1、燃烧器参数选型诊断v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普遍使用的煤炭，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
2、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。燃烧器使用存在问题v燃烧器使用中的困惑v.参数不全、不知v（）设计几何尺寸不知v（）设计各风道风速不知v（）风机选型依据不知v.调节范围不清楚v燃烧器配置适应煤种的范畴不知v.燃烧器工作原理不熟悉v（）扩散角度v（）卷吸量、旋流强度v（）煤燃烧距离一次风机v燃烧器与熟料质量的关系燃烧器与熟料质量的关系v燃烧器特点、参数燃烧器特点、参数v燃烧器适应性燃烧器适应性一、预分解窑熟料岩相v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。图图1 液相分布富裕区域的A 矿，尺寸 图图2液相分布富裕区
3、域的A矿，巨大、有一定量地包裹物，明显的不 尺寸巨大、外形不完整规则的层环带构造大窑熟料图3多孔区域分布的小堆B矿及尺寸 图4 多孔区域分布的小堆B矿及尺寸巨大的A矿晶体浸蚀程度较重 巨大的A矿晶体浸蚀程度较重大窑熟料图5 A矿晶体边缘发生分解，棱角不完整 图6 大部分A矿晶体发生分解1%硝酸酒精浸蚀，反光200X 1%硝酸酒精浸蚀，反光200X大窑熟料图7 集中分布的树叶状、手指状B矿 图8 集中分布的树叶状、手指状B矿小窑 熟料图图1 结晶规则的短柱状结晶规则的短柱状A矿矿 图图2结晶规则的短柱状结晶规则的短柱状A矿矿 小窑熟料图3 A矿晶体不规则，晶体尺寸普遍偏小 图4 A矿晶体不规则，
4、晶体尺寸 普遍偏小 图11 A矿受液相溶蚀，边缘残缺不全 图12 尺寸差异巨大的A矿v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。二、燃烧器种类、特点v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：v（1）在点火及操作期间火焰稳定；v（2）着火点
5、接近喷嘴；概念v（3）明亮有力的火焰；v（4）火焰粗细及长度可调；v（5）燃烧器端部可更换；v（6）较低的一次风量；v（7）结构紧凑、活动部件少；v（8）可烧替代燃料；v（9）较低的氮氧化物的排放。v 燃料的燃烧特性v所有的燃烧过程都可分为以下几个步骤：v混合点火化学反应热量的传播v1 燃料和空气混合v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。v（1）自由射流的混合v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
6、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。v（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：v（2.1）周围气流（比如二次风）的量是受控制且有限的；v（2.2）射流的扩散边界受回转窑壳体的限制。v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。v2 一次风的作用v（1）控制燃料和空气的混合。v （2）帮助火焰的稳定。火焰带回流的差别燃烧器参数v回转窑用燃烧器的设计一般有两种常用模式：v动能型： 数学表达式
7、为PV2，即一次风量与风速平方的乘积。v冲量型： 数学表达式为PV，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。v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：v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 510。v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。v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v燃烧器产生低的NOx 排放的主要原因。因此，在设计燃烧器时，必须考虑降低一次风量及较低的过剩氧含量。v水泥厂广泛使用的燃烧器都
