回轉(zhuǎn)窯用燃燒器

歷史 

      第一代回轉(zhuǎn)窯燃燒器是噴射磨細燃料和／或天然氣，無外加燃燒空氣的普通管子。在上世紀80年代常應(yīng)用三通道燃燒器來燃燒傳統(tǒng)的燃料(煤、天然氣、重油)(見圖1)。這種燃燒器通過外層軸向一次風(fēng)通道和燃料通道里的徑向一次風(fēng)通道之間的一次風(fēng)的分布，使火焰得到較好的調(diào)節(jié)。這樣達到了燃燒空氣同燃料的良好混合，氧氣進到了火焰中心。然而，由于燃料的快速點燃，伴隨著高的火焰溫度(這是藉助于火焰中心的供氧)，排放出大量的氮氧化物，這是這種燃燒器的缺點。
     由于污染物排放限值的不斷降低和降低單位熱耗要求的提出，盡可能降低一次風(fēng)需求量的任務(wù)被提出來了。這一發(fā)展造成了低氮氧化物燃燒器的產(chǎn)生，它們部分地也是從使用鍋爐燃燒器技術(shù)的經(jīng)驗中引進來的。兩個一次風(fēng)通道(軸向風(fēng)和徑向風(fēng))被布置在供燃料通道外邊，一次風(fēng)的總量減少到4％-6％(圖2)。



選擇合適的窯頭燃燒器

     現(xiàn)在的窯頭燃燒器主要都是按照燃燒煤／石油焦炭和其它替代燃料設(shè)計和改進的。有些制造廠家(表1)生產(chǎn)的燃燒器有很多不同的噴咀系統(tǒng)，他們已經(jīng)在這個行業(yè)中確立了地位。

     
    在選擇一種合適的窯頭燃燒器時，一般應(yīng)當(dāng)記住這些準則：
    a．火焰形狀的可調(diào)節(jié)性應(yīng)適應(yīng)窯的生產(chǎn)和燃料的種類；
    b．氮氧化物的排放行為；
    c．對傳統(tǒng)燃料的適應(yīng)性；
    d．對市售代用燃料的適應(yīng)性；
    e．代用燃料的替代程度；
    f．確保在每種火焰形狀調(diào)節(jié)時燃燒器都能得到冷卻；
    g．燃燒器在耐火絕熱材料和磨蝕方面的可靠性；
    h．生產(chǎn)費用和維護費用。
    目前，現(xiàn)代燃燒器系統(tǒng)正清晰地向著研發(fā)高推力的燃燒器方向發(fā)展。這主要是受一次風(fēng)出口的幾何形狀的影響。以下將對不同燃燒器制造商在一次風(fēng)推力的引進、火焰的調(diào)節(jié)和在燃燒器中燒不同的代用燃料的噴射系統(tǒng)進行比較。

F．L_史密斯(FLS)Duoflex燃燒器(圖3)

    a．火焰形狀的可調(diào)節(jié)性
    火焰形狀是通過傳統(tǒng)一次風(fēng)(軸向風(fēng)和徑向風(fēng))的供風(fēng)量和中心管(包括煤粉通道)相對風(fēng)通道的軸向位移來進行調(diào)節(jié)的。軸向風(fēng)和徑向風(fēng)是用調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)的。所有兩股氣流(軸向風(fēng)和徑向風(fēng))在它們離開燃燒器之前混合在一起，并以一股混合的一次風(fēng)流從環(huán)形一次風(fēng)噴咀噴出。為了產(chǎn)生一支細長的火焰，設(shè)計把重點放在不分散的一次風(fēng)噴出上。提供一次風(fēng)的風(fēng)機，其額定壓力通常至少為250mbar。
    b．關(guān)于氮氧化物的排放行為
    低氮氧化物設(shè)計方案試圖達到低氮氧化物的排放。當(dāng)使用代用燃料時，一次風(fēng)率可設(shè)定高達15％，但通常設(shè)定為10％。
    c．對傳統(tǒng)燃料的適應(yīng)性



