雙旋流燃燒器的研發(fā)和應(yīng)用

趙亮，李亮，張煜，陶從喜

雙旋流燃燒器的研發(fā)和應(yīng)用

Research and Application of Two Swirl Burner

趙亮11，李亮11，張煜22，陶從喜11

在我國東南、西南地區(qū)及東南亞等國都有著較為豐富的無煙煤資源，由于成煤時間長，這些燃煤普遍揮發(fā)分低，如東南福建龍巖地區(qū)產(chǎn)煤揮發(fā)分在3%～5%左右，由于灰分小，其發(fā)熱量可達27000kJ/kg，西南貴州黔南地區(qū)產(chǎn)煤揮發(fā)分也只有4%～6%，發(fā)熱量僅在22000kJ/kg左右。另外，我國廣東、廣西、云南等省市部分地區(qū)也有大量揮發(fā)分在5%及以下的低揮發(fā)分的無煙煤。這些低揮發(fā)分、低熱值的無煙煤往往起燃點高、發(fā)熱量低，在燃燒時，火焰溫度偏低、燃燒不盡，因此在水泥窯中使用時，極易出現(xiàn)黑火頭長、火焰不明亮、飛砂大、游離鈣偏高、煙室溫度高、窯尾結(jié)圈等現(xiàn)象，對水泥燒成的產(chǎn)質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面都有較大影響，這是無煙煤在水泥回轉(zhuǎn)窯中應(yīng)用的最大障礙。

為解決無煙煤，尤其是低熱值無煙煤在水泥熟料燒成系統(tǒng)中使用的問題，中材裝備集團推出擁有兩條旋流風(fēng)通道的Sinoswirl雙旋流結(jié)構(gòu)燃燒器。該燃燒器利用大推力軸流風(fēng)、高旋流度旋流風(fēng)實現(xiàn)對二次風(fēng)的充分卷吸和煤粉的高度擴散，形成粗壯有力的火焰，提高了無煙煤的燃盡率，強化了火焰的燃燒強度，在中材萍鄉(xiāng)5500t/d、廣東油坑5000t/d、福建金牛2500t/d生產(chǎn)線都取得了較好的使用效果。

1 無煙煤燃燒特性

國內(nèi)某單位曾對我國各煤種進行實驗，各細度的煙煤著火溫度大多在410～430℃，其燃燒延續(xù)時間約10min，在600～650℃左右燃盡，而無煙煤著火溫度為510～550℃，燃盡溫度為680～820℃，燃盡時間約14min，無煙煤較煙煤的著火溫度和燃盡溫度分別提高了130℃和200℃，燃盡時間延長了4min[1]。

以中材萍鄉(xiāng)所用的無煙煤為例，其工業(yè)分析數(shù)據(jù)如表1。

以熱重實驗結(jié)果為基準，對比無煙煤與煙煤的燃燒特性指數(shù)如表2。

與煙煤燃燒特性結(jié)果對比可見，無煙煤的放熱起始溫度提高約320℃，放熱終止溫度提高約130℃，由此判斷，該煤種起燃極難，而一旦開始放熱則放熱迅速。從燃盡時間來看，中材萍鄉(xiāng)煤的燃盡時間較煙煤延長了17min，屬于極難燃盡的煤粉。

2 燃燒器設(shè)計原理

雙旋流燃燒器,顧名思義，擁有兩層旋流通道，Sinoswirl燃燒器（見圖1）由外向內(nèi)各風(fēng)道布置分別為：高速軸流風(fēng)、小角度外旋流風(fēng)、送煤風(fēng)、大角度內(nèi)旋流風(fēng)，中心為點火油槍，不另設(shè)中心風(fēng)。使用時各風(fēng)道相互配合，依據(jù)現(xiàn)場的煤質(zhì)情況調(diào)節(jié)各風(fēng)道風(fēng)量大小，以達到最佳的火焰燃燒效果。

該燃燒器的開發(fā)針對無煙煤的燃燒特性，以增大二次風(fēng)卷吸、增強煤粉的擴散為目的，加強燃燒器的火焰調(diào)節(jié)作用，其設(shè)計理念旨在從燃燒器沖量與旋流度兩方面加強燃燒器性能。

2.1 燃燒器的沖量

表1 無煙煤工業(yè)分析數(shù)據(jù)，%

表2 無煙煤與煙煤的燃燒特性指數(shù)對比

國外某公司習(xí)慣的計算方式是：

式中：

M——沖量，%m/s

A——一次空氣百分數(shù)量，%

V——軸向風(fēng)噴速，m/s

從熱工制度的角度來看，一次風(fēng)量越大則冷空氣越多，熱耗增加，不利于燒成系統(tǒng)工作。因此，只能從軸向風(fēng)速角度來考慮增大燃燒器沖量。

空氣是具有可壓縮性的流體，尤其是在高壓狀態(tài)下，空氣壓力與速度并不是簡單地成二次關(guān)系，根據(jù)多變過程氣體狀態(tài)方程可以推導(dǎo)出壓力與速度關(guān)系式[2]：

