OCUS四通道窑用煤粉燃烧器研制和应用

第一篇：OCUS四通道窑用煤粉燃烧器研制和应用

OCUS四通道窑用煤粉燃烧器研制和应用

作者:周立秋 崔亚伟 单位:武汉理工大学

窑用煤粉燃烧器作为水泥回转窑烧成系统的一个重要组成部分，不 仅对优化操作和稳定运转起着重要作用，且对降低燃料消耗、提高熟料产质量、减少有害气体排放都有显著影响。近年来我国水泥行业对进口燃烧器进行了大量消 化、吸收和再创造方面的工作，技术上有了长足的进步。1998年武汉工业大学将“新型干法水泥生产的工程理论及关键技术研究”列为“211工程”建设项 目，投资建设了大型窑用燃烧器冷态试验台架和计算机数值模拟系统，在较短的时间研制开发出OCUS系列四通道窑用煤粉燃烧器并投入工业应用，收到良好效 益。OCUS燃烧器基本结构

针对国内众多厂家在三通道煤粉燃烧器使用实践中遇到的各类问题。我们借鉴国外先进燃烧器产品的设计思想，通过大量冷态试验确定了OCUS燃烧器的喷嘴结构，见图1，由内向外，依次是中心风、旋流风、煤风、直流风通道，还可根据用户要求在中心风通道内装设点火油枪。

图1 OCUS燃烧器的喷嘴结构

中心风通过中心稳焰板边缘分布的小孔流出，流量约为总燃烧空气量的0.3%～0.5%，其作用是调整射流中心回流区的负压改变头部高温区的位置及大小。

旋流风通道采用长螺旋叶片轴流式旋流器，其特有的结构不但可降低气动阻力，且能产生足够的旋流强度。

理论和实践都证明，除中心圆盘稳焰器的尾迹效应有助于形成内部回流区外，旋流风出口的几何形状对射流中各速度方量及内部回流区的位置也将产生重要作用，见图2，在相同的旋流强度条件下，采用扩张型延伸口可使轴向速度的径向分布距离、逆向回流的质量流量以及回流区的尺寸增加。为此OCUS燃烧器旋流风通道 的内外套管都采用了轴向伸缩结构，可视工况需要实时调节，使喷口产生扩张延伸效果。冷态试验和热态运行实践证明，这种调节手段对控制火焰形状极为有效。

图2 相同旋流强度不同几何形状 喷管射流轴向速度的径向分布

提高直流外风的出口动量改善喷射流型，OCUS燃烧器直流风通道喷口安装了12～16个周向分布的喷嘴，其特殊的线型设计和加工精度可使喷气流刚劲有力且能量损失小，此外直流风通道外部还设有一略向前伸的套管，以避免火焰过早发散，同时保护喷嘴头部结构。

从整体上看OCUS燃烧器不仅结构严谨、外形美观，堪与进口产品媲美，且坚固耐用，调节手段丰富灵便，支承装置定位准确可靠，总体性能达到国外同类产品水平。OCUS燃烧器的推力

燃烧器一次空气质量流量m(kg/s)与其喷出速度v(m/s)的乘积称为燃烧器的推力M(N)，M＝m．v(N)。

燃烧过程中二次热风与煤粉的混合速率以及煤粉的燃烧速度均随燃烧器推力的增加而提高，但过大的推力也会产生负面效应。丹麦FLS公司提出可以用“相对动量”来表征燃烧器的推力，其定义为一次空气量百分数(注：此处所谈一次风不包括煤风)与喷出速度的乘积(%．m/s)。FSL公司认为欲获得最佳燃烧条

．件，相对动量的取值范围应在1 200～1 500(%m/s)内。

国际火焰基金(IFRF)资助的欧洲CEMEFLAME集团的研究成果认为单位热能燃烧器推力以3～7 N/MW为最佳。

由上易见，若限定推力或相对动量的取值范围，要降低一次风量必须提高一次风速。根据前述推荐值，可以大致推算出一次风量5%～7%所对应的一次风出口平均风速为190～240 m/s左右。目前国内大多数三通道燃烧器的速度未达到此值。

OCUS燃烧器一次风速取值范围是直流外风160～250 m/s，约为总风量的3%，旋流内风120～245 m/s约为总风量的2.5%，煤风20～35 m/s约为总风量2.4%，基本符合前述要求。其工业应用的效果也证实提高一次风出口动量确能有效降低一次风量。OCUS燃烧器的旋流强度

旋流强度是影响火焰形状的要素，当射流中心的旋流强度增大到某一值时会在射流中心部建立起一个具有环形旋涡形状的回流区，火焰稳定性以及燃烧强度等火焰参数均依赖于旋涡的尺寸和强度。

通常用旋流数S描述旋流强度，S≥0.6的情况称为强旋流，射流内部可以产生回流区。对多通道燃烧器常用的轴流式旋流器(图3)而言其出口气流

角动量

线动量

旋流数 S＝GΦ／GXR，．

图3 轴流式旋流器

式中U，W分别是气流的轴向速度和切向速度，P是气流静压，ρ是气体密度。如果忽视静压项，且假定轴向速度均匀分布，则旋流数将以良好的近似程度由下式给出：

式中φ是考虑叶片厚度所占通道面积的阻塞系数，α是叶片安装角度。由此可见，确定旋流器的旋流数不仅要考虑叶片角度，旋流通道半径比Rh/R及阻塞系数φ也都是不能忽视的因素。我们的冷态试验证实了上述论断，且试验值与该式计算值基本吻合。

