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(xì)燃料和／或天然氣，無(wú)外加燃燒空氣的普通管子。在上世紀(jì)80年代常應(yīng)用三通道燃燒器來(lái)燃燒傳統(tǒng)的燃料(煤、天然氣、重油)(見圖1)。這種燃燒器通過(guò)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(dá)到了燃燒空氣同燃料的良好混合，氧氣進(jìn)到了火焰中心。然而，由于燃料的快速點(diǎn)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(diǎn)。
     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(lái)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(yàn)中引進(jìn)來(lái)的。兩個(gè)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(jì)和改進(jìn)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(gè)行業(yè)中確立了地位。

     
    在選擇一種合適的窯頭燃燒器時(shí)，一般應(yīng)當(dāng)記住這些準(zhǔn)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(duì)傳統(tǒng)燃料的適應(yīng)性；
    d．對(duì)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(shí)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(fèi)用和維護(hù)費(fèi)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(duì)不同燃燒器制造商在一次風(fēng)推力的引進(jìn)、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(jìn)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(guò)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(duì)風(fēng)通道的軸向位移來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。軸向風(fēng)和徑向風(fēng)是用調(diào)節(jié)器進(jìn)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(xì)長(zhǎng)的火焰，設(shè)計(jì)把重點(diǎn)放在不分散的一次風(fēng)噴出上。提供一次風(fēng)的風(fēng)機(jī)，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(jì)方案試圖達(dá)到低氮氧化物的排放。當(dāng)使用代用燃料時(shí)，一次風(fēng)率可設(shè)定高達(dá)15％，但通常設(shè)定為10％。
    c．對(duì)傳統(tǒng)燃料的適應(yīng)性



    FIS通常不主張對(duì)煤粉出口速度(在28至33rids之間)的標(biāo)準(zhǔn)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(hào)                 原理
    F．L．Smidth                Duoflex                    低NOx設(shè)計(jì)，雙空氣通道
    Greco                           Greco                       3通道燃燒器設(shè)計(jì)，雙空氣通道
    KHD Humbold Wedag   Pymjet                     3通道燃燒器設(shè)計(jì)，雙空氣通道
    Pillard                           Rotaflam                  低NOx設(shè)計(jì)，雙空氣通道
    Unitherm Cemcon         MAS                         低NOx設(shè)計(jì)，單空氣通道
    d．對(duì)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(gè)或多個(gè)代用燃料管可以使燃燒器達(dá)到高度的適應(yīng)性。不再使用通過(guò)利用單獨(dú)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(dá)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(shí)，燃燒器都能被冷卻
    燃燒器利用軸向一次風(fēng)流進(jìn)行冷卻。然而，當(dāng)要調(diào)成短熱火焰時(shí)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(shí)。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(wú)特殊的解決辦法。
    h．生產(chǎn)費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用
    如果燃燒器耐火材料損壞，整個(gè)外管都必須換掉，維護(hù)費(fèi)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(duì)燃燒器帶來(lái)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(guò)旋轉(zhuǎn)葉形鼓風(fēng)機(jī)(250-400bar)的速度控制來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的，所以火焰形狀可以通過(guò)外風(fēng)、切向風(fēng)和內(nèi)風(fēng)進(jìn)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(jìn)行改變。一次風(fēng)以各個(gè)單獨(dú)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(duì)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(duì)市售代用燃料的適應(yīng)性
    在大多數(shù)情況下，是通過(guò)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(diǎn)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(dá)4種不同類型的廢液體燃料，將它們圍繞固體廢料管對(duì)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(dá)100％的固體和液體代用燃料進(jìn)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(shí)，燃燒器能被冷卻
    燃燒器由調(diào)節(jié)火焰形狀的氣流進(jìn)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(jì)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(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用
    當(dāng)燃燒重油時(shí)，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(dá)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(guò)程中就不必要再換噴咀了。旋轉(zhuǎn)葉形鼓風(fēng)機(jī)在維護(hù)費(fèi)用上比扇風(fēng)機(jī)貴。

