雙旋流燃燒器的研發和應用

趙亮，李亮，張煜，陶從喜

雙旋流燃燒器的研發和應用

Research and Application of Two Swirl Burner

趙亮11，李亮11，張煜22，陶從喜11

在我國東南、西南地區及東南亞等國都有著較為豐富的無煙煤資源，由于成煤時間長，這些燃煤普遍揮發分低，如東南福建龍巖地區產煤揮發分在3%～5%左右，由于灰分小，其發熱量可達27000kJ/kg，西南貴州黔南地區產煤揮發分也只有4%～6%，發熱量僅在22000kJ/kg左右。另外，我國廣東、廣西、云南等省市部分地區也有大量揮發分在5%及以下的低揮發分的無煙煤。這些低揮發分、低熱值的無煙煤往往起燃點高、發熱量低，在燃燒時，火焰溫度偏低、燃燒不盡，因此在水泥窯中使用時，極易出現黑火頭長、火焰不明亮、飛砂大、游離鈣偏高、煙室溫度高、窯尾結圈等現象，對水泥燒成的產質量、系統穩定性等方面都有較大影響，這是無煙煤在水泥回轉窯中應用的最大障礙。

為解決無煙煤，尤其是低熱值無煙煤在水泥熟料燒成系統中使用的問題，中材裝備集團推出擁有兩條旋流風通道的Sinoswirl雙旋流結構燃燒器。該燃燒器利用大推力軸流風、高旋流度旋流風實現對二次風的充分卷吸和煤粉的高度擴散，形成粗壯有力的火焰，提高了無煙煤的燃盡率，強化了火焰的燃燒強度，在中材萍鄉5500t/d、廣東油坑5000t/d、福建金牛2500t/d生產線都取得了較好的使用效果。

1 無煙煤燃燒特性

國內某單位曾對我國各煤種進行實驗，各細度的煙煤著火溫度大多在410～430℃，其燃燒延續時間約10min，在600～650℃左右燃盡，而無煙煤著火溫度為510～550℃，燃盡溫度為680～820℃，燃盡時間約14min，無煙煤較煙煤的著火溫度和燃盡溫度分別提高了130℃和200℃，燃盡時間延長了4min[1]。

以中材萍鄉所用的無煙煤為例，其工業分析數據如表1。

以熱重實驗結果為基準，對比無煙煤與煙煤的燃燒特性指數如表2。

與煙煤燃燒特性結果對比可見，無煙煤的放熱起始溫度提高約320℃，放熱終止溫度提高約130℃，由此判斷，該煤種起燃極難，而一旦開始放熱則放熱迅速。從燃盡時間來看，中材萍鄉煤的燃盡時間較煙煤延長了17min，屬于極難燃盡的煤粉。

2 燃燒器設計原理

雙旋流燃燒器,顧名思義，擁有兩層旋流通道，Sinoswirl燃燒器（見圖1）由外向內各風道布置分別為：高速軸流風、小角度外旋流風、送煤風、大角度內旋流風，中心為點火油槍，不另設中心風。使用時各風道相互配合，依據現場的煤質情況調節各風道風量大小，以達到最佳的火焰燃燒效果。

