浅谈新型干法水泥窑用喷煤管

　　前　言

　　众所周知窑况对于熟料烧成至关重要，而影响窑况的重要因素就是煤粉燃烧器的好坏。正因为煤粉燃烧器的对烧成系统的产量大小、质量好坏、能耗高低、耐耐火砖寿命长短和有害气体排放多少等却举足轻重，才引起了国内外水泥行业的特别关注。随着水泥工业规模的快速扩大以及环保标准的不断提高，国内外水泥厂都在思考如何在提高生产质量的同时，降低生产成本，以保持在市场中的竞争力。煤和电是水泥生产过程中主要的能源耗损，其中部分地区煤耗成本占了总成本的一半以上，减少煤耗将明显降低生产成本，从而提高经济效益。燃烧器是水泥生产中主要的用煤设备，所以正确选择燃烧器不仅可以降低煤的用量而且可以省电和减少NOx等有害气体，同时也有助于熟料产﹑质量的提高。燃烧器不仅仅是烧成系统的热源提供者，它还是一个节能设备，同时又是一个环保设备。由此可见，提高对燃烧器的认识至关重要。只有充分地了解了它的发展趋势和特点，才能够达到正确选择的目的。这样不仅对本企业经济效益的增长会有显着的作用，而且对节省建设资金、提高水泥装备的国产化率，发展友好型、生态型、环保型绿色水泥工业和实现可持续发展的循环经济均具有极为重要的意义。本文简单阐述了国内外燃烧器的发展，希望对水泥企业燃烧器选型和技术改进有一定的帮助。

　　1 回转窑煤粉燃烧器的发展

　　1.1 煤粉燃烧器的历史

　　在工业窑炉中，水泥回转窑最早是烧煤粉的，而动力蒸汽锅炉到20世纪20年代才开始使用煤粉为燃料。可是对水泥回转窑煤粉燃烧器及火焰的研究却远不如对锅炉研究的那样充分和深人，导致在上个世纪70年代以前水泥回转窑一直都使用十分落后的单风道煤粉燃烧器，持续时间近百年。第一代回转窑燃烧器是喷射磨细燃料或天然气，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)。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，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％。随着社会的发展和技术不断创新和提高，这种单风道煤粉燃烧器越来越跟不上大型窑炉的发展，最终消失在人们的视线，被社会所淘汰。

　　1.2 煤粉燃烧器的现状

　　煤与石油和天然气相比是最便宜的燃料。在20世纪70年代石油危机后，国内外的回转窑所用燃料基本上都改为煤，显然对煤粉燃烧和火焰的研究具有很大意义。可是，以前在很漫长的一段时间里却未被重视，只有近年来由于烧廉价燃料可以大幅度降低水泥生产成本，扩大资源利用，对环保提出了更严格的要求，降低NOx的排放已刻不容缓，这才引起了人们的关注。

　　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，重量越重，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其通道分为外轴流风、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。

　　欧洲国际火焰研究基金会直接资助对水泥回转窑内煤粉和石油焦的燃烧及其火焰开展了研究工作，使回转窑煤粉燃烧器很快由单风道发展到双风道、三风道、四风道甚至烧两种以上燃料的五风道。理论研究和生产实践均证明，风道越多性能越好，可是结构就越复杂，重量越重，价格也越高，在使用时还越容易弯曲。真正的四风道，其一次风(包括煤风)已可降低到8%以下。曾有人试图研究不用一次风，结果是不行的。这就是说，利用增加风道的高昂代价来换取性能的微小改善，得不偿失。可见在烧单一燃料的条件下，旋流式四风道是当前最先进的回转窑煤粉燃烧器，由欧洲几家大型水泥机械制造公司首先开发出来，我国于1997年也正式投入了生产应用（见表1）。旋流式四风道的使用厂家愈来愈多，其使用效果比三风道更好，不仅可以烧优质烟煤，而且可以烧低质煤或称低活性煤(包括劣质煤、低挥发份煤、无烟煤等)和废燃料，四风道煤粉燃烧器的优越性被愈来愈多的人所认识和青睐，所以在我国发展比较快。

