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6-8 煤粉燃烧器[1]


6.7 燃烧器
6.7.1 煤粉燃烧器的发展

回转窑煤粉燃烧器已由单风道发展到三风道、四风道和烧两种以上燃料的五风道。风道越多,性能 越好,但结构越复杂,重量越重,造价越高,使用时容易弯曲变形。 从煤风与空气混合的效果看,燃烧器可分为旋流式和分割式,分割式四风道燃烧器其通道分为外轴 流风、煤风、内轴流风、内旋流风,其中外轴流风是轴向喷射的,风道为连续成形,由于分割式燃烧器 将煤风分割成四股喷射,煤粉喷出后在圆周方向不均匀,在形成火焰完整性方面与旋流式有一定差距, 而且增加了煤风通道的磨损。 衡量燃烧器性能优劣的重要指标是一次风用量。旋流式煤粉燃烧器是利用直流风与旋流风形成组合 射流及中心风形成的平衡流的方式来强化煤粉燃烧,由于燃烧器的结构特殊,煤粉被送入燃烧区域内, 通过涡流、回流等方式和喷射效能,使煤粉与燃烧空气充分混合、迅速点燃并充分燃烧。当前性能优良 的四风道煤粉燃烧器一次风用量可降到 5%~7%, 甚至 3%~4%, 既可以烧优质烟煤, 也可以烧劣质煤、 低挥发分煤、无烟煤、石油焦、煤页岩、废轮胎和生活垃圾等。 6.7.1.1 回转窑对煤粉燃烧器的要求

(1)对燃料具有较强的适应性,尤其是在燃烧无烟煤或劣质煤时,能保证在较低空气过剩系数下 完全燃烧,CO 和 NOx 排放量最低; (2)火焰形状能使整个烧成带具有强而均匀的热辐射,有利于熟料结粒、矿物晶相正常发育,防 止烧成带扬尘,形成稳定的窑皮,延长耐火砖使用寿命; (3)外风采用环形间断喷射,保证热态不变形,射流均匀稳定,形成良好的火焰形状,最好采用 多个小喷嘴喷射; (4)采用拢焰罩技术,避免产生峰值温度,降低有害气体 NOx 的排放,使窑内温度分布合理,提 高预烧能力; (5)采用火焰稳定器,受喂煤量、煤质和窑情变化波动的影响小,火焰更加稳定; (6)结构简单,调节灵敏、方便,适应不同窑情的变化,满足烧不同煤质和形成不同火焰的要求。 6.7.1.2. 窑内煤粉点燃的模式 窑内煤粉的点燃(着火) ,随煤质的差异及其加热速率的不同,有三种模式 (1)均相点燃 碳开始燃烧。 (2)非均相点燃 当其挥发分较少,加热速率很快时,挥发分还来不及析出,其中的固定碳已经 当其挥发分含量较多,加热速率不很快时,因挥发物首先析出而着火,随之固定

达到了燃点温度而首先着火。 (3)联合点燃 当挥发分和固定碳同时点燃时,则称谓联合点燃。采用烟煤为燃料的水泥窑,多

属均相点燃;无烟煤则应考虑到非均相点燃的情况。 6.7.1.3 一次风温度 因一次风温度较低(室温) ,其用量越少则煤粉空气混合体达到燃点温度所需的热量越少,越容易 着火燃烧。一次风用量少,意味着煤粉燃烧时所用的二次风多。经验表明每减少 1.0%一次风量将节省 熟料热耗 4.8kJ/kg。 6.7.1.4 燃烧器推动力

煤粉与二次风的混合速度和质量,以及其本身的燃烧速率均随着燃烧器推动力 M 值的增大而提高, M 值是一次风的质量流量 m 与其喷出速度 V 值的乘积,即
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M(N)= m(kg/s)× V(m/s) 相对燃烧推动力,即一次风百分数与其风速之乘积(%.m/s) 。增加一次风量显然是不可取的,所 以提高一次风速是增强燃烧推动力的主要手段,但 V 值太大,阻力骤增,风机电耗上升,在一定的燃烧 条件范围内,V 值有一最佳范围。 6.7.1.5 强化窑内煤粉燃烧过程的主要技术措施:

(1)使煤与风,尤其是二次风迅速充分混合; (2)有效地卷吸高温烟气回流; (3)加大燃烧器的推动力。 6.7.1.6 调节一次风的旋流强度来控制与调节窑内火焰形状和力度,即旋流数 S 值(角动量与线动量之

