双旋流燃烧器的研发和应用

赵亮，李亮，张煜，陶从喜

双旋流燃烧器的研发和应用

Research and Application of Two Swirl Burner

赵亮11，李亮11，张煜22，陶从喜11

在我国东南、西南地区及东南亚等国都有着较为丰富的无烟煤资源，由于成煤时间长，这些燃煤普遍挥发分低，如东南福建龙岩地区产煤挥发分在3%～5%左右，由于灰分小，其发热量可达27000kJ/kg，西南贵州黔南地区产煤挥发分也只有4%～6%，发热量仅在22000kJ/kg左右。另外，我国广东、广西、云南等省市部分地区也有大量挥发分在5%及以下的低挥发分的无烟煤。这些低挥发分、低热值的无烟煤往往起燃点高、发热量低，在燃烧时，火焰温度偏低、燃烧不尽，因此在水泥窑中使用时，极易出现黑火头长、火焰不明亮、飞砂大、游离钙偏高、烟室温度高、窑尾结圈等现象，对水泥烧成的产质量、系统稳定性等方面都有较大影响，这是无烟煤在水泥回转窑中应用的最大障碍。

为解决无烟煤，尤其是低热值无烟煤在水泥熟料烧成系统中使用的问题，中材装备集团推出拥有两条旋流风通道的Sinoswirl双旋流结构燃烧器。该燃烧器利用大推力轴流风、高旋流度旋流风实现对二次风的充分卷吸和煤粉的高度扩散，形成粗壮有力的火焰，提高了无烟煤的燃尽率，强化了火焰的燃烧强度，在中材萍乡5500t/d、广东油坑5000t/d、福建金牛2500t/d生产线都取得了较好的使用效果。

1 无烟煤燃烧特性

国内某单位曾对我国各煤种进行实验，各细度的烟煤着火温度大多在410～430℃，其燃烧延续时间约10min，在600～650℃左右燃尽，而无烟煤着火温度为510～550℃，燃尽温度为680～820℃，燃尽时间约14min，无烟煤较烟煤的着火温度和燃尽温度分别提高了130℃和200℃，燃尽时间延长了4min[1]。

以中材萍乡所用的无烟煤为例，其工业分析数据如表1。

以热重实验结果为基准，对比无烟煤与烟煤的燃烧特性指数如表2。

与烟煤燃烧特性结果对比可见，无烟煤的放热起始温度提高约320℃，放热终止温度提高约130℃，由此判断，该煤种起燃极难，而一旦开始放热则放热迅速。从燃尽时间来看，中材萍乡煤的燃尽时间较烟煤延长了17min，属于极难燃尽的煤粉。

2 燃烧器设计原理

双旋流燃烧器,顾名思义，拥有两层旋流通道，Sinoswirl燃烧器（见图1）由外向内各风道布置分别为：高速轴流风、小角度外旋流风、送煤风、大角度内旋流风，中心为点火油枪，不另设中心风。使用时各风道相互配合，依据现场的煤质情况调节各风道风量大小，以达到最佳的火焰燃烧效果。

该燃烧器的开发针对无烟煤的燃烧特性，以增大二次风卷吸、增强煤粉的扩散为目的，加强燃烧器的火焰调节作用，其设计理念旨在从燃烧器冲量与旋流度两方面加强燃烧器性能。

2.1 燃烧器的冲量

表1 无烟煤工业分析数据，%

表2 无烟煤与烟煤的燃烧特性指数对比

国外某公司习惯的计算方式是：

式中：

M——冲量，%m/s

A——一次空气百分数量，%

V——轴向风喷速，m/s

从热工制度的角度来看，一次风量越大则冷空气越多，热耗增加，不利于烧成系统工作。因此，只能从轴向风速角度来考虑增大燃烧器冲量。

空气是具有可压缩性的流体，尤其是在高压状态下，空气压力与速度并不是简单地成二次关系，根据多变过程气体状态方程可以推导出压力与速度关系式[2]：

Ts，Ps为罗茨风机出口处气体温度和压力；Pa，Ta，wa为管道出口处的压力、温度和速度；γ是空气的绝热指数，一般为1.4。

根据空气动力学的计算，空气压缩后经管道喷出的极限速度为当地音速，按0.1MPa，20℃常温计算，当地音速约340m/s为极限风速，对应此时的临界压力为91091Pa，即风机出口压力达到临界压力时，管道出口处空气为常温常压，风速为常温常压下音速。如继续增大压缩空气的压力，则出口处的空气密度大于常温常压状态下的空气密度，压力大于当地大气压，风速仍为空气高速压缩后的当地音速，这样虽然风速在空气压力释放的过程中继续增大，但所耗费的功耗远大于所产生的性能提升。因而，选取98000Pa压头的轴流风机，可以满足在不同状态下均可达到最高风速的要求，同时不会造成能量浪费。

以轴流风速340m/s计算，双旋流燃烧器的轴流风冲量可达约1000%m/s，旋流风冲量可达800%m/ s，总冲量大于1600%m/s，可形成有力火焰，控制煤粉燃烧效果。

图1Sinoswirl双旋流燃烧器

一次总风量也不能过小，过小不能有效形成火焰形状。对二次风的卷吸能力有一次风量和风速两个影响因素，即可认为与冲量相关，如果一味地降低一次风量，则导致二次风卷吸不够、火焰不集中、温度降低，反而会消耗更多的煤粉、更高的热耗。笔者认为燃烧器的总冲量下限应在1200%m/s，否则会导致煤粉燃烧效果下降。

2.2 旋流数的计算

旋流风的旋流强度即代表该旋流风径向风强弱的参数，水泥窑燃烧器的旋流风通常为轴向通道接旋流叶片产生径向速度的旋流风，这一类旋流产生结构可以用统一的旋流数计算方法来表示不同结构旋流叶片所产生旋流的强度。