8、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。v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。各种煤的工业分析.燃烧器型式v国外高动能型燃烧器的主要产品是KHD公司生产的PYRO-JET燃烧器；国内大部分燃烧器也可归为此类型。一般可统称为三通道燃烧器。v国外高冲量型燃烧器的主要产品是FLS公司生产的DUOFLEX燃烧器，PILLARD公司生产的PILLARD燃烧器；国内也有几家生此类燃烧器。一
9、般可统称为四通道燃烧器。燃烧器型式v21 KHD公司PYROJET燃烧器vPYRO-JET 燃烧器的总体结构与一般的三通道燃烧器相似，为了保证较高的轴流风速，其轴流空气是由喷嘴环上的围成圆形状的圆 形小孔射出，喷口的数目、尺寸和位置取决于生产能力和燃料种类。燃烧器为高动能型三风道燃烧器，中间为油气点火装置，并增加了用于冷却点火装置的中心风（占一次风的比例很小， 国内有叫第四风道，），由内向外依次为旋流风，煤粉及其输送空气和轴流风。燃烧器型式PYROJET 燃烧器原理图燃烧器型式v设计特点和应用情况:v（1）中心风为圆孔形喷射口的平行射流，所通过的流量少且喷射速度低，圆孔形喷射口喷射的气流形成一
10、个火焰内部回流区，该回流区阻止含碳粒的热烟气进入中心区内燃烧，阻止了该部位因燃烧产生的结焦。v（2）适宜的内部旋流风，有利于燃料与空气的混合及挥发分的燃烧。v（3）煤粉输送风速尽可能降低，以减少煤粉对管路的磨损。同时煤粉喷口略向外倾斜，以增加火焰宽度。燃烧器型式v（4）轴流风是通过圆孔形喷嘴喷出，由于风速高，所产生的喷射流吸入了周围的慢速流动的热二次风，易使燃料快速燃烧。同时，圆孔形喷嘴喷出的高速射流，可出现回流易使初始着火点接近其出口，因此在火焰中避免形成陡峭的峰值温度，降低NOx的形成。燃烧器型式v（5）燃烧器的旋流空气设置在煤风管道里层，从而增加煤风的旋流强度，加强煤粉的混合，同时轴流空
11、气的喷速较高，在外层又可控制煤风的旋流强度， 因此更易调节火焰的形状。同时圆孔形平行喷射的轴流空气所形成的火焰外部回流有利于挥发分在靠近燃烧器喷口附近着火燃烧，再加上中心空气的火焰内部回流区，使火焰出现平稳的较高的温度，此类燃烧器不仅对挥发分含量高的烟煤有效，而且对挥发分低的无烟煤也适用，事实上有多台燃烧器已经连续使用100无烟煤和100石油焦长达数年图图12 奥地利奥地利 双通道喷煤管双通道喷煤管 图图13 史密斯新型双调节伸缩式史密斯新型双调节伸缩式Duoflex喷煤管喷煤管 燃烧器型式22 FLS 燃烧器第三代FLS 燃烧器喷射口第三代FLS 燃烧器风道布置燃烧器型式vFLS第三代燃烧器
12、（DUOFLEX燃烧器）已由原有的三风道燃烧器改为四风道燃烧器，旋流风由煤风道的里层移到煤风的外层， 在燃烧器出口，巧妙地把旋流风道和轴流风道合二为一，减少风道的截面积，提高出口风速。各风道的布置情况和喷射口如图。其特点如下：燃烧器型式v（1）增设中心圆孔形喷射口的平行射流，以减少中心部位因燃烧产生的结焦。v（2）煤粉输送空气在旋流空气内侧， 在燃烧器中心形成一个富燃料区，燃料在还原气氛下燃烧，以减少NOx 的生成量。燃烧器型式v（3）旋流空气和轴流空气相邻，且在出口合二为一，从而减少了一半左右的出风口面积，以大幅度提高出口喷速，增加燃烧器的冲量，来稳定火焰形状；并利用轴流风喷速来调节旋流强度
13、，增加了调节的灵活性。v（4）轴流空气与旋流空气高速喷出，组成大的火焰外部循环回流区，并与中心风的内循环区相结合，加快了燃料的着火燃烧。燃烧器型式v（5）采用调节喷口面积大小来调节轴流和旋流的喷速，比原有的燃烧器依靠阀门调节的动力消耗低。喷口面积调节时可降低一次风量，同时保持较高的轴流空气喷速。其一次风量为68 ，最大轴流喷速达到250m/s， 其冲量约为12501780m/s。燃烧器型式v上述措施致使火焰的最大峰值温度平稳，达到保护窑皮和提高耐火砖的使用周期，同时还可降低NOx 的排放。燃烧器型式四风道燃烧器燃烧器型式v2.3 PILLARD 燃烧器vPILLARD燃烧器与FLS燃烧器的设计