比) ;影响 S 值的因素主要有轴流风量、风速,旋流风量、风速,以及两者之比例,操作过程中一般都 可以分别予以调节;旋流叶片倾角 α 及其阻塞系数 ф 对 S 值有相当大的影响,因结构上的限制。α 和 ф 值通常在操作中是不能调节的,只是在燃烧器设计时予以优化选定。奥地利的 Unitherm-Cemcon 公司推 出一种 MAS 型燃烧器的 α 角可调。 水泥回转窑内煤粉的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,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的要求,在射流量到窑壁之前的 某个位置,二次空气被引射完毕,过剩的射流动量随即开始引射下游区域的燃烧烟气,形成外部回流区。 外回流的产生一方面使下游炽热燃烧烟气的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,所以外回流的大小有一最佳范围。 适度的外回流对煤粉与空气混合过程有促进作用,没有外回流,则表明并非所有的二次空气都被带 入一次射流火焰中。值得指出的另一个重要方面是,适度的外回流可以防止“扫窑皮现象”,防止一次 射流扩展碰撞窑皮。经验表明,在射流扩展的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,火焰的气体流场是非常重要的,因为低挥发燃料一般具有较高的着火点, 加之由于挥发分含量低、挥发分燃烧所产生的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的最简便方法是增加火焰内循环量,使下游炽热的燃烧产物回流到火焰根部以提高 该处一次风和煤粉温度。内循环的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的重要参数。 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的度量。过小的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。另外由于火焰 下游外回流消失,加之火焰刚度不够(火焰的浮升)使火焰易碰撞窑皮,影响耐火砖使用寿命。过大的 动量通量会引起过大的外回流。一方面挤占火焰下游的燃烧空间;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。随着旋流强度的增加,火 焰变粗、变短,可强化火焰对熟料的热辐射。但过强的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”消失,喷嘴直接接触火焰根部而被烧坏。虽然大多数多通 道燃烧器的旋流强度可在操作中调节,但极限参数的限定是很重要的,也是必须的。

6.7.2

几种燃烧器的结构性能
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6.7.2.1

KHD 公司 PYRO-Jet 燃烧器

KHD 公司为利用褐煤及石油焦而开发的新型多通道燃烧器,称之为 PYRO-Jet 燃烧器,其原理如图 6-74 所示。 PYRO-Jet 燃烧器是一种多通道结构喷嘴, 其中 心附加 1 个或 2 个气态或液态燃料管子,有时在中央还有 一个点火喷嘴。通道结构为: 点火喷嘴(液体或气体燃料通道) ; 旋流空气通道出口带有螺旋风翅(相当于三通道喷嘴 的内流风) ; 出口为喷煤口的燃料通道; 出口为环形嘴的喷射空气通道(相当于三通道喷嘴的 外流风) ; 由此可见,旋流风及送煤风同一般三通道相同。而 PYRO-Jet 喷嘴不像一般三通道喷嘴那样从环形缝隙喷出,
图 6-74 PYRO-Jet 燃烧器原理图

而是沿喷嘴外圆排成环状的多个独立喷嘴喷出,其压力为 1bar 左右,由一个旋转活塞风机供风。喷嘴的 作用是为了将高温二次风卷向喷嘴,加快煤粉燃烧。 各种风道的风速及风量百分比,由图看出:确定煤通道的尺寸需要十分认真,因为煤的着火速度是 决定喷嘴速度的主要因素,一般为 22~35m/s。 PYRO-Jet 喷嘴的一次风量仅为 6%~9%。 减少一次风量可以增加二次风的热回收量, 减小设备规格。 PYRO-Jet 可降低 NOx 排放量,对不同的窑 NOx 的降低幅度为 15%~30%。 这种燃烧器的一次风被分成三部分:喷射风、煤粉输送风和旋转风。喷射风、旋转风分别以不高于 440m/s 和 160m/s 的高流速喷出燃烧器。煤粉在喷射风和旋转风之间以 24m/s 的速度喷出,在燃烧器出 口截面中心形成一个低压区域,引起火焰气体回流。由于轴向风速非常高,强烈地加速了靠近火焰的二 次风的流速,从而强化了燃料与空气的混合,提前了燃料的着火燃烧,使着火点更靠近燃烧器,这样空 气中的氮(N2)在高温区停留时间很短,使得 NOx 的生成受到抑制。另外,由于 PYRO-JET 燃烧器出口截 面中心有回流,使火焰温度分布较为均匀,一次风量减少,二次风量增加,并且降低了二次风温,这些 因素都有利于 NOx 浓度的降低。 (1)Pyro-Jet 燃烧器性能特点 a.火焰形状好,火焰明亮,强劲有力。 b.火焰形状可调,调节方法简单,可重复性好。 c.燃烧特性好。由于煤粉和空气特别是高温二次风能快速充分混合,使煤粉能够迅速点燃并充分燃 烧。特殊设计使旋流风和轴流风分别在火焰内外形成一个回流区,使火焰内部热量分布均匀,温度峰值 趋于平坦。 d.能在保证熟料质量的前提下降低烧成温度。 Pyro-Jet 优良的燃烧特性保证了窑内热工制度的稳定 和熟料的成球,使的过去传统的保守操作方法(常过烧)不再必要,既降低了窑的热耗又降低了水泥磨 的电耗。 e.一次风量小。由于喷射效应的作用,以 4~6%的一次风量(不包括送煤风)获得足够的燃烧推动 力。 f.适用于所有燃料,包括劣质燃料如:石油焦、无烟煤、高灰分低热值煤等。并能用于不同燃料(煤、 气、油)的混烧。 g.煤粉通过量可调范围广,可在 1:10 的调节范围内正常操作。
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h.窑皮均匀稳定,火砖寿命长。 i.提高窑产量。由于火焰明亮有力,热量分布均匀,熟料煅烧强度得到加强。另外,由于窑皮好, 窑操作稳定,火砖寿命长,窑的产量可提高一成左右。 j.降低能耗。由于一次风量减小、烧成温度可降低、窑运转稳定、煤粉燃烧充分,系统热耗降低(最 高达 160KJ/kg)。另外,由于可避免熟料过烧,水泥磨系统电耗也可相应降低。 k.污染小,CO 、NOX 排放量低。 (2)Pyro-Jet 燃烧器对生产的保证 为了保证在燃烧器浇注料损坏和需要更换备件时维持窑的连续