Ts，Ps為羅茨風(fēng)機出口處氣體溫度和壓力；Pa，Ta，wa為管道出口處的壓力、溫度和速度；γ是空氣的絕熱指數(shù)，一般為1.4。

根據(jù)空氣動力學(xué)的計算，空氣壓縮后經(jīng)管道噴出的極限速度為當?shù)匾羲?，?.1MPa，20℃常溫計算，當?shù)匾羲偌s340m/s為極限風(fēng)速，對應(yīng)此時的臨界壓力為91091Pa，即風(fēng)機出口壓力達到臨界壓力時，管道出口處空氣為常溫常壓，風(fēng)速為常溫常壓下音速。如繼續(xù)增大壓縮空氣的壓力，則出口處的空氣密度大于常溫常壓狀態(tài)下的空氣密度，壓力大于當?shù)卮髿鈮海L(fēng)速仍為空氣高速壓縮后的當?shù)匾羲?，這樣雖然風(fēng)速在空氣壓力釋放的過程中繼續(xù)增大，但所耗費的功耗遠大于所產(chǎn)生的性能提升。因而，選取98000Pa壓頭的軸流風(fēng)機，可以滿足在不同狀態(tài)下均可達到最高風(fēng)速的要求，同時不會造成能量浪費。

以軸流風(fēng)速340m/s計算，雙旋流燃燒器的軸流風(fēng)沖量可達約1000%m/s，旋流風(fēng)沖量可達800%m/ s，總沖量大于1600%m/s，可形成有力火焰，控制煤粉燃燒效果。

圖1Sinoswirl雙旋流燃燒器

一次總風(fēng)量也不能過小，過小不能有效形成火焰形狀。對二次風(fēng)的卷吸能力有一次風(fēng)量和風(fēng)速兩個影響因素，即可認為與沖量相關(guān)，如果一味地降低一次風(fēng)量，則導(dǎo)致二次風(fēng)卷吸不夠、火焰不集中、溫度降低，反而會消耗更多的煤粉、更高的熱耗。筆者認為燃燒器的總沖量下限應(yīng)在1200%m/s，否則會導(dǎo)致煤粉燃燒效果下降。

2.2 旋流數(shù)的計算

旋流風(fēng)的旋流強度即代表該旋流風(fēng)徑向風(fēng)強弱的參數(shù)，水泥窯燃燒器的旋流風(fēng)通常為軸向通道接旋流葉片產(chǎn)生徑向速度的旋流風(fēng)，這一類旋流產(chǎn)生結(jié)構(gòu)可以用統(tǒng)一的旋流數(shù)計算方法來表示不同結(jié)構(gòu)旋流葉片所產(chǎn)生旋流的強度。

定義旋流葉片的內(nèi)半徑為Rn，外半徑為Rw，螺旋角度為α，旋流數(shù)為S，則可以得到：

由式（3）可以明顯看出，隨著旋流角度的增大，旋流數(shù)增大，實際旋流強度增強，旋流葉片內(nèi)外半徑比值增大，則旋流數(shù)增大。

根據(jù)式（3）計算可得，雙旋流結(jié)構(gòu)燃燒器外層旋流風(fēng)的旋流數(shù)為0.315，內(nèi)層旋流風(fēng)的旋流數(shù)為1.124，其合值可達1.439，較普通燃燒器1.3左右的旋流數(shù)更大，由此可知雙旋流結(jié)構(gòu)可以形成更大旋流度的旋流風(fēng)。

目前，國內(nèi)外廠商均在燃燒器的旋流風(fēng)設(shè)置上進行了探索和開發(fā)，對于無煙煤等難燃燃料的應(yīng)用，各廠商在旋流風(fēng)設(shè)置上都增大了旋流強度、加大了煤粉擴散，更有利于無煙煤的著火、集中燃燒和燃盡。TCNB-S燃燒器依據(jù)這一理念，在送煤風(fēng)道的兩側(cè)均設(shè)置了旋流風(fēng)，通過兩股旋流風(fēng)分別作用于裹挾煤粉的煤風(fēng)，形成二次擴散，大大增強了煤粉的擴散作用。無煙煤在局部燃燒時更容易受氧擴散和反應(yīng)速率的制約，這就阻礙了煤粉的完全燃燒，而二次擴散有效地在徑向上擴大了燃燒區(qū)域，增大了煤粉燃燒速度和燃盡度，能夠有效解決使用無煙煤時易出現(xiàn)的火焰溫度不夠、窯尾結(jié)圈、煙室結(jié)皮等問題。實際上雙層旋流的混合效果不僅僅是簡單的疊加，雙旋流的使用效果強于旋流數(shù)計算所體現(xiàn)出的旋流度增大的效果。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

TCNB-S型燃燒器已在廣東油坑、中材萍鄉(xiāng)等多個現(xiàn)場投入使用，目前使用效果理想。其中，中材萍鄉(xiāng)所使用的無煙煤參數(shù)較差，其現(xiàn)場使用情況介紹如下：

