談?wù)勑G煤粉燃燒器的技術(shù)進(jìn)展(1)

1 前言
　　70年代中期國際上發(fā)展起來的水泥回轉(zhuǎn)窯多通道煤粉燃燒器使窯的一次風(fēng)用量由傳統(tǒng)的20％～30％下降至12％～15％，同時(shí)窯的操作及熟料鍛燒情況得到明顯改善。經(jīng)過20多年來的技術(shù)進(jìn)步,目前窯的一次凈風(fēng)用量已降低到6％～8％，大大改進(jìn)了窯的燃燒效率和熱效率。與此同時(shí)，水泥窯對(duì)燃煤品質(zhì)要求不斷降低，無煙煤、劣質(zhì)煤及再生燃料（即工業(yè)和民用可燃垃圾）的利用技術(shù)漸成熱點(diǎn)。從而促使燃燒器結(jié)構(gòu)型式的不斷改進(jìn)，自傳統(tǒng)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(diào)節(jié)性能、火焰成形能力，燃燒效率等方面的優(yōu)良性能正作為一種新的技術(shù)發(fā)展方向。多相流及反應(yīng)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展使燃燒器開發(fā)專家不再依賴傳統(tǒng)的冷態(tài)氣體模型試驗(yàn)，以KILN FLAME SYSTEMS公司為代表的酸堿水模擬試驗(yàn)方法可使回轉(zhuǎn)窯燃燒的流場設(shè)計(jì)更加精確，從而確保了高風(fēng)險(xiǎn)的窯頭燃燒器的投運(yùn)調(diào)試順利達(dá)到預(yù)期效果。
2 對(duì)旋窯煤粉燃燒認(rèn)識(shí)的深入
　　從工藝過程角度看，用于對(duì)回轉(zhuǎn)窯燒成帶提供熱量的燃燒器應(yīng)滿足下述要求：
　(1) 對(duì)燃料品質(zhì)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，特別是在燃燒無煙煤或劣質(zhì)煤時(shí)，能確保在較低空氣過剰系數(shù)下完全燃燒，其CO和NOX排放量降至最低限度。
　(2) 火焰形狀應(yīng)是細(xì)而不長，使整個(gè)燒成帶具有強(qiáng)而均勻的熱輻射。這一方面有利于熟料結(jié)粒、熟料礦物正確的晶相發(fā)育，防止燒成帶揚(yáng)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(fēng)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(qiáng)調(diào)了火焰形狀應(yīng)是“細(xì)而不長”以形成合理的燃燒帶長度，而不再象以往那樣強(qiáng)調(diào)強(qiáng)化燃燒以適應(yīng)強(qiáng)化鍛燒要求，這是因?yàn)閺?qiáng)化燃燒所形成的局部高溫對(duì)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(jī)的二次風(fēng)溫可達(dá)900℃以上，窯頭燃燒火焰溫度高達(dá)1800℃左右，其燃燒一般已進(jìn)入擴(kuò)散控制區(qū)。擴(kuò)散控制區(qū)的燃燒特點(diǎn)在于：煤粉燃燼時(shí)間受煤粉細(xì)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擴(kuò)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(qiáng)度。換句話說，在確定的燃料品種和一定煤粉細(xì)度情況下，為在整個(gè)燒成帶范圍內(nèi)形成均勻燃燒強(qiáng)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(fēng)量一般占80％以上，所以控制煤粉和助燃空氣的混合速率實(shí)質(zhì)上是控制燃燒器出口射流股對(duì)二次風(fēng)的引射速率。至于火焰形狀除受到對(duì)二次風(fēng)的引射速率和一次射流股的旋流強(qiáng)度等方面因素的影響外，還取決于燃燒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(dòng)力學(xué)方面的精確設(shè)計(jì)。圖1為我們實(shí)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。
　　水泥旋窯燃燒屬受限射流火焰，在二次空氣供給量一定時(shí)，按一次射流動(dòng)量大小可分兩種情況：
　(1) 當(dāng)一次射流動(dòng)量通量不大時(shí)，二次空氣足夠引射，也即射流在擴(kuò)展到窯壁前，引射量不受影響。
　(2) 當(dāng)一次射流動(dòng)量通量大到一定值時(shí)，二次空氣不能滿足引射量的要求，即在射流擴(kuò)展到窯壁之前的某個(gè)位置，二次空氣被引射完畢，過剩的射流動(dòng)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)，見圖1。
　　外回流的產(chǎn)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(xué)活性基團(tuán)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(huì)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(duì)煤粉/空氣混合過程有促進(jìn)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。值得指出的另一重要方面是，適度的外回流可以防止“掃窯皮現(xiàn)象”，防止一次射流擴(kuò)展碰撞窯皮。經(jīng)驗(yàn)表明，在射流擴(kuò)展的理論碰撞點(diǎn)附近常常發(fā)生耐火襯砌磨損過快現(xiàn)象，導(dǎo)致窯運(yùn)轉(zhuǎn)周期縮短。
　　在燒低揮發(fā)分燃料時(shí)，火焰的氣體流場是非常重要的，因?yàn)榈蛽]發(fā)分燃料一般具有較高的著火點(diǎn)，加之由于揮發(fā)分含量低，燃燒所產(chǎn)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(jìn)行。確保低揮發(fā)分煤持續(xù)點(diǎn)燃的最簡便方法是增加火焰內(nèi)循環(huán)量（見圖1），使下游熾熱的燃燒產(chǎn)物回流到火焰根部以提高該處一次風(fēng)和煤粉溫度。內(nèi)循環(huán)的產(chǎn)生及其大小主要取決于燃燒器出口結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　綜上分析，噴煤管出口動(dòng)量通量和旋流強(qiáng)度是窯頭火焰設(shè)計(jì)和操作的重要參數(shù)。噴煤管出口動(dòng)量通量是射流股對(duì)來自冷卻機(jī)二次空氣引射能力的度量。過小的動(dòng)量通量將導(dǎo)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(zhì)量，甚至出現(xiàn)煤粉沉落引起結(jié)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(dòng)量通量會(huì)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(dǎo)致燃燒不完全，窯尾溫度升高。
　　噴煤管出口射流旋流強(qiáng)度主要控制著火焰形狀，因此被稱之為火焰形狀系數(shù)。隨著旋流強(qiáng)度的增加，火焰變粗、變短、可強(qiáng)化火焰對(duì)熟料的熱輻射，但過強(qiáng)的旋流會(huì)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(shù)多通道燃燒器的旋流強(qiáng)度是可在操作中調(diào)節(jié)的，但極限參數(shù)的限定是很重要的，也是必須的。