生产,Pryo-Jet 燃烧器采用了一用一备的设备配置。这样不仅保证了生产的连续性,同时也延长了设备 的使用寿命。 PYRO-Jet 具有以下特点: a.通过降低一次空气比,可节约热量 6%~8%; b.能燃烧固体、气体和液体及石油焦等多种燃料; c.降低 NOx 生成; d.窑操作稳定; e.采用陶瓷抗磨损涂层,延长喷嘴寿命。 6.7.2.2 Duoflex 燃烧器

丹麦 F.L.Smidth 公司在总结过去采用三通道喷煤管 Swirlex 型和 Centrax 型燃烧器经验的基础上, 于 1996 年推出了新型的第三代水泥窑用喷煤管—双调节伸缩式 Duoflex 型燃烧器,其主要特点是: (1)一次风量(6%~8%)前提下,优化选择一次风喷出速度和一次风机风压,燃烧器的推动力 大幅度提高(达 1700%m/s 以上) ,强化燃烧速率,充分满足各种煤质及二次燃料的燃烧条件,同时还能 维持一次风机的单位电耗较低。 (2)为降低因提高一次风喷出速度而引起的通道阻力损失,在旋流风和轴流风出口端较大的空间 处使两者预混合,之后由同一个环形通道喷出。由于喷煤管前端的缩口形状,使轴流风相混时赋有趋向 中心的流场,对旋流风具有较强的穿透力,以利一次风保持很高的旋流强度,有助于对燃烧烟气的卷吸 回流作用。 (3)将煤风管置于旋流风和轴流风管的双重包围之中,借以适当提高火焰根部 CO2 浓度,减少 O2 含量,同时在不影响着火燃烧速率的条件下维持较低温度水平,从而有效抑制热力 NOX 的生成量。 (4)为了抵消高旋流强度在火焰根部可能产生的剩余负压,防止未点燃的煤粉被卷吸而压向喷嘴 出口, 造成回火, 影响火焰稳定燃烧, 在煤风管内增设了一中心风管, 其中通风量约为一次风总量的 1%, 在中心管出口处设有多孔板,将中心风均匀地分布呈诸多流速较高的风束,防止煤粉回火,实为一个功 能良好的火焰稳定器。此外,中心风管还具有冷却和保护点火用油(气)管的作用。 (5)煤风管可前后伸缩,采用手动蜗轮调节,并有精确的位置刻度指示,借助煤风管的伸缩,可 在维持轴流风和旋流风比例不变的情况下,调节一次风出口通道面积达 1:2 即一次风量的调节范围可达 别 50%~100%,而且在操作过程中就可以进行无级调节。对于适应煤质变化,及时控制调节燃烧与火 焰形状十分方便。所谓“双调节” ,其含意是只要前后移动煤风管的位置,就可以按比例同时减少或增加 轴流风量与旋流风量,相应起到减增一次风总量的作用;而不需分别去调节轴流风和旋流风的两个进口 阀门,不需要考虑两者的风量和二者的比例关系,减少了调节难度和流体阻力。

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(6)煤风管伸缩处采用膨胀节相连,确保密封,其伸缩长度范围一般为 100 mm 左右,视燃烧器 规格而异,当其退缩到最后端位置时一次风出口面积最大,相应地一次风量也最大,这时在燃烧器出口 端就形成了一段约 100 mm 的拢焰罩,对火焰根部有一定的紧缩作用(图 6-75) 。反之,当其伸到最前端 位置与喷煤管外套管出口几乎相齐时, 则出口面积最小,风量最小,拢焰罩的 长度将趋于 0。一般生产情况下,大都 将煤风管的伸缩距离放在中间位置,拢 焰罩的长度也居中,以便前后调节。 (7) 燃烧器各层管径都加大, 以加 强其总体刚度与强度,管道之间的前后 两端相互连接或相互支撑的接触处均进 行精密机加工,后端用法兰连接,前端 由定位突块、恒压弹簧和定压钢珠等精
图 6-75 利用煤风管的伸缩,改变一次风出口面积调节一次风量