14、特点类似：v（1）增设中心圆孔形喷射口的平行射流，减少该部位燃烧结焦。燃烧器型式v（2） 中心部位除设置油燃烧器外，还增加天然气点火装置。v（3）旋流空气设置在煤粉和输送空气风道外侧和轴向空气组成火焰外部循环气流；在燃烧器中心形成一个富燃料区， 燃料在还原气氛下燃烧，以减少NOx 的生成量。燃烧器型式v（4）相对较高的一次风比例和较低的轴向喷速（新燃烧器也在大幅度提高风速）。v（5）旋流风道和轴流风道均能前后调节， 从而改变其喷射口面积，达到调节其喷射风速的目的。燃烧器型式v（6）在轴流风道喷口外端，设置拢焰罩，防止火焰过于粗大而损坏窑皮。v以上措施有利于增加火焰长度及产生平稳的峰值温度，保护
15、窑皮和减少NOx 的生成量。3 几种燃烧器的分析对比3 几种燃烧器的分析对比三种燃烧器结构性能比较3 几种燃烧器的分析对比3 几种燃烧器的分析对比各公司燃烧器使用特点v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6080kPa），系统能耗不一定最低。v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
16、 左右），也不一定增加系统能耗。.旋流度：三、燃烧器参数v流体密度流体密度vr任意半径任意半径vU、W和和分别为旋转射流任一截面上的轴向和切向速度分别为旋转射流任一截面上的轴向和切向速度分量以及静压力。分量以及静压力。v 轴向管流中设螺旋叶片的旋流器简图轴向管流中设螺旋叶片的旋流器简图 旋流度变成旋流数v阻塞系数皮拉得燃烧器现场测试v旋流数速度场卷吸量外内风比例对外回流的影响随着外内风量比由4:1减小到3:1，外回流区长度由4.60m缩短为3.51m，宽度由0.30m收缩为0.21m，起点由4.87m延迟至5.89m处;随着外内风量比降至2:1，外回流区消失。因此，外内风量比对外回流区的形成和
17、大小作用十分明显，随着外轴流风比例的增加，对二次空气的引外内风量比对碳燃尽速率(kg/s)的影响外内风量比对燃烧过程的影响由碳燃尽速率的变化可以清楚的表现出来，随着外内风量比由2:1、3:1增大到4:1，碳燃尽长度由3.52m、2.35m缩短为1.95m，表明燃烧速率提高，对于燃尽是有利的;同时，碳燃尽起始位置由距燃烧器喷口0.37m、0.52m后移至1.02m处，表明着火点后移，对于着火是不利的。v水泥窑煤粉燃烧器的旋流数不超过0.5，属弱旋转射流范畴，其本身对内回流区的产生及尺寸影响不大。我院曾就大速并稳焰措施在某水泥厂进行了工业性试验，可稳定燃烧1670/kg以下的高灰分煤，但大速差燃烧
18、器消耗的压缩空气量较大，工厂长期使用并不经济。在距燃烧器喷口小于O.65D的区域，混合强度沿径向一般呈先增大后急剧减小的“单马鞍形”结构。1.012.51D的区域，混合强度沿径向一般呈中间大两边小的趋势，同样，也可用一个高斯分布来表示。在距燃烧器喷口2.51D以外的区域，混合强度沿径向基本保持不变。这是因为随着卷吸量的进一步增加，这一区域的速度梯度基本消失的缘故。四、燃料特点分析四、燃料特点分析v表表1 水泥窑用煤的品质要求水泥窑用煤的品质要求劣质燃料具有以下特点：v(1)着火性能下降。着火性能下降燃烧稳定性降低 燃烧稳定性降低燃尽性能 燃烧特性v可燃性指数 RTECdTdWexp22max2MAXiiRd WdWdW dTEd TdTdWTdTv着火稳燃特性指数 maxmax5606500.27widWRTTdTv燃尽特性指数 v式中，f1为初始燃尽率，为着火点对应的失重量与煤种可燃质含量的比值，即温度为Ti时的转化率，反映了挥发分、着火特性的影响，值越大，煤的可燃性越好。f2为后期燃尽率，其表达式为0.98-f1，反映了煤中碳的燃尽性能，与含碳量、碳的存在形态等煤质特性有关，值越大，燃尽性能越好。 12bffC
