回转窑燃烧器

6煤粉制备技术及燃烧器
6.1煤粉燃烧器的发展
回转窑煤粉燃烧器已由单风道发展到三风道、四风道和烧两种以上燃料的五风道。

风道越多，性能越好，但结构越复杂，质量越大，造价越高，使用时容易弯曲变形。

从煤风与空气混台的效果看，燃烧器可分为旋流式和分割式，分割式四风道燃烧器通道分为外轴流风、煤风、内轴流风、内旋流风，其中外轴流风是轴向喷射的，风道为连续成形，由于分割式燃烧器将煤风分割成四股喷射，煤粉喷出后在圆周方向不均匀，在形成火焰完整性方面与旋流式有一定差距，而且增加了煤风通道的磨损。

衡量燃烧器性能优劣的重要指标是一次风用量。

旋流式煤粉燃烧器是利用直流风与旋流风形成组合射流及中心风形成的平衡流的方式来强化煤粉燃烧，由于燃烧器的结构特殊，煤粉被送入燃烧区域内，通过涡流、回流等方式和喷射效能，使煤粉与燃烧空气充分混合、迅速点燃并充分燃烧。

当前性能优良的四风道煤粉燃烧器一次风用量可降到5%～7%，甚至3％～4%，既可以烧优质烟煤，也可以烧劣质煤、低挥发分煤、无烟煤、石油焦、煤页岩、废轮胎和生活垃圾等。

6.1.1回转窑对煤粉燃烧器的要求
1 对燃料具有较强的适应性，尤其是在燃烧无烟煤或劣质煤时，能保证在较低空气过剩系数下完全燃烧，CO和NO x排放量最低。

2 火焰形状能使整个烧成带具有强而均匀的热辐射，有利于熟料结粒、矿物晶相正常发育，防止烧成带扬尘，形成稳定的窑皮，延长耐火砖使用寿命。

3 外风采用环形间断喷射，保证热态不变形，射流均匀稳定，形成良好的火焰形状，最好采用多个小喷嘴喷射。

4 采用拢焰罩技术，避免产生峰值温度，降低有害气体NO x的排放，使窑内温度分布合理，提高预烧能力。

5 采用火焰稳定器，受喂煤量、煤质和窑情变化波动的影响小，火焰更加稳定。

6 结构简单，调节灵敏、方便，适应不同窑情的变化，满足烧不同煤质和形成不同火焰的要求。

6.1.2 窑内煤粉点燃的模式
窑内煤粉的点燃(着火)，随煤质的差异及其加热速率的不同，有三种模式。

1 均相点燃。

当其挥发分含量较多，加热速率不很快时，因挥发物首先析出而着火，随之固定碳开始燃烧。

2 非均相点燃。

当其挥发分较少，加热速率很快时，挥发分还来不及析出，其中的固定碳已经达到了燃点温度而首先着火。

3 联合点燃。

当挥发分和固定碳同时点燃时，则称为联合点燃。

采用烟煤为燃料的水泥窑，多属均相点燃；无烟煤则应考虑到非均相点燃的情况。

6.1.3一次风温度
因一次风温度较低(室温)，其用量越少则煤粉空气混合体达到燃点温度所需的热量越少，越容易着火燃烧。

一次风用量少，意味着煤粉燃烧时所用的二次风多。

经验表明每减少1.0％一次风量将节省熟料热耗4.8kJ／kg。

6.1.4燃烧器推动力
煤粉与二次风的混合速度和质量，以及其本身的燃烧速率均随着燃烧器推动力M值的增大而提高，M值是一次风的质量流量m与其喷出速度v值的乘积，即
M(N)=m(kg/s)×V(m/s)
相对燃烧推动力，即一次风百分数与其风速之乘积。