密部件组成的紧配合装置相连。这种结构同时还具有内外套管之间的调中、定位与锁定功能,确保各层 通道的同心度。设计中准确地考虑了热胀冷缩的因素,套管间允许一定的轴向位移,另有一刻度标记专 用于测量其热胀冷缩产生的位移,以便操作中煤风管位置的准确复位或校正一次风的出口面积等参数。 (8)加大了煤风管进口部位的空间(面积) ,降低该处风速,同时缩小了煤粉进入的角度,在所有 易磨损的部位都敷上耐磨浇注料,尽量减少磨损,延长使用寿命。喷嘴前端及其部件都用耐热合金钢制 成。喷嘴外部包有约 120mm 厚的耐火浇注料,所有浇注料的寿命完全可以与窑头的耐火砖相匹配,甚至更长。 (9)中心管较大,留有一定的空间,可以增设二次燃料的喷射管,替代部分煤粉,以备水泥窑日 后烧废料之需要。 FLS 公司推出的三种水泥回转窑煤粉燃烧器 Swirlex 型、Centrax 型和 Duoflex 型的性能比较见表 6-16,可以看出,新型 Duoflex 燃烧器的性能优越,技术先进,使用效果良好。
表 6-16 FLS 公司三种燃烧器的性能比较 Swirlex 8~9 110~120 130 880~960 ~0.2 25~30 3.5~8 100~150 正常 正常 无 正常 前后、左右、上下 两个阀门分别调节 正常 0 正常 正常 褐煤 正常 Centrax 4~5 轴向 320,径向 150 750 1200~1400 ~0.5 25~30 3.5~6 100~200 较好 较强 无 有力 前后、左右、上下 两个阀门分别调节 正常 ~15 较低 较长 烟煤、无烟煤 较好 Duoflex 6~8 180~250 250 1250~1780 0. 3~0.4 25~30 3.5~8 100~200 很好 强劲稳定 有 强劲紧缩 前后、左右、上下 煤粉管伸缩为主阀门调节为辅 灵敏、方便 ~30 最低 最长 烟煤、无烟煤、可燃废料 最好

型号 一次风量(不含送煤粉用风) ,% 一次风喷出速度,m/s 一次风机出口压力,mbar 燃烧器推动力,%.m/s 一次风机单位电耗,kwh/kg 熟料 煤风管内风速,m/s 煤风管内煤风比,kg/m3 送煤风机压力,mbar 煤与一、二次风的混合 燃烧空气的卷吸回流 中心风,火焰稳定器,拢焰罩 火焰形状 喷嘴在窑内的位置与方向调节 火焰调节手段 火焰调节精度 NOX 减少量,% 窑筒体温度 窑头火砖寿命 燃料适应性 熟料结晶、结粒与强度

6.7.2.3

皮拉得公司煤粉燃烧器
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70 年代初,由于石油危机的冲击,回转窑由烧油改为烧煤,皮拉得公司开发出旋流式三风道煤 粉燃烧器。一次风压达到 12KPa 时,其用量为 12%~14%。当压力达到 35KPa 时,一次风量可降到 8%。这种燃烧器煤风在中间,外部的一次净风是轴流风,内部的一次净风是利用头部的螺旋叶片 产生旋流风,利用进风管上的两个阀门调节。见图 6-76。

图 6-76 皮拉得旋流式三风道煤粉燃烧器 1-外净轴流风道 2-煤风道 3-内净旋流风道 4-燃油点火 装置 5-螺旋叶片 6-外净风调节阀 7-内净风调节阀 8-煤风进口 9-耐磨层

图 6-77

Rotaflam 型四风道煤粉燃烧器

1-轴向外净风 2-旋流外净 3-煤风 4-内净风(中心风) 5-燃油点火装置 6-火焰稳定器 7-螺旋叶片 8-拢焰罩及第 一层套管 9-第二层套管 10-第三层套管 11-第四层套管

皮拉得公司旋流式四风道煤粉燃烧器,称为 Rotaflam 型,见图 6-77。其主要特点是内净风通过稳定 器上的许多小孔喷出,所以又把内净风称为中心风。将外净风分成两股:外层外净风稍有发散轴向喷射, 内层外净风靠螺旋叶片产生旋流喷射,将煤风夹在两股外净风与中心风之间。将燃烧器最外层套管伸出 一部分,称为拢焰罩,就像照像机的遮光罩一样。外层的环形间隙改为间断间隙,可保证受热时不变形。 采用优质耐热钢,延长了燃烧器的寿命。一次风降到 6%。 Rotaflam 型旋流式四风道燃烧器的特点: (1)火焰稳定器 稳定器内净风道的直径比一般燃烧器要大得多,前部设置一块圆形板,上面钻

