回转窑燃烧器选择与使用

一、煤粉燃烧的三个阶段

煤粉燃烧过程可以分为准备、燃烧和燃尽三个阶段。

1、准备阶段包括燃料的干燥、预热和干馏

    煤粉受热后，水分汽化，煤粉温度≥100℃，物理水分全部逸出，干燥结束。继续加热至一定程度，开始分解，放出挥发物，剩下固体焦炭，这一过程称干馏。挥发份越多，挥发份放出需要的温度越低，反之亦然。褐煤大约130℃，无烟煤约400℃，烟煤介于两者之间。煤粉在准备阶段，由于燃烧尚未开始，基本上不需要空气，是吸热过程。

2、燃烧阶段

    燃烧阶段包括挥发物和焦炭的燃烧；挥发物主要是碳氢化合物，当挥发物到达一定的温度和浓度时，先于焦炭着火燃烧。通常把挥发物着火燃烧的温度粗略地看作煤粉的着火温度。挥发物多的燃料，着火温度低，反之亦然。

    焦炭燃烧是煤粉的主要燃烧，焦炭的发热量一般占总发热量的一半以上，是煤粉燃烧过程中主要热量来源。焦炭燃烧所需的时间比挥发物长得多，由于焦炭的燃烧是多相反应，完全燃烧比挥发物困难，如何提高焦炭的燃烧速度及燃尽率是组织燃烧重要的一环。

3、燃尽阶段（或称灰渣形成阶段）

    焦炭将烧完时，焦炭外壳形成了一层灰渣，空气很难掺入里面参与燃烧，从而使燃烧缓慢进行，尤其是高灰份煤粉就更难燃尽。此阶段放热量不大，所需空气量也很少，但要保持较高温度，并给予时间。

二、煤粉气流燃烧的特点

当原煤磨成煤粉时，受热面积和单位质量表面积大大增加。

当煤的密度为1000kg/m3时，1Kg煤的球形颗粒在不同尺寸具有的表面积。

不同颗粒尺寸的1Kg煤的单位质量比面积

    当煤粉随空气通过燃烧器送入回转窑中，在回转窑空间内以悬浮状态燃烧。煤粉必须加热到一定的温度才能着火。着火温度与煤粉受热后挥发物开始析出的温度有关，即温度越低就越容易着火。

不同煤种的挥发物开始析出温度

煤粉气流的及时、稳定着火是燃烧器安全经济运行的重要条件，一般煤粉气流在距燃烧器200～300mm着火，最多不超过500mm。

煤粉气流在喷入回转窑中，会卷吸窑内高温烟气及二次风产生对流换热，另外还有高温烟气辐射换热。通过这两种热交换，使煤粉气流温度迅速提高，当温度达到某一数据时，煤粉开始燃烧，这个过程称着火过程。着火过程的工业控制：1、降低煤粉细度；2、降低一次风量；3、增加煤粉气流的卷吸高温烟气的能力。

为使煤粉完全燃烧，必须保证火焰有足够长度，即煤粉在回转窑内飞行的时间，煤粉气流一般在吹入窑内0.3～0.5m处开始着火，到1-2m处大部分挥发物已析出，余下的焦炭颗粒却往往到10～30m（随着窑型的不同，窑内风速不同）处才能燃烧完全或接近完全（一般回转率窑内煤粉燃尽率约为97.5%）。

着火后的初级阶段，由于温度很高，氧气充足，混合亦很强，故燃烧进行的很猛烈，焦炭含碳量沿火焰长度急剧下降。这时燃烧所放出的热量比散出的多，所以整个过程是在温度不断升高的情况下进行的。当温度和放出热量达到最大时，燃烧过程已发展的最完全，燃烧得亦最有效，到达了燃烧中心，随后，氧气以被大量消耗，煤粉颗粒逐渐燃尽，有些颗粒被灰渣包住，混合气流减弱，燃烧反应逐渐减慢，放出的热量减少，少于散出去的热量，温度开始下降。温度下降反过来引起燃烧速率的减慢，燃烧过程进展缓慢，进入燃尽区。焦炭含碳量的下降逐渐变慢。燃尽区占据了火焰长度的很长一部分。

三、回转窑煤粉燃烧器设计通用原理

从回转窑煅烧热力分布特点来看，回转窑在其轴向主要划分为三个带：固相反应带、烧成带、冷却带。其中固相反应带是一个放热反应带，烧成带是微吸热反应带，因此回转窑物料煅烧过程实际吸热量并不大，主要要在烧成带整个长度上保持一个恒定的温度场，满足熟料形成的行走时间。因些煤粉燃烧器应满足下述要求： 

