回转窑煤粉燃烧器推力的基本概念及分析

江旭昌

1 前言

回转窑是当前煅烧和焙烧浆状、粉状和粒块状物料的理想设备，广泛地应用于建材、冶金、环保等行业，尤其是在水泥工业中的应用大为广泛[1]。凡是应用回转窑的系统，都必须有相应的燃烧器与之配套，将所用燃料喷射到窑内燃烧以形成不同的火焰形状，提供被加工物料进行物理和化学变化所需的热量。在讨论回转窑燃烧器时均要涉及到“推力”的概念，推力大小是表征燃烧器性能的重要参数。推力不足，就不能形成所需要的良好火焰和火焰形状；推力过大，同样会影响正常生产，造成不应有的损失。推力并非越大越好。

现在发现，不少人对燃烧器推力的基本概念、本质、作用和表达方法的认知比较模糊，甚至有的只知其名而不谙其实，这对回转窑燃烧器的研发、合理配风、正常操作使用和准确采购等都极为不利。有的燃烧器生产厂家为了推销自己的产品，冠之以“大推力”，其实推力不是越大越好。在讨论降低回转窑NOx排放方法时，几乎所有的讨论者都将采用小风量大推力或大推力的回转窑煤粉燃烧器，作为改进燃烧方式、降低NOx排放的重要技术加以论述。究竟多大推力的燃烧器可称为“大推力燃烧器”？风量小是否就一定是大推力呢？燃烧器推力越大是否性能就越好呢？燃烧器的推力是固有的，还是在使用操作过程中不断变化的呢？为澄清这些问题，现对回转窑煤粉燃烧器的推力进行分析，供大家参考。

2 “一次风”和“推力”术语的由来及其基本概念

在讨论回转窑煤粉燃烧器的推力时，首先必须搞清楚“一次风”和“推力”这两个名词术语的由来，进而准确理解其基本含义。否则，很容易产生混淆和误解。

2.1 “一次风”术语的由来及其基本概念的变化

当今水泥回转窑所用的燃烧器，基本上都是三风道和先进的四风道等多风道煤粉燃烧器。为其配风都需要两种风：一种是输送煤粉等固体燃料所用的风，通常称为“煤风”；另一种是使煤粉等固体燃料喷入到窑内燃烧，并形成所需要的火焰形状所用的风，这部分风中不含煤粉而是洁净空气，可以称为“净风”。现在有人将这部分净风称为“助燃空气”，实际上这部分净风并不是为助燃而采用的，而是为提供燃料燃烧所需的氧气、足够推力，为提高卷吸高温二次风的能力[2]，形成所需要的火焰形状，以保证风煤混合更加充分均匀而设置的。所以，格瑞柯-茵菲尔（Greco-Enfil）公司将这部分洁净空气即净风称为“成形风[3]”。但是，国外原来称这部分净风为“一次风（Primary air）”，国内有人受国外的影响也如此称谓[4]。大家可能会觉得奇怪，为什么只将这部分净风称为“一次风”而不包括煤风呢？这就需要了解“一次风”这个术语的由来。

回转窑最早是不能烧煤的，即使是优质烟煤也不能应用，必须以燃油和燃气为燃料[5]。燃油和燃气等流体燃料的输送及通过燃烧器喷出时都不需要空气，即通常所说的“风”，只需要提供为燃料燃烧并形成所需良好火焰形状的空气。这部分空气是通过燃烧器喷射入窑的，对于传统的水泥窑型，为与由冷却机入窑的高温二次风相区别，故将这部分冷风（或称“常温空气”）称为“一次风”。这是一种洁净空气，其中不含有任何燃料等介质，即是“净风”。因此，将这种风称为“一次风”是合理而科学的，这就是“一次风”术语的由来。