有许多小孔,见图中的序号 6。其主要作用是: a.在火焰根部产生一个较大的回流区,可减弱一次风的旋转,使火焰更加稳定,温度容易提高,形 状更适合回转窑的要求。 b.火焰稳定器的直径较大,煤风环形层的厚度减薄,煤风混合均匀充分,一次风容易穿过较薄的火 焰层进入到其中缩短了黑火头。煤风在两层外净风之内降低火焰根部的局部高温抑制 NOX 的生成。 外净风分成两股之后,轴流外净风的风速可以大大提高,在火焰根部中心区形成较大的一次回流区 和在窑皮附近形成第二回流区,对保护窑皮有利。 (2)拢焰罩 拢焰罩产生碗状效应,可避免空气的过早扩散,在火焰根部形成一股缩颈,降低窑

口温度,使窑体温度分布合理,火焰的峰值温度降低。这样,一方面能延长窑口护板的使用寿命,另一 方面还可避免窑口筒体 出现喇叭形。 轴向外净风改变了原来的连续式环形间隙喷射,采用了均匀间断

(3)轴向外净风的分孔式喷射

式的小孔喷射。小孔为均匀排列的小矩形,由第一层套管内壁加工出的矩形沟槽和第二层套管组装后形 成。 6.7.2.4 TC 型旋流式四风道煤粉燃烧器

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图 6-78 TC 型四风道喷嘴结构图 1-油嘴喷头 2-油枪 3-中心风管 4-煤风管 5-旋流风风管 6-轴流风风管 7-扒钉 8-耐火浇注料 9-油枪进油管 10-回油管

图 6-79

TC 型燃烧器原理图

(1)结构特点(如图 6-78、图 6-79) 所谓四通道,是指中间的煤通道,内部的中心通道和外部 的旋流通道及旋流风外部的轴流通道。主要结构特点如下: a.与普通三通道煤粉燃烧器相比,其旋流风风速与轴流风风速均提高 30%~50%,在不改变一次风 量的情况下,燃烧器的推力得到大大提高。 b.旋流风与轴流风的出口截面可调节比大,达到六倍以上,即对外风出口风速调节比大,所以对火 焰的调整非常灵活,对煤质的波动适应性强。 c.喷头外环前端设置拢焰罩,以减少火焰扩散,对保护窑皮、点火有好处,能起到稳燃保焰的作用。 d.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。 e.煤粉入口处采用高抗磨损的特殊材料,且易于更换。 (2)其主要的燃烧特点如下: a.火焰形状规整适宜,活泼有力温度高,窑内温度分布合理; b.热力集中稳定,卷吸二次风能力强; c.火焰调节灵活,简单方便,可调范围大,达 1:6 以上; d.热工制度合理,对煤质适应性强,可烧劣质煤、低挥发分煤、无烟煤和烟煤。 (3)四通道煤粉燃烧器的操作 a.喷煤管的点燃 点火后,先将喷油量适当开大,同时开启送煤风机,以保护喷煤管,开启窑尾废

气排风机,以保持窑头有微负压。待窑尾温度升到 200℃时可以加煤,油煤混烧,同时开启净风机,保 持火焰顺畅,在燃烧过程中逐渐减少用油量,待窑尾温度达到 400℃时,撤油将净风量加大,点燃燃烧 器。 b.燃烧器位置的调整 燃烧器位置,到定时检修的时间都必须停窑检查和调整,窑头截面调整为中

心偏斜 50~60mm,下偏 50mm,窑尾截面偏斜为 700mm,偏下至砖面。两点连成一线,即为燃烧器的 原始位置(见图 6-80)。保证既不冲刷窑皮 又能压着料层煅烧,在正常生产中,还要 根据窑况对燃烧器作适当调整,保证火焰 顺畅,既不刷窑皮,又能将料烧好。 c.火焰调节与窑皮控制 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,火焰较长,才能形成稳定 的窑皮,从而保护烧成带耐火砖的使用周
216 图 6-80 燃烧器的位置