1、对煤粉品质具有较强的适应性，能使无烟煤、高灰份煤、烟煤等不同煤种的煤粉都能很好地燃烧并能形成较好的火焰形状。

2、火焰形状应是“细而不长”，使整个烧成带具有强而均匀的热辐射。这一方面有利于熟料结粒、熟料矿物晶相正常发育，防止烧成带扬尘；另一方面有利于形成致密稳定的烧成带窑皮，延长耐火砖使用寿命。 

3、一次风用量尽可能少，但必须保证在不正常的窑况下火焰燃烧的稳定；CO和NOx排放量降至最低限度。

注1：

火焰“细而不长”以形成合理的燃烧带长度，而不再象以往那样强调火焰的最高温度，因为火焰局部高温对烧成带窑皮不利，从而影响耐火砖使用寿命，另一方面局部高温将增加NOx的排放量。

注2：

二次风温可达1000℃以上，窑头燃烧火焰温度高达1800℃左右，燃烧速度主要受扩散速度影响。煤粉燃烬时间受煤粉细度的影响较大（正比于煤粉粒径的平方），而受煤品种特性影响较小，煤粉燃烧速率取决于其扩散速率，即煤粉和助燃空气的混合速率及火焰区的湍流强度。

注3：

在窑头的所有助燃空气中，二次风量一般占80%以上，所以控制煤粉和一次风的混合速率实质上是控制燃烧器出口射流股对二次风的引射速率。至于火焰形状除受到对二次风的引射速率和一次射流股的旋流强度等方面因素的影响外，还取决于燃烧器出口一次射流本身的“刚度”，一次射流本身的“刚度”可以一次射流最大速度沿轴向的衰减程度来衡量。

4、水泥回转窑内煤粉的燃烧属于受限射流火焰，喷煤管出口动量通量和旋流强度是窑头火焰设计和操作的重要参数。

出口动量通量设计要求：

喷煤管出口动量通量是射流股对来自冷却机二次空气引射能力的度量。在二次空气供给量一定时，按一次射流动量通量大小可分两种情况： 当一次射流动量通量不大时，二次空气足够引射，也即射流在扩展到窑壁前，引射量不受影响；当一次射流动量通量大到一定值时，二次空气不能满足引射量的要求，即在射流量到窑壁之前的某个位置，二次空气被引射完毕，过剩的射流动量随即开始引射下游区域的燃烧烟气，形成外部回流区。

注1：

外回流的产生一方面使下游炽热燃烧烟气的回流增加了上游火焰化学活性基团和温度浓度，从而增加煤粉后期燃烧速度；另一方面冲淡了可燃混合物中氧含量和挤占燃烧空间，这会引起燃烧速度降低，增加了火焰长度，所以外回流的大小有一最佳范围。

注2：

适度的外回流可以防止“扫窑皮现象”，防止一次射流扩展碰撞窑皮。经验表明，在射流扩展的理论碰撞点附近常常发生耐火砖磨损过快现象，导致窑运转周期缩短。

注3：

在使用低挥发分燃烧时，火焰的气体流场是非常重要的，因为低挥发燃烧一般具有较高的着火点，加之由于挥发分含量低、挥发分燃烧所产生的热量不足以使炭粒加热到着火温度而使燃烧持续进行。确保低挥发煤持续点燃的最简便方法是增加火焰内循环量，使下游炽热的燃烧产物回流到火焰根部以提高该处一次风和煤粉温度。

注4：

过小的动量通量将导致二次空气和煤粉不能很好地混合，燃烧不完全，窑尾CO含量升高，煤灰沉落不均而影响熟料质量，甚至引起烧成带结圈。另外由于火焰下游外回流消失，加之火焰刚度不够（火焰的浮升）使火焰易碰撞窑皮，影响耐火砖使用寿命。过大的动量通量会引起过大的外回流。一方面挤占火焰下游的燃烧空间；另一方面降低火焰下游氧浓度，同样导致燃烧不完全，窑尾温度升高。 　　

出口射流旋流设计要求：

煤管出口射流旋流主要控制着火焰形状、因此被称之为火焰形状系数。随着旋流强度的增加，火焰变粗、变短，可强化火焰对熟料的热辐射。但过强的旋流会引起双峰火焰，即发散火焰，易使局部窑皮过热、剥落；另一方面也易引起“黑火头”消失，喷嘴直接接触火焰根部而被烧坏。虽然大多数多通道燃烧器的旋流强度可在操作中调节，但极限参数的限定是很重要的，也是必须的。 

