四通道回轉(zhuǎn)窯燃燒器的開(kāi)發(fā)、研制與應(yīng)用
回轉(zhuǎn)窯燃燒器發(fā)展到今天,已有4代產(chǎn)品。
(1)單通道燃燒器。單通道燃燒器一次風(fēng)用量大,火焰調(diào)節(jié)范圍窄,靈活性小,對(duì)不同煤質(zhì)適應(yīng)性差。適用于長(zhǎng)回轉(zhuǎn)窯,除濕法窯外,也適用于干法窯生產(chǎn)。
?。?)三通道燃燒器。20世紀(jì)80年代初,隨關(guān)回轉(zhuǎn)窯變短以及預(yù)熱器和分解爐系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),三通道燃燒器被開(kāi)發(fā)出來(lái),它節(jié)省了一次空氣量,燃燒煤粉時(shí)能取得短、分散、強(qiáng)渦流形的火焰。
?。?)第三代燃燒器。20世紀(jì)90年代末開(kāi)發(fā)的第三代燃燒器的火焰的細(xì)長(zhǎng),但比較集中。優(yōu)點(diǎn)是火焰溫度高,燃燒器出口處的速度高,減少了一次空氣量。
?。?)四通道燃燒器。四通道燃燒器是最新的一代燃燒設(shè)備,專門用于回轉(zhuǎn)窯。其設(shè)計(jì)可以使用權(quán)火焰的基部形成循環(huán)渦流,在冷窯點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生理想的穩(wěn)定火焰。主要的特點(diǎn)是節(jié)能(通過(guò)大幅度減少一次空氣量)和減少環(huán)境污染(通過(guò)降低NOx排放量。)
2、四通道燃燒器的理論依據(jù)
四通道燃燒器是科研人員根據(jù)冷、熱態(tài)實(shí)驗(yàn)基地的技術(shù)參數(shù),對(duì)國(guó)內(nèi)上百家水泥廠進(jìn)行實(shí)地考察,以國(guó)內(nèi)外三通道煤粉燃燒器為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)出來(lái)的。采用現(xiàn)代最新燃燒技術(shù)--大速差和強(qiáng)旋流理論,使火焰的內(nèi)部范圍的燃料聚集;通過(guò)降低一次空氣消耗量來(lái)降低火焰根部范圍內(nèi)的氧含量并降低溫度峰值;優(yōu)化燃燒器噴嘴系統(tǒng),通過(guò)調(diào)節(jié)噴嘴的幾何形狀來(lái)改變一次風(fēng)量。
2.1、一次空氣量與軸向噴射速度
燃燒器的作用首先是保證火焰的長(zhǎng)度?;鹧骈L(zhǎng)度主要取決于煤粉與燃燒空氣的混合速率,而混合速率主要由燃燒器單位推力(即一次空氣的動(dòng)量和單位時(shí)間輸送空氣的流量)所決定。如果推力大,火焰短,煤粉的潛熱就會(huì)在一個(gè)小的體積內(nèi)釋放,因而火焰溫度變得很高;如果減小推力而使火焰長(zhǎng)度延長(zhǎng),火焰溫度將會(huì)下降。
火焰是經(jīng)噴射氣流形成的,確定氣流噴射量的大小是動(dòng)量(M)。
M=A×V
式中:
M--動(dòng)量,%·m/s;
A--一次空氣體積百分?jǐn)?shù),%;
V --軸向風(fēng)噴速,m/s。
對(duì)同一種煤來(lái)說(shuō),其完全燃燒所需的動(dòng)量是一定的。而對(duì)同一型式的燃燒器來(lái)說(shuō),其動(dòng)量有一定的范圍,因而一次空氣百分?jǐn)?shù)用量愈低,其軸向噴速愈高。不同型式燃燒器的動(dòng)量范圍是不同的,因而其噴速也不等,但各種燃燒器的噴速均符合上述規(guī)律。早期燃燒器軸向噴速在100m/s-150/s左右,隨著一次風(fēng)量的降低,目前均設(shè)計(jì)在200m/s以上。軸向噴速增加,相應(yīng)增加了火焰長(zhǎng)度,降低了峰值溫度,有利于窯皮和耐火磚的使用周期。
窯內(nèi)燃料燃燒時(shí),供燃燒用的空氣一是通過(guò)燃燒器向窯內(nèi)噴射的低溫一次空氣,另一是從篦冷機(jī)來(lái)的高溫二次空氣。在燃燒過(guò)程中,一次空氣量比例降低,則二次空氣量比例就增高。經(jīng)估算當(dāng)二次風(fēng)溫為900℃時(shí),每降低1%的一次風(fēng)量,多用的二次空氣可使燃料熱耗降13.5kj/kg。早期的三通道燃燒器一次空氣量在12%-15%以上。經(jīng)優(yōu)化,四通道燃燒器一次空氣量已降到7%以下,大大節(jié)省了能量。
2.2旋流強(qiáng)度與燃料的揮發(fā)分含量
