回转窑用燃烧器

回转窑用燃烧器

引言

燃烧技术，由于它对熟料质量有着决定性的影响，所以它是水泥制造过程敏感的区域之一。燃烧器技术进展从使用一根普通管子这种非常简单的喷射系统开始，延续到现代的多燃料、多通道、低NOx燃烧器。在这个技术发展过程中燃烧器制造者的任务有了很大的变化。特别是替代燃料的使用对燃烧器的设计有着持久的影响。本报告试图为用户特定的应用选择合适的燃烧系统时提供一些帮助。

历史

第一代回转窑燃烧器是喷射磨细燃料和／或天然气，无外加燃烧空气的普通管子。在上世纪80年代常应用三通道燃烧器来燃烧传统的燃料(煤、天然气、重油)(见图1)。这种燃烧器通过外层轴向一次风通道和燃料通道里的径向一次风通道之间的一次风的分布，使火焰得到较好的调节。这样达到了燃烧空气同燃料的良好混合，氧气进到了火焰中心。然而，由于燃料的快速点燃，伴随着高的火焰温度(这是藉助于火焰中心的供氧)，排放出大量的氮氧化物，这是这种燃烧器的缺点。

由于污染物排放限值的不断降低和降低单位热耗要求的提出，尽可能降低一次风需求量的任务被提出来了。这一发展造成了低氮氧化物燃烧器的产生，它们部分地也是从使用锅炉燃烧器技术的经验中引进来的。两个一次风通道(轴向风和径向风)被布置在供燃料通道外边，一次风的总量减少到4％-6％(图2)。

选择合适的窑头燃烧器

现在的窑头燃烧器主要都是按照燃烧煤／石油焦炭和其它替代燃料设计和改进的。有些制造厂家(表1)生产的燃烧器有很多不同的喷咀系统，他们已经在这个行业中确立了地位。

表1 不同制造商(按字顺排列)生产的燃烧器

在选择一种合适的窑头燃烧器时，一般应当记住这些准则：

a．火焰形状的可调节性应适应窑的生产和燃料的种类；

b．氮氧化物的排放行为；

c．对传统燃料的适应性；

d．对市售代用燃料的适应性；

e．代用燃料的替代程度；

f．确保在每种火焰形状调节时燃烧器都能得到冷却；

g．燃烧器在耐火绝热材料和磨蚀方面的可靠性；

h．生产费用和维护费用。

目前，现代燃烧器系统正清晰地向着研发高推力的燃烧器方向发展。这主要是受一次风出口的几何形状的影响。以下将对不同燃烧器制造商在一次风推力的引进、火焰的调节和在燃烧器中烧不同的代用燃料的喷射系统进行比较。

F．L_史密斯(FLS)Duoflex燃烧器(图3)

a．火焰形状的可调节性

火焰形状是通过传统一次风(轴向风和径向风)的供风量和中心管(包括煤粉通道)相对风通道的轴向位移来进行调节的。轴向风和径向风是用调节器进行调节的。所有两股气流(轴向风和径向风)在它们离开燃烧器之前混合在一起，并以一股混合的一次风流从环形一次风喷咀喷出。为了产生一支细长的火焰，设计把重点放在不分散的一次风喷出上。提供一次风的风机，其额定压力通常至少为2 50mbar。

b．关于氮氧化物的排放行为

低氮氧化物设计方案试图达到低氮氧化物的排放。当使用代用燃料时，一次风率可设定高达15％，但通常设定为10％。

c．对传统燃料的适应性

FIS通常不主张对煤粉出口速度(在28至33rids之间)的标准设定作任何改变，尽管能够产出较高的速度。

d．对市售代用燃料的适应性

考虑到煤粉颗粒大小和输送风速，在燃烧器中使用一个或多个代用燃料管可以使燃烧器达到高度的适应性。不再使用通过利用单独的气力涡流途径控制固体代用燃料烧尽的装置。

e．代用燃料的替代程度

目的是达到液体和固体代用燃料80％至100％的代用率。

f．确保在每一种火焰形状调节时，燃烧器都能被冷却

燃烧器利用轴向一次风流进行冷却。然而，当要调成短热火焰时它受到削弱。

g．燃烧器在耐火材料绝热和磨蚀方面的可靠性。

采用普通耐火材料绝热。在喷咀区绝热层非常厚实。在处理由于化学、热力或磨蚀作用产生的加重磨损方面尚无特殊的解决办法。

h．生产费用和维护费用

如果燃烧器耐火材料损坏，整个外管都必须换掉，维护费用处于通常范围之内。旋流风管能支撑燃烧器，所以如果耐火材料脱落也能避免对燃烧器带来整体的破坏。

GREC0燃烧器(图4)