5、燃烧器设计发展方向 

    降低NOx排放量，我国目前水泥回转窑的NOx排放量大都超过0.1%（1000ppm），高的超过0.2%，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3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。

调节手段简单,头部耐热耐磨,且易于更换。

四、三种类型的燃烧器的分析

NC型三通道燃烧器--南京院

1、NC三通道燃烧器结构特点：

1.1 燃烧器属于三通道燃烧器。由内至外依次分为内风通道、煤粉气流通道、外风通道。采用高速直流风和高速旋流风与低速送煤风形成速差射流，使得燃烧器出口的气流交换和混合性能较好，从而促进煤粉燃烧和火焰稳定。

1.2 燃烧器外风为直流风，通过周向分布的28个圆喷嘴形成高速直流风射流柱，风速约160m/s～210m/s，提高喷射速度和动量。高速直流风流柱具有很强的穿透力和吸卷二次风能力，同时被吸卷的二次风通过直流柱之间的间隙与煤粉进行混合燃烧。

1.3 煤风采用低速直流风，风速约22～30m/s，煤粉高压输送，风量较小，浓度较高，具有良好的着火性能。

1.4 内流风为旋流风，风速达140m/s～200m/s，通过旋流锥体产生较强的旋流风，旋流角度为30度，动量和热量传递迅速，并在燃烧器端面形成一个回流区，回流区中心为负压，能将高温烟气送回至火焰起始处，从而使煤粉快速着火并形成稳定火焰。

2、NC三通道燃烧器优点：

1、一次风掺入量较小，可以较好地控制火焰，一次风掺入比约7.5%。

2、火焰形状调节控制简单，通过调节内外风挡板的开度，来调节直流、旋流强度，从而改变火焰形状。

3、煤粉输送接口处采用了耐磨处理，燃烧器头部结构简单，便于维修更换。

4、外风道采用小圆孔结构，外套筒不易产生变形。

3、主要调节控制措施：

1、根据回转窑理论燃烧空气量，选定一次风掺入比，确定一次风量，从而设定一次风风机转速。正常生产时，选定7%～8%一次风掺入比，对于无烟煤或高灰分烟煤则加大一次风量，改变一次风冲量，加强一次风吸卷能力，强化燃烧速度。

2、当一次风量不变时，内风挡板的开度决定了火焰的粗细和扩散角。一般通过增加内风挡板的开度，火焰变粗。反之亦然。

3、正常生产时，外风挡板一般全开，特殊工况下方可进行外风调节。如果外风减少，内风相应增加，火焰发散缩短，强化煤粉初期混合燃烧，但不利于保护窑皮和耐火材料。烧成控制重点是掌握好火焰形状和热力强度。

TC型燃烧器--天津院

   1、TC四通道燃烧器的结构特点:

   1.1 内层为中间风道，头部装有火焰稳定器，火焰稳定器由耐热钢板组成，在面板上均匀分布着四环圆孔，每环12个。圆孔射流风速约为60m/s。

   1.2 煤粉风道位于中心风道的外层，煤粉夹着煤粉气流以很小的分散度将煤粉喷入，与一次风混合后进行燃烧，此处的风速约为23-25m/s。

   1.3 旋流风道的头部装有旋流器，旋流器设有24个叶片，角度约20°，使环流风在出口时产生旋转，同时向四周喷射，旋流器的旋转风向与回转窑的旋转方向一致，通过出口截面，改变出口风速，从而改变火焰形状；

   1.4 燃烧器的最外层室直流风道，其头部为带槽型通道的出口，可以单独喷射空气，通过改变出口截面，改变出口风速，从而改变火焰形状；

   1.5 外部套管位于燃烧器的最外部，这个部件比其他头部装置长出62mm,其目的是为了产生碗状效应时发生气体膨胀，在喷煤管的外风管上设有防止煤管弯曲的筋板。

2、TC四通道燃烧器优点:

天津院在皮拉德燃烧器的基础上进行了消化吸收，开发了窑用四通道燃烧器。其主要结构特点有：

2.1 与普通三通煤粉燃烧器相比，其旋流风与轴流风速均提高30%～50%，在一次风量不改变时，燃烧器的推力得到了较大提高。

2.2 旋流风与直流风的出口截面可调节比大，达到六倍以上，即对外风出口风速调节比大，所以对火焰的调节非常灵活，对煤质的波动适应性强。

2.3 喷头外环设置拢火焰圈，以减少火焰扩散，能较好地保护窑皮，也能起到稳燃保焰的作用。

2.4 喷头部分采用耐高温、抗高温氧化的特殊耐热钢铸件机加工制成，提高了头部的抗高温变形能力。

2.5 在三通道燃烧器的基础上增加中心风，增加火焰中心的空气供应量，启到稳定火焰的作用。

3、主要措施：

3.1 柴油点火：插入油，开启送煤风机，启动柴油装置，适当加大喷油量，点燃柴油，保持窑头微负压。

3.2 油煤混烧：待窑尾温度升到200℃时可以加煤，进行油煤混烧，全开直流风挡板、旋流风挡板、20%中心风挡板，开启一次风机，转速约200rpm～300rpm，保持火焰顺畅，在燃烧过程中逐渐减少用油量，增加煤粉量，待窑尾温度达到400℃时，撤油将一次风量加大，完全点燃煤粉气流(无烟煤及高灰分煤,撤油应在投料后)。投料前应控制好窑头罩温度与窑尾温度的平衡，一次风的冲量应达到正常生产时60%以上。

3.3 投料后火焰的形状调节：在回转窑正常生产过程中，火焰必须保持稳定，避免出现陡峭的峰值温度，才能形成稳定的窑皮，延长烧成带耐火砖的使用周期。

此燃烧器主要有两种火焰形状调节方式，一种是冲量调节，通过改变外流直流风的风量和风速，加强直流风的吸卷能力，提高煤粉与空气混合强度，另相应提高了火焰的刚度，使火焰不致于发飘发散，同时随着外回流的产生，降低了火焰峰值温度，拉长了火焰。另一种通过旋流风挡板的控制，改变旋流风与直流风的比例，控制火焰的粗细。

DBC型多福乐燃烧器--FLS

1、DBC型多福乐燃烧器的结构特点:

1.1 燃烧器由内至外分为,中心管、煤粉管、径向风管、燃烧器外管，实际是一个四通道燃烧器，但旋流风和直流风在燃烧器外管内的锥形喷嘴内混合后，一同喷射出燃烧器。

2.2 中心管的出口处设有喷嘴盘，喷嘴盘分布上60个小孔，主要提供冷却风作用。

2.3 煤粉管通过筋板与中心管相接触，用膨胀节与径向风管相连，煤粉管出口截面积约0.0572m2，按送煤萝茨风机风量计算出口风速约27m/s。

2.4 径向风管相联于焊接外管上旋流斜叶片，叶片角度约30度，能使直线气流变成旋转流。

2.5 燃烧器外管主要通过直流风，通过锥形喷嘴与旋转流混合喷射出燃烧器端面，锥形喷嘴内表面是一个斜面，最小环隙约6mm，也就是说最小一次风出口截面积为7781mm2，窑正常生产中，外管受热后应自动外伸，一次风喷嘴面积自动扩大。外管与煤粉管可相对轴向调整移动，也就是说一次风喷嘴面积可进行调节，外管与煤粉管上设有标尺，通过标尺上的读数能计算出喷嘴面积。

2、DBC型多福乐燃烧器的优点:

2.2 一次风喷口风速调整方便，调整幅度可通过标尽直接读出，便于火焰形状与风速对应。出口风速可由80m/s～290m/s自由调整。一次风量掺入比较小一般为6%～7%。

2.2 旋流风与直流风在锥形喷嘴内先混合后，一同喷射出端面，属于旋转混合射流，但扩展角较小可受控。

2.3 旋流风与直流风均设有阀门节流调节，调节简单有效。

2.4 外管设计便于更换，锥形喷嘴材质为耐热耐磨材料，且磨损后可更换。

3、主要措施:

1、火焰形状及调整方法

火焰特性的控制参数如下:

1.1 一次风冲量(风量和风速),一次风冲量(%m/s)的定义是一次风百分率乘以一次风速。一次风百分率即表示一次风流量占理论燃烧空气量的百分数。一次风量由一次风机（调速萝茨风机）转速控制（风量与转速成正比关系），一次风速由锥形喷嘴出口截面积来控制。

1.2 一次风旋流状况，在一次风离开锥形喷嘴之前，通过引导一部分空气经由径向风管穿过旋流装置的斜叶片形成旋流流体。旋流强度由调节阀门的开度控制。

窑运行正常过程中，应密切监视火焰状况，时刻防止火焰冲击窑皮，造成窑皮破坏性脱落，引发窑筒体高温，降低耐火砖使用寿命。

1.3 烧中等挥发份及灰分的煤时，燃烧器可按以下参数设定控制：轴流风阀门开度=100%；旋流风阀门开度=20%；一次风压=23～25kPa；一次风冲量=1400%m/s。