    FIS通常不主張對煤粉出口速度(在28至33rids之間)的標(biāo)準設(shè)定作任何改變，盡管能夠產(chǎn)出較高的速度。
    表1  不同制造商(按字順排列)生產(chǎn)的燃燒器
    制造商名稱                     燃燒型型號                 原理
    F．L．Smidth                Duoflex                    低NOx設(shè)計，雙空氣通道
    Greco                           Greco                       3通道燃燒器設(shè)計，雙空氣通道
    KHD Humbold Wedag   Pymjet                     3通道燃燒器設(shè)計，雙空氣通道
    Pillard                           Rotaflam                  低NOx設(shè)計，雙空氣通道
    Unitherm Cemcon         MAS                         低NOx設(shè)計，單空氣通道
    d．對市售代用燃料的適應(yīng)性
    考慮到煤粉顆粒大小和輸送風(fēng)速，在燃燒器中使用一個或多個代用燃料管可以使燃燒器達到高度的適應(yīng)性。不再使用通過利用單獨的氣力渦流途徑控制固體代用燃料燒盡的裝置。
    e．代用燃料的替代程度
    目的是達到液體和固體代用燃料80％至100％的代用率。
    f．確保在每一種火焰形狀調(diào)節(jié)時，燃燒器都能被冷卻
    燃燒器利用軸向一次風(fēng)流進行冷卻。然而，當(dāng)要調(diào)成短熱火焰時它受到削弱。
    g．燃燒器在耐火材料絕熱和磨蝕方面的可靠性。
    采用普通耐火材料絕熱。在噴咀區(qū)絕熱層非常厚實。在處理由于化學(xué)、熱力或磨蝕作用產(chǎn)生的加重磨損方面尚無特殊的解決辦法。
    h．生產(chǎn)費用和維護費用
    如果燃燒器耐火材料損壞，整個外管都必須換掉，維護費用處于通常范圍之內(nèi)。旋流風(fēng)管能支撐燃燒器，所以如果耐火材料脫落也能避免對燃燒器帶來整體的破壞。

   GREC0燃燒器(圖4)



   a．火焰形狀的可調(diào)節(jié)性
   由于一次風(fēng)是通過旋轉(zhuǎn)葉形鼓風(fēng)機(250-400bar)的速度控制來進行調(diào)節(jié)的，所以火焰形狀可以通過外風(fēng)、切向風(fēng)和內(nèi)風(fēng)進行調(diào)節(jié)。所有的風(fēng)通道都擁有剛性的開口。調(diào)節(jié)火焰形狀的各種一次風(fēng)參數(shù)可以根據(jù)具體情況進行改變。一次風(fēng)以各個單獨氣流的形式從燃燒器噴出，它們參與燃燒并促使熱二次風(fēng)很快混入火焰。切向風(fēng)和內(nèi)風(fēng)分布在煤粉通道內(nèi)。外風(fēng)和內(nèi)風(fēng)只是軸向風(fēng)組成部分。
    b．關(guān)于氮氧化物的排放行為
    低氮氧化物型燃燒器，由于直接引入火焰中心的空氣較少，所以其氮氧化物排放量要比普通Greco燃燒器的少。燒代用燃料的燃燒器，一次風(fēng)的比例是10％至12％(包括傳統(tǒng)和代用燃料的輸送用風(fēng))。
    c．對傳統(tǒng)燃燒的適應(yīng)性
    各種燃料均同軸加入。不管煤的加入量多大，煤粉的噴射速度都是恒定的。
    d．對市售代用燃料的適應(yīng)性
    在大多數(shù)情況下，是通過在燃燒器中心的代用燃料管這種同軸結(jié)構(gòu)才能應(yīng)用代用燃料。各種不同類型的代用固體燃料在輸送線起點被混合。如果必需，可給燃燒器裝上第二條管子。也可以使用多達4種不同類型的廢液體燃料，將它們圍繞固體廢料管對稱地噴射出去。
    e．代用燃料的替代程度
    燃燒器可以使用多達100％的固體和液體代用燃料進行操作。選用的燃料品種取決于燃料混合物的熱值和代用燃料的燒盡情況。
    f．確保在每種火焰形狀調(diào)節(jié)時，燃燒器能被冷卻
    燃燒器由調(diào)節(jié)火焰形狀的氣流進行冷卻，因此不需要專門的冷卻空氣通道。
    g．燃燒器在耐火材料絕熱和磨蝕方面的可靠性
    可以使用普通耐火材料絕熱。也可以使用各種不同類型的耐火材料。耐火材料可設(shè)計成特殊的幾何形狀，以降低由磨蝕作用造成的磨耗。
    h．生產(chǎn)費用和維護費用
    當(dāng)燃燒重油時，需要使用額外的霧化介質(zhì)。這樣可以在較低的燃料壓力和溫度下達到安全生產(chǎn)。此外，能很好地控制燃料供料速度，這樣在操作過程中就不必要再換噴咀了。旋轉(zhuǎn)葉形鼓風(fēng)機在維護費用上比扇風(fēng)機貴。

