水泥行業新形勢下多通道煤粉燃燒器發展趨勢分析

（合肥水泥研究設計院有限公司，安徽 合肥 230051）

0 前言

水泥行業做為傳統高耗能、高污染行業，其相關技術與裝備的升級備受關注。燃燒器是熟料燒成系統里的關鍵設備，它是將煤粉和空氣的混合物噴入回轉窯內，在高溫下點著并燃燒，以煅燒水泥熟料的裝置，對燒成系統熟料產量的高低，質量的優劣，熱耗的高低，污染物排放的高低，以及耐火磚壽命的長短等，均具有較大影響，這也是燃燒器能獲得國內外水泥行業特別關注的原因。一臺好的燃燒器設備，不僅能夠節省建設的資金投入，還對促進企業經濟效益的增長，發展友好、生態、環保的綠色水泥工業，以及實現可持續發展的循環經濟，都具有相當重要的意義[1]。

1 多通道燃燒器的設計理念

1.1 燃燒器的計算理論

燃料被燃燒器設備噴入回轉窯內，在燃燒的過程中，合理的火焰形狀，是滿足窯內的溫度梯度分布的必要條件。這樣才能產生符合生料在各個區間段發生反應而所需要的合適溫度。而足夠的能量支撐才能得到合適的火焰形狀。當前的燃燒器設計領域，國內和國外部分公司對燃燒器的能量的表達的方法略有不同，但這些方法的本質具有相似之處。燃燒器相對推力表示法是目前應用較廣的方法。

德國洪堡公司和丹麥史密斯公司采用的是相對推力表示法。燃燒火焰的長度主要取決于燃料和燃燒空氣中的氧氣的混合速率，而此混合速率由燃燒器的單位推力（即一次空氣的動量和單位時間輸送空氣的流量）所決定的。如果推力大而使火焰變短，燃料自身的潛熱，會在一個較小的體積空間內得到釋放，此時火焰溫度會變得很高；而如果減小了火焰的推力，而使火焰變長，火焰溫度相比將會降低。火焰是通過噴射氣流形成的，決定氣流噴射量高低的推力按式（1）計算[2]。

式中：

M——燃燒器的相對單位推力，%·m/s；

A——一次風的體積百分數，%；

V——一次風在端面噴出速度，m/s。多通道燃燒器各個通道的風速不同，此速度V是各通道噴出是風速之加權平均數。

推力大小是衡量其性能的重要指標，但并不是唯一的。丹麥史密斯（F.L.Smith）公司認為，燃燒器的相對推力應在M=1 250～1 850%·m/s 區間，這樣設計出的燃燒器會有較優的使用效果。M 的取值根據不同的煤質而不同[3]。實際煤質差時，M 取大值，實際煤質好時，M 取小值。

1.2 軸向一次風量與噴射速度

火焰的長度與剛度是燃燒器衡量優劣的關鍵指標。對實際使用的某種燃料來說，能在特定的時間和空間內，完全燃燒時所需要的最小推力是有限值的。因此對于多通道燃燒器，他的軸向推力取值有一定的范圍，在此取值區間，降低一次空氣用量，那么就需要提高其軸向噴速。而對于不同型式燃燒器，因設計動量范圍是不同，軸向噴速也不同，目前部分燃燒器軸向噴速一般設計在120～380m/s 左右。各個通道的噴出速度 Vi與風量 Qi成正比關系，與各通道截面積Si成反比關系，按式（2）計算：

圖1 HP 型多通道燃燒器各通道風速示意圖

窯內燃料燃燒時，供燃燒用的空氣一是通過燃燒器向窯內噴射的低溫一次空氣，另一是從篦冷機來的高溫二次空氣。在燃燒過程中，一次空氣量比例降低，則二次空氣量比例就增高。燃燒器一次空氣量越低，其節能越明顯，同時也減少了NOx 的排放。