a．火焰形状的可调节性

由于一次风是通过旋转叶形鼓风机(250-400bar)的速度控制来进行调节的，所以火焰形状可以通过外风、切向风和内风进行调节。所有的风通道都拥有刚性的开口。调节火焰形状的各种一次风参数可以根据具体情况进行改变。一次

风以各个单独气流的形式从燃烧器喷出，它们参与燃烧并促使热二次风很快混入火焰。切向风和内风分布在煤粉通道内。外风和内风只是轴向风组成部分。

b．关于氮氧化物的排放行为

低氮氧化物型燃烧器，由于直接引入火焰中心的空气较少，所以其氮氧化物排放量要比普通Greco燃烧器的少。烧代用燃料的燃烧器，一次风的比例是1 0％至12％(包括传统和代用燃料的输送用风)。

c．对传统燃烧的适应性

各种燃料均同轴加入。不管煤的加入量多大，煤粉的喷射速度都是恒定的。

d．对市售代用燃料的适应性

在大多数情况下，是通过在燃烧器中心的代用燃料管这种同轴结构才能应用代用燃料。各种不同类型的代用固体燃料在输送线起点被混合。如果必需，可给燃烧器装上第二条管子。也可以使用多达4种不同类型的废液体燃料，将它们围绕固体废料管对称地喷射出去。

e．代用燃料的替代程度

燃烧器可以使用多达100％的固体和液体代用燃料进行操作。选用的燃料品种取决于燃料混合物的热值和代用燃料的烧尽情况。

f．确保在每种火焰形状调节时，燃烧器能被冷却

燃烧器由调节火焰形状的气流进行冷却，因此不需要专门的冷却空气通道。

g．燃烧器在耐火材料绝热和磨蚀方面的可靠性

可以使用普通耐火材料绝热。也可以使用各种不同类型的耐火材料。耐火材料可设计成特殊的几何形状，以降低由磨蚀作用造成的磨耗。

h．生产费用和维护费用

当燃烧重油时，需要使用额外的雾化介质。这样可以在较低的燃料压力和温度下达到安全生产。此外，能很好地控制燃料供料速度，这样在操作过程中就不必要再换喷咀了。旋转叶形鼓风机在维护费用上比扇风机贵。

德国洪堡公司KHD Pyro—Jet喷射燃烧器(图5)

a．火焰形状的可调节性

火焰形状利用喷气通道和径向风通道进行调节。喷射烧咀中的压力由旋转活塞鼓风机(800mbar)提供，而径向风由扇风机(160mbar)提供。火焰形状可以通过分配到喷气和径向风的一次风比例进行变化。喷气喷咀相互平行排列。径向风通道装在煤粉通道内。

本设计的火焰形状调节是藉助于少量的一次风(4％至6％)和以各个单独气流的形式出现的高速喷射空气。

b．氮氧化物的排放行为

由于一次风率低，故而氮氧化物的排放水平亦低。二次风仅在燃料点燃后才混合进来，以防止氧气进入火焰中心。

c．对传统燃料的适应性

对于不同等级的煤，可以藉助于补偿器改变横截面或通过利用旁路空气来调节煤粉出口速度。油是用普通的方法，在高压下不加补充雾化介质进行喷射的，而天然气的供应方法同喷射空气的方法一样。

d．对市售的代用燃料的适应性

代用燃料可以利用插在燃烧器中心的管子进行喷射。

e．代用燃料的替代程度

固态和液态代用燃料的替代率可高达100％。

f．确保在调节每一种火焰形状时，燃烧器都能得到冷却

外壳和出口系统通常用流过环形喷口的喷射空气进行冷却。对于特别恶劣的热负荷，燃烧器可用补充的冷却管进行冷却。

g．燃烧器在耐火材料绝热和磨蚀方面的可靠性

由于喷射空气出口系统的紧凑设计使燃烧器头部的热辐射大大降低，这就延长了绝热耐火材料的服务寿命。陶瓷涂层提供了可靠的防磨蚀功能，以防止磨细的煤粉对其进入燃烧器的位置和喷煤咀的磨蚀。

h．生产费用和维护费用

由于使用旋转活塞鼓风机和径向扇风机提供一次风而造成比较高的维护费用被因为一次风的百分比较小，仅约4％(用于空气压缩和熟料生产用的能源较少)所带来的较低的生产费用所抵偿。

