水泥窯用多通道燃燒器噴頭結(jié)構(gòu)探究

朱向紅 石志剛 于景民 孫彥峰 張國富 楊艷娟

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

0 前言

隨著水泥生產(chǎn)線技術(shù)的不斷發(fā)展，回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器從原來的單風道煤粉燃燒器發(fā)展為目前的四風道煤粉燃燒器。四風道煤粉燃燒器性能優(yōu)良，節(jié)煤降耗，對減少NOx的排放有顯著效果，得到了推廣應用。

文章通過對比當前國內(nèi)國際先進的多通道煤粉燃燒器性能指標和技術(shù)參數(shù)，結(jié)合實際生產(chǎn)中的優(yōu)缺點，研究煤粉燃燒器機械結(jié)構(gòu)、工藝特性與回轉(zhuǎn)窯燃燒系統(tǒng)的相互關(guān)系，通過引入新技術(shù)、新材料改進煤粉燃燒器噴頭的結(jié)構(gòu)形式，提高國產(chǎn)煤粉燃燒器的性能空間，從而最大限度地節(jié)能降耗減排。

1 回轉(zhuǎn)窯用煤粉燃燒器在水泥行業(yè)應用的重要性

煤粉燃燒器作為回轉(zhuǎn)窯燒成系統(tǒng)的重要組成部分，對窯內(nèi)熟料的煅燒有著舉足輕重的作用，其性能好壞及調(diào)整是否合理直接影響窯內(nèi)的煅燒情況及窯襯的使用壽命，對優(yōu)化操作、穩(wěn)定運轉(zhuǎn)、降低燃料消耗、提高熟料質(zhì)量、減少有害氣體排放都有著顯著影響。與主要技術(shù)經(jīng)濟指標的產(chǎn)量、質(zhì)量、煤耗、電耗、火磚壽命、有害氣體的排放等息息相關(guān)。

2 水泥窯燃燒器的分類

當前使用的水泥窯燃燒器基本都是四通道燃燒器。按所使用燃料的不同分為煤粉燃燒器、油料燃燒器和氣體燃燒器共3類。其中煤粉燃燒器是我國主要的使用形式（如圖1所示），其余兩種在我國使用較少，文章介紹從略。

按煤粉燃燒器的結(jié)構(gòu)來分，從外向里數(shù)的風道排列順序有兩種型式：

直流風→旋流風→煤風→中心風（如圖2所示，以法國皮拉德公司Rotaflam型四風道煤粉燃燒器為代表）；

直流風→煤風→旋流風→中心風（如圖3示，以德國洪堡公司PYRO-JET型四風道煤粉燃燒器為代表）。

3 不同類型煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)、工作原理及特點

煤粉燃燒器外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤粉燃燒器外形結(jié)構(gòu)

3.1 燃燒器各部件名稱

燃燒器主要由管路、噴嘴、金屬波紋補償器、蝶閥、壓力測量儀表和保護層等構(gòu)成。

管路：由外到內(nèi)分別為軸流風通道、旋流風通道、煤風通道、中心風通道和燃油管（如圖2所示）；軸流風通道、煤風通道、旋流風通道、中心風通道和燃油管（如圖3所示）。

以上兩種結(jié)構(gòu)都稱為四通道燃燒器。

噴嘴：由特殊材料加工，旋流風的噴出口截面積可調(diào)，從而調(diào)節(jié)旋流風的噴出速度及風量，整套噴嘴是保證火焰形狀的關(guān)鍵部件。

金屬波紋補償器：是連接3旋流風內(nèi)外管路、密封和調(diào)節(jié)火焰形狀的主要部件。

蝶閥：用于調(diào)節(jié)風量。

壓力測量儀表：間接顯示燃燒器內(nèi)風口噴出速度。

保護層：即耐火澆注層，由用戶自行澆注。

3.2 皮拉德Rotaflam型四風道煤粉燃燒器類型

3.2.1 原理

如圖2所示，此類型煤粉燃燒器采用軸流風+旋流風，兩股風裹挾（包裹）煤粉噴出，這樣加強了風煤混合，避免了煤粉過早擴散，延長了煤粉在窯內(nèi)懸浮時間，避免了過早和物料接觸，減少了液相量提前出現(xiàn)，提高了燃盡率。