1.3 徑向旋流強度

在滿足火焰長度與剛度后，還需考慮回轉窯內燃料的運動軌跡、氣體組分流場等因素。，燃燒器在使用中還需要保持具有合適的氣體流場。在回轉窯內部，燃料在燃燒的過程中，受到擴散的控制。燃料能否在短時間內均勻擴散并與空氣混合，決定了燃燒的快慢與溫度梯度的形成。因此為了讓煤粉能快速釋放揮發分開始燃燒，及時增加火焰根部的燃燒溫度，加快固定碳燃燒，拉近火焰中心端距窯頭的距離，就必須增強燃燒器的旋流強度。

近年來，巴西戴耐米斯（Dynamis）工程公司推出了一種Dynamis 型四通道煤粉燃燒器，同時發表的文獻給出了兩個設計計算公式：一個是湍流擾動系數Ka，另一個是徑向擴散系數Kr，其中湍流擾動系數反映了一次風噴出時總動能與燃料總熱值或者說總熱功率之比值。湍流擾動系數Ka 值表示燃燒器所形成的火焰射流，是否具有足夠的動能與卷吸足夠的高溫二次風的能力，而達到形成合適的火焰形狀的要求；徑向擴散系數Kr就是全部的一次風噴出端部時，總徑向動量矩與總軸向動量矩之間的比值。此系數將燃燒器產生火焰的最大直徑與回轉窯的直徑聯系起來，根據軸向風速與風量、徑向風速與風量、回轉窯直徑等參數，確定燃燒器合理的火焰直徑（火焰肥瘦）。徑向擴散系數Kr計算方法如下式[3]：

式中：

mi—單位時間空氣的質量流量，kg/s；

Vri—射流空氣的徑向分速度，m/s；

γi—噴燃管端面通道的尺寸半徑，m；

Vai—射流空氣的軸向分速，m/s；

Rk—回轉窯凈空半徑，m。

巴西戴耐米斯（Dynamis）工程公司提出的以徑向擴散系數表征火焰的粗細肥瘦，在行業內屬首次提出，為燃燒器設計計算提供了一種新的思路。

2 國內外燃燒器發展現狀

窯頭燃燒器從最早的單通道燃燒器，發展到雙通道、三通道燃燒器，直至現在使用最多的第四代多通道燃燒器。單通道燃燒器使用已有百年的歷史，直至上世紀七十年代末，國外開發出了兩通道燃燒器。八十年代，我國也在引進國外技術的基礎上，先后開發出了旋流型多通道燃燒器，其中有類似分割火焰型的燕山型、邗江型、寶山型燃燒器，以及類似Swirlax 的NC 軸流型燃燒器等。目前在水泥回轉窯上應用較多的國外的多通道燃燒器有Pillard 公司開發的Rotaflam、Novaflam 燃燒器，德國KHD 公司開發的Pyro-Jet燃燒器，丹麥F.L.Smidth 公司開發的Duoflex 燃燒器等。

國內燃燒器設備近年來發展迅速，部分公司在引進國外技術的基礎上，根據國內的原料、燃料情況做了匹配性升級改進。其中合肥水泥研究設計院的HP 型燃燒器在低凈風量、低NOx、高推力、長壽命等方面做了較為全面的優化；河南某公司、襄陽某公司等幾家公司在原法國皮拉得公司Rotaflam型燃燒器基礎上改進發展，也取得了不錯的市場占有率。

當前市場上應用較多的四通道煤粉燃燒器有以下幾個特點：

（1）一次風量小，節能效果好。在滿足一定量煤粉完全燃燒所需的氧氣量的情況下，降低常溫的一次風量，取而代之的是高溫二次風的用量增加，達到了節能的目的。

（2）一次風出口風速高，旋流強度大，推力大。在降低一次風量的同時，顯著地增加一次風風速，使相對推力不降反升。高推力與強旋流是的燃料與空氣混合的更加快速，加強了燃料燃燒。