PilIard RotafIam燃烧器(图6)

a．火焰形状的可调节性

一次风的轴向和径向组分以及火焰形状由各个单独的燃烧器管相互间的轴向位移来进行调节，以使一次风压得到最佳的利用，达到最大的出口推力。在烘窑期，可以使用节流阀降低一次风量。燃烧器由径向扇风机供风，其压力范围根据燃料的不同在200至310mbar之间。

b．关于氮氧化物的排放行为

根据本燃烧器取得专利的通道结构配置，它也能以低氮氧化物方式操作。然而其主要的着重点还是与燃烧过程要求的最佳匹配。

c．对传统燃料的适应性

通过对喷出系统组件的轴向位移调节煤粉出口速度，使燃烧器能够广泛使用不同品级的煤粉。重油采用双通道高压雾化器，在特殊情况下采用压缩空气进行雾化。

d．对市售的代用燃料的适应性

在燃烧器中使用一个或多个代用燃料管能提供高度的适应性。大多数固体代用燃料的烧尽特性可以通过由外部引入的旋流风进行控制。

e．代用燃料的替代程度

从理论上讲可以使用高达100％的代用燃料，但是一般会受到燃料组成同燃烧过程化学作用间相互作用的限制。

f．确保燃烧器在调节每种火焰形状时都能得到冷却

燃烧管通过轴向一次风流进行冷却。轴向出口横截面的合适形状能确保无论是怎样的配置都只需最低的冷却空气量。

g．燃烧器在耐火材料绝热和磨蚀方面的可靠性

耐火材料覆面的服务寿命通过采用成熟的材料及特殊的锚固和制备技术予以最佳化。

h．生产费用和维护费用

为将因耐火绝热材料意外损坏所造成的停产时间降低到最小程度，通常建议操作者备好一支完全包覆好的外套管。如果出现耐火材料损坏，可更换整个外套管。维护费用在一

Unitherm M．A．S燃烧器(图7)

a．火焰形状的可调节性

取得专利权的火焰形状的调节方法是无级可调的。形状是通过一次风外通道内灵便可调的一次风喷咀(0 40。)进行调节的。火焰调节不需要第二个一次风通道。从燃烧器出来的一次风以各个单独的喷气形式出现。其涡流可以灵便地进行调节以适应窑炉作业的需要。不管火焰具有什么形状，燃烧器的推力保持不变。一次风由扇风机提供，其风压根据燃料的不同，变动在160至250mbar的范围内。