該燃燒器的開發針對無煙煤的燃燒特性，以增大二次風卷吸、增強煤粉的擴散為目的，加強燃燒器的火焰調節作用，其設計理念旨在從燃燒器沖量與旋流度兩方面加強燃燒器性能。

2.1 燃燒器的沖量

表1 無煙煤工業分析數據，%

表2 無煙煤與煙煤的燃燒特性指數對比

國外某公司習慣的計算方式是：

式中：

M——沖量，%m/s

A——一次空氣百分數量，%

V——軸向風噴速，m/s

從熱工制度的角度來看，一次風量越大則冷空氣越多，熱耗增加，不利于燒成系統工作。因此，只能從軸向風速角度來考慮增大燃燒器沖量。

空氣是具有可壓縮性的流體，尤其是在高壓狀態下，空氣壓力與速度并不是簡單地成二次關系，根據多變過程氣體狀態方程可以推導出壓力與速度關系式[2]：

Ts，Ps為羅茨風機出口處氣體溫度和壓力；Pa，Ta，wa為管道出口處的壓力、溫度和速度；γ是空氣的絕熱指數，一般為1.4。

根據空氣動力學的計算，空氣壓縮后經管道噴出的極限速度為當地音速，按0.1MPa，20℃常溫計算，當地音速約340m/s為極限風速，對應此時的臨界壓力為91091Pa，即風機出口壓力達到臨界壓力時，管道出口處空氣為常溫常壓，風速為常溫常壓下音速。如繼續增大壓縮空氣的壓力，則出口處的空氣密度大于常溫常壓狀態下的空氣密度，壓力大于當地大氣壓，風速仍為空氣高速壓縮后的當地音速，這樣雖然風速在空氣壓力釋放的過程中繼續增大，但所耗費的功耗遠大于所產生的性能提升。因而，選取98000Pa壓頭的軸流風機，可以滿足在不同狀態下均可達到最高風速的要求，同時不會造成能量浪費。

以軸流風速340m/s計算，雙旋流燃燒器的軸流風沖量可達約1000%m/s，旋流風沖量可達800%m/ s，總沖量大于1600%m/s，可形成有力火焰，控制煤粉燃燒效果。

圖1Sinoswirl雙旋流燃燒器

一次總風量也不能過小，過小不能有效形成火焰形狀。對二次風的卷吸能力有一次風量和風速兩個影響因素，即可認為與沖量相關，如果一味地降低一次風量，則導致二次風卷吸不夠、火焰不集中、溫度降低，反而會消耗更多的煤粉、更高的熱耗。筆者認為燃燒器的總沖量下限應在1200%m/s，否則會導致煤粉燃燒效果下降。

2.2 旋流數的計算

旋流風的旋流強度即代表該旋流風徑向風強弱的參數，水泥窯燃燒器的旋流風通常為軸向通道接旋流葉片產生徑向速度的旋流風，這一類旋流產生結構可以用統一的旋流數計算方法來表示不同結構旋流葉片所產生旋流的強度。

定義旋流葉片的內半徑為Rn，外半徑為Rw，螺旋角度為α，旋流數為S，則可以得到：

由式（3）可以明顯看出，隨著旋流角度的增大，旋流數增大，實際旋流強度增強，旋流葉片內外半徑比值增大，則旋流數增大。

根據式（3）計算可得，雙旋流結構燃燒器外層旋流風的旋流數為0.315，內層旋流風的旋流數為1.124，其合值可達1.439，較普通燃燒器1.3左右的旋流數更大，由此可知雙旋流結構可以形成更大旋流度的旋流風。

目前，國內外廠商均在燃燒器的旋流風設置上進行了探索和開發，對于無煙煤等難燃燃料的應用，各廠商在旋流風設置上都增大了旋流強度、加大了煤粉擴散，更有利于無煙煤的著火、集中燃燒和燃盡。TCNB-S燃燒器依據這一理念，在送煤風道的兩側均設置了旋流風，通過兩股旋流風分別作用于裹挾煤粉的煤風，形成二次擴散，大大增強了煤粉的擴散作用。無煙煤在局部燃燒時更容易受氧擴散和反應速率的制約，這就阻礙了煤粉的完全燃燒，而二次擴散有效地在徑向上擴大了燃燒區域，增大了煤粉燃燒速度和燃盡度，能夠有效解決使用無煙煤時易出現的火焰溫度不夠、窯尾結圈、煙室結皮等問題。實際上雙層旋流的混合效果不僅僅是簡單的疊加，雙旋流的使用效果強于旋流數計算所體現出的旋流度增大的效果。