（3）燃燒器可調節靈活火焰的形狀。靈活的調節方式，可以根據窯況變化去調整火焰的形狀。目前應用的燃燒器，多部分除了可由風管閥門，調節閥門開度改變噴射風速以外，還可在生產過程中，在線或離線改變噴出面積，從而調整火焰的形狀。

3 未來回轉窯燃燒器設備的發展趨勢

隨著市場上各家燃燒器性能不斷完善，競爭也日趨激烈。客戶采購燃燒設備的關注焦點，也由以前的單一考慮節能降耗能力，轉變為評定燃燒器的節能降耗能力、NOx 排放量、壽命、抗波動能力、靈活調節能力、自動化控制等多元化綜合能力。接下來回轉窯燃燒器發展有以下趨勢：

3.1 一次風量將根據生產線不同設計不同比例，不再一味求低

當前燃燒器市場部分廠家盲目篤信極低的一次風量，提高風速來保證高推力。此舉在水泥企業搶占水泥市場，極限壓低生產成本時，可謂“風光無限”。可如今市場基本格局已定，水泥生產企業更加關注整體綜合運行成本，而燃燒器能否利用成本更低的劣質煤，且適應原燃料大幅波動，保持燒成系統持續穩定，是評價燃燒設備適應性好壞的標準之一。而一味追求超低一次風量的燃燒器在抗波動、提產能方面卻顯得“捉襟見肘”。

在相同的一次風動量下，風速越高，風量越低不見得就越好。根據拉法基豪瑞集團（LAFARGE HOLCIM）使用低一次風量燃燒器的經驗，技術上一次風比例的最低限值是6%-8%，低于這個比例后將無法保證穩定的燃燒條件。即使一次風比例為6%-8%，一旦燃燒過程有任何波動，將會引起燃燒向窯尾方向轉移，從而使得煙室溫度增加，熟料質量下降。

3.2 燃燒器調節手段更加豐富，精細操作更受重視

當前多通道燃燒器調節手段多局限于調節風量、部分截面積，并且操作方式對看火工并不友好，導致看火工僅能靠自己的經驗摸索來不斷地嘗試，往往達不到理想的效果。接下來燃燒器在調節手段上將包含精細二獨立的風量調節、簡單可靠的截面積調節、部分通道噴射角度的調節、旋流強度的調節；在操作上，將會考慮多參數自動連鎖，輕松達到調節目的。

3.3 智能系統將在燃燒器上發揮巨大作用

當前水泥行業燒成系統燃燒器的操控仍是原始的人工看火，人工操作，憑看火工經驗調整參數，這種經驗控制人為干預因素太多，不能及時調整與反饋，與全球領先的水泥制造技術顯得格格不入。以后燃燒器操控的發展，必然是由深度學習的智能系統控制為主，人工干預為輔相結合的操控調節方式。

3.4 可燒替代燃料的燃燒器將廣泛應用

在水泥生產線的燒成系統使用替代燃料，是節能降耗、保護生態環境，以及降低水泥生產成本的一條重大光明前景的途徑。而如何增加替代燃料的種類、提高替代燃料的替代率也成為水泥生產企業主要思考的問題，其中應用可是替代燃料的多通道燃燒器，是優選的方案。高替代率的多通道燃燒器在國外應用比較成熟，但在國內水泥窯爐上，雖已有應用，但并沒有國外發達國家水泥生產企業那么的普遍，而且國內替代率處于低水平狀態，仍具有廣闊的市場前景。

3.5 燃燒器設備節能與減排仍將進一步深化發展

節能與污染物減排是燃燒器設備需長期堅持的理念，相信在智能制造的大環境下，實現節能與污染物減排的手段及方式將不斷推陳出新，這也是所有燒成設計工作者的長期使命。

4 結束語

水泥行業市場的需求隨著社會的發展在不斷變化，燃燒器是熟料燒成系統里的關鍵設備，也應順應市場發展方向，不斷地升級創新，這樣才能保證我國的水泥工業在全球處于領先水平。