增加一次风量显然是不可取的，所以提高一次风速是增强燃烧推动力的主要手段，但V值太大，阻力骤增，风机电耗上升，在一定的燃烧条件范围内，V值有一最佳范围。

6.1.5强化窑内煤粉燃烧过程的主要技术措施
1 使煤与风，尤其是二次风迅速充分混合。

2 有效地卷吸高温烟气回流。

3 加大燃烧器的推动力。

控制与调节窑内火焰形状和力度调节一次风的旋流强度来控制与调节窑内火焰形状和力度，即旋流数S值(角动量与线动量之比)。

影响S值的因素主要有轴流风量、风速，旋流风量、风速，以及两者之比，操作过程中一般都可以分别予以调节。

旋流叶片倾角α及其阻塞系数 对S值有相当大的影响，因结构上
的限制，α和 值通常在操作中是不能调节的，只是在燃烧器设计时予以优化选定。

奥地利的Unitherm-Cemcon公司推出一种MAS型燃烧器的α口角可调。

水泥回转窑内煤粉的燃烧属受限射流火焰，在二次空气供给量一定时，按一次射流动量通量大小可分两种情况。

1 当一次射流动量通量不大时，二次空气足够引射，即射流在扩展到窑壁前，引射量不受影响。

2 当一次射流动量通量大到一定值时，二次空气不能满足引射量的要求，在射流量到窑壁之前的某个位置，二次空气被引射完毕，过剩的射流动量随即开始引射下游区域的燃烧烟气，形成外部回流区。

外回流的产生一方面使下游炽热燃烧烟气的回流增加了上游火焰化学活性基团和温度浓度，从而增加煤粉后期燃烧速度；另一方面冲淡了可燃混合物中氧含量和挤占燃烧空间，这会引起燃烧速度降低，增加了火焰长度，所以外回流的大小有一最佳范围。

适度的外回流对煤粉与空气混合过程有促进作用没有外回流，则表明并非所有的二次空气都被带入一次射流火焰中。

值得指出的另一个重要方面是，适度的外回流可以防止“扫窑皮”现象，防止一次射流扩展碰撞窑皮。

经验表明，在射流扩展的理论碰撞点附近常常发生耐火砖磨损过快现象，导致窑运转周期缩短。

在使用低挥发分燃烧时，火焰的气体流场是非常重要的，因为低挥发燃料一般具有较高的着火点，加之由于挥发分含量低、挥发分燃烧所产生的热量不足以使炭粒加热到着火温度而使燃烧持续进行。

确保低挥发煤持续点燃的最简便方法是增加火焰内循环量，使下游炽热的燃烧产物回流到火焰根部以提高该处一次风和煤粉温度。

内循环的产生及其大小主要取决于燃烧器出口结构参数。

综上分析，喷煤管出口动量通量和旋流强度是窑头火焰设计和操作的重要参数。

喷煤管出口动量通量是射流股对来自冷却机二次空气引射能力的度量。

过小的动量通量将导致二次空气和煤粉不能很好地混合，燃烧不完全，窑尾CO含量升高，煤灰降落不均而影响熟料质量，甚至引起结前圈。

另外由于火焰下游外回流消失，加之火焰刚度不够(火焰的浮升)使火焰易碰撞窑皮，影响耐火砖使用寿命。

过大的动量通量会引起过大的外回流，一方面挤占火焰下游的燃烧空间；另一方面降低火焰下游氧浓度，同样导致燃烧不完全，窑尾温度升高。

喷煤管出口射流旋流主要控制着火焰形状，因此被称为火焰形状系数。

随着旋流强度的增加，火焰变粗、变短．可强化火焰对熟料的热辐射。

但过强的旋流会引起双峰火焰，即发散火焰，易使局部窑皮过热、剥落；另一方面也易引起“黑火头”消失，喷嘴直接接触火焰根部而被烧坏。

虽然大多数多通道燃烧器的旋流强度可在操作中调节，但极限参数的限定是很重要的，也是必需的。

6.2几种燃烧器的结构性能
6.2.1 KHD公司PYRO-Jet燃烧器
KHD公司为利用褐煤及石油焦而开发的新型多通道燃烧器，称为PYRO-Jet 燃烧器其原理如图6-1所示。

PYRO-Jet燃烧器是一种多通道结构喷嘴，其中心附加1个或2个气态或液态燃料管子，有时在中央还有一个点火喷嘴。

通道结构如下。

1 点火喷嘴(液体或气体燃料通道)。

2旋流空气通道出口带有螺旋风翅
(相当于三通道喷嘴的内流风)。

3 出口为喷煤口的燃料通道。

4 出口为环形嘴的喷射空气通道(相
当于三通道喷嘴的外流风)。

由此可见，旋流风及送煤风同一般
三通道相同。

而PYRO-Jett喷嘴不像一
般三通道喷嘴那样从环形缝隙喷出，而
是沿喷嘴外圆排成环状的多个独立喷嘴喷出，其压力为1bar左右（1bar=104Pa），由一个旋转活塞风机供风。

