回轉窯煤粉燃燒器的技術進展
2007-02-14 00:00
0 引言
70年代中其國際上發(fā)展起來的水泥回轉窯多通道煤粉燃燒器，使窯的一次風用量由傳統的20%～30%下降至12%～15%，同時窯的操作及熟料煅燒情況得到明顯改善。經過20多年的技術進步，目前窯的一次凈風用量已降低到6%～8%，大大改進了窯的燃燒效率和熱效率。與此同時，水泥窯對燃煤品質要求不斷降低，無煙煤、劣質煤及再生燃料（即工業(yè)和民用可燃垃圾）的利用技術漸成熱點，從而促使燃燒器結構形式不斷的改進。自傳統的單通道燃燒器向多通道（如三通道、四通道等）燃燒器發(fā)展以后，新一代的雙通道燃燒器，由于調節(jié)性能、火焰成形能力及燃燒效率等方面的優(yōu)良性能正作為一種新的技術發(fā)展方向。多相流及反應計算機數值模型技術的發(fā)展使燃燒器開發(fā)專家不再依賴傳統的冷態(tài)氣體模擬試驗，以KILN FLAME SYSTEMS公司為代表的酸堿水模擬試驗方法可使回轉窯燃燒的流暢設計更加精確，從而確保了高風險的窯頭燃燒器的投運調試順利達到預期效果。
1 對回轉窯煤粉燃燒認識的深入
從工藝過程角度看，用于對回轉窯燒成帶提供熱量的燃燒器應滿足下述要求：
1)對燃燒品質具有較強的適應性，特別是在燃燒無煙煤或劣質煤時，能確保在較低空氣過剩系數下完全燃燒，其CO和NOx排放量降至最低限度。
2)火焰形狀應是細而不長，使整個燒成帶具有強而均勻的熱輻射。這一方面有利于熟料結粒、熟料礦物晶相正常發(fā)育，防止燒成帶揚塵；另一方面有利于形成致密穩(wěn)定的燒成帶窯皮，延長耐火磚使用壽命。
3)一次風用量盡可能少，但必須保證在不正常的窯況下火焰燃燒的穩(wěn)定。
值得指出的是，在上述要求中強調了火焰形成應是“細而不長”以形成合理的燃燒帶長度，而不再象以往那樣強調化燃燒以適應強化煅燒要求，這是因為強化燃燒所形成的局部高溫對燒成帶窯皮不利，從而影響耐火磚使用壽命，另一方面局部高溫將增加NOx的排放量。
一般情況，來自冷卻機的二次風溫可達900℃以上，窯頭燃燒火焰溫度高達1800℃左右，其燃燒一般已進入擴散控制區(qū)。擴散控制區(qū)的燃燒特點在于：煤粉燃燼時間受煤粉細度的影響較大（正比于煤粉粒徑的平方），而受煤品種特性影響較小，煤粉燃燒速率取決于其擴散速率，即煤粉和助燃空氣的混合速率及火焰區(qū)的湍流強度。換句話說，在燃料品種和煤粉細度一定情況下，為在整個燒成帶范圍內形成均勻燃燒強度的火焰，必須控制煤粉和助燃空氣的混合速率。在窯頭的所有助燃空氣中，二次風量一般占80%以上，所以控制煤粉和助燃空氣的混合速率實質上是控制燃燒器出口射流股對二次風的引射速率。至于火焰形狀除受到對二次風的引射速率和一次射流股的旋流強度等方面因素的影響外，還取決于燃燒器出口一次射流本身的“剛度”，一次射流本身的“剛度”可以一次射流最大速度沿軸向的衰減程度來衡量。上述這些都取決窯頭受限射流空氣動力學方面的精確設計。圖1為我們實測到的典型的窯及三通道燃燒器所形成的受限射流速度場。
水泥回轉窯內煤粉的燃燒屬受限射流火焰，在二次空氣供給量一定時，按一次射流動量通量大小可分兩種情況：
1)當一次射流動量通量不大時，二次空氣足夠引射，也即射流在擴展到窯壁前，引射量不受影響。
2)當一次射流動量通量大到一定值時，二次空氣不能滿足引射量的要求，即在射流量到窯壁之前的某個位置，二次空氣被引射完畢，過剩的射流動量隨即開始引射下游區(qū)域的燃燒煙氣，形成外部回流區(qū)。
外回流的產生一方面使下游熾熱燃燒煙氣的回流增加了上游火焰化學活性基團和溫度濃度，從而增加煤粉后期燃燒速度；另一方面沖淡了可燃混合物中氧含量和擠占燃燒空間，這會引起燃燒速度降低，增加了火焰長度，所以外回流的大小有一最佳范圍。
此外，適度的外回流對煤粉/空氣混合過程有促進作用，而沒有外回流，則表明并非所有的二次空氣都被帶入一次射流火焰中。值得指出的另一個重要方面是，適度的外回流可以防止“掃窯皮現象”，防止一次射流擴展碰撞窯皮。經驗表明，在射流擴展的理論碰撞點附近常常發(fā)生耐火磚磨損過快現象，導致窯運轉周期縮短。