除了火焰長(zhǎng)度外,燃燒器還應(yīng)保持火焰具有合適的氣體流場(chǎng)。回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的燃燒過(guò)程是受擴(kuò)散控制的,在燃燒著火溫度較高的燃料時(shí),火焰的氣體流暢是非常重要的。確保燃料正常著火并穩(wěn)定燃燒的最簡(jiǎn)便的方法是使熱的燃燒產(chǎn)物重新回到燃燒器端部與較冷的一次風(fēng)及燃料混合。故要求設(shè)計(jì)上應(yīng)設(shè)計(jì)上應(yīng)充分考慮燃燒器出口部分的流場(chǎng),可采用大速差及穩(wěn)燃腔的結(jié)構(gòu)。對(duì)于揮發(fā)分低的煤和無(wú)煙煤,在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒時(shí),著火點(diǎn)高,溫度低且最大熱量區(qū)靠后。為使其揮發(fā)分快速揮發(fā)燃燒,增加燃燒溫度并加快碳粒燃燒,提高火焰溫度,縮短最大熱流距窯頭的位置,必須有較強(qiáng)的旋流強(qiáng)度。所以,應(yīng)增設(shè)可調(diào)旋流裝置,形成旋流風(fēng)
2.3火焰形狀與窯皮的穩(wěn)定性
回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過(guò)程中,火焰必須保持穩(wěn)定,避免出現(xiàn)陡峭的峰值溫度,且較長(zhǎng)的火才能形成穩(wěn)定的窯皮,從而保護(hù)燒成帶耐火磚的使用周期??刹扇∪缦麓胧?br>
?。?)將旋流空氣從輸送煤粉及空氣的內(nèi)管移至管。旋流空氣在煤粉管內(nèi)側(cè)會(huì)造成局部的旋流,從而造成陡消的峰值溫度,而在煤粉管外側(cè)則火焰在較長(zhǎng)的距離內(nèi)形成旋流,其強(qiáng)度較為均衡,燃料揮發(fā)分揮發(fā)也較均衡,相應(yīng)峰值溫度也較均衡。
(2)加大軸流風(fēng)速,并在軸流噴口前端設(shè)置攏焰罩。風(fēng)速增大,則火焰拉長(zhǎng);前端設(shè)置攏焰罩,可適當(dāng)減少火焰橫向擴(kuò)散程度,相應(yīng)火焰均衡。
(3)調(diào)節(jié)旋流角度和旋流噴速以及軸流噴速,從而調(diào)節(jié)火焰形狀。
?。?)在燃燒器設(shè)計(jì)時(shí),中心空氣采用圓形噴口平行射流,最外層的軸向空氣采用環(huán)形射流或圓形噴口平行射流,這兩種射流均能產(chǎn)生氣流回流,因而在火焰的中間形成一個(gè)內(nèi)回流,在火焰外部也形成一個(gè)大的回流,這兩種回流有利于煤粉中揮發(fā)分均衡揮發(fā),減緩峰值陡峭溫度,穩(wěn)定了火焰。
2.4 NOx排放
氮化物的生成量隨溫度增高而增加,在燃燒過(guò)程中,氧含量愈高,產(chǎn)生的NOx也愈高。采取措施,通過(guò)降低火焰的峰值溫度和促使燃燒在局部還原氣氛內(nèi)進(jìn)行,可實(shí)現(xiàn)降低NOx排放。
3.開(kāi)發(fā)及應(yīng)用
3.1技術(shù)方案的確定
綜上所述理論依據(jù),新型四通道燃燒器的技術(shù)方案應(yīng)符合如下要求。
(1)所需一次風(fēng)量低,且燃燒的火焰溫度高,峰值均衡;
(2)煤種適應(yīng)性強(qiáng),不同揮發(fā)分的燃煤均能穩(wěn)定燃燒;
(3)軸向風(fēng)、煤風(fēng)、環(huán)流風(fēng)及中心風(fēng)均可調(diào)節(jié),使其動(dòng)量在一可調(diào)節(jié)的范圍內(nèi);
(4)燃燒器使用壽命應(yīng)顯著延長(zhǎng),尤其是煤風(fēng)人口和頭部噴嘴處;
(5)內(nèi)外風(fēng)出口截面調(diào)節(jié)靈活方便;
(6)內(nèi)外風(fēng)閥門調(diào)節(jié)靈活方便,調(diào)節(jié)特性好;
(7)燃燒器頭部有一高溫?zé)煔饣匦纬傻呢?fù)壓區(qū),可避免產(chǎn)生局部高溫,沿窯長(zhǎng)的溫度曲線變化平衡,因而可有效抑制“燃燒NOx”和“高溫NOx”的產(chǎn)生,降幅達(dá)20%-30%,煙氣排放達(dá)國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。
3.2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
燃燒器系統(tǒng)由燃燒器本體、煤粉輸送管、行走小車、點(diǎn)火油槍系統(tǒng)組成;主體外風(fēng)管、環(huán)流風(fēng)管、煤風(fēng)風(fēng)管、中心風(fēng)風(fēng)管、支撐管、中心套管以及各部分進(jìn)風(fēng)管組成。其中燃燒器的頭部結(jié)構(gòu)是該設(shè)備的關(guān)鍵部件,如圖1所示。
(1)燃燒器最內(nèi)層為中心風(fēng)道,在它的頭部裝有火焰穩(wěn)定器,只有少量的空氣通過(guò)。火焰穩(wěn)定器由耐熱鋼板組成。圓板中心均勻的分布有小孔,允許中心風(fēng)接觸圓板面上的火焰,此處風(fēng)速為60m/s。