喷嘴的作用是为了将高温二次风卷向喷嘴，加快煤粉燃烧。

各种风道的风速及风量百分比由图可看出。

确定煤通道的尺寸需要十分认真，因为煤的着火速度是决定喷嘴速度的主要因素，一般为22～35m/s。

PYRO-Jet喷嘴的一次风量仅为6%～9%。

减少一次风量可以增加二次风的热回收量，减小设备规格。

PYRO-Jet可降低NO x排放量，对不同的窑NO x的降低幅度为15％～30％。

这种燃烧器的一次风被分成三部分：喷射风、煤粉输送风和旋转风。

喷射风、
旋转风分别以不高于440m/s和160m/s的高流速喷出燃烧器。

煤粉在喷射风和旋转风之问以24m/s的速度喷出，在燃烧器出口截面中心形成一个低压区域，引起火焰气体回流。

由于轴向风速非常高，强烈地加速了靠近火焰的二次风的流速，从而强化了燃料与空气的混合，提前了燃料的着火燃烧，使着火点更靠近燃烧器，这样空气中的氮(N2)在高温区停留时间很短，使得NO x的生成受到抑制。

另外，由于PYRO-Jet燃烧器出口截面中心有回流，使火焰温度分布较为均匀，一次风量减少，二次风量增加．并且降低了二次风温，这些因素都有利于NO x浓度的降低。

(1) PYRO-Jet燃烧器性能特点
①火焰形状好，火焰明亮，强劲有力。

②火焰形状可调，调节方法简单，可重复性好。

③燃烧特性好。

由于煤粉和空气特别是高温二次风能快速充分混合，使煤粉能够迅速点燃并充分燃烧。

特殊设计使旋流风和轴流风分别在火焰内外形成一个回流区．使火焰内部热量分布均匀，温度峰值趋于平坦。

④能在保证熟料质量的前提下降低烧成温度。

PYRO-Jet优良的燃烧特性保证了窑内热工制度的稳定和熟料的成球，使过去传统的保守操作方法(常过烧)不再必要．既降低了窑的热耗又降低了水泥磨的电耗。

⑤一次风量小。

由于喷射效应的作用，以4%～6%的一次风量(不包括送煤风)获得足够的燃烧推动力。

⑥适用于所有燃料，包括劣质燃料如石油焦、无烟煤、高灰分低热值煤等。

并能用于不同燃料(煤、气、油)的混烧。

⑦煤粉通过量可调范围广，可在1 :10的调节范围内正常操作。

⑧窑皮均匀稳定，火砖寿命长。

⑨提高窑产量。

由于火焰明亮有力，热量分布均匀，熟料煅烧强度得到加强。

另外，由于窑皮好，窑操作稳定．火砖寿命长．窑的产量可提高10％左右。

⑩降低能耗。

由于一次风量减小．烧成温度可降低，窑运转稳定，煤粉燃烧充分，系统热耗降低(最高达160kJ/kg)。

另外，由于可避免熟料过烧，水泥磨系统电耗也可相应降低；污染小，CO、NO x排放量低。

(2) PYRO-Jet燃烧器对生产的保证为了保证在燃烧器浇注料损坏和需要更换备件时维持窑的连续生产，PYRO-Jet燃烧器采用了一用一备的设备配置。

这样不仅保证了生产的连续性，同时也延长了设备的使用寿命。

PYRO-Jet具有以下特点。

①通过降低一次空气比，可节约热量6％～8％。

②能燃烧固体、气体和液体及石油焦等多种燃料
③降低NO x生成。

④窑操作稳定。

⑤采用陶瓷抗磨损涂层，延长喷嘴寿命。

6.2.2 Duoflex燃烧器
丹麦F.L Smidth公司在总结过去采用三通道喷煤管Swirlex型和Centrax型燃烧器经验的基础上，于1996年推出了新型的第三代水泥窑用喷煤管——双调节伸缩式Duoflex燃烧器，其主要特点如下。

(1) 一次风量(6%～8%)前提下，优化选择一次风喷出速度和一次风机风压，燃烧器的推动力大幅度提高，强化燃烧速率，充分满足各种煤质及二次燃料的燃烧条件，同时还能维持一次风机的单位电耗较低。