　　表1 旋流式四风道煤粉燃烧器的国内开发情况

　　1.3 煤粉燃烧器的发展趋势

　　煤粉燃烧系统是水泥熟料燃烧生产线的热能提供装置，主要用于回转窑及分解炉内的煤粉燃烧。当水泥窑内温度加热到800℃以上时，开始启用燃烧器燃煤系统，此时，煤粉输送空气携带煤粉从煤风通道喷出，在输送过程中实现风、煤的混合。同时，位于煤风道外层的轴流风道、旋流风道及位于煤风道内层的中心风道同时喷出具有不同风速的轴流风、旋流风和中心风。实际生产中，调节中心风和旋流风的强度变化比例关系，可调整和控制中心回流烟气流的强弱，将煤粉气流压缩在一个薄层，使之在内外两个方向上同时被中心风和旋流风引起的烟气回流扰动分散，形成浓淡相对分离状态，达到离开燃烧器后的第一次风煤混合。在旋流风迅速衰减后，煤风道中喷出的含半焦煤粉的气流继续与外层高速轴流风及轴流风携带的卷吸气流—高温二次风进行进一步的风、煤的混合，已被良好预热的煤粉气流和高温二次风的混合保证了煤粉的充分燃烧。燃烧器利用不同风道层间射流强度的变化可以控制在煤粉燃烧不同阶段燃烧用空气的加入量，确保煤粉燃烧在低而平均的过剩系数条件下进行完全燃烧，有效的控制一次风用风量，同时也减少了有害气体氮氧化物的产生。

　　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、低挥发份煤、无烟煤、石油焦、煤页岩、废轮胎和生活垃圾等。甚至烧两种以上燃料的五风道，燃烧器将向着最优化及CO和NOx排放量最低的方向发展。

　　我国目前水泥回转窑的NOx排放量大都超过1%，高的超过2%，而一些先进国家已控制在0.02%～0.04%以下。燃烧过程中NOx排放分三种类型，即热力NOx排放、燃料NOx排放和催化NOx排放。由于窑头火焰温度高达1800℃左右，热力NOx排放占主要地位（当燃料中含有碳氢化合物时，会在较低温度下出现催化NOx排放）。减少窑头NOx排放的主要途径在于一方面应尽量降低火焰的峰值温度，避免局部高温，这往往和强化燃烧概念相矛盾，需要对火焰各阶段的二次风混合速率进行控制；另一方面应控制局部氧浓度，特别是对燃烧器出口至着火这一阶段的氧浓度控制。高挥发份烟煤、中等挥发份烟煤和石油焦的着火温度依次升高，在相同受限射流火焰中，三者距燃烧器出口的着火距离依次是石油焦>中等挥发份烟煤>高挥发份烟煤，其NOx排放量大小依次是石油焦>中等挥发份烟煤>高挥发份烟煤 。

　　劣质煤再生燃料的应用及各种工业有毒废料的处理再生燃料的范围十分广泛，如废旧塑料、轮胎、废木屑、各种工业可燃废料废液、城市生活垃圾等。国外多数公司开发的水泥窑燃烧器都有多种燃料混烧的功能，可根据燃料品质情况混烧劣质煤和再生燃料。水泥窑火焰燃烧温度高、停留时间长，加之水泥熟料质量对各种燃烬物的影响并不十分敏感，这就为繁多的工业和生活垃圾甚至各种有毒废料的处理提供了理想条件。目前有许多城市已开始实施城市垃圾分类措施，因而可以预计，今后的几年内水泥窑处理各种工业和生活垃圾将成为水泥窑燃烧技术发展热点。

　　对于回转窑煤粉燃烧器的目前研究，正在研发一种能够和煤粉混合的高效催化剂，能够让煤粉充分燃烧（尤其是一些劣质燃料和一些城市垃圾）并且能够降低有害物资的排放，现代燃烧器系统正清晰地向着研发高效、节能、环保型燃烧器的方向发展。

　　2 回转窑对煤粉燃烧器的要求

　　2.1 对多通道煤粉燃烧器的要求

　　一般而言，工厂对多通道燃烧器的基本要求是：燃料稳定燃烧；火焰形状及温度调整灵活方便，适宜熟料煅烧；燃烧器的使用寿命长；保护窑内衬料，延长内衬使用寿命；稳定熟料质量，提高系统产量；结构简单，维护更换方便，减少由于燃烧器故障系统运行时间；尽量低的一次风，提高熟料回收热的利用率；系统阻力尽量低，降低一次风机电能消耗；能降低有害物质（尤其是氮氧化物）的排放；可利用低品位的燃料，加强燃料的综合利用，拥有较低的设备价格及维修费用。[Page]

　　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。有些制造厂家生产的燃烧器有很多不同的喷煤系统，他们已经在这个行业中确立了地位。在选择一种合适的窑头燃烧器时，一般应当记住这些准则：

　　（1）氮氧化物的排放行为  对燃料具有较强的适应性，尤其是在燃烧