1、 陕西蓝航能源环保科技有限公司蓝 航蓝航热工 联系人：丁 伟 139912098301水泥回转窑多通道煤粉燃烧器的特点 1 前言70 年代中期国际上发展起来的水泥回转窑多通道煤粉燃烧器使窑的一次风用量由传统的 2030下降至 1215，同时窑的操作及熟料锻烧情况得到明显改善。经过 20 多年来的技术进步,目前窑的一次净风用量已降低到 68，大大改进了窑的燃烧效率和热效率。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）的利用技术渐成热点。从而促使燃烧器结构型式的不断改进，自传统的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，新一代的双通道燃烧
2、器，由于调节性能、火焰成形能力，燃烧效率等方面的优良性能正作为一种新的技术发展方向。陕西蓝航能源环保科技有限公司蓝 航蓝航热工 联系人：丁 伟 139912098302多相流及反应计算机数值模拟技术的发展使燃烧器开发专家不再依赖传统的冷态气体模型试验，以 KILN FLAME SYSTEMS 公司为代表的酸碱水模拟试验方法可使回转窑燃烧的流场设计更加精确，从而确保了高风险的窑头燃烧器的投运调试顺利达到预期效果。2 对旋窑煤粉燃烧认识的深入从工艺过程角度看，用于对回转窑烧成带提供热量的燃烧器应满足下述要求：(1) 对燃料品质具有较强的适应性，特别是在燃烧无烟煤或劣质煤时，能确保在较低空气过剰系数
3、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的热辐射。这一方面有利于熟料结粒、熟料矿物正确的晶相发育，防止烧成带扬尘。另一方面有利于形成致密稳定的烧成带窑皮，延长耐火砖使用寿命。(3) 一次风用量尽可能少，但必须保证在不正常的窑况下火焰燃烧的稳定。陕西蓝航能源环保科技有限公司蓝 航蓝航热工 联系人：丁 伟 139912098303值得指出的是，在上述要求中强调了火焰形状应是“细而不长”以形成合理的燃烧带长度，而不再象以往那样强调强化燃烧以适应强化锻烧要求，这是因为强化燃烧所形成的局部高温对烧成带窑皮不利，从而影响耐火砖使用寿命，另
4、一方面局部高温将增加 NOX 的排放量。一般情况，来自冷却机的二次风温可达 900以上，窑头燃烧火焰温度高达 1800左右，其燃烧一般已进入扩散控制区。扩散控制区的燃烧特点在于：煤粉燃烬时间受煤粉细度的影响较大（正比于煤粉粒径的平方）而受煤品种特性影响较小，煤粉燃烧速率取决于扩散速率，即煤粉和助燃空气的混合速率及火焰区的湍流强度。换句话说，在确定的燃料品种和一定煤粉细度情况下，为在整个烧成带范围内形成均匀燃烧强度的火焰，必须控制煤粉和助燃空气的混合速率。在窑头的所有助燃空气中，二次风量一般占 80以上，所以控制煤粉和助燃空气的混合速率实质上是控制燃烧器出口射流股对二次风的引射速率。至于火焰形状
5、除受到对二次风的引射速率和一次射流股的旋流强度等方面因素的影响外，还取决于燃烧出口一次射流本身的“刚度”，一次射流本身的“刚度”可以一次射流最大速度沿轴向的衰减程度来衡量。上述这些陕西蓝航能源环保科技有限公司蓝 航蓝航热工 联系人：丁 伟 139912098304都取决窑头受限射流空气动力学方面的精确设计。图 1 为我们实测到的典型的窑及三通道燃烧器所形成的受限射流速度场。水泥旋窑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
6、不能满足引射量的要求，即在射流扩展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，见图 1。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。此外，适度的外回流对煤粉/空气混合过程有促进作用，而没有外回流，则表明并非所有的二次空气都陕西蓝航能源环保科技有限公司蓝 航蓝航热工 联系人：丁 伟 139912098305被带入一次射流火焰中。值得指出的另一重要方面是，适度的外
7、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衬砌磨损过快现象，导致窑运转周期缩短。在烧低挥发分燃料时，火焰的气体流场是非常重要的，因为低挥发分燃料一般具有较高的着火点，加之由于挥发分含量低，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。确保低挥发分煤持续点燃的最简便方法是增加火焰内循环量（见图 1），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
8、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，甚至出现煤粉沉落引起结前圈。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。过大陕西蓝航能源环保科技有限公司蓝 航蓝航热工 联系人：丁 伟 139912098306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强度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
9、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是可在操作中调节的，但极限参数的限定是很重要的，也是必须的。3 窑头火焰的空气动力学计算3.1 一次射流动量通量根据经验，多通道燃烧器的同轴射流在其不远的下游，表现出和单股射流相同的空气动力学特征，为了分析方便陕西蓝航能源环保科技有限公司蓝 航蓝航热工 联系人：丁 伟 139912098307作以下假定，射流混合区内作一垂直于射流轴线截面的引射量作为其下游射流的一部分，则旋转射流对二次风的引射速率为：公式(1)M引射量的质量流量, kg/s；
10、X距喷口的轴向距离，m；Kt温度系数，公式(2)被引射空气的密度， Kg/m3；射流混合物的视密度， Kg/m3；G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轴向动量通量之和：G= G1+G2+ (3) 陕西蓝航能源环保科技有限公司蓝 航蓝航热工 联系人：丁 伟 139912098308G1、G2燃烧器各个通道出口轴向动量通量，NS任意垂直燃烧器轴线截面旋流数；公式(4)G旋流风的角动量通量，Nm；GX射流出口轴向动量总通量，N；R射流出口当量半径，mR=tg（x+a） (5)a将同轴射流看作单股射流而引入的常数射流扩展半角，随旋流数呈线性增加；=Ko+KSo
11、(6)So按三通道燃烧器出口尺寸和风速计算的旋流数。陕西蓝航能源环保科技有限公司蓝 航蓝航热工 联系人：丁 伟 139912098309有资料介绍 K0、K 分别为 4.8 和 14，不过对于多通道燃烧器的具体喷嘴型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，解联立方程(1)、(4)和(5)可得到下列等式：公式 将 G/Gx=SoRo 代入该式得：公式(7)不难看出，式(7)中第一项为射流轴向运动的引射量，第二项为射流旋转运动而产生的附加引射量。为达到煤粉在接近等当量比下燃烧，式(7)中 M 应根据燃烧计算所需的实际空气需要量给出。为分析方便，令
12、：M=K3Gm-Mo=K3qc.Gc/Q -Mo (8)Mo一次空气、煤粉输送空气总量， kg/s；陕西蓝航能源环保科技有限公司蓝 航蓝航热工 联系人：丁 伟 1399120983010Gm煤粉消耗量， kg/s；K3单位煤粉燃烧实际空气需要量， kg/kg；qc熟料单位热耗， x4.18kJ/kg；Gc熟料产量， Kg/s；Q 煤粉应用基低位热值， x4.18kJ/kg ；式(7)中，X 的最大值等于射流混合区长度，只有当射流出口动量小到一定值时，外回流区完全消失，才会出现这一情况，此时 X 为：X=Xmax=公式 (9)D窑烧成带有效内径 ， m将(8)、(9)式代入(7)整理后得：公式(10)