b．关于氮氧化物排放的排放行为

由于是低氮氧化物结构设计，也可能是由于一次风呈喷射形式，故而氮氧化物的排放趋低。在使用代用燃料时，一次风率可以在6％与12％之间。

c．对传统燃料的适用性

对于不同品级煤粉，通过应用补偿器调节煤粉出口速度来进行调节。重油用高压雾化喷枪进行雾化。

d．代用燃料的适应性

在燃烧器中使用一支或多支代用燃料管能形成高度的适应性。一支或多支代用燃料管都可在操作过程中拆卸掉。拥有特殊的油枪可同时燃烧两种不同的液体代用燃料。

e．代用燃料的替代程度

目的是实现80％至100％的液态和固态代用燃料的替代率。设有一个补充装置，可利用单独的气力涡流能量调控固体代用燃料的燃尽情况。

f确保在调节每种火焰形状时，燃烧器都能得到冷却

所有一次风都通过外部管道流出，能确保燃烧器被很好地冷却，甚至是短火焰调节也能如此。

g．燃烧器在耐火材料绝热和磨蚀方面的可靠性

使用普通的耐火材料绝热。如果由于化学、热力或磨蚀效应使磨耗加剧时，可使用烧结陶瓷砖(保护性设计)。

h．生产费用和维护费用

如果燃烧器出现耐火材料损坏，只需更换外套管的前部。使用陶瓷砖或复合材料减少了燃料磨蚀性对燃烧器的磨耗，从而降低了后续成本。

随着水泥生产技术的发展，窑的单机产量增大以及适应煤质的变化，近年来国内部分水泥设备制造公司对于喷煤管的结构作了大量的开发与研究工作，取得了卓有成效的成果。目前国内生产煤粉燃烧器的企业有10余家，主要分布在郑州、武汉、天津、南京、杭州等地。喷煤管在不断更新换代，已由过去单风道，发展到双风道、三风道、四风道。以前燃烧器生产过程中国家没有统一的要求和规范，去年4月1日，《水泥工业用煤粉燃烧器技术条件（JC/T938-2004）》开始实施，对生产条件、部件的材质、使用寿命都提出了明确的要求，为喷煤管质量和性能提供了保证。目前市场上的喷煤管，国外与国产在其原理上没太大的区别，国产设备性能完全可以与进口的相比，它已经成为水泥企业特别是中小水泥企业实施节能技改的重要设备。

只有掌握了各种喷煤管的特性，才能根据具体条件，因地制宜选择适用的喷煤管。选用原则有三：其一，根据环保要求选；其二，根据原燃料条件选；其三，根据投资条件及全窑系统设备状况选。要重点考察喷煤管以下的技术性能，1. 适应各类煤种，可烧低劣质煤，无烟煤；2.燃烧器的热端使用寿命长；3.燃烧器下煤部位耐磨损；4.燃烧器材质好，重量轻不易变形；5.一次风率低；6.一次风推动力大；7.煤风比例高；8.风量调节灵活方便；9.火焰稳定完整，不偏不散、集中有力；10.无机械和化学不完全燃烧；11.煤粉快速有效燃烧，煅烧熟料质量好；12.节煤、节电、低NOX。

下面请看国产部分主流喷煤管的各自特性……

HJGX四风道煤粉燃烧器由郑州奥通热力工程

有限公司制造。该燃烧器的四个风道不包括中心风，

由外向里依次是：外旋流风、煤风、内直流风、内旋

流风，最里边是点火油枪输油管道不作为风道使用。

外旋流风口上均匀分布的可调锲型块，能灵活调整出

风截面积，并形成多股离散，保证外旋风的速度及穿

透力；内直流风的阀门和内旋流的出风面积调整，用于改变喷射角度，有效控制火焰长度。HJGX燃烧器头部采用分段结构，用优质耐热钢精加工制作，可拆卸长度在( 根据不同型号)6 0mm~80mm 之间，此结构更换方便，导热性能降低, 使用寿命延长(整体设备8 年，保质期2年)。对于挥发分≥5%，发热量18 000kJ/kg左右劣质煤都能适应，燃烧器的供煤量1.5~16t/h，相应的熟料配套能力700t~10000t/d，该燃烧器操作方便,各风道阀门及出风面积，可与中控系统连接，完全实现自动化控制。HJGX型燃烧器的一次风量(包括煤风)占

总量的7%以下，由于一次风量低，操作灵活，强化煅烧，产质量稳定，已在多家水泥企业经过实用比较，成本都有明显降低。

EPIC四风道煤粉燃烧器由武汉理工大学硅酸盐工程中心燃烧器研究所制造。该燃烧器端部结构由外向里依次是轴流风（直

流风）煤风、旋流风、中心风风道。中心内还可装

设点火油枪。轴流风风道是12~16个径向均布的喷

咀，旋流风道内外套管配置轴向伸缩结构。中心园

盘稳焰器分布有等直径的小孔。燃烧器端部设有拢焰

罩，燃烧器头部及喷咀的材质采用耐热钢，尾部煤

粉进入部位使用特殊的耐磨喷涂陶瓷。

EPIC 燃烧器可在各类型水泥回转窑燃烧低挥发分煤或无烟煤，与水泥窑的熟料产量配套能力为170~5000t/d，煤烧量2.3~17t/h，产品规格达16种之多。EPIC燃烧器一次风率5~7%，相对动量为1200~1 500%·m/s，煤风速度20~35m/s。燃烧器调节方便灵活，内外风的不同比例及出口的喷射流可在总风量不变的情况下大范围无级调整，可获得适应任意工况火焰形状，且火焰稳定，不扫窑皮。使用EPIC燃烧器节煤效果显著，NOX排放量降幅可达