德國洪堡公司KHD Pyro—Jet噴射燃燒器(圖5)

    a．火焰形狀的可調(diào)節(jié)性
    火焰形狀利用噴氣通道和徑向風(fēng)通道進行調(diào)節(jié)。噴射燒咀中的壓力由旋轉(zhuǎn)活塞鼓風(fēng)機(800mbar)提供，而徑向風(fēng)由扇風(fēng)機(160mbar)提供。火焰形狀可以通過分配到噴氣和徑向風(fēng)的一次風(fēng)比例進行變化。噴氣噴咀相互平行排列。徑向風(fēng)通道裝在煤粉通道內(nèi)。
    本設(shè)計的火焰形狀調(diào)節(jié)是藉助于少量的一次風(fēng)(4％至6％)和以各個單獨氣流的形式出現(xiàn)的高速噴射空氣。
    b．氮氧化物的排放行為
    由于一次風(fēng)率低，故而氮氧化物的排放水平亦低。二次風(fēng)僅在燃料點燃后才混合進來，以防止氧氣進入火焰中心。
    c．對傳統(tǒng)燃料的適應(yīng)性
    對于不同等級的煤，可以藉助于補償器改變橫截面或通過利用旁路空氣來調(diào)節(jié)煤粉出口速度。油是用普通的方法，在高壓下不加補充霧化介質(zhì)進行噴射的，而天然氣的供應(yīng)方法同噴射空氣的方法一樣。



    d．對市售的代用燃料的適應(yīng)性
    代用燃料可以利用插在燃燒器中心的管子進行噴射。
    e．代用燃料的替代程度
    固態(tài)和液態(tài)代用燃料的替代率可高達100％。
    f．確保在調(diào)節(jié)每一種火焰形狀時，燃燒器都能得到冷卻
    外殼和出口系統(tǒng)通常用流過環(huán)形噴口的噴射空氣進行冷卻。對于特別惡劣的熱負荷，燃燒器可用補充的冷卻管進行冷卻。
    g．燃燒器在耐火材料絕熱和磨蝕方面的可靠性
    由于噴射空氣出口系統(tǒng)的緊湊設(shè)計使燃燒器頭部的熱輻射大大降低，這就延長了絕熱耐火材料的服務(wù)壽命。陶瓷涂層提供了可靠的防磨蝕功能，以防止磨細的煤粉對其進入燃燒器的位置和噴煤咀的磨蝕。
    h．生產(chǎn)費用和維護費用
    由于使用旋轉(zhuǎn)活塞鼓風(fēng)機和徑向扇風(fēng)機提供一次風(fēng)而造成比較高的維護費用被因為一次風(fēng)的百分比較小，僅約4％(用于空氣壓縮和熟料生產(chǎn)用的能源較少)所帶來的較低的生產(chǎn)費用所抵償。

PilIard RotafIam燃燒器(圖6)

    a．火焰形狀的可調(diào)節(jié)性
  一次風(fēng)的軸向和徑向組分以及火焰形狀由各個單獨的燃燒器管相互間的軸向位移來進行調(diào)節(jié)，以使一次風(fēng)壓得到最佳的利用，達到最大的出口推力。在烘窯期，可以使用節(jié)流閥降低一次風(fēng)量。燃燒器由徑向扇風(fēng)機供風(fēng)，其壓力范圍根據(jù)燃料的不同在200至310mbar之間。
    b．關(guān)于氮氧化物的排放行為
    根據(jù)本燃燒器取得專利的通道結(jié)構(gòu)配置，它也能以低氮氧化物方式操作。然而其主要的著重點還是與燃燒過程要求的最佳匹配。
    c．對傳統(tǒng)燃料的適應(yīng)性
    通過對噴出系統(tǒng)組件的軸向位移調(diào)節(jié)煤粉出口速度，使燃燒器能夠廣泛使用不同品級的煤粉。重油采用雙通道高壓霧化器，在特殊情況下采用壓縮空氣進行霧化。