德國(guó)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(jìn)行調(diào)節(jié)。噴射燒咀中的壓力由旋轉(zhuǎn)活塞鼓風(fēng)機(jī)(800mbar)提供，而徑向風(fēng)由扇風(fēng)機(jī)(160mbar)提供?；鹧嫘螤羁梢酝ㄟ^(guò)分配到噴氣和徑向風(fēng)的一次風(fēng)比例進(jìn)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(jì)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(gè)單獨(dú)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(diǎn)燃后才混合進(jìn)來(lái)，以防止氧氣進(jìn)入火焰中心。
    c．對(duì)傳統(tǒng)燃料的適應(yīng)性
    對(duì)于不同等級(jí)的煤，可以藉助于補(bǔ)償器改變橫截面或通過(guò)利用旁路空氣來(lái)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(bǔ)充霧化介質(zhì)進(jìn)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(duì)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(jìn)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(dá)100％。
    f．確保在調(diào)節(jié)每一種火焰形狀時(shí)，燃燒器都能得到冷卻
    外殼和出口系統(tǒng)通常用流過(guò)環(huán)形噴口的噴射空氣進(jìn)行冷卻。對(duì)于特別惡劣的熱負(fù)荷，燃燒器可用補(bǔ)充的冷卻管進(jìn)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(jì)使燃燒器頭部的熱輻射大大降低，這就延長(zhǎng)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(xì)的煤粉對(duì)其進(jìn)入燃燒器的位置和噴煤咀的磨蝕。
    h．生產(chǎn)費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用
    由于使用旋轉(zhuǎn)活塞鼓風(fēng)機(jī)和徑向扇風(fēng)機(jī)提供一次風(fēng)而造成比較高的維護(hù)費(fèi)用被因?yàn)橐淮物L(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(lái)的較低的生產(chǎn)費(fèi)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(gè)單獨(dú)的燃燒器管相互間的軸向位移來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使一次風(fēng)壓得到最佳的利用，達(dá)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(jī)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(diǎn)還是與燃燒過(guò)程要求的最佳匹配。
    c．對(duì)傳統(tǒng)燃料的適應(yīng)性
    通過(guò)對(duì)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(jí)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(jìn)行霧化。



    d．對(duì)市售的代用燃料的適應(yīng)性
    在燃燒器中使用一個(gè)或多個(gè)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(guò)由外部引入的旋流風(fēng)進(jìn)行控制。
    e．代用燃料的替代程度
    從理論上講可以使用高達(dá)100％的代用燃料，但是一般會(huì)受到燃料組成同燃燒過(guò)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(shí)都能得到冷卻
    燃燒管通過(guò)軸向一次風(fēng)流進(jìn)行冷卻。軸向出口橫截面的合適形狀能確保無(wú)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(guò)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(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用
   為將因耐火絕熱材料意外損壞所造成的停產(chǎn)時(shí)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(gè)外套管。維護(hù)費(fèi)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(wú)級(jí)可調(diào)的。形狀是通過(guò)一次風(fēng)外通道內(nèi)靈便可調(diào)的一次風(fēng)噴咀(0 40。)進(jìn)行調(diào)節(jié)的?；鹧嬲{(diào)節(jié)不需要第二個(gè)一次風(fēng)通道。從燃燒器出來(lái)的一次風(fēng)以各個(gè)單獨(dú)的噴氣形式出現(xiàn)。其渦流可以靈便地進(jìn)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(jī)提供，其風(fēng)壓根據(jù)燃料的不同，變動(dòng)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(jì)，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(shí)，一次風(fēng)率可以在6％與12％之間。
   c．對(duì)傳統(tǒng)燃料的適用性
   對(duì)于不同品級(jí)煤粉，通過(guò)應(yīng)用補(bǔ)償器調(diào)節(jié)煤粉出口速度來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。重油用高壓霧化噴槍進(jìn)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(guò)程中拆卸掉。擁有特殊的油槍可同時(shí)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(shí)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(gè)補(bǔ)充裝置，可利用單獨(dú)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(shí)，燃燒器都能得到冷卻
    所有一次風(fēng)都通過(guò)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(shí)，可使用燒結(jié)陶瓷磚(保護(hù)性設(shè)計(jì))。
    h．生產(chǎn)費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)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(duì)燃燒器的磨耗，從而降低了后續(xù)成本。

結(jié)論

   對(duì)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(diǎn)和缺點(diǎn)。空前的代用燃料的高替代水平經(jīng)常會(huì)引起新的問(wèn)題，諸如縮短了服務(wù)壽命，提高了維護(hù)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