20~30%。烟气排放达到国家环保排放标准。燃烧器在1100℃高温下使用寿命超过两年。

HP强涡流型四风通道燃烧器由合肥水泥

研究设计院制造。该燃烧器头部结构由外向里

排列着轴流风（外流风）煤风、内流风（涡流

风）、中心风道。轴流风管端部非环缝结构，

而是均匀分布各自分开，排成一环的喷咀口。

内流风道出口装有可更换的角度不同的旋流

器，中心风由中心风道的小孔喷出，燃烧器最

外层风管上装有膨胀节，煤粉入口配置金属及

非金属双层耐磨保护材料。HP燃烧器在各类水

泥回转窑上使用烟煤半无烟煤、无烟煤、褐煤

煅烧熟料。相应的配套能力为3 000t/d熟料，

（设计超过300t/d）。烧煤量1.0t/h 到

10.0t/h。HP燃烧器一次风率7~9%,相对能

量,1 200~1 400%·m/s,在风速度22~35m/s。燃烧器的结构非常利于火焰形状的调节、灵活方便提温快。火焰完整不跑偏，耐火砖寿命长。实践证明，使用HP燃烧器可降低NOX 15~30% 节煤、节电分别为3~10%和3~10%。

燃烧器可使用在小于或等于海拔4 000m的环境中，热端寿命超过3年，煤粉进口段寿命3~5年。

NC型四风道煤粉燃烧器由南京建安机械制造有限公司制造。该燃烧器端部结构由外向里依次排列轴流风、煤风、旋流风、中心风风道。轴流风风道采用均匀分布的喷嘴、喷孔或矩形口，旋风风道非环缝结构，中心风道一般为有序的孔板小口。燃烧器头部采用耐热钢材质，尾部煤粉进口部位用渗碳钢加耐磨陶瓷。NC燃烧器能够使用不同地区各类水泥回转窑上，可使用挥发分大于5%，灰分小于38%，低位热值4200kcal/kg（4 200 ×4.18kJ/kg）以下的劣质煤或无烟煤燃烧水泥熟料。配套熟料产量能力为5 000t/d及以下各种产能。规格达10种之多。NC燃烧器的一次风率为8%，一次风相对动量约为1

200~1 500%·m/s, 煤风速为20~40m/s。煤风

与一次风及二次风迅速充分混合，煤粉可以很快升温、

着火及燃烬。燃烧器的调节简便灵活，火焰活泼有力，

有利于提高熟料产量、质量，同时火焰完整不偏不散，

形成的窑皮均匀。燃烧器燃烧效率高，几乎不产生CO，

NOX的排放低，低于国家的排放标准。

TJB旋流式四风道煤粉燃烧器由天津市博纳建材高科技研究所制造。该燃烧器端部结构由外向里分别为轴流风（外风）、煤风、旋流风（内风），中心风风道，并设有油枪通道。外风道的喷出口是通过以螺纹连接好的16个小喷咀，在火焰稳定器园盘上均布中心风喷出的板孔。最外层套管上设有拢焰罩。燃烧器前端风道采用耐热钢材质制造。尾部煤粉进口段配置耐磨材料。TJB燃烧器可烧劣质煤、低挥发份煤、无烟煤和替代燃料，对燃料的适应性强，在回转窑中燃烧上述燃料煅烧水泥的配套熟料产量可达 4 000t/d。燃烧器不仅适用于各类水泥回转窑并能在其他行业的回转窑上使用。TJB燃烧器一次风率在8%以下，相对动量可达1 250~1 850%·m/s。燃烧器调节范围大，操作简单方便。火焰形状规整有力，活泼适宜，不伤窑皮。使用该燃烧器可取得很好的效益，节煤3~10%。节电2~10%。熟料增产3~15%。NOX降低30%。

结论

对合适的燃烧器系统的选择，主要取决于窑炉的特定应用条件。所列不同制造厂商的燃烧器系统，每一种都遵循了它们自己的战略，有着他们自己相应的优点和缺点。空前的代用燃料的高替代水平经常会引起新的问题，诸如缩短了服务寿命，提高了维护成本，不少情况下使窑炉作业更加复杂化了。