定义旋流叶片的内半径为Rn，外半径为Rw，螺旋角度为α，旋流数为S，则可以得到：

由式（3）可以明显看出，随着旋流角度的增大，旋流数增大，实际旋流强度增强，旋流叶片内外半径比值增大，则旋流数增大。

根据式（3）计算可得，双旋流结构燃烧器外层旋流风的旋流数为0.315，内层旋流风的旋流数为1.124，其合值可达1.439，较普通燃烧器1.3左右的旋流数更大，由此可知双旋流结构可以形成更大旋流度的旋流风。

目前，国内外厂商均在燃烧器的旋流风设置上进行了探索和开发，对于无烟煤等难燃燃料的应用，各厂商在旋流风设置上都增大了旋流强度、加大了煤粉扩散，更有利于无烟煤的着火、集中燃烧和燃尽。TCNB-S燃烧器依据这一理念，在送煤风道的两侧均设置了旋流风，通过两股旋流风分别作用于裹挟煤粉的煤风，形成二次扩散，大大增强了煤粉的扩散作用。无烟煤在局部燃烧时更容易受氧扩散和反应速率的制约，这就阻碍了煤粉的完全燃烧，而二次扩散有效地在径向上扩大了燃烧区域，增大了煤粉燃烧速度和燃尽度，能够有效解决使用无烟煤时易出现的火焰温度不够、窑尾结圈、烟室结皮等问题。实际上双层旋流的混合效果不仅仅是简单的叠加，双旋流的使用效果强于旋流数计算所体现出的旋流度增大的效果。

3 现场应用

TCNB-S型燃烧器已在广东油坑、中材萍乡等多个现场投入使用，目前使用效果理想。其中，中材萍乡所使用的无烟煤参数较差，其现场使用情况介绍如下：

3.1 原燃料分析

中材萍乡5500t/d所使用的无烟煤参数及燃烧特性见第一节，其熟料分析结果见表3。

正常生产初期，原料配料出现波动，熟料KH值略偏高，对fCaO合格率略有影响，综合来看，燃烧器的使用能满足0.92左右饱和比熟料的煅烧。

3.2 工况设置

正常生产期间根据现场情况，进行四种不同工况燃烧器的生产调试，每种工况生产24h，统计调试期间的熟料质量、产量及相关烧成系统运行参数，并对窑尾烟室气体成分进行测量。

工况设置依据轴流风大小及内旋流风大小为调试对象，调节的依据为现场压力表头示数，通过各风道压力，按第一节速度与压力关系计算出口风速，最后综合测试结果，对不同工况燃烧器运行优劣情况进行判断。

调节的四种工况如表4所示。

3.3 调试结果

2月17日至20日分别对四种工况进行调试，每次调节燃烧器参数8h后对窑尾烟室气体成分及温度等参数进行测量，结果如表5。

19～20日测量时正值生料辊压机开启，因此窑内出现短暂的通风不足，O2含量偏低，但CO含量仍能控制在很好的范围内，窑内后燃烧现象不明显，现场观察烟室结皮较慢，平均每个班只需要1～2次清理结皮，每次约半小时。

四种工况下的NO含量变化较大，基本规律为：轴流风增大则NO增大，内旋流风增大也会提高NO含量。根据NO生成机理可以判断，NO含量越大则火焰温度越高，普通烟室NO含量在1000ppm以上时则表明火焰温度较高，足以满足熟料煅烧。

烧成系统相关参数如表6所示。

调整内旋流风后，窑头火焰明显变明亮，飞砂减小，二次风温得到提升，在高产量下二次风温可维持在1100℃；同时从筒体扫描来看，窑内高温区开始前移，一挡托轮附近最高温度达到280℃，可以判断窑前温度得到明显提升。加大轴流风后，高温区域略有后移，但从烟室测量结果可判断最高温度得到了进一步提升。窑尾筒扫显示始终没有出现明显结圈现象，窑尾端平均温度较低且温度分布均匀。

表3 无烟煤熟料化学分析（%）及率值

表4 四种不同工况燃烧器的生产调试情况,kPa

表5 窑尾烟室温度及气体成分测量结果

表6 烧成系统相关参数

表7 熟料质量对比汇总

由于火焰长度适中，熟料结粒始终较好，加大内旋流风后，飞砂减少，细粉料的比例有所较低，熟料质量对比见表7。

熟料烧成状况与其他测量结果判断相一致，火焰温度提升后熟料煅烧状况明显好转，在高轴流风高内旋流风工况下，火焰温度最高，熟料合格率也最高，升重明显提升。前期低风速工况条件时,恰好熟料配料率值较高，导致合格率偏低，熟料配料回归正常后，合格率趋于正常。总的来说，高风速工况完全可以满足无烟煤使用下的熟料煅烧。

4 结语

（1）针对无烟煤燃烧特性开发的Sinoswirl燃烧器，采用双旋流结构形式，能很好地提高无烟煤的燃烧强度和燃尽度。

（2）保持一定燃烧器结构的总冲量能加强火焰强度，提升熟料煅烧效果，从而达到节能降耗的目的。

（3）轴流风速越高则火焰温度越高，旋流风速越高则二次风温越高，高温区域前移。

[1]刘连胜.燃烧理论与技术[M].北京工业出版社,2008.

[2]孙晋涛.硅酸盐工业热工基础[M].武汉理工大学出版社,2004.

[3]Lafarge.Burner_characteristics.2009.

[4]江旭昌.回转窑煤粉燃烧器空气动力学的分析与研究（二）[J].新世纪水泥导报,2010（3）.■

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2012-03-12；编辑：沈颖