(2)煤粉風(fēng)道位于中心風(fēng)道的外層,煤風(fēng)夾帶著煤粉氣流以委小的分散度將煤粉噴人,與一次風(fēng)混合進(jìn)行燃燒。在煤粉風(fēng)道的外側(cè)火焰在較長(zhǎng)的距離內(nèi)形成旋流,其強(qiáng)度較為均衡,燃料揮發(fā)分揮發(fā)也較均衡,相應(yīng)峰值溫度也較均衡。此處的風(fēng)速為20-25m/x可調(diào)。
(3)環(huán)流風(fēng)風(fēng)道的頭部裝有20o 25o 30o等不同角度的旋流裝置,它使環(huán)流風(fēng)在出口處產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),同時(shí)向四周噴射,旋流器的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)方向一致。通過(guò)改變出口截面,改變出口風(fēng)速,從而改變火焰形狀。環(huán)流通風(fēng)道的頭部出口風(fēng)速可控制在通過(guò)調(diào)節(jié)出口截面,改變徑向空氣流量,而改為火焰形狀。
(4)噴煤管的最外層為軸流風(fēng)道,其頭部為帶槽形通道的出口,可以單獨(dú)噴射空氣,通過(guò)改變出口截面改變出口風(fēng)速,從而改變火焰形狀。
(5)外部套管位于燃燒器的最外部,比其它頭部裝置長(zhǎng)出50mm,目的是為了在產(chǎn)生碗狀效應(yīng)時(shí)發(fā)生氣體膨脹。在噴煤管的外風(fēng)管上設(shè)有防止噴煤管彎曲的筋板。
(6)各風(fēng)道頭部錐體的角度是噴煤管設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,在一次風(fēng)一定的情況下,參數(shù)的大小直接影響燃燒器的動(dòng)量范圍,與噴射速度有直接關(guān)系。圖2顯示了2500t/d級(jí)回轉(zhuǎn)窯窯頭燃燒器軸流風(fēng)速與錐度的關(guān)系。
(7)煤風(fēng)入風(fēng)管為上下分半式結(jié)構(gòu),中分面能過(guò)螺栓和定位銷連接,在其內(nèi)部設(shè)有分半式可更換耐磨套,在煤粉管入口處的磨損三角區(qū)內(nèi)設(shè)有滲炭化鎢耐磨層,其硬度為HRC60-63,有較強(qiáng)的耐磨性。另外分半式內(nèi)設(shè)有外耐磨套的被沖刷面亦設(shè)有滲炭化鎢耐磨層,這種設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是在更換時(shí)非常方便,不需將噴煤管抽出,直接更換。在噴煤管的煤粉化鎢耐磨層,這種設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是在更換時(shí)非常方便,不需將噴煤管抽出,直接更換。在噴煤管的煤粉入口處設(shè)有檢查孔,可隨時(shí)檢查其磨損情況。
(8)每個(gè)風(fēng)管的相應(yīng)位置設(shè)有絲杠調(diào)節(jié)裝置和相應(yīng)的膨脹節(jié)。通過(guò)調(diào)節(jié)絲杠的伸縮,可調(diào)節(jié)相應(yīng)的風(fēng)管,其調(diào)節(jié)范圍為沿軸向±50mm。為了調(diào)整方便,特設(shè)置了調(diào)節(jié)手柄。
(9)油槍的頭部是一種霧化燃燒器,噴嘴本體連接到兩個(gè)平行的供油管,分別為進(jìn)油和回油,通過(guò)調(diào)節(jié)回油管路上的回油節(jié)流裝置來(lái)控制噴嘴處的壓力,從而調(diào)節(jié)其霧化效果。
(10)工藝送煤風(fēng)管與燃燒器之間可以用伸縮節(jié)裝置連接,兩端可伸縮管的球形聯(lián)接裝置可保證水平、垂直及軸向方向調(diào)整燃燒器位置,其調(diào)整角度為10o,距離為1500mm。
(11)特別設(shè)計(jì)了行走小車,蝸輪絲杠調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可使噴煤管出口端面中心沿圓方向350mm范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié),使其達(dá)到最佳的效果。在噴煤管工作時(shí),以熱態(tài)窯口為基點(diǎn),噴煤管允許向前移動(dòng)1050mm,此時(shí),設(shè)在軌道上的限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作,小車停止向前移動(dòng);再次起動(dòng)時(shí),小車僅允許向后移動(dòng),噴煤管亦允許退出窯口200mm。在該位置設(shè)置了第2個(gè)開(kāi)關(guān),開(kāi)關(guān)動(dòng)作后小車停止移動(dòng),再起動(dòng)時(shí),小車允許向前或向后移動(dòng)。導(dǎo)軌的尾端設(shè)有檢修時(shí)噴煤管移出回轉(zhuǎn)窯極限們置的限位開(kāi)關(guān)。