烧挥发份较高的煤时，可将冲量降低。烧挥发份低的无烟煤时，加大冲量。轴流风阀门一般全开，特殊情况下不准低于50%。

2、点火升温过程控制

冷窑点火升温程序：

2.1 将锥形喷嘴的截面积调至最小；

2.2 启动送煤萝茨风机，插入油，点燃柴油升温；

2.3 当尾温升至约200度，全开燃烧器旋流风、直流风挡板，启动一次风机，转速设定200rpm，进行油煤混烧；

2.4 观察火焰，如果火焰向上飘，必须增加一次风机转速，但不能过分增加一次风流量，过大会影响火焰的稳定性；

2.5 一次风量随着窑温上升应逐步加大，为防止火焰冲窑皮，保持足够的一次风冲量，旋流风阀门同时减少至50%；

2.6 当煤火焰逐步稳定，窑皮温度超过800度，关掉油燃烧装置，拨出油。（烧全无烟煤时，停油应在投料稳定后方可进行）。

五、燃烧器在回转窑空间内定位

在正常生产过程中，燃烧器的位置对窑皮的保护、耐火材料的使用周期、筒体温度、熟料质量均有影响。

从窑头人工看火（隔钴玻璃看），正常的火焰的形状应该是完整有力、不冲刷窑皮，也不顶住物料，火焰的外焰与窑内带起的物料相接触。燃烧器出口有介于0.2～0.5m的黑火头。

从筒体扫描仪看火，正常的火焰对应的筒体温度应该是：烧成带的窑皮长度应该在20m～25m之间（无烟煤应长两米，万吨线略长5米），筒体温度分布均匀，没有高温点，温度在300℃～350℃，过渡带筒体温度在360℃左右（夏天环境温度较高可加上外界环境温度变化）。

    一般燃烧器前支点为定心点，后支点为可控点，随着后支点上下左右调整，改变燃烧器与窑筒体中心线的夹角；另燃烧器小车的前进与后退改变燃烧器伸入窑内距离。

新线燃烧器（或旧线更换新燃烧器）基准点定位：

1、将燃烧器推至窑内，保证燃烧器端口与窑口平齐。调整燃烧器后支点，保证燃烧器端口中心与窑口中心点重合。

2、用水平仪或用直尺测量燃烧器的水平度，如果不水平，则要改变前支点的高度，通过测量计算出前支点应该改变的高度，对前支点支架高度进行修正，直至满足第1条的同时，且燃烧器水平。

3、用光柱法验证光柱在窑内的距离，应等于根据窑筒体的斜度及窑内径计算出的长度（斜度=窑内径/2L，L为窑口沿窑长方向与燃烧器中心线的交点）。

点火时燃烧器的位置：

1、燃烧器端面与窑口平齐。随着黑火头的长短可略调整伸入距离，黑火头长的火焰可适离开窑口少许。

2、燃烧器端面中心与窑口中心基本重合，可偏向物料方向少许。

窑投料后燃烧器的位置：

1、从窑口人工看火，根据火焰位置略调整燃烧器的位置，确保略偏料。如果燃烧器的位置离料太近，火焰会顶住物料，冲击在料子中，造成顶火逼烧，未完全燃烧的煤粉被翻滚的物料包裹在内，烧成带还原气氛严重，物料中的三价铁还原成二价铁，形成黄心料，降低熟料的质量，还原气氛严重的窑内气体被带入预热器系统，入预热器的物料与还原气体混合，降低物料出现液相的温度，使预热器系统结皮，甚至堵塞，影响窑的正常煅烧。如果燃烧器的位置太偏上，火焰会冲刷到窑皮，筒体局部温度偏高，降低窑衬的使用寿命，且烧成带的窑皮会向后延伸，窑内的热工制度紊乱，严重时，投料煅烧不久就会红窑。

2、窑运行48小时后，窑皮基本成形，此时应根据窑筒扫温度分布再次对燃烧器位置进行微调。（在火焰形状正常条件下）如果烧成带前段温度较高，而烧成带后段温度正常，说明燃烧器的位置离物料远了；如果烧成带后段温度较低，出窑熟料大小不一，结粒不均匀，说明燃烧器头部位置太低；如果烧成带后段温度偏高，固相反应带筒体温度也较高，甚至在380℃以上，说明燃烧器头部位置太高；如果烧成带的温度较低，过渡带的温度也不高，烧成带的窑皮较厚，说明燃烧器离物料太近。