在1900～1910年间，美国人率先将优质烟煤的煤粉应用于水泥回转窑并且取得成功。在燃油、燃气和燃煤三种燃料中燃煤是最便宜的，储量也最大，所以在此以后烧煤的水泥回转窑开始迅速增多。尤其是在上世纪70年代石油危机以后，几乎所有的水泥回转窑都转为以煤粉为燃料。煤粉的输送和通过燃烧器喷射到窑内燃烧所采取的最方便、经济的措施就是借助于空气。在多风道煤粉燃烧器未出现以前，都是利用单风道煤粉燃烧器。对这种习称“喷煤管”的燃烧器来说，这部分空气既是煤粉输送所必需的，也是形成所需火焰形状所必需的，即在输送煤粉的同时还提供了一定的推力。对于传统窑型，为与冷却机入窑的高温二次风相区别，仍然将燃烧器所用的这部分空气称为“一次风”。可是，这里的“一次风”与前述“一次风”的基本概念不同。这里的“一次风”已不是净风，而是包含有煤粉介质的风，严格地说，应称为“煤风”、“输送风”或“成形风”。由于单风道煤粉燃烧器阻力小，均采用离心风机供风。为了减少管路长度，方便工艺布置，均将这种风机安装在窑头，称为“窑头一次风机”，简称“窑头风机”，以与其他风机相区别。

多风道煤粉燃烧器出现以后，既需要输送煤粉的“煤风”，又需要使煤粉燃烧形成良好火焰的“净风”。由于历史的原因，原来国外都将为多风道煤粉燃烧器提供的这部分净风称为“一次风”，国内也有人将这部分净风习惯性地称为“一次风”[4]，这就是将多风道煤粉燃烧器所需要的这部分净风称为“一次风”的由来。另有一部分人，根据单风道煤粉燃烧器用风的传统称谓和新型干法窑用风的特点认为，将由多风道煤粉燃烧器喷入到窑内的常温净风和煤风合称为“一次风”比较合理。这就造成“一次风”概念的混乱，给技术交流和具体应用带来许多麻烦，在谈到“一次风”时必须特殊注明是否含煤风。

时代在前进，技术在发展。一个新事物或者新技术的出现，其对应的名词术语也必须随之变化，以便于技术交流和沟通。由于预分解窑的出现，回转窑的用风也发生了变化，增加了一股由冷却机或者窑头罩抽取到窑尾分解炉中的次高温三次风。对现在使用最多的预分解窑烧成系统来说，涉及到用风的问题，概括起来共有四种风：一是由多风道煤粉燃烧器喷入到窑内的常温一次风；二是由冷却机入窑的高温二次风；三是由冷却机或者窑头罩抽取到窑尾分解炉内的次高温三次风；四是由窑头、窑尾、预热器和分解炉密封装置等外漏的常温风。这些风都被窑尾高温风机抽吸并排到后续系统中，正常情况下窑头应保持微负压，负压过大会增大漏风量。由此可见，将由多风道煤粉燃烧器喷入到窑内的常温煤风和净风之和统称为“一次风”比较合理和科学[6]。这不仅严格区别了高温二次风、次高温三次风和外漏风，而且清晰表明了一次、二次和三次风的概念。输送煤粉这部分风量并不是可以忽略的小数，一般约为一次净风的1/3～1/2，为煤粉完全燃烧所需理论空气量的2.5%～3.5%左右。既有风量又有喷出速度，所以产生了不宜忽略的推力。若一次风不含煤风，那煤风应算哪种风呢？因此，现在国外有的公司已改变了对一次风的定义，如原法国皮拉得公司（Pillard）和法国拉法基水泥公司（Lafarge）已将煤风和净风之和称为“一次风”。笔者认为，将煤风与净风之和称为“一次风”更合理和科学。

2.2 “推力”术语的由来及其基本概念

物理学中在研究物体运动量和运动状态时，都采用动量、功和能量等的理论。在具体举例中，常会采用“推力”这个术语。如人推车就是人给车一个作用力，使车运动，这个力就称为“推力”，即人给予车一个“推动力”。又如子弹头在枪膛中受火药爆炸力作用而在枪膛中运动，火药的爆炸力就称为“爆炸推力”[7]。飞机发动机推动飞机运动或飞行的推动力，火箭飞天也必须借助于强大的推动力，航空航天专业将这种推动力简称为推力。可见，推力是一种力，即作用在一个物体上的外力，可使物体运动，其单位是力的单位“N”、“kN”和“MN”或“kgf”、“t”等。

