前　言

　　眾所周知窯況對于熟料燒成至關(guān)重要，而影響窯況的重要因素就是煤粉燃燒器的好壞。正因為煤粉燃燒器的對燒成系統(tǒng)的產(chǎn)量大小、質(zhì)量好壞、能耗高低、耐耐火磚壽命長短和有害氣體排放多少等卻舉足輕重，才引起了國內(nèi)外水泥行業(yè)的特別關(guān)注。隨著水泥工業(yè)規(guī)模的快速擴大以及環(huán)保標準的不斷提高，國內(nèi)外水泥廠都在思考如何在提高生產(chǎn)質(zhì)量的同時，降低生產(chǎn)成本，以保持在市場中的競爭力。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)濟效益。燃燒器是水泥生產(chǎn)中主要的用煤設備，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，它還是一個節(jié)能設備，同時又是一個環(huán)保設備。由此可見，提高對燃燒器的認識至關(guān)重要。只有充分地了解了它的發(fā)展趨勢和特點，才能夠達到正確選擇的目的。這樣不僅對本企業(yè)經(jīng)濟效益的增長會有顯著的作用，而且對節(jié)省建設資金、提高水泥裝備的國產(chǎn)化率，發(fā)展友好型、生態(tài)型、環(huán)保型綠色水泥工業(yè)和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的循環(huán)經(jīng)濟均具有極為重要的意義。本文簡單闡述了國內(nèi)外燃燒器的發(fā)展，希望對水泥企業(yè)燃燒器選型和技術(shù)改進有一定的幫助。

　　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，而動力蒸汽鍋爐到20世紀20年代才開始使用煤粉為燃料?？墒菍λ嗷剞D(zhuǎn)窯煤粉燃燒器及火焰的研究卻遠不如對鍋爐研究的那樣充分和深人，導致在上個世紀70年代以前水泥回轉(zhuǎn)窯一直都使用十分落后的單風道煤粉燃燒器，持續(xù)時間近百年。第一代回轉(zhuǎn)窯燃燒器是噴射磨細燃料或天然氣，無外加燃燒空氣的普通管子。在上世紀80年代常應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通道和燃料通道里的徑向一次風通道之間的一次風的分布，使火焰得到較好的調(diào)節(jié)。這樣達到了燃燒空氣同燃料的良好混合，氧氣進到了火焰中心。然而，由于燃料的快速點燃，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。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，盡可能降低一次風需求量的任務被提出來了。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)驗中引進來的。兩個一次風通道(軸向風和徑向風)被布置在供燃料通道外邊，一次風的總量減少到4％～6％。隨著社會的發(fā)展和技術(shù)不斷創(chuàng)新和提高，這種單風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70年代石油危機后，國內(nèi)外的回轉(zhuǎn)窯所用燃料基本上都改為煤，顯然對煤粉燃燒和火焰的研究具有很大意義?？墒?，以前在很漫長的一段時間里卻未被重視，只有近年來由于燒廉價燃料可以大幅度降低水泥生產(chǎn)成本，擴大資源利用，對環(huán)保提出了更嚴格的要求，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道發(fā)展到三風道、四風道和燒兩種以上燃料的五風道。風道越多，性能越好，但結(jié)構(gòu)越復雜，重量越重，造價越高，使用時容易彎曲變形。從煤風與空氣混合的效果看，燃燒器可分為旋流式和分割式，分割式四風道燃燒器其通道分為外軸流風、煤風、內(nèi)軸流風、內(nèi)旋流風，其中外軸流風是軸向噴射的，風道為連續(xù)成形，由于分割式燃燒器將煤風分割成四股噴射，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，而且增加了煤風通道的磨損。

　　歐洲國際火焰研究基金會直接資助對水泥回轉(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道發(fā)展到雙風道、三風道、四風道甚至燒兩種以上燃料的五風道。理論研究和生產(chǎn)實踐均證明，風道越多性能越好，可是結(jié)構(gòu)就越復雜，重量越重，價格也越高，在使用時還越容易彎曲。真正的四風道，其一次風(包括煤風)已可降低到8%以下。曾有人試圖研究不用一次風，結(jié)果是不行的。這就是說，利用增加風道的高昂代價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，旋流式四風道是當前最先進的回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器，由歐洲幾家大型水泥機械制造公司首先開發(fā)出來，我國于1997年也正式投入了生產(chǎn)應用（見表1）。旋流式四風道的使用廠家愈來愈多，其使用效果比三風道更好，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，四風道煤粉燃燒器的優(yōu)越性被愈來愈多的人所認識和青睞，所以在我國發(fā)展比較快。

　　表1 旋流式四風道煤粉燃燒器的國內(nèi)開發(fā)情況

　　1.3 煤粉燃燒器的發(fā)展趨勢

　　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。當水泥窯內(nèi)溫度加熱到800℃以上時，開始啟用燃燒器燃煤系統(tǒng)，此時，煤粉輸送空氣攜帶煤粉從煤風通道噴出，在輸送過程中實現(xiàn)風、煤的混合。同時，位于煤風道外層的軸流風道、旋流風道及位于煤風道內(nèi)層的中心風道同時噴出具有不同風速的軸流風、旋流風和中心風。實際生產(chǎn)中，調(diào)節(jié)中心風和旋流風的強度變化比例關(guān)系，可調(diào)整和控制中心回流煙氣流的強弱，將煤粉氣流壓縮在一個薄層，使之在內(nèi)外兩個方向上同時被中心風和旋流風引起的煙氣回流擾動分散，形成濃淡相對分離狀態(tài)，達到離開燃燒器后的第一次風煤混合。在旋流風迅速衰減后，煤風道中噴出的含半焦煤粉的氣流繼續(xù)與外層高速軸流風及軸流風攜帶的卷吸氣流—高溫二次風進行進一步的風、煤的混合，已被良好預熱的煤粉氣流和高溫二次風的混合保證了煤粉的充分燃燒。燃燒器利用不同風道層間射流強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)條件下進行完全燃燒，有效的控制一次風用風量，同時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)劣的重要指標是一次風用量。旋流式煤粉燃燒器是利用直流風與旋流風形成組合射流及中心風形成的平衡流的方式來強化煤粉燃燒，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，迅速點燃并充分燃燒。當前性能優(yōu)良的四風道煤粉燃燒器一次風用量可降到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%，而一些先進國家已控制在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1800℃左右，熱力NOx排放占主要地位（當燃料中含有碳氫化合物時，會在較低溫度下出現(xiàn)催化NOx排放）。減少窯頭NOx排放的主要途徑在于一方面應盡量降低火焰的峰值溫度，避免局部高溫，這往往和強化燃燒概念相矛盾，需要對火焰各階段的二次風混合速率進行控制；另一方面應控制局部氧濃度，特別是對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、停留時間長，加之水泥熟料質(zhì)量對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施城市垃圾分類措施，因而可以預計，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。

　　對于回轉(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)窯對煤粉燃燒器的要求

　　2.1 對多通道煤粉燃燒器的要求

　　一般而言，工廠對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；保護窯內(nèi)襯料，延長內(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)簡單，維護更換方便，減少由于燃燒器故障系統(tǒng)運行時間；盡量低的一次風，提高熟料回收熱的利用率；系統(tǒng)阻力盡量低，降低一次風機電能消耗；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，加強燃料的綜合利用，擁有較低的設備價格及維修費用。[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計和改進的。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)在這個行業(yè)中確立了地位。在選擇一種合適的窯頭燃燒器時，一般應當記住這些準則：

　?。?）氮氧化物的排放行為  對燃料具有較強的適應性，尤其是在燃燒