(2) 为降低因提高一次风喷出速度而引起的通道阻力损失，在旋流风和轴流风出口端较大的空间处使两者预混合，之后由同一个环形通道喷出。

由于喷煤管前端的缩口形状，使轴流风相混时赋有趋向中心的流场，对旋流风具有较强的穿透力，以利一次风保持很高的旋流强度，有助于对燃烧烟气的卷吸回流作用。

(3) 将煤风管置于旋流风和轴流风管的双重包围之中，借以适当提高火焰根部CO2浓度，减少O2含量，同时在不影响着火燃烧速率的条件下维持较低温度水平，从而有效抑制热力NO x的生成量。

(4) 为了抵消高旋流强度在火焰根部可能产生的剩余负压，防止未点燃的煤粉被卷吸而压向喷嘴出口，造成回火，影响火焰稳定燃烧，在煤风管内增设了一中心风管，其中通风量约为一次风总量的1％，在中心管出口处设有多孔板，将中心风均匀地分布呈诸多流速较高的风束，防止煤粉回火，实为一个功能良好的火焰稳定器。

此外，中心风管还具有冷却和保护点火用油(气)管的作用。

(5) 煤风管可前后伸缩，采用手动蜗轮调节，并有精确的位置刻度指示，借
助煤风管的伸缩，可在维持轴流风和旋流风比例不变的情况下，调节一次风出口通道面积达1:2即一次风量的调节范围可达到50%～100%，而且在操作过程中就可以进行无级调节。

对于适应煤质变化，及时控制调节燃烧与火焰形状十分方便。

“双调节”，其含意是只要前后移动喷风管的位置，就可以按比例同时减少或增加轴流风量与旋流风量，相应起到减增一次风总量的作用，而不需分别去调节轴流风和旋流风的两个进口阀门，不需要考虑两者的风量和两者的比例关系，减少了调节难度和流体阻力。

(6) 煤风管伸缩处采用膨胀节相连，确保密封，其伸缩长度范围一般为100mm左右，视燃烧器规格而异，当其退缩到最后端位置时一次风出口面积最大，相应地一次风量也最大，这时在燃烧器出口端就形成了一段约100mm的拢焰罩，对火焰根部有一定的紧缩作用(见图6-2)。

反之，当其伸到最前端位置与喷煤管外套管出口几乎相齐时，则出口面积最小，风量最小，拢焰罩的长度将趋于零。

一般生产情况下，大都将煤风管的伸缩距离放在中同位置，拢焰罩的长度也居中，以便前后调节。

(7)燃烧器各层管径都加大，以加强其总体钢度与强度，管道之间的前后两端相互连接或相互支撑的接触处均进行精密机加工，后端用法兰连接，前端由定位突块、恒压弹簧和定压钢珠等精密部件组成的紧配合装置相连。

这种结构同时还具有内外套管之间的调中、定位与锁定功能，确保各层通道的同心度。

设计中准确地考虑了热胀冷缩的因素,套管间允许一定的轴向位移，另有一刻度标记专用于测量其热胀冷缩产生的位移，以便操作中煤风管位置的准确复位或校正一次风的出口面积等参数。

(8) 加大了煤风管进口部位的空间(面积)，降低该处风速，同时缩小了煤粉进的角度，在所有易磨损的部位都敷上耐磨浇注料，尽量减少磨损，延长使用寿命。

喷嘴前端及其部件都用耐热合金钢制成。

喷嘴外部包有约120mm厚的耐火浇注料，所有浇注料的寿命完全可以与窑头的耐火砖相匹配，甚至更长。

(9) 中心管较大，留有一定的空间，可以增设二次燃料的喷射管，替代部分煤粉，以各水泥窑日后烧废料之需要。

FLS公司推出的三种水泥回转窑煤粉燃烧器Swirlex型、Centrax型和Duoflex型的性能比较见表6-1，可以看出，新型Duoflex燃烧器的性能优越，技术先进，使用效果良好。