圖2 頭部結(jié)構(gòu)

旋流風采用螺旋體結(jié)構(gòu)，主要作用是加速煤粉燃燒。煤粉由煤粉風機攜帶從煤風管按一定的擴散角向外噴出，由外鄰的旋流風傳給相當高的動量和動量矩，以高速度螺旋前進，并繼續(xù)徑向擴散，與高速射出的軸流風相遇。軸流風束的插入進一步增加了風、煤的混合，卷吸高溫二次風，并可調(diào)節(jié)火焰的發(fā)散程度，按需要調(diào)節(jié)火焰的長短粗細，達到需要的理想火焰形狀。中心風的作用是促使中心部分的少量煤粉及CO燃燒，使燃燒更為充分，并起穩(wěn)流的作用。由于這種燃燒機理和旋流風，軸流風具有高速度，燃燒迅速和完全。生產(chǎn)實踐證明，這種類型可以避免煤粉中的粗顆粒被拋出火焰射流外廓之外，扎落到熟料中，發(fā)生不應有的工藝事故，也可大幅度地降低NOx的形成。

3.2.2 特點

燒低質(zhì)煤是強項（包括劣質(zhì)煤、低揮發(fā)份煤，無煙煤、褐煤、石油焦及焦炭粉等）；一次風量低；煤粉燃燒完全，燃盡率高；所形成火焰的特點貌柔實剛，形狀適宜，不結(jié)焦，對窯皮保護好；有害氣體排放少。

3.3 洪堡PYRO-JET型四風道煤粉燃燒器類型

3.3.1 原理

煤粉由氣流攜帶從煤風管道按一定的擴散角向外噴出，由外鄰的助燃風傳給相當高的動量和動量矩，內(nèi)側(cè)的旋流風與噴出的煤粉氣流混合，以高速度螺旋前進，與高速射出的軸流風束相遇。軸流風束的插入進一步增強了煤、風的混合（包括周圍的二次風），并可調(diào)節(jié)火焰的發(fā)散程度，按需要調(diào)節(jié)火焰的長短、粗細，達到需要的火焰形狀。中心風的作用是促使中心部分的少量煤粉及CO燃燒，使燃燒更為充分，并起穩(wěn)流的作用。這種燃燒機理和旋流風，軸流風具有的高速度，燃燒迅速和完全。

圖3 頭部結(jié)構(gòu)

低速噴出的煤粉在內(nèi)層和外層氣流的中間，由內(nèi)外層高速風夾帶攪拌混合煤粉螺旋前進，產(chǎn)生的大速差卷吸攜帶煤粉按一定的角度均勻連續(xù)地向外噴出，同時外層高動量大推力的軸流風卷吸高溫二次風促進煤粉燃燒，通過調(diào)節(jié)軸流風和旋流風的風量比例，以適應窯系統(tǒng)所需要的火焰形狀以及煅燒所需要的火焰強度。

3.3.2 特點

高風速大推力，大速差，風煤混合高，燃盡率大于99%；火焰強度高，剛性好，頂料能力強，形狀可調(diào)，適應各種窯況變化；火焰溫度場分布均勻，相對傳統(tǒng)燃燒器降低氮氧化物排放20%～35%；節(jié)能、降耗效果顯著，一次風量低，相比傳統(tǒng)燃燒器節(jié)煤、節(jié)電5%～15%；本體及頭部耐磨耐腐性、維修、調(diào)節(jié)方便、成本低，窯內(nèi)工藝事故少。

4 新技術(shù)改良

在生產(chǎn)實踐中，為了解決各種實際問題，國內(nèi)設備廠家如天津博納、中和機電、鄭州奧通等大膽對引進國外產(chǎn)品進行了改良，并取得了良好的效果。

