3 燃烧器工作原理不熟悉

（1）扩散角度

（2）卷吸量、旋流强度

（3）煤燃烧距离

2 预分解窑熟料岩相分析

优质水泥熟料来源于较高含量的硅酸盐矿物，而硅酸盐矿物含量的高低与回转窑内的温度场密切相关[1]。

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（a）硅率高较高，A矿尺寸大、有包裹物（b）A矿尺寸大、外形不完整、有裂纹

图1 预分解窑熟料岩相

图1为预分解窑熟料岩相。预分解窑熟料岩相的特点是硅率较高，硅酸盐矿物含量高。但A矿往往含有较多的包裹体。常常存在较多非六方板状形状的A矿，呈圆粒状的B矿不多见，多呈不规则圆形。

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（a）小堆B矿（b）尺寸巨大的A矿晶体

图2 预分解窑（大窑）熟料

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图3 预热器窑（小）窑熟料，A矿大小均齐

图2、图3分别为同样原料、燃料，2500t/d预分解窑煅烧熟料以及立筒预热器窑煅烧熟料。由于热力强度不同，煅烧温度不同，导致熟料矿物发育差异很大。

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（a）A矿尺寸差异很大，总体偏小（b）A矿表面沉落煤灰，A矿形状不规则

图4 A矿晶体不规则，晶体尺寸差异大的预分解窑熟料

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（a）A矿晶体边缘发生分解，棱角不完整（b）大部分A矿晶体发生分解

图5 慢冷导致A矿边部分解

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图6 集中分布的树叶状、手指状B矿

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图7 还原气氛严重，白色亮点为金属贴

同样的原料、燃料，由于煅烧温度不同，熟料矿物形貌有较大差异。燃烧器性能差异，也会导致A矿不同。气氛差异、冷却速度快慢都会产生不同的熟料。

因此，只有具有优良性能的燃烧器(包括:型式、规格、设置部位等)，才能保证喂入窑系统的燃料在燃烧空间内与高温二次空气迅速混合，及时起火完全燃烧，并按照要求提供充足的热量，形成一个合理的温度场及热工制度，从而使回转窑系统充分发挥其应有的功能，实现优质、高效、低耗、长期安全运转，并满足环境保护规定的要求。

3 燃烧器种类、特点

回转窑燃烧器是烧成系统的重要工艺设备，它不仅影响窑系统的热耗及操作性能，还对熟料质量和有害物质排放量产生影响，因此，一台好的燃烧器应有以下特点：

（1）在点火及操作期间火焰稳定；

（2）着火点接近喷嘴；

（3）明亮有力的火焰；

（4）火焰粗细及长度可调；

（5）燃烧器端部可更换；

（6）较低的一次风量；

（7）结构紧凑、活动部件少；

（8）可烧替代燃料；

（9）较低的氮氧化物的排放。

3.2 燃料的燃烧特性

所有的燃烧过程都可分为以下几个步骤：混合－点火－化学反应－热量的传播

3.2.1 燃料和空气混合

对大多数燃烧器而言，燃料和气流的混合是因为燃烧器的喷射卷吸产生的

（1）自由射流的混合

当燃烧器的喷射为自由射流时，因为射流边界与周围气流之间的摩擦力(卷吸力)，使周围气流加速进入射流，使射流范围扩大。这个过程由燃烧器的冲量控制，直到周围气流与射流的速度相同时为止。燃烧器的冲量越大，卷吸的气流越多。由于是自由射流，这个过程将持续到卷吸力完全释放为止。

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图8 自由射流巻携空气示意图

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图9 受限空间射流产生的外部回流区

（2）受限射流的混合大部分燃烧器，比如回转窑用燃烧器的喷射都为受限射流，射流受两种方式的限制：

（a）周围气流（比如二次风）的量是受控制且有限的；

（b）射流的扩散边界受回转窑壳体的限制。

当受限射流的冲量超过完全卷吸二次风量的需要时，将有回流产生。此时，二次风像自由射流一样，被射流卷吸，当二次风被完全卷吸时，过剩的冲量将把燃烧产生的废气卷吸回来，产生外部回流。