表6-1 FLS公司三种燃烧器性能比较
火焰调节手段两个阀门分别
调节两个阀门分别调
节
煤粉管伸缩为主阀门调
节为辅
火焰调节精度正常正常灵敏、方便
NO x减少量／％0 约15 约30
窑筒体温度正常较低最低
窑头火砖寿命正常较长最长
燃料适应性褐煤烟煤、无烟煤烟煤、无烟煤、可燃
废料
熟料结晶、结粒与强度正常较好最好
6.2.3皮拉得公司煤粉燃烧器
20世纪70年代初，由于石油危机的冲击，回转窑由烧油改为烧煤，皮拉得公司开发出旋流式三风道煤粉燃烧器(见图6-3)。

一次风压达到12kPa时，其用量为12％～14％。

当压力达到35kPa时，一次风量可降到8％。

这种燃烧器煤风在中间，外部的一次净风是轴流风，内部的一次净风是利用头部的螺旋叶片产生旋流风，利用进风管上的两个阀门调节。

皮拉得公司旋流式四风道煤粉燃烧器，称为Rotaflam型(见图6-4)。

其主要
特点是内净风通过稳定器上的许多小孔喷出．所以又把内净风称为中心风。

将外净风分成两股：外层外净风稍有发散轴向喷射，内层外净风靠螺旋叶片产生旋流喷射，将煤风夹在两股外净风与中心风之间。

将燃烧器最外层套管伸出一部分，称为拢焰罩，就像照相机的遮光罩一样。

外层的环形间隙改为间断间隙，可保证受热时不变形。

采用优质耐热钢，延长了燃烧器的寿命。

一次风降到6％。

Rotaflam型旋流式四风道煤粉燃烧器的特点如下。

(1)火焰稳定器稳定器内净
风道的直径比
一般燃烧器要大得多，前部
设置一块圆形板，上面钻有许多
小孔(见图6—78中的序号6)。

其主要作用如下。

①在火焰根部产生一个较
大的回流区，可减弱一次风的旋
转，使火焰更加稳定，温度容易
提高，形状更适合回转窑的要
求。

②火焰稳定器的直径较
大，煤风环形层的厚度减薄，煤
风混合均匀充分，一次风容易穿过较薄的火焰层进入到其中，缩短了“黑火头”。

煤风在两层外净风之内降低火焰根部的局部高温抑制NO x的生成。

外净风分成两股之后，轴流外净风的风速可以大大提高,在火焰根部中心区形成较大的一次回流区和在窑皮附近形成第二回流区，对保护窑皮有利。

(2) 拢焰罩拢焰罩产生碗状效应，可避免空气的过早扩散，在火焰根部形成一股缩颈，降低窑口温度，使窑体温度分布合理，火焰的峰值温度降低。

这样，一方面能延长窑口护板的使用寿命，另一方面还可避免窑口简体出现喇叭形。

(3) 轴向外净风的分孔式喷射轴向外净风改变了原来的连续式环形问隙喷射，采用了均匀间断式的小孔喷射。

小孔为均匀排列的小矩形，由第一层套管内壁加工出的矩形沟槽和第二层套管组装后形成。

6.2.4 TC型旋流式四风道煤粉燃烧器
(1) 结构特点(见图6-5和图6-6)四通道，是指中问的煤通道、内部的中心通道和外部的旋流通道及旋流风外部的轴流通道。

主要结构特点如下。

①与普通三通道煤粉燃烧器相比，其旋流风风速与轴流风风速均提高
30％～50％，在不改变一次风量的情况下，
燃烧器的推力得到大大提高。

②旋流风与轴流风的出口截面可调
节比大，达到6倍以上，即对外风出口风
速调节比大，所以对火焰的调整非常
③喷头外环前端设置拢焰罩,以减少
火焰扩散,对保护窑皮,点火有好处,能起
到稳燃保焰的作用.
④喷头部分采用耐高温、抗高温氧化
的特殊耐热钢铸件机加工制成，提高了头
部的抗高温变形能力。