期。调节火焰主要是依据窑内温度及其分布、窑皮情况、窑负荷曲线、物料结粒及带起情况和窑尾温度、 负压等因素的变化而进行。当烧成温度偏高时,物料粘度增加,结粒增大,多数超过 50mm 以上,带起 很高,负荷曲线上升,伴随筒体温度升高。此时,应减少窑头用煤,适当减小中心风、径向风、轴向风 回路上的手动阀门的开度来调节火焰,降低窑头温度。烧成温度偏低时,应适当加大中心风、径向风、 轴向风回路上的手动阀门开度,强化火焰。调整到稳定的火焰,提高窑头温度。在烧成带掉窑皮、甚至 出现“红窑”时,说明烧成带温度不稳定或局部出现了温度峰值,要及时拉长火焰,减少喂煤量,稳定 窑温,并及时移动喷煤管位置,控制熟料结粒,及时补挂窑皮。 (4)使用效果 a.火焰的形状容易调节,使用四通道燃烧器燃料周围的一次风非常均匀,火焰沿窑轴向喷射很深, 活泼有力,形状长短适宜,对燃烧非常有利,同时可方便地用调节手动蝶阀来调节风的比例,以改变火 焰的形态。适当的调节中心风等的手动蝶阀的开度,火焰变粗变短,温度集中,便于提高窑头温度,尤 其是在遇到物料预分解不好,有跑生料趋势时,调节火焰强化锻烧,并与适当减料降窑速相配合,可有 效地阻止生料跑出;而适当加大径向风、轴向风,火焰变得细长,可加强物料的预烧,有效地降低熟料 fCaO,适应窑内情况的各种变化。 b.对煤的适应性强,对燃烧无烟煤具有更强的适应性 随着煤质的不断下降,煤粉水分和细度也很

不稳定,但四通道煤粉燃烧器却均能适应,满足窑物料锻烧的需要。该燃烧器与原三通道煤粉燃烧器性 能相似,但结构有很大区别。该燃烧器对煤质适应性强,可烧劣质煤、低挥发分煤、无烟煤和烟煤。不 仅使煤粉燃烧完全,而且可以最大限度地降低 NOx 的生成量,是一种典型的节能、环保型回转窑用煤粉 燃烧器。 c.能有效地保护窑皮平整坚固,长度厚度适宜 由于四通道喷煤管容易控制火焰形态,避免了对窑

的冲刷,窑内物料结粒均匀,有效地保护了窑皮,也避免了窑的前结圈。 燃烧器的最内层为中心风道,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,圆板上面均匀地分布着小孔,允许中心风接触圆板面上的火焰,此处的风速约为 60m/s。 煤粉风道位于中心风道的外层,煤风夹带着煤粉气流以很小的分散度将煤粉喷入,与一次风混合后 进行燃烧,风速为 23m/s 左右。环流风风道的头部装有一个 20°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回转窑的旋转方向一致。 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,改变火焰形状。 外部套管位于燃烧器的最外部,这个部件比其它头部装置长出 62mm,其目的是为了在产生碗状效 应时而发生气体膨胀。在喷煤管的外风管上设有防止喷煤管弯曲的筋板。 煤风入风管为上下分半式结构, 中分面通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耐磨层,耐磨性强。另外分半式耐磨套的被冲刷面亦设有耐磨层, 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。 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,并专门设置了调节手柄。 油枪的头部结构,主要由压紧螺母、雾化片、分油器、接头组成: 油枪的头部是一种雾化燃烧器,喷嘴本体连接两个平行的油管,分别为进油管和回油管,用支承板 定位这两根油管,保证燃烧器对准喷煤管中心,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。
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在每根油管端部装有一个专门的快速密封接头,可以不使用任何工具将安装在相应油管上的连接头 迅速地锁定。在更换油枪的过程中,出于快速接头的作用,每一端都装上一个防止回流的装置,在断开 时,能有效的防止油流出来。 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连接装置可保证水平、垂 直及轴向方向调整燃烧器位置,其调整角度为 10°,调整距离为 1500mm。 TC 型四通道煤粉燃烧器设计了行走小车,由传动机构、车架、车轮、调节装置、铰接支架五部分 组成。蜗轮丝杠调节机构可以使喷煤管出口端面中心沿圆周方向 3°范围内自由调节,从而可以方便地 调节喷煤管的位置,使其达到最佳的效果。减速电机启动后,喷煤管可以向前或向后移动,以热态窑口 为基点,喷煤管允许向前移动 1070mm,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, 在该位置设置了第二个开关, 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位置的限位开关。 综上所述:TC 型四通道喷煤管是新一代的燃烧设备,喷煤管的喷嘴部分如内、外、煤三个风道的 出口端和螺旋叶片均采用耐热铸钢制作。在喷煤管的中部和尾部设有内、外风及媒风出口面积可调的调 整装置,其可调量为供货状态出口面积的 0.5~1.5 倍,以适应不同煤质时对喷煤管出口风速的要求。喷 煤管的内、外风入口管道上设有调节内、外风比例的手动蝶阀。与三通道喷煤管相比,其一次风量可降 低 5%,可增加煤粉与一次风的混合次数和均匀性,使其充分的燃烧,这种设计的基部形成循环涡流, 在冷窑点火时可以产生理想的稳定性。 (5)燃烧器操作 煤风管位于轴流风和旋流风的内侧,出于轴流风外部套管延伸形成的碗状效应,