多通道燃烧器的喷射气流属组合射流，总的旋流强度相当于各通道射流旋流强度的加权平均，因而调节内外风比例可以改变旋流强度。当旋流强度增加时射流束各速度分量沿轴线方向衰减量增大，射程变短，扩散角增大，相应的火焰形状粗短，反之则火焰形状细长。

工业应用条件下常以中心负压值度量旋流强度。有文献指出，中心负压值达到12 mbar，热烟气将回流到火焰起始处起稳定燃烧作用。但负压值与旋流数之间理论上的定量关系尚未见文献报道，目前所见多为经验值。德国洪堡Pyro-Jet燃烧器推荐的典型工况负压值是6 mbar，此值似稍偏低。有专家认为，煤粉火焰的稳定性难以用旋流强度理论作普遍解释，有些场合大旋流强度下煤粉火焰反而不如小旋流强度下稳定。基于上述 我们将OCUS燃烧器中心负压值调节范围定为0～20 mbar，除蝶阀调节外，还可采用喷管轴向伸缩调节，实践证明这两种方式结合改变火焰形状极为灵便。4 关于NOx排放及低挥发分燃料

回转窑燃烧过程中产生的NOx可分“燃料NOx”和“高温NOx”。前者是燃料中氮在挥发分燃烧阶段形成的。生成量与环境氧浓度有关。后者则由助燃空气中氮在高温条件下氧化形成，其反应所需的活性氧原子来源于氧分子高温裂解，但高温NOx的形成反应是一可逆过程，如高温烟气缓慢冷却NOx会重新分解为氮和氧。OCUS燃烧器降低了一次空气用量，且挥发分燃烧主要发生在高温烟气回流区附近，氧浓低故而能有效抑制燃料NOx的发生。另一方面OCUS燃烧器能有效防止局部高温现象，沿窑长的温度分部曲线较之老式燃烧器更为平缓，对减少高温NOx的发生也有明显作用。

燃烧低挥发分燃料的主要问题是着火温度高、燃烧速度慢、燃尽时间长，解决这一问题可以从提高燃料细度，增加燃烧器推力，提高二次风温三方面加以解决。根据有关经验参数，煤粉的控制细度应随挥发分百分含量(V)而定，即R0.09 mm=（0.5～

0．75）V，式中R0.09 mm是0.09 mm筛余。至于燃烧器推力，OCUS燃烧器在设计时已经予以考虑，必要时还可根据情况更换喷嘴，因此，对采用新型冷却机的窑系统而言，燃烧无烟煤不会成为问题。工业应用情况

本产品已在河南三门峡水泥厂600 t/d预热器窑上使用，尽管该厂某些现有相关装备条件不够理想，如喂煤系统无计量装置，下煤不稳定，时断时续，冷却机是单筒型式，二次风温偏低，煤质也有波动等，但窑上的运行效果成功地验证了所有设计指标，生产状况有较大改观，主要特点可归纳如下：

熟料质量有所提高，工艺事故减少。

调节火焰灵便，火焰伸缩自如。

点火升温快捷，挂窑皮顺序且窑皮规整均匀。

增产效益明显，点火三天，班进窑生料264 t，超过该窑历史最高记录254 t/班，且熟料质量提高了。

燃烧器系统阻力小且一次风量较原有的三通道燃烧降低10%～20％，窑头风机较过去有相当大的富余能力。

目前，本产品已在武汉正源环保科技公司形成产业化生产能力；且该公司已与云南省建材研究院及建材集团达成初步协议，拟将该产品指定为该省300 t/d和达600 t/d窑型的标准燃烧装备。结束语

我国大批中小水泥厂燃烧技术装备还比较落后，许多地区缺乏优质的燃煤资源。因而新型窑用燃烧器的开发及应用已经成为水泥行业技术创新的重要环节。OCUS燃烧器能够在控制并且降低NOx排放量的前提下，实现强化燃烧提高窑的热效率，其高推力、低一次风量的技术性能已经在生产实践中得到验证，可适用于任何窑型。但作为一项新型产品其生产实践尚少，暂时不能提供更多的使用数据。作者单位：周立秋 崔亚伟 武汉工业大学(430070)参考文献 1 Jacques Pizant,Jean clandeGauthier.Burrring alternative fuels in rotary kilns.World Cement，1997;(9)2 E.Steinbi β.Multi-jet burner for the special requirements of pulverized coal firing.ZKG，1982;(5)3 J.M比埃尔，N.A切给尔著.燃烧空气动力学.科学出版社，1979 4 S.Hundebol & P Rosholm.Combustion of anthracite and Petroleum coke in cement kiln systems.Proceedings of 3rd BISCC，1993;(3):245 5 朱祖培.水泥窑燃烧技术进展.水泥，1994;(10)6 岑可发，樊建人.工程气固多相流的理论及计算.浙江大学出版社，1990;(3)来源:新世纪水泥导报