綜上所述,新型四通道燃燒器主要特點(diǎn)如下:
(1)一次風(fēng)比例低,僅為5%-7%,節(jié)能降耗顯著,與傳統(tǒng)燃燒器相比節(jié)煤10%以上。
(2)噴頭部分采用耐高溫、抗高溫氧化的特殊耐熱鋼鑄件機(jī)加工制成,提高了頭部的抗高溫變形能力。
(3)易磨損部位,采用獨(dú)有的防磨技術(shù)處理,耐磨性能優(yōu)異,且易于更換。
(4)火焰形狀規(guī)整適宜,活潑有力溫度高,窯內(nèi)溫度分布合理。
(5)熱力集中穩(wěn)定,卷吸二次風(fēng)能力強(qiáng),提高冷卻機(jī)熱效率。
(6)火焰調(diào)節(jié)靈活,簡(jiǎn)單方便,可調(diào)范圍大,可達(dá)1:10。
(7)熱工制度合理,可提高臺(tái)時(shí)產(chǎn)量5%-10%,水泥熟料早期強(qiáng)度提高3-5MPa。
(8)低NOx排放量,降幅達(dá)20%-30%。
(9)使用壽命長(zhǎng),對(duì)煤質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng),可燒劣質(zhì)煤、低揮發(fā)分煤、 無(wú)煙煤和煙煤。
(10)適用范圍廣,可用于各種窯型的回轉(zhuǎn)窯。
3.3推廣與應(yīng)用
目前國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)出滿足5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線專用的多通道回轉(zhuǎn)窯燃燒器。
多通道回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器既可應(yīng)用于新型干法水泥預(yù)分解窯的水泥熟料生產(chǎn)線,亦可用于其他傳統(tǒng)的水泥生產(chǎn)線上,尤其可在原生產(chǎn)線上利用此技術(shù)對(duì)老設(shè)備進(jìn)行改造并達(dá)到同樣效果。而且造價(jià)僅為同類進(jìn)口產(chǎn)品的1/4-1/3,為此,無(wú)論是我國(guó)對(duì)外承包的工程項(xiàng)目或國(guó)內(nèi)的自行籌建或利用亞洲(世界)銀行貸款的項(xiàng)目,該產(chǎn)品均可此有相當(dāng)強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力,尤其是國(guó)內(nèi)項(xiàng)目,可完全替代進(jìn)口產(chǎn)品。
4、結(jié) 語(yǔ)
從長(zhǎng)遠(yuǎn)看,建材工業(yè)必然要淘汰落后的小水泥廠。盡管我國(guó)水泥產(chǎn)量在世界上名列前茅,但旋窯水泥,特別是新型干法水泥所占的比例還不大,急待進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整。從國(guó)家經(jīng)濟(jì)形勢(shì)看,要拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,建材待業(yè)必須先行。為此,在今后的一段時(shí)期內(nèi),水泥工業(yè)特別是技術(shù)改造工作將會(huì)持續(xù)呈發(fā)展勢(shì)態(tài),而就國(guó)內(nèi)自行開(kāi)發(fā)研究的多通道回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器來(lái)講,完全適應(yīng)了這一發(fā)展的要求,我們相信,隨著我們不斷對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行完善和提高,該產(chǎn)品將在今后將繼續(xù)擴(kuò)大其市場(chǎng)占有率。其廣泛推廣使用對(duì)推動(dòng)我國(guó)整個(gè)新型干法生產(chǎn)線的技術(shù)進(jìn)步、生產(chǎn)規(guī)模大型化、產(chǎn)業(yè)及品結(jié)構(gòu)合理化等方面都有著重要意義,可以獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
摘自《國(guó)際建材設(shè)備》編輯:
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