因而在燃烧器的端部形成旋流效应而产生稳定的火焰、燃烧器喷嘴惜助于中心火焰稳定器造成的循环流 火焰一开始没有强涡流避免了温度峰值, 动保证火焰稳定。 火焰中心的良好状况明显地降低 NOX 的形成。 这可能与剩余空气燃烧有关系(颗粒排放形成一个外部一次火焰),由于一次空气强烈冲击和缝隙中的外 部轴向风分布有助于逐步与二次空气混合。径向风和轴向风的可单独调节的特点可以改进火焰形状。 6.7.2.5 NC 型燃烧器 NC 型三通道煤粉燃烧装置由煤粉燃烧器、点火油枪、行走小车、轨道等四部分组成,

(1)结构

见图 6-81 所示。NC 型三通道煤粉燃烧器主要由 3 个环形通道组成,从外向内依次为外风、煤风和内风 通道。最外层为外风,其出口处采用周向均布的小喷嘴;第二层为煤风,其出口处采用环形喷嘴;第三层 为内风,其出口处加有 1 个特殊设计的旋流器。燃烧器截 在煤粉入口及出口等处均进行了特殊的防磨损处理,煤粉喂入处设有 1 个带盖的检查孔,打开检查 盖能查看煤粉入口区域的磨损情况。在外风和内风入口管道上均设有调节其风量的手动蝶阀及反应其压 力大小的压力表。在外风管上采取了防止喷煤管弯曲变形的技术措施。

图 6-81

NC 型三通道煤粉燃烧器

(2)机理

NC 型三通道煤粉燃烧器利用高速直流风和高速旋流风与低速的送煤风之间形成大速差
218

射流,使得其前期的气流交换和混合性能得到大幅度改善,从而促进煤粉燃烧和形成稳定的燃烧火焰。

燃 烧 器 外 风 为 直 流 风 , 通 过 周 向 均 布 的 小 喷 嘴 形 成 了 多 个 高 速 直 流 风 射 流 柱 , 风 速 约 160 m/s~210m/s,提高了直流风的喷射速度和动量。高速直流风射流柱具有很强的穿透性和卷吸二次风的能 力,同时大量被卷吸的二次风通过直流风射流柱相互间的间隙直接与煤粉混合燃烧。煤风采用低速直流 风,风速为 22 m/s~30 m/s,煤粉高压输送,风量较小,浓度高,具有良好的着火性能。内风为旋流风, 风速达 140 m/s~200 m/s,特殊设计的旋流器能产生高速旋流风,强度大,混合强烈,动量和热量传递迅 速,保证煤粉能在极短时间及距离内与氧气相接触,并在燃烧器喷嘴前形成一个回流区,回流区中心为 负压,能将高温烟气回流到火焰起始处,从而使煤粉快速着火,并形成稳定火焰。 (3)NC 型三通道煤粉燃烧器的特点: a.一次风(包括煤风)用量少,约占总风量的 10%,能降低热耗、煤耗; b.煤粉燃烧速度快,火焰明亮、黑火头短且顺畅、活泼有力,高温区域适中; c.火焰形状合理,操作灵活方便,调节范围大; d.对煤质的适应性强,可燃烧劣质煤; e.点火方便,升温快; f.减少 NOx 有害气体的生成量。 (4)NC 型三通道煤粉燃烧器的调节 影响燃烧器火焰形状的因素很多,如排风量、一次风量、二

次风温、 内外风比例及煤质等, 对火焰形状影响最大的是窑内烧成带的燃烧空气量和内外风比例及煤质。 在操作过程中,应结合煤质、窑皮情况、窑内温度及其分布、窑负荷曲线、物料的结粒及带起情况和窑 尾温度、入窑分解率、负压、废气成分等因素的变化,合理调整内风、外风及煤风比例,调节火焰的形 状和热力强度。 当煤风一定时,内风决定火焰形状,外风决定火焰长短。外风量增加,内风量相应减少,则火焰被 拉长,有利于保护耐火材料和窑皮,但气流混合和交换能力差,不利于强化煤粉燃烧;如果外风量减少, 内风量增加,则火焰缩短且发散,强化了煤粉的初期混合与燃烧,但不利于窑皮和内部材料的保护。 过小的外风喷出速度将影响直流风射流柱的穿透能力,同时减弱对二次空气的卷吸,导致煤粉和二 次空气不能很好地混合,造成燃烧不完全;过大的外风喷出速度将会引起过大的回流,强化了煤粉的后期 混合与燃烧,使火焰核心区拉长,同样也导致燃烧不完全,引起窑尾温度升高。 内风的旋流强度控制着火焰的形状,随着内风的增加,旋流强度也增加,火焰变粗变短,强化火焰 对熟料的热辐射,但过强的旋流会引起火焰发散,造成局部窑皮过热剥落。 6.7.3 环境保护

