水泥窑煤粉燃烧器的技术要点

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。

从煤风与空气混合的效果看，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。

（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NOx, 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NOx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。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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（6）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a及其阻塞系数φ对s值有相当大的影响，因结构上的限制，a和φ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。

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，煤灰沉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。

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