淺談新型干法水泥窯用噴煤管

　　前　言

　　眾所周知窯況對(duì)于熟料燒成至關(guān)重要，而影響窯況的重要因素就是煤粉燃燒器的好壞。正因?yàn)槊悍廴紵鞯膶?duì)燒成系統(tǒng)的產(chǎn)量大小、質(zhì)量好壞、能耗高低、耐耐火磚壽命長(zhǎng)短和有害氣體排放多少等卻舉足輕重，才引起了國(guó)內(nèi)外水泥行業(yè)的特別關(guān)注。隨著水泥工業(yè)規(guī)模的快速擴(kuò)大以及環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，國(guó)內(nèi)外水泥廠都在思考如何在提高生產(chǎn)質(zhì)量的同時(shí)，降低生產(chǎn)成本，以保持在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。煤和電是水泥生產(chǎn)過程中主要的能源耗損，其中部分地區(qū)煤耗成本占了總成本的一半以上，減少煤耗將明顯降低生產(chǎn)成本，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。燃燒器是水泥生產(chǎn)中主要的用煤設(shè)備，所以正確選擇燃燒器不僅可以降低煤的用量而且可以省電和減少NOx等有害氣體，同時(shí)也有助于熟料產(chǎn)﹑質(zhì)量的提高。燃燒器不僅僅是燒成系統(tǒng)的熱源提供者，它還是一個(gè)節(jié)能設(shè)備，同時(shí)又是一個(gè)環(huán)保設(shè)備。由此可見，提高對(duì)燃燒器的認(rèn)識(shí)至關(guān)重要。只有充分地了解了它的發(fā)展趨勢(shì)和特點(diǎn)，才能夠達(dá)到正確選擇的目的。這樣不僅對(duì)本企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的增長(zhǎng)會(huì)有顯著的作用，而且對(duì)節(jié)省建設(shè)資金、提高水泥裝備的國(guó)產(chǎn)化率，發(fā)展友好型、生態(tài)型、環(huán)保型綠色水泥工業(yè)和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的循環(huán)經(jīng)濟(jì)均具有極為重要的意義。本文簡(jiǎn)單闡述了國(guó)內(nèi)外燃燒器的發(fā)展，希望對(duì)水泥企業(yè)燃燒器選型和技術(shù)改進(jìn)有一定的幫助。

　　1 回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器的發(fā)展

　　1.1 煤粉燃燒器的歷史

　　在工業(yè)窯爐中，水泥回轉(zhuǎn)窯最早是燒煤粉的，而動(dòng)力蒸汽鍋爐到20世紀(jì)20年代才開始使用煤粉為燃料?？墒菍?duì)水泥回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器及火焰的研究卻遠(yuǎn)不如對(duì)鍋爐研究的那樣充分和深人，導(dǎo)致在上個(gè)世紀(jì)70年代以前水泥回轉(zhuǎn)窯一直都使用十分落后的單風(fēng)道煤粉燃燒器，持續(xù)時(shí)間近百年。第一代回轉(zhuǎn)窯燃燒器是噴射磨細(xì)燃料或天然氣，無外加燃燒空氣的普通管子。在上世紀(jì)80年代常應(yīng)用三通道燃燒器來燃燒傳統(tǒng)的燃料(煤、天然氣、重油)。這種燃燒器通過外層軸向一次風(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，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％。隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)不斷創(chuàng)新和提高，這種單風(fēng)道煤粉燃燒器越來越跟不上大型窯爐的發(fā)展，最終消失在人們的視線，被社會(huì)所淘汰。

　　1.2 煤粉燃燒器的現(xiàn)狀

　　煤與石油和天然氣相比是最便宜的燃料。在20世紀(jì)70年代石油危機(jī)后，國(guó)內(nèi)外的回轉(zhuǎn)窯所用燃料基本上都改為煤，顯然對(duì)煤粉燃燒和火焰的研究具有很大意義?？墒牵郧霸诤苈L(zhǎng)的一段時(shí)間里卻未被重視，只有近年來由于燒廉價(jià)燃料可以大幅度降低水泥生產(chǎn)成本，擴(kuò)大資源利用，對(duì)環(huán)保提出了更嚴(yán)格的要求，降低NOx的排放已刻不容緩，這才引起了人們的關(guān)注。

　　回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器已由單風(fēng)道發(fā)展到三風(fēng)道、四風(fēng)道和燒兩種以上燃料的五風(fēng)道。風(fēng)道越多，性能越好，但結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，重量越重，造價(jià)越高，使用時(shí)容易彎曲變形。從煤風(fēng)與空氣混合的效果看，燃燒器可分為旋流式和分割式，分割式四風(fēng)道燃燒器其通道分為外軸流風(fēng)、煤風(fēng)、內(nèi)軸流風(fēng)、內(nèi)旋流風(fēng)，其中外軸流風(fēng)是軸向噴射的，風(fēng)道為連續(xù)成形，由于分割式燃燒器將煤風(fēng)分割成四股噴射，煤粉噴出后在圓周方向不均勻，在形成火焰完整性方面與旋流式有一定差距，而且增加了煤風(fēng)通道的磨損。