    d．對市售的代用燃料的適應(yīng)性
    在燃燒器中使用一個或多個代用燃料管能提供高度的適應(yīng)性。大多數(shù)固體代用燃料的燒盡特性可以通過由外部引入的旋流風(fēng)進行控制。
    e．代用燃料的替代程度
    從理論上講可以使用高達100％的代用燃料，但是一般會受到燃料組成同燃燒過程化學(xué)作用間相互作用的限制。
    f．確保燃燒器在調(diào)節(jié)每種火焰形狀時都能得到冷卻
    燃燒管通過軸向一次風(fēng)流進行冷卻。軸向出口橫截面的合適形狀能確保無論是怎樣的配置都只需最低的冷卻空氣量。
   g．燃燒器在耐火材料絕熱和磨蝕方面的可靠性
   耐火材料覆面的服務(wù)壽命通過采用成熟的材料及特殊的錨固和制備技術(shù)予以最佳化。
   h．生產(chǎn)費用和維護費用
   為將因耐火絕熱材料意外損壞所造成的停產(chǎn)時間降低到最小程度，通常建議操作者備好一支完全包覆好的外套管。如果出現(xiàn)耐火材料損壞，可更換整個外套管。維護費用在一般水平范圍內(nèi)。

Unitherm M．A．S燃燒器(圖7)

   a．火焰形狀的可調(diào)節(jié)性
   取得專利權(quán)的火焰形狀的調(diào)節(jié)方法是無級可調(diào)的。形狀是通過一次風(fēng)外通道內(nèi)靈便可調(diào)的一次風(fēng)噴咀(0 40。)進行調(diào)節(jié)的?；鹧嬲{(diào)節(jié)不需要第二個一次風(fēng)通道。從燃燒器出來的一次風(fēng)以各個單獨的噴氣形式出現(xiàn)。其渦流可以靈便地進行調(diào)節(jié)以適應(yīng)窯爐作業(yè)的需要。不管火焰具有什么形狀，燃燒器的推力保持不變。一次風(fēng)由扇風(fēng)機提供，其風(fēng)壓根據(jù)燃料的不同，變動在160至250mbar的范圍內(nèi)。
   b．關(guān)于氮氧化物排放的排放行為
   由于是低氮氧化物結(jié)構(gòu)設(shè)計，也可能是由于一次風(fēng)呈噴射形式，故而氮氧化物的排放趨低。在使用代用燃料時，一次風(fēng)率可以在6％與12％之間。
   c．對傳統(tǒng)燃料的適用性
   對于不同品級煤粉，通過應(yīng)用補償器調(diào)節(jié)煤粉出口速度來進行調(diào)節(jié)。重油用高壓霧化噴槍進行霧化。 
   d．X}市售代用燃料的適應(yīng)性
  在燃燒器中使用一支或多支代用燃料管能形成高度的適應(yīng)性。一支或多支代用燃料管都可在操作過程中拆卸掉。擁有特殊的油槍可同時燃燒兩種不同的液體代用燃料。
    e．代用燃料的替代程度
    目的是實現(xiàn)80％至100％的液態(tài)和固態(tài)代用燃料的替代率。設(shè)有一個補充裝置，可利用單獨的氣力渦流能量調(diào)控固體代用燃料的燃盡情況。
    f確保在調(diào)節(jié)每種火焰形狀時，燃燒器都能得到冷卻
    所有一次風(fēng)都通過外部管道流出，能確保燃燒器被很好地冷卻，甚至是短火焰調(diào)節(jié)也能如此。
    g．燃燒器在耐火材料絕熱和磨蝕方面的可靠性
    使用普通的耐火材料絕熱。如果由于化學(xué)、熱力或磨蝕效應(yīng)使磨耗加劇時，可使用燒結(jié)陶瓷磚(保護性設(shè)計)。
    h．生產(chǎn)費用和維護費用
    如果燃燒器出現(xiàn)耐火材料損壞，只需更換外套管的前部。使用陶瓷磚或復(fù)合材料減少了燃料磨蝕性對燃燒器的磨耗，從而降低了后續(xù)成本。

結(jié)論

   對合適的燃燒器系統(tǒng)的選擇，主要取決于窯爐的特定應(yīng)用條件。所列不同制造廠商的燃燒器系統(tǒng)，每一種都遵循了它們自己的戰(zhàn)略，有著他們自己相應(yīng)的優(yōu)點和缺點。空前的代用燃料的高替代水平經(jīng)常會引起新的問題，諸如縮短了服務(wù)壽命，提高了維護成本，不少情況下使窯爐作業(yè)更加復(fù)雜化了。擁有一套能適應(yīng)市售代用燃料的適用的燃燒器系統(tǒng)是設(shè)備操作者的一大幸事