3 現場應用

TCNB-S型燃燒器已在廣東油坑、中材萍鄉等多個現場投入使用，目前使用效果理想。其中，中材萍鄉所使用的無煙煤參數較差，其現場使用情況介紹如下：

3.1 原燃料分析

中材萍鄉5500t/d所使用的無煙煤參數及燃燒特性見第一節，其熟料分析結果見表3。

正常生產初期，原料配料出現波動，熟料KH值略偏高，對fCaO合格率略有影響，綜合來看，燃燒器的使用能滿足0.92左右飽和比熟料的煅燒。

3.2 工況設置

正常生產期間根據現場情況，進行四種不同工況燃燒器的生產調試，每種工況生產24h，統計調試期間的熟料質量、產量及相關燒成系統運行參數，并對窯尾煙室氣體成分進行測量。

工況設置依據軸流風大小及內旋流風大小為調試對象，調節的依據為現場壓力表頭示數，通過各風道壓力，按第一節速度與壓力關系計算出口風速，最后綜合測試結果，對不同工況燃燒器運行優劣情況進行判斷。

調節的四種工況如表4所示。

3.3 調試結果

2月17日至20日分別對四種工況進行調試，每次調節燃燒器參數8h后對窯尾煙室氣體成分及溫度等參數進行測量，結果如表5。

19～20日測量時正值生料輥壓機開啟，因此窯內出現短暫的通風不足，O2含量偏低，但CO含量仍能控制在很好的范圍內，窯內后燃燒現象不明顯，現場觀察煙室結皮較慢，平均每個班只需要1～2次清理結皮，每次約半小時。

四種工況下的NO含量變化較大，基本規律為：軸流風增大則NO增大，內旋流風增大也會提高NO含量。根據NO生成機理可以判斷，NO含量越大則火焰溫度越高，普通煙室NO含量在1000ppm以上時則表明火焰溫度較高，足以滿足熟料煅燒。

燒成系統相關參數如表6所示。

調整內旋流風后，窯頭火焰明顯變明亮，飛砂減小，二次風溫得到提升，在高產量下二次風溫可維持在1100℃；同時從筒體掃描來看，窯內高溫區開始前移，一擋托輪附近最高溫度達到280℃，可以判斷窯前溫度得到明顯提升。加大軸流風后，高溫區域略有后移，但從煙室測量結果可判斷最高溫度得到了進一步提升。窯尾筒掃顯示始終沒有出現明顯結圈現象，窯尾端平均溫度較低且溫度分布均勻。

表3 無煙煤熟料化學分析（%）及率值

表4 四種不同工況燃燒器的生產調試情況,kPa

表5 窯尾煙室溫度及氣體成分測量結果

表6 燒成系統相關參數

表7 熟料質量對比匯總

由于火焰長度適中，熟料結粒始終較好，加大內旋流風后，飛砂減少，細粉料的比例有所較低，熟料質量對比見表7。

熟料燒成狀況與其他測量結果判斷相一致，火焰溫度提升后熟料煅燒狀況明顯好轉，在高軸流風高內旋流風工況下，火焰溫度最高，熟料合格率也最高，升重明顯提升。前期低風速工況條件時,恰好熟料配料率值較高，導致合格率偏低，熟料配料回歸正常后，合格率趨于正常。總的來說，高風速工況完全可以滿足無煙煤使用下的熟料煅燒。

4 結語

（1）針對無煙煤燃燒特性開發的Sinoswirl燃燒器，采用雙旋流結構形式，能很好地提高無煙煤的燃燒強度和燃盡度。

（2）保持一定燃燒器結構的總沖量能加強火焰強度，提升熟料煅燒效果，從而達到節能降耗的目的。

（3）軸流風速越高則火焰溫度越高，旋流風速越高則二次風溫越高，高溫區域前移。

[1]劉連勝.燃燒理論與技術[M].北京工業出版社,2008.

[2]孫晉濤.硅酸鹽工業熱工基礎[M].武漢理工大學出版社,2004.

[3]Lafarge.Burner_characteristics.2009.

[4]江旭昌.回轉窯煤粉燃燒器空氣動力學的分析與研究（二）[J].新世紀水泥導報,2010（3）.■

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2012-03-12；編輯：沈穎