3.1 原燃料分析

中材萍鄉(xiāng)5500t/d所使用的無煙煤參數(shù)及燃燒特性見第一節(jié)，其熟料分析結(jié)果見表3。

正常生產(chǎn)初期，原料配料出現(xiàn)波動，熟料KH值略偏高，對fCaO合格率略有影響，綜合來看，燃燒器的使用能滿足0.92左右飽和比熟料的煅燒。

3.2 工況設(shè)置

正常生產(chǎn)期間根據(jù)現(xiàn)場情況，進行四種不同工況燃燒器的生產(chǎn)調(diào)試，每種工況生產(chǎn)24h，統(tǒng)計調(diào)試期間的熟料質(zhì)量、產(chǎn)量及相關(guān)燒成系統(tǒng)運行參數(shù)，并對窯尾煙室氣體成分進行測量。

工況設(shè)置依據(jù)軸流風(fēng)大小及內(nèi)旋流風(fēng)大小為調(diào)試對象，調(diào)節(jié)的依據(jù)為現(xiàn)場壓力表頭示數(shù)，通過各風(fēng)道壓力，按第一節(jié)速度與壓力關(guān)系計算出口風(fēng)速，最后綜合測試結(jié)果，對不同工況燃燒器運行優(yōu)劣情況進行判斷。

調(diào)節(jié)的四種工況如表4所示。

3.3 調(diào)試結(jié)果

2月17日至20日分別對四種工況進行調(diào)試，每次調(diào)節(jié)燃燒器參數(shù)8h后對窯尾煙室氣體成分及溫度等參數(shù)進行測量，結(jié)果如表5。

19～20日測量時正值生料輥壓機開啟，因此窯內(nèi)出現(xiàn)短暫的通風(fēng)不足，O2含量偏低，但CO含量仍能控制在很好的范圍內(nèi)，窯內(nèi)后燃燒現(xiàn)象不明顯，現(xiàn)場觀察煙室結(jié)皮較慢，平均每個班只需要1～2次清理結(jié)皮，每次約半小時。

四種工況下的NO含量變化較大，基本規(guī)律為：軸流風(fēng)增大則NO增大，內(nèi)旋流風(fēng)增大也會提高NO含量。根據(jù)NO生成機理可以判斷，NO含量越大則火焰溫度越高，普通煙室NO含量在1000ppm以上時則表明火焰溫度較高，足以滿足熟料煅燒。

燒成系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表6所示。

調(diào)整內(nèi)旋流風(fēng)后，窯頭火焰明顯變明亮，飛砂減小，二次風(fēng)溫得到提升，在高產(chǎn)量下二次風(fēng)溫可維持在1100℃；同時從筒體掃描來看，窯內(nèi)高溫區(qū)開始前移，一擋托輪附近最高溫度達到280℃，可以判斷窯前溫度得到明顯提升。加大軸流風(fēng)后，高溫區(qū)域略有后移，但從煙室測量結(jié)果可判斷最高溫度得到了進一步提升。窯尾筒掃顯示始終沒有出現(xiàn)明顯結(jié)圈現(xiàn)象，窯尾端平均溫度較低且溫度分布均勻。

表3 無煙煤熟料化學(xué)分析（%）及率值

表4 四種不同工況燃燒器的生產(chǎn)調(diào)試情況,kPa

表5 窯尾煙室溫度及氣體成分測量結(jié)果

表6 燒成系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

表7 熟料質(zhì)量對比匯總

由于火焰長度適中，熟料結(jié)粒始終較好，加大內(nèi)旋流風(fēng)后，飛砂減少，細粉料的比例有所較低，熟料質(zhì)量對比見表7。

熟料燒成狀況與其他測量結(jié)果判斷相一致，火焰溫度提升后熟料煅燒狀況明顯好轉(zhuǎn)，在高軸流風(fēng)高內(nèi)旋流風(fēng)工況下，火焰溫度最高，熟料合格率也最高，升重明顯提升。前期低風(fēng)速工況條件時,恰好熟料配料率值較高，導(dǎo)致合格率偏低，熟料配料回歸正常后，合格率趨于正常?？偟膩碚f，高風(fēng)速工況完全可以滿足無煙煤使用下的熟料煅燒。

4 結(jié)語

（1）針對無煙煤燃燒特性開發(fā)的Sinoswirl燃燒器，采用雙旋流結(jié)構(gòu)形式，能很好地提高無煙煤的燃燒強度和燃盡度。

（2）保持一定燃燒器結(jié)構(gòu)的總沖量能加強火焰強度，提升熟料煅燒效果，從而達到節(jié)能降耗的目的。

（3）軸流風(fēng)速越高則火焰溫度越高，旋流風(fēng)速越高則二次風(fēng)溫越高，高溫區(qū)域前移。

[1]劉連勝.燃燒理論與技術(shù)[M].北京工業(yè)出版社,2008.

[2]孫晉濤.硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)[M].武漢理工大學(xué)出版社,2004.

[3]Lafarge.Burner_characteristics.2009.

[4]江旭昌.回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器空氣動力學(xué)的分析與研究（二）[J].新世紀水泥導(dǎo)報,2010（3）.■

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2012-03-12；編輯：沈穎