含煤粉的空气和洁净空气，即煤风和净风，在煤粉燃烧器喷燃管各个风道中能够流动，也是因为受到一种力的推动作用，因而有人将这种力称为“推动力”，并按式（1）进行计算[8]。

由式（1）可以看出，这是动量的表达式。对于固体，式（1）中的m1是固体的质量，单位为kg，V1是固体的运动速度，单位为m/s。由此可见，P的单位应为kg·m/s。显然这不是力的单位，而是国际单位制的动量单位。但是，对于流体，其质量m1应用质量流量表达，其单位为kg/s，流体的流动速度V1的单位仍为m/s。这样，P的单位则变为kg/s·m/s=kg·m/s2=N（“牛顿”，简称“牛”）。因为1kg·m/s2=1N，这就是力的单位了，而不是动量单位。空气在喷燃管各风道内之所以能够流动，就是推动力的作用，所以国内外都将这个力简称为“推力”，与物理学所讲的推力概念完全一致，符合牛顿第二定律。现在有人将其称为“动量”或“冲量”，实际上都不够准确。因“冲量”或“冲力”的单位是力与时间的乘积，在国际单位制中的单位是“N·s”，既不是力的单位也不是动量的单位。虽然实质都是一种能量的表达，但是在这里都不及称为“推力”准确。

对于多风道煤粉燃烧器，式（1）应写成式（2）更准确：

式（2）中的注脚“i”是“风道”的数量，不是“通道”的数量，煤粉燃烧器的总推力PZ应等于包括煤风在内的各个风道推力之和。煤风也是一股风，也会产生一定的推力。煤风所产生的推力的大小与设计者的观念有关，有的设计得很大，有的又设计得很小，但一般都设计为一次风的1/3左右，如法国拉法基公司就按一次风的30%设计。

3 回转窑多风道煤粉燃烧器所需能量的表示方法

燃烧器将煤粉喷射到窑内燃烧，只有火焰形状合理，才能满足窑内的温度分布符合物料在各段进行反应所需要的温度。要获得合理的火焰形状，就必须有足够的能量支撑。目前，国内外对这种能量的表示方法有所不同，但其本质相同。归纳起来基本上有四种表示方法：一是能量表示法或称动能表示法；二是单位热量推力表示法；三是单位功率推力表示法；四是相对推力表示法。

3.1 能量表示法[9]

能量表示法也称动能表示法，即所需要的动能E等于一次风量中的净风风量L1j与其所具有的有效压强Pu的乘积。可按式（3）进行计算：

式中：

L1j——燃烧器所供一次风量中的净风风量，m3/h

Pu——在燃烧器风道喷出时，空气所达到的有效压强，bar

法国皮拉得公司采用上述方法来表达煤粉燃烧器所需要的动能，在对原开发的三风道和后研发的Rotaflam型四风道煤粉燃烧器性能进行比较时，该公司就采用了这种表示方法。两种煤粉燃烧器的动能比较见表1。

由表1可以看出，新开发的Rotaflam型四风道煤粉燃烧器的性能比原三风道好很多。虽然一次风的净风风量降低了40%，但其动能却增大了5.9%。另外，有效压力增大了76.5%。有效压力的增大，意味着净风喷出速度增高，喷出环形间隙的面积减小（1mbar=0.1kPa，150mbar=15kPa）。

3.2 单位热量推力表示法

单位热量推力表示法，就是用每小时煤粉燃烧所产生的热量除以燃烧器一次风中的净风所产生的推力，可用式（4）进行计算：

式中：

F——单位时间热量所需的推力，N/（G cal/h）或者N·h/G cal

P——一次风中净风所能产生的推力，N，可由式（2）计算得到

Q——烧成合格熟料时单位时间内所需的热量，G cal/h

当前，国外采用这种表示方法的居多，如巴西格瑞柯—茵菲尔（Greco-Enfil）技术装备公司所生产的FlexiflameTM型燃烧器、法国拉法基水泥公司等都是采用此法，典型设计参数见表2[3]。前者称为“火焰推力”，不包括煤风时的火焰推力一般在7～9N·h/G cal，最高可达12N·h/G cal。后者要求其单位热量的火焰推力应≥8N/（G cal/h）=8N·h/G cal。