4.1 噴燃管各個風道的噴出速度均可隨意調(diào)節(jié)

可調(diào)制出不同窯況下所需要的任何火焰形狀，外風在80～430 m/s內(nèi)無級可調(diào)，煤風在20～30 m/s內(nèi)無級可調(diào)，旋流風在70～380 m/s內(nèi)無級可調(diào)，中心風在50～70 m/s內(nèi)無級可調(diào)，這就給操作帶來極大方便（如圖4所示）。

圖4 噴燃管風道

圖5 攏焰罩

4.2 攏焰罩

攏焰罩（如圖5所示）的結(jié)構(gòu)表面看十分簡單，就是將燃燒器噴燃管頭部件的外套管伸出其他頭部件端面一段距離。攏焰罩結(jié)構(gòu)的燃燒器具有以下特點：可以消除窯頭峰值溫度，使窯內(nèi)溫度分布更加合理；提高回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)質(zhì)量，降低煤耗；提高窯口機件和窯頭罩的使用壽命；不掃窯皮，延長火磚壽命；降低NOx的生成。

4.3 清焦器

燃燒器使用廠家在清理端部結(jié)焦時，大多是采用人工除焦，清理工作難度大、效果差。清焦器（如圖6所示）在不改變窯系統(tǒng)中噴煤管結(jié)構(gòu)，不影響燃燒器工藝配風的前提下，利用燃燒器的中心通道，將清焦器從燃燒器的尾部推進套入，使刮刀定位于燃燒器端部位置，轉(zhuǎn)動操作手柄，使刮刀同步調(diào)整角度，對燃燒器的頭部端面進行旋轉(zhuǎn)清理。端部清理完畢后，將清焦器整體往外燃燒器尾部拉出一定長度后從高溫區(qū)縮進中心通道內(nèi)。

圖6 清焦器結(jié)構(gòu)示意

5 結(jié)語

目前國產(chǎn)的四通道煤粉燃燒器，其性能和可靠度已基本達到國外引進產(chǎn)品的水平，甚至有些方面性能還有所超出。但新型燃燒器普遍存在噴頭使用壽命短、燃燒器煤粉入口處的磨損劇烈、燃燒器管道使用中易彎曲等問題。

一個良好的燃燒器，噴頭結(jié)構(gòu)形式非常重要。煤粉燃燒器的噴燃管好像金剛鉆一樣，不僅決定性能好壞的是頭部件，最容易損壞的也是頭部件，最貴重的還是頭部件。除了采用合適優(yōu)質(zhì)耐熱鋼材質(zhì)外，還得考慮合理的設計，調(diào)節(jié)應靈活方便，不需要將噴燃管拉出窯頭罩，隨時可以改變一次風各風道噴出的環(huán)形間隙截面面積，進而改變噴出速度，使窯內(nèi)的溫度分布始終處在最佳狀態(tài)，操作需要什么樣的火焰就可調(diào)制出什么樣的火焰。風道結(jié)構(gòu)上除外風套采用焊接外，其余各風道的所有內(nèi)噴頭均可采用螺紋連接，以降低維修成本，容易更換。改進后的新型多通道燃燒器可將一次風降低4%～6%。每減少1.0%的一次風量將節(jié)約熟料熱耗1.8 KJ/Kg，高溫的二次風含有大量的熱量，而空氣的比熱容為1.34 KJ/（m3·℃），也就是每 1 m3空氣溫度升高 1 ℃時必須耗用1.34 KJ熱量。這樣在煤耗節(jié)約上可比當前普通燃燒器節(jié)煤8%左右，節(jié)電12%～15%。同時由于火焰熱力集中且便于調(diào)節(jié)，優(yōu)化了熟料煅燒條件，可以明顯地提高熟料產(chǎn)量，提高熟料強度3～5 MPa。以一條5 000 d/t熟料生產(chǎn)線為例，一年可增加效益約500萬元。如果再加上再生燃料的合理利用，將取得更大的經(jīng)濟效益。