水泥窯用多通道燃燒器噴頭結構探究

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

隨著水泥生產線技術的不斷發展，回轉窯煤粉燃燒器從原來的單風道煤粉燃燒器發展為目前的四風道煤粉燃燒器。四風道煤粉燃燒器性能優良，節煤降耗，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國際先進的多通道煤粉燃燒器性能指標和技術參數，結合實際生產中的優缺點，研究煤粉燃燒器機械結構、工藝特性與回轉窯燃燒系統的相互關系，通過引入新技術、新材料改進煤粉燃燒器噴頭的結構形式，提高國產煤粉燃燒器的性能空間，從而最大限度地節能降耗減排。

1 回轉窯用煤粉燃燒器在水泥行業應用的重要性

煤粉燃燒器作為回轉窯燒成系統的重要組成部分，對窯內熟料的煅燒有著舉足輕重的作用，其性能好壞及調整是否合理直接影響窯內的煅燒情況及窯襯的使用壽命，對優化操作、穩定運轉、降低燃料消耗、提高熟料質量、減少有害氣體排放都有著顯著影響。與主要技術經濟指標的產量、質量、煤耗、電耗、火磚壽命、有害氣體的排放等息息相關。

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。

按煤粉燃燒器的結構來分，從外向里數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構、工作原理及特點

煤粉燃燒器外形結構如圖1所示。

圖1 煤粉燃燒器外形結構

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成。

管路：由外到內分別為軸流風通道、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）。

以上兩種結構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，從而調節旋流風的噴出速度及風量，整套噴嘴是保證火焰形狀的關鍵部件。

金屬波紋補償器：是連接3旋流風內外管路、密封和調節火焰形狀的主要部件。

蝶閥：用于調節風量。

壓力測量儀表：間接顯示燃燒器內風口噴出速度。

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，延長了煤粉在窯內懸浮時間，避免了過早和物料接觸，減少了液相量提前出現，提高了燃盡率。

圖2 頭部結構

旋流風采用螺旋體結構，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，并可調節火焰的發散程度，按需要調節火焰的長短粗細，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

燒低質煤是強項（包括劣質煤、低揮發份煤，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，內側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），并可調節火焰的發散程度，按需要調節火焰的長短、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 頭部結構

低速噴出的煤粉在內層和外層氣流的中間，由內外層高速風夾帶攪拌混合煤粉螺旋前進，產生的大速差卷吸攜帶煤粉按一定的角度均勻連續地向外噴出，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，通過調節軸流風和旋流風的風量比例，以適應窯系統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，適應各種窯況變化；火焰溫度場分布均勻，相對傳統燃燒器降低氮氧化物排放20%～35%；節能、降耗效果顯著，一次風量低，相比傳統燃燒器節煤、節電5%～15%；本體及頭部耐磨耐腐性、維修、調節方便、成本低，窯內工藝事故少。

4 新技術改良

在生產實踐中，為了解決各種實際問題，國內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節

可調制出不同窯況下所需要的任何火焰形狀，外風在80～430 m/s內無級可調，煤風在20～30 m/s內無級可調，旋流風在70～380 m/s內無級可調，中心風在50～70 m/s內無級可調，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）的結構表面看十分簡單，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。攏焰罩結構的燃燒器具有以下特點：可以消除窯頭峰值溫度，使窯內溫度分布更加合理；提高回轉窯的生產質量，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）在不改變窯系統中噴煤管結構，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，轉動操作手柄，使刮刀同步調整角度，對燃燒器的頭部端面進行旋轉清理。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縮進中心通道內。

圖6 清焦器結構示意

5 結語

目前國產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，噴頭結構形式非常重要。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。除了采用合適優質耐熱鋼材質外，還得考慮合理的設計，調節應靈活方便，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形間隙截面面積，進而改變噴出速度，使窯內的溫度分布始終處在最佳狀態，操作需要什么樣的火焰就可調制出什么樣的火焰。風道結構上除外風套采用焊接外，其余各風道的所有內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。這樣在煤耗節約上可比當前普通燃燒器節煤8%左右，節電12%～15%。同時由于火焰熱力集中且便于調節，優化了熟料煅燒條件，可以明顯地提高熟料產量，提高熟料強度3～5 MPa。以一條5 000 d/t熟料生產線為例，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，將取得更大的經濟效益。