3.2.2 一次风的作用

（1）控制燃料和空气的混合。

（2）帮助火焰的稳定。

火焰带回流的差别见表1。

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3．3 燃烧器参数

    回转窑用燃烧器的设计一般有两种常用模式：

    动能型：数学表达式为P×V2，即一次风量与风速平方的乘积。

    冲量型：数学表达式为P×V，即一次风量与风速的乘积（％?m／s）。一次风量为占化学需氧量的百分数。

    回转窑用燃烧器都是喷射卷吸型燃烧器，其设计有两种方式：

     第一种：高动能型。即：较高的一次风（＞300m/s），较低的一次风量，通常为5％～10％。

     第二种：高冲量型。即：相对较高的一次风量，较低的一次风速，以提供足够的冲量来产生回流。

    如果燃烧器的冲量不足而影响燃料与二次风的混合，则每增加1％的过剩氧含量，就会增加2％的热耗。这也是低一次风量。

    水泥厂广泛使用的燃烧器都可归为这两大类型：高动能型和高冲量型。也可简单划分为“洪堡”型和“皮拉德”型。

随着煤质的变化，特别是国内，优质烟煤价格的越来越高，劣质煤、无烟煤被广泛使用。很多厂更是使用劣质煤或无烟煤掺部分热值及挥发分高的烟煤来满足煅烧要求。两种类型的燃烧器有逐渐融合的趋势，即一次风速（轴流风速）越来越高。

通过上面的分析比较可以看出，高动能型（三风道）和高冲量型（四风道）燃烧器并没有明显的优劣之分。高动能型燃烧器由于煤粉在旋流风和轴流风之间，火焰形状易于调节，适合原燃料不是很稳定的水泥厂使用。由于轴流风风速高，需要的一次风量低，但风压较高（有的高达60～80kPa），系统能耗不一定最低。

高冲量型燃烧器由于煤粉在旋流风和轴流风的里层，火焰形状稳定，适合原燃料稳定的水泥厂使用。由于一次风量相对高一些，但风压较低（最高在30kPa 左右），也不一定增加系统能耗。

4 燃烧器参数

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4.1 旋流数

    多通道燃烧器属于旋转射流。旋转射流的基本特征在于旋转，旋转使射流获得向四周扩散的离心力。和一般射流相比较，扩散角大得多，射程短得多。射流的紊动性强得多，如果一般射流二倍扩散角是28°，则旋转射流可达90°以上。这样就极大地促进了射流与周围介质的动量交换。热量交换和浓度交换。正是这种特性，被广泛用于工程燃烧技术及旋流送风中。旋转作用所产生的离心力，改变了一般射流的压强分布，出现了从射流轴线沿径向至射流边界的压强降低，低压中心将吸入射流前方的介质使之回流，形成—个包含在射流内部的回流区。在燃烧过程中，这个回流区促使大量高温烟气回流到火焰根部，保证燃料顺利而稳定地着火。

     旋转射流是一种铀对称射流，但比一般铀对称直射流复杂得多。理论分析还不能完善地求出速度场，仅根据一些典型试验简述它的运动特征和动力特征。

1.旋流度

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图14 旋转燃烧器气体流动示意图

将旋转射流的速度分解为三个分量：(1)沿射流前进方向的轴向速度，u；(2)在横截面上沿半径方向的径向速度，v；(3)在横截面做圆周运动的切向速度，w。 S是一个无因次数，可反映产生旋转射流的旋转强弱程度。S值越大，旋转射流的旋转越厉害，回流区就越大，射流扩散角也越大，射程就越短。

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式中的速度项可以相当精确的从旋转射流产生器简称“旋流器”的进口数据计算出来。可是（2）式中的第二项即静压项的精确确定就比较困难，因为沿流动方向的静压积分值是变化的。从旋流器进口的速度分布而不是从射流中的速度分布来计算旋流度S时，静压项可以忽略不计。

旋流度简化为变成旋流数：

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    2. 阻塞系数.

    式中还没有考虑螺旋叶片的厚度b和数量n，在多风道煤粉燃烧器中所用的旋流器，其螺旋叶片不但有，通常还很厚，所以其对旋流数Sˊ的影响是不可忽略的。另外，因为有螺旋角存在会产生一定的阻力，螺旋角越大，阻力也越大。实验表明，这二者对旋流数Sˊ都有影响，其与nb成正比例，与角的余弦成反比，把这些影响用阻塞系数表示，如下式所列：

旋流数

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当旋流数S′＞0.6时，沿射流轴线的反向压力梯度不能再被沿轴向流动流体质点的动能所克服，能够在射流的中心部分形成一个回流区，将这种旋转射流称为“强旋流”。回流区呈环形旋涡状，对火焰的稳定具有相当重要的作用。因为这是一个燃烧产物的良好混合区，在靠近燃烧器出口的射流中心部分还可储存一定的热量和化学活性物质，所以对火焰的稳定性、燃烧强度、停留时间的分布和形状等都有重要作用。由此可见，在设计煤粉燃烧器时，螺旋体即旋流器必须按强旋流进行。

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