　　歐洲國(guó)際火焰研究基金會(huì)直接資助對(duì)水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煤粉和石油焦的燃燒及其火焰開展了研究工作，使回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器很快由單風(fēng)道發(fā)展到雙風(fēng)道、三風(fēng)道、四風(fēng)道甚至燒兩種以上燃料的五風(fēng)道。理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐均證明，風(fēng)道越多性能越好，可是結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，重量越重，價(jià)格也越高，在使用時(shí)還越容易彎曲。真正的四風(fēng)道，其一次風(fēng)(包括煤風(fēng))已可降低到8%以下。曾有人試圖研究不用一次風(fēng)，結(jié)果是不行的。這就是說，利用增加風(fēng)道的高昂代價(jià)來換取性能的微小改善，得不償失?？梢娫跓龁我蝗剂系臈l件下，旋流式四風(fēng)道是當(dāng)前最先進(jìn)的回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器，由歐洲幾家大型水泥機(jī)械制造公司首先開發(fā)出來，我國(guó)于1997年也正式投入了生產(chǎn)應(yīng)用（見表1）。旋流式四風(fēng)道的使用廠家愈來愈多，其使用效果比三風(fēng)道更好，不僅可以燒優(yōu)質(zhì)煙煤，而且可以燒低質(zhì)煤或稱低活性煤(包括劣質(zhì)煤、低揮發(fā)份煤、無煙煤等)和廢燃料，四風(fēng)道煤粉燃燒器的優(yōu)越性被愈來愈多的人所認(rèn)識(shí)和青睞，所以在我國(guó)發(fā)展比較快。

　　表1 旋流式四風(fēng)道煤粉燃燒器的國(guó)內(nèi)開發(fā)情況

　　1.3 煤粉燃燒器的發(fā)展趨勢(shì)

　　煤粉燃燒系統(tǒng)是水泥熟料燃燒生產(chǎn)線的熱能提供裝置，主要用于回轉(zhuǎn)窯及分解爐內(nèi)的煤粉燃燒。當(dāng)水泥窯內(nèi)溫度加熱到800℃以上時(shí)，開始啟用燃燒器燃煤系統(tǒng)，此時(shí)，煤粉輸送空氣攜帶煤粉從煤風(fēng)通道噴出，在輸送過程中實(shí)現(xiàn)風(fēng)、煤的混合。同時(shí)，位于煤風(fēng)道外層的軸流風(fēng)道、旋流風(fēng)道及位于煤風(fēng)道內(nèi)層的中心風(fēng)道同時(shí)噴出具有不同風(fēng)速的軸流風(fēng)、旋流風(fēng)和中心風(fēng)。實(shí)際生產(chǎn)中，調(diào)節(jié)中心風(fēng)和旋流風(fēng)的強(qiáng)度變化比例關(guān)系，可調(diào)整和控制中心回流煙氣流的強(qiáng)弱，將煤粉氣流壓縮在一個(gè)薄層，使之在內(nèi)外兩個(gè)方向上同時(shí)被中心風(fēng)和旋流風(fēng)引起的煙氣回流擾動(dòng)分散，形成濃淡相對(duì)分離狀態(tài)，達(dá)到離開燃燒器后的第一次風(fēng)煤混合。在旋流風(fēng)迅速衰減后，煤風(fēng)道中噴出的含半焦煤粉的氣流繼續(xù)與外層高速軸流風(fēng)及軸流風(fēng)攜帶的卷吸氣流—高溫二次風(fēng)進(jìn)行進(jìn)一步的風(fēng)、煤的混合，已被良好預(yù)熱的煤粉氣流和高溫二次風(fēng)的混合保證了煤粉的充分燃燒。燃燒器利用不同風(fēng)道層間射流強(qiáng)度的變化可以控制在煤粉燃燒不同階段燃燒用空氣的加入量，確保煤粉燃燒在低而平均的過剩系數(shù)條件下進(jìn)行完全燃燒，有效的控制一次風(fēng)用風(fēng)量，同時(shí)也減少了有害氣體氮氧化物的產(chǎn)生。