在使用低揮發(fā)分燃燒時，火焰的氣體流場是非常重要的，因為低揮發(fā)燃燒一般具有較高的著火點，加之由于揮發(fā)分含量低、揮發(fā)分燃燒所產生的熱量不足以使炭粒加熱到著火溫度而使燃燒持續(xù)進行。確保低揮發(fā)煤持續(xù)點燃的最簡便方法是增加火焰內循環(huán)量，使下游熾熱的燃燒產物回流到火焰根部以提高該處一次風和煤粉溫度。內循環(huán)的產生及其大小主要取決于燃燒器出口結構參數。
綜上分析，噴煤管出口動量通量和旋流強度是窯頭火焰設計和操作的重要參數。噴煤管出口動量通量是射流股對來自冷卻機二次空氣引射能力的度量。過小的動量通量將導致二次空氣和煤粉不能很好地混合，燃燒不完全，窯尾CO含量升高，煤灰沉落不均而影響熟料質量，甚至引起結前圈。另外由于火焰下游外回流消失，加之火焰剛度不夠（火焰的浮升）使火焰易碰撞窯皮，影響耐火磚使用壽命。過大的動量通量會引起過大的外回流。一方面擠占火焰下游的燃燒空間；另一方面降低火焰下游氧濃度，同樣導致燃燒不完全，窯尾溫度升高。
噴煤管出口射流旋流主要控制著火焰形狀、因此被稱之為火焰形狀系數。隨著旋流強度的增加，火焰變粗、變短，可強化火焰對熟料的熱輻射。但過強的旋流會引起雙峰火焰，即發(fā)散火焰，易使局部窯皮過熱、剝落；另一方面也易引起“黑火頭”消失，噴嘴直接接觸火焰根部而被燒壞。雖然大多數多通道燃燒器的旋流強度可在操作中調節(jié)，但極限參數的限定是很重要的，也是必須的。
2 窯頭火焰的空氣動力學計算
2.1一次射流動量通量
根據經驗，多通道燃燒器的同軸射流在其不遠的下游，表現出和單股射流相同的空氣動力學特征。為了分析方便作以下假定，在射流混合區(qū)內作一垂直于射流軸線的截面，截面上游的引射量伯為其下游射流的一部分。則旋轉射流對二次風的引射速率為：
式中：M――引射量的質量流量，kg/s；
X――距噴口的軸向距離，m；
Kl――溫度系數；
C――射流出口軸向總動量通量，N。對于多通道煤粉燃燒器，總動量通量等于各通道出口軸向動量通量之和：C＝∑G；
S――任意垂直于燃燒器軸線截面的旋流數；
P。――被引射空氣的密度?
70年代中其國際上發(fā)展起來的水泥回轉窯多通道煤粉燃燒器，使窯的一次風用量由傳統的20%～30%下降至12%～15%，同時窯的操作及熟料煅燒情況得到明顯改善。經過20多年的技術進步，目前窯的一次凈風用量已降低到6%～8%，大大改進了窯的燃燒效率和熱效率。與此同時，水泥窯對燃煤品質要求不斷降低，無煙煤、劣質煤及再生燃料（即工業(yè)和民用可燃垃圾）的利用技術漸成熱點，從而促使燃燒器結構形式不斷的改進。自傳統的單通道燃燒器向多通道（如三通道、四通道等）燃燒器發(fā)展以后，新一代的雙通道燃燒器，由于調節(jié)性能、火焰成形能力及燃燒效率等方面的優(yōu)良性能正作為一種新的技術發(fā)展方向。多相流及反應計算機數值模型技術的發(fā)展使燃燒器開發(fā)專家不再依賴傳統的冷態(tài)氣體模擬試驗，以KILN FLAME SYSTEMS公司為代表的酸堿水模擬試驗方法可使回轉窯燃燒的流暢設計更加精確，從而確保了高風險的窯頭燃燒器的投運調試順利達到預期效果。
1 對回轉窯煤粉燃燒認識的深入
從工藝過程角度看，用于對回轉窯燒成帶提供熱量的燃燒器應滿足下述要求：
1)對燃燒品質具有較強的適應性，特別是在燃燒無煙煤或劣質煤時，能確保在較低空氣過剩系數下完全燃燒，其CO和NOx排放量降至最低限度。
2)火焰形狀應是細而不長，使整個燒成帶具有強而均勻的熱輻射。這一方面有利于熟料結粒、熟料礦物晶相正常發(fā)育，防止燒成帶揚塵；另一方面有利于形成致密穩(wěn)定的燒成帶窯皮，延長耐火磚使用壽命。
3)一次風用量盡可能少，但必須保證在不正常的窯況下火焰燃燒的穩(wěn)定。
值得指出的是，在上述要求中強調了火焰形成應是“細而不長”以形成合理的燃燒帶長度，而不再象以往那樣強調化燃燒以適應強化煅燒要求，這是因為強化燃燒所形成的局部高溫對燒成帶窯皮不利，從而影響耐火磚使用壽命，另一方面局部高溫將增加NOx的排放量。