目前,许多国家规定中除对粉尘排放提出更加严格的要外,对 NOx 排放标也有规定。 为达到环境规定的 NOX 排放标准,目前国际上除在预分解窑系统的分解炉区采用还原措施降低 NOX 排放量外,还可以采用一次风量低的新型多通道燃烧器以减少 NOX 在窑内高温区的生成量,新型 多通道燃烧器具有其独到的功效。 6.7.3.1 NOx 的形成

在预分解窑系统中形成的 NOx 一般分为两部分,一是在回转窑内助燃空气中的 N2 与 O2 在高温下化 合生成的 NOx 称为“热力 NOx” ;另一部分是燃料中含氮的有机物燃烧后,氮元素以化合物 NOx 的形式 释放,由于这部分 NOx 来自燃料,称之为“燃料 NOx” 。根据化学热力学理论计算,只有在高于 1200℃ 以上,生成的热力 NOx 不可忽略。 试验表明: 热力 NOx 的生成量随温度的升高呈非线性急剧增长, 由于回转窑内物料温度高达 1450℃ 左右,火焰温度达 1800℃,有时高达 2000℃,因此回转窑内煅烧熟料产生的 NOx 既有热力 NOx,也有 燃料 NOx。
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燃料 NOx 在低于 1200℃时也能生成,在分解炉内,温度一般在 850℃~900℃之间,产生的 NOx 绝 大部分是燃料 NOx。 6.7.3.2 NOx 的分解 已生成的 NOx 能通过各种反应使之分解。在一定温度下,NOx 受还原剂作用被还原成 N2,如 CO、 C、H2、碳氢化合物都能还原 NOx。在预分解系统中常有以下反应: NO+C 一→N+CO NO+CO 一→N+CO2 当温度为 830℃~1100℃时,分解炉内还能发生如下反应: N+NO 一→N2+O N 表示来自燃料内氮的化合物中的氮,在此反应中起还原剂作用。另外,NOx 在煤物料表面受催化 作用也能分解。 在回转窑中,NOx 的浓度主要取决于火焰的温度、过剩空气系数及空气中氮(N2)在火焰高温区的停 留时间。其次,也和火焰的形状、长度、火焰中气流的速度、流态、二次风的温度、燃料的类型及制备、 燃料调节的均匀性、燃料与二次风的混合情况,烧成带的热负荷等因素有关。 6.7.3.3 二次风、三次风抽取方式与 NOx 浓度的关系

实践证明,冷却机与窑的连接方式,即如何从冷却机抽取二次风、三次风对煅烧中 NOx 浓度也有较 大影响。 火焰温度越高, 热力 NOx 也越高, 降低二次风温, 进而降低火焰温度, 由热力 NOx 的形成机理可知, 可以减少热力 NOx 的生成。而三次风温的升高对热力 NOx 的生成没有影响,因为热力 NOx 要在 1200℃ 才会有明显的生成反应,而分解炉内的温度一般在 850~900℃之间。事实上洪堡公司改变二次风抽取方 式后,三次风的温度比分解炉的高。 为减少窑头罩尺寸,有利于煅烧操作,许多预分解窑系统的二次风、三次风都是在冷却机不同部位 单独抽取的,二次风、三次风之间的温差在 300~400℃之间变化,二次风温约 1100℃或更高,三次风温 在 800℃左右。洪堡公司基于节能、降 NOx 的目的,经分析认为,三次风温尽可能地提高,而二次风温 的降低更有利于减少 NOx 的浓度, 三次风应尽可能在远离冷却机出口的地方抽取。 洪堡公司确定二次风、 三次风均在窑头罩内抽取。这样,二次风、三次风的温度相同,均在 950℃~1050℃之间。提高三次风 温,降低了二次风温,既有利于节能,也利于减少 NOx。 至于 SO2 的排放,由于来自原、燃料中的硫主要以硫酸盐、硫化物和有机硫的形态进入窑内,燃 烧后生成的 SO2 随废气排出。在预分解窑系统中,由于分解炉内碳酸盐分解生成大量游离石灰,具有较 强的对 SO2 的吸收能力,故有利与降低 SO2 的排放浓度,但是当炉内燃料燃尽率低,大量未燃尽炭粒混 入物料,将会使已经生成的硫酸盐还原成 SO2,从而增加 SO2 的排放量,并加剧硫的循环,造成预热器 粘结堵塞。 以上过程的发生虽然同窑用燃烧器关系不多, 但同分解炉及炉用燃烧器的性能具有密切关系。 因此窑用及炉用燃烧器都必须根据水泥窑工况及所在国家、地区环境保护规定进行选取。为了降低 NOX 排放量,采用新型多通道燃烧器是十分必要的。

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