　　衡量燃燒器性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)是一次風(fēng)用量。旋流式煤粉燃燒器是利用直流風(fēng)與旋流風(fēng)形成組合射流及中心風(fēng)形成的平衡流的方式來強(qiáng)化煤粉燃燒，由于燃燒器的結(jié)構(gòu)特殊，煤粉被送入燃燒區(qū)域內(nèi)，通過渦流、回流等方式和噴射效能，使煤粉與燃燒空氣充分混合，迅速點(diǎn)燃并充分燃燒。當(dāng)前性能優(yōu)良的四風(fēng)道煤粉燃燒器一次風(fēng)用量可降到5～7％，甚至3～4％，既可以燒優(yōu)質(zhì)煙煤，也可以燒劣質(zhì)煤、低揮發(fā)份煤、無煙煤、石油焦、煤頁巖、廢輪胎和生活垃圾等。甚至燒兩種以上燃料的五風(fēng)道，燃燒器將向著最優(yōu)化及CO和NOx排放量最低的方向發(fā)展。

　　我國(guó)目前水泥回轉(zhuǎn)窯的NOx排放量大都超過1%，高的超過2%，而一些先進(jìn)國(guó)家已控制在0.02%～0.04%以下。燃燒過程中NOx排放分三種類型，即熱力NOx排放、燃料NOx排放和催化NOx排放。由于窯頭火焰溫度高達(dá)1800℃左右，熱力NOx排放占主要地位（當(dāng)燃料中含有碳?xì)浠衔飼r(shí)，會(huì)在較低溫度下出現(xiàn)催化NOx排放）。減少窯頭NOx排放的主要途徑在于一方面應(yīng)盡量降低火焰的峰值溫度，避免局部高溫，這往往和強(qiáng)化燃燒概念相矛盾，需要對(duì)火焰各階段的二次風(fēng)混合速率進(jìn)行控制；另一方面應(yīng)控制局部氧濃度，特別是對(duì)燃燒器出口至著火這一階段的氧濃度控制。高揮發(fā)份煙煤、中等揮發(fā)份煙煤和石油焦的著火溫度依次升高，在相同受限射流火焰中，三者距燃燒器出口的著火距離依次是石油焦>中等揮發(fā)份煙煤>高揮發(fā)份煙煤，其NOx排放量大小依次是石油焦>中等揮發(fā)份煙煤>高揮發(fā)份煙煤 。

　　劣質(zhì)煤再生燃料的應(yīng)用及各種工業(yè)有毒廢料的處理再生燃料的范圍十分廣泛，如廢舊塑料、輪胎、廢木屑、各種工業(yè)可燃廢料廢液、城市生活垃圾等。國(guó)外多數(shù)公司開發(fā)的水泥窯燃燒器都有多種燃料混燒的功能，可根據(jù)燃料品質(zhì)情況混燒劣質(zhì)煤和再生燃料。水泥窯火焰燃燒溫度高、停留時(shí)間長(zhǎng)，加之水泥熟料質(zhì)量對(duì)各種燃燼物的影響并不十分敏感，這就為繁多的工業(yè)和生活垃圾甚至各種有毒廢料的處理提供了理想條件。目前有許多城市已開始實(shí)施城市垃圾分類措施，因而可以預(yù)計(jì)，今后的幾年內(nèi)水泥窯處理各種工業(yè)和生活垃圾將成為水泥窯燃燒技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)。

　　對(duì)于回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器的目前研究，正在研發(fā)一種能夠和煤粉混合的高效催化劑，能夠讓煤粉充分燃燒（尤其是一些劣質(zhì)燃料和一些城市垃圾）并且能夠降低有害物資的排放，現(xiàn)代燃燒器系統(tǒng)正清晰地向著研發(fā)高效、節(jié)能、環(huán)保型燃燒器的方向發(fā)展。

　　2 回轉(zhuǎn)窯對(duì)煤粉燃燒器的要求

　　2.1 對(duì)多通道煤粉燃燒器的要求

　　一般而言，工廠對(duì)多通道燃燒器的基本要求是：燃料穩(wěn)定燃燒；火焰形狀及溫度調(diào)整靈活方便，適宜熟料煅燒；燃燒器的使用壽命長(zhǎng)；保護(hù)窯內(nèi)襯料，延長(zhǎng)內(nèi)襯使用壽命；穩(wěn)定熟料質(zhì)量，提高系統(tǒng)產(chǎn)量；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)更換方便，減少由于燃燒器故障系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間；盡量低的一次風(fēng)，提高熟料回收熱的利用率；系統(tǒng)阻力盡量低，降低一次風(fēng)機(jī)電能消耗；能降低有害物質(zhì)（尤其是氮氧化物）的排放；可利用低品位的燃料，加強(qiáng)燃料的綜合利用，擁有較低的設(shè)備價(jià)格及維修費(fèi)用。[Page]

　　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。有些制造廠家生產(chǎn)的燃燒器有很多不同的噴煤系統(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：

　　（1）氮氧化物的排放行為  對(duì)燃料具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，尤其是在燃燒