一般情況，來自冷卻機的二次風溫可達900℃以上，窯頭燃燒火焰溫度高達1800℃左右，其燃燒一般已進入擴散控制區(qū)。擴散控制區(qū)的燃燒特點在于：煤粉燃燼時間受煤粉細度的影響較大（正比于煤粉粒徑的平方），而受煤品種特性影響較小，煤粉燃燒速率取決于其擴散速率，即煤粉和助燃空氣的混合速率及火焰區(qū)的湍流強度。換句話說，在燃料品種和煤粉細度一定情況下，為在整個燒成帶范圍內形成均勻燃燒強度的火焰，必須控制煤粉和助燃空氣的混合速率。在窯頭的所有助燃空氣中，二次風量一般占80%以上，所以控制煤粉和助燃空氣的混合速率實質上是控制燃燒器出口射流股對二次風的引射速率。至于火焰形狀除受到對二次風的引射速率和一次射流股的旋流強度等方面因素的影響外，還取決于燃燒器出口一次射流本身的“剛度”，一次射流本身的“剛度”可以一次射流最大速度沿軸向的衰減程度來衡量。上述這些都取決窯頭受限射流空氣動力學方面的精確設計。圖1為我們實測到的典型的窯及三通道燃燒器所形成的受限射流速度場。
水泥回轉窯內煤粉的燃燒屬受限射流火焰，在二次空氣供給量一定時，按一次射流動量通量大小可分兩種情況：
1)當一次射流動量通量不大時，二次空氣足夠引射，也即射流在擴展到窯壁前，引射量不受影響。
2)當一次射流動量通量大到一定值時，二次空氣不能滿足引射量的要求，即在射流量到窯壁之前的某個位置，二次空氣被引射完畢，過剩的射流動量隨即開始引射下游區(qū)域的燃燒煙氣，形成外部回流區(qū)。
外回流的產生一方面使下游熾熱燃燒煙氣的回流增加了上游火焰化學活性基團和溫度濃度，從而增加煤粉后期燃燒速度；另一方面沖淡了可燃混合物中氧含量和擠占燃燒空間，這會引起燃燒速度降低，增加了火焰長度，所以外回流的大小有一最佳范圍。
此外，適度的外回流對煤粉/空氣混合過程有促進作用，而沒有外回流，則表明并非所有的二次空氣都被帶入一次射流火焰中。值得指出的另一個重要方面是，適度的外回流可以防止“掃窯皮現象”，防止一次射流擴展碰撞窯皮。經驗表明，在射流擴展的理論碰撞點附近常常發(fā)生耐火磚磨損過快現象，導致窯運轉周期縮短。
在使用低揮發(fā)分燃燒時，火焰的氣體流場是非常重要的，因為低揮發(fā)燃燒一般具有較高的著火點，加之由于揮發(fā)分含量低、揮發(fā)分燃燒所產生的熱量不足以使炭粒加熱到著火溫度而使燃燒持續(xù)進行。確保低揮發(fā)煤持續(xù)點燃的最簡便方法是增加火焰內循環(huán)量，使下游熾熱的燃燒產物回流到火焰根部以提高該處一次風和煤粉溫度。內循環(huán)的產生及其大小主要取決于燃燒器出口結構參數。
綜上分析，噴煤管出口動量通量和旋流強度是窯頭火焰設計和操作的重要參數。噴煤管出口動量通量是射流股對來自冷卻機二次空氣引射能力的度量。過小的動量通量將導致二次空氣和煤粉不能很好地混合，燃燒不完全，窯尾CO含量升高，煤灰沉落不均而影響熟料質量，甚至引起結前圈。另外由于火焰下游外回流消失，加之火焰剛度不夠（火焰的浮升）使火焰易碰撞窯皮，影響耐火磚使用壽命。過大的動量通量會引起過大的外回流。一方面擠占火焰下游的燃燒空間；另一方面降低火焰下游氧濃度，同樣導致燃燒不完全，窯尾溫度升高。
噴煤管出口射流旋流主要控制著火焰形狀、因此被稱之為火焰形狀系數。隨著旋流強度的增加，火焰變粗、變短，可強化火焰對熟料的熱輻射。但過強的旋流會引起雙峰火焰，即發(fā)散火焰，易使局部窯皮過熱、剝落；另一方面也易引起“黑火頭”消失，噴嘴直接接觸火焰根部而被燒壞。雖然大多數多通道燃燒器的旋流強度可在操作中調節(jié)，但極限參數的限定是很重要的，也是必須的。
2 窯頭火焰的空氣動力學計算
2.1一次射流動量通量
根據經驗，多通道燃燒器的同軸射流在其不遠的下游，表現出和單股射流相同的空氣動力學特征。為了分析方便作以下假定，在射流混合區(qū)內作一垂直于射流軸線的截面，截面上游的引射量伯為其下游射流的一部分。則旋轉射流對二次風的引射速率為：
式中：M――引射量的質量流量，kg/s；
X――距噴口的軸向距離，m；
Kl――溫度系數；
C――射流出口軸向總動量通量，N。對于多通道煤粉燃燒器，總動量通量等于各通道出口軸向動量通量之和：C＝∑G；
S――任意垂直于燃燒器軸線截面的旋流數；
P。――被引射空氣的密度?