⑤煤粉入口处采用高抗磨损的特殊材料，且易于更换。

(2 )其主要的燃烧特点
①火焰形状规整适宜，活泼有力温度高，窑内温度分布合理。

②热力集中稳定，卷吸二次风能力强。

③火焰调节灵活，简单方便，可调范围大，达1:6以上。

④热工制度合理，对煤质适应性强，可烧劣质煤、低挥发分煤、无烟煤和烟煤。

(3) 四通道煤粉燃烧器的操作
①喷煤管的点燃点火后，先将喷油量适当加大，同时开启进煤风机，以保护喷煤管，开启窑尾废气排风机，以保持窑头有微负压。

待窑尾温度升到200℃时可以加煤，油煤混烧，同时开启净风机，保持火焰顺畅．在燃烧过程中逐渐减少用油量，待窑尾温度达到400℃时．撒油将净风量加大，点燃燃烧器。

②燃烧器位置的调整燃烧器位置，到定时检修的时间都必须停窑检查和调整，窑头截面调整为中心偏斜50~60mm，下偏50mm，窑尾截面偏斜为700mm，偏下至砖面-两点连成一线，即为燃烧器的原始位置(见图6-7)。

保证既不冲刷窑皮又能压着料层煅烧，在正常生产中，还要根据窑况对燃烧器进行适当调整，保证火焰顺畅，既不刷窑皮，又能将料烧好。

③火焰调节与窑皮控制回转窑生产过程中，火焰必须保持稳定，避免出现陡峭的峰值温度，火焰较长，才能形成稳定的窑皮，从而保护烧成带耐火砖的使用周期。

调节火焰主要是依据窑内温度及其分布、窑皮情况、窑负荷曲线、物料结粒及带起情况和窑尾温度、负压等因素的变化而进行。

当烧成温度偏高时，物
料黏度增加，结粒增大,多数超过50mm以上，带起很高，负荷曲线上升，伴随筒体温度升高。

此时，应减少窑头用煤，适当减小中心风、径向风、轴向风回路上的手动阀门的开度来调节火焰，降低窑头温度。

烧成温度偏低时，应适当加大中心风、径向风、轴向风回路上的手动阀门开度，强化火焰。

调整到稳定的火焰，提高窑头温度。

在烧成带掉窑皮。

甚至出现“红窑”时，说明烧成带温度不稳定或局部出现了温度峰值，要及时拉长火焰．减少喂煤量，稳定窑温，并及时移动喷煤管位置，控制熟料结粒，及时补挂窑皮。

(4) 使用效果
①火焰的形状容易调节，使用四通道燃烧器燃料周围的一次风非常均匀，火焰沿窑轴向喷射很深，活泼有力，形状长短适宜，对燃烧非常有利，同时可方便地用调节手动蝶阀来调节风的比例，以改变火焰的形态。

适当的调节中心风等的手动蝶阀的开度，火焰变粗变短，温度集中，便于提高窑头温度，尤其是在遇到物料预分解不好，有跑生料趋势时，调节火焰强化煅烧，并与适当减料降窑速相配合，可有效地阻止生料跑出；而适当加大径向风、轴向风，火焰变得细长，可加强物料的预烧，有效地降低熟料f-CaO，适应窑内情况的各种变化。

②对煤的适应性强，对燃烧无烟煤具有更强的适应性随着煤质的不断下降，煤粉水分和细度也很不稳定，但四通道煤粉燃烧器却均能适应，满足窑物料煅烧的需要。

该燃烧器与原三通道煤粉燃烧器性能相似，但结构有很大区别。

该燃烧器对煤质适应性强，可烧劣质煤、低挥发分煤、无烟煤和烟煤。

不仅使煤粉燃烧完全，而且可以最大限度地降低NO x的生成量，是一种典型的节能、环保型回转窑用煤粉燃烧器。

③能有效地保护窑皮平整坚固，长度厚度适宜。

由于四通道喷煤管容易控制火焰形态，避免了对窑的冲刷，窑内物料结粒均匀，有效地保护了窑皮，也避免了窑的前结圈。

燃烧器的最内层为中心风道，在它的头部装有火焰稳定器，只有少量的空气通过。

火焰稳定器由耐热钢板组成，圆板上面均匀地分布着小孔，允许中心风接触圆板面上的火焰，此处的风速约为80m/s。

煤粉风道位于中心风道的外层，煤风夹带着煤粉气流以很小的分散度将煤粉喷入，与一次风混合后进行燃烧，风速为23m/s左右。

环流风风道的头部装有一。