表1 两种煤粉燃烧器的动能比较表

表2 带有半间接或间接点火系统干法窑的典型设计参数

3.3 单位功率推力表示法

单位功率推力表示法，就是用燃料燃烧释放出的每MW热功率产生的推力N（牛），来表示推力的大小，其单位为N/MW。原法国皮拉得（Pillard）公司较早研发的Rotaflam®VR型四风道煤粉燃烧器，在燃烧替代燃料较多时，出现了熟料质量下降和火焰形状无法控制的情况。为解决燃烧器能够燃烧100%的替代燃料，该公司对原来的Rotaflam®VR型燃烧器进行了改进。一是缩短了拢焰罩的长度；二是外直流风由发散喷射改为平行喷射；三是减小了旋流风与外直流风的比例；四是提高了一次风量，即净风的风量，即增大了轴向风的推力。轴向风的推力就是采用单位功率推力表示法来表示的，其主要技术参数的变化见表3[10]。改进后的燃烧器称为Rotaflam®WF型燃烧器，如图1所示。需要注意的是：原法国皮拉得（Pillard）公司与现在的法国法孚皮拉德（FivesPillard）公司是不是同一个公司，说法不一，但燃烧器的型式不同。前者是四风道单因素调节的ROTAFLAM型，而后者是三风道双因素调节的，称为NOVAFLAM型，因此燃烧器的性能也不同。

图1 Rotaflam®VR与Rotaflam®WF型燃烧器的比较

据报导，原法国皮拉得公司改进后的Ro⁃taflam®WF型四风道燃烧器，不仅可以燃烧100%的替代燃料，使亚硫化物含量＜0.03%，不影响熟料质量和窑的操作性能，而且还可以降低NOx的形成，操作时可无级调节火焰形状，形成均匀理想的窑皮。具体应用情况见表4。

表3 改进前后两种燃烧器主要参数的比较

表4 改进后的Rotaflam®WF型四风道燃烧器的具体应用情况表

因为1W=1J/S=3 600J/h，所以1MW≈0.86G cal/h。表3中的（2.8～3.8）（N/MW）/0.86=（3.26～4.42）N/（G cal/h）=（3.26～4.42）N·h/G cal。同理，（8～12）N/MW=（9.30～13.95）N·h/G cal。这就将单位功率推力表示法换算成了单位热量推力表示法，可见其本质是相同的，只是由于单位不同，而数值有所变化。

3.4 相对推力表示法

丹麦史密斯（F.L.Smidth）公司采用相对推力表示法，即燃烧器的相对推力F0，等于以百分数表示的，一次风中的净风风量L1与其喷出速度V1的乘积，可用式（5）进行计算[11]：

式中：

F0——燃烧器的相对推力，%·m/s

L1——以百分数表示的一次风中净风的风量，%

V1——一次风中净风的喷出速度，m/s。因为多风道煤粉燃烧器各个风道的喷出速度不同，所以V1应是各个风道喷出速度的加权平均数。

燃烧器的相对推力应满足F0=1 250～1 850%·m/s，F0取值根据煤质的不同而不同[11]。煤质差取大值，煤质优取小值。如果燃烧无烟煤，应取F0=1 850%·m/s。这种表示方法看起来很奇怪，其单位“%·m/s”在任何科学技术书籍中都查不到，但用起来却很方便。若以用百分数表示的一次风量中的净风风量L1为横坐标，喷出速度V1为纵坐标，将二者的关系制成曲线即可指导操作，如图2所示。假设根据煤质确定相对推力F0=1 800%·m/s，当一次净风量为L1=10%时，则喷出速度必须V1≥180m/s；当一次净风量降到L1=5%时，喷出速度就必须提高到V1≥360m/s，否则，就会出现推力不足的情况。另外，各个风道的喷出速度Vi与风量Li成正比，与喷出面积Ai成反比，按式（6）即可计算：

图2 燃烧器喷燃管喷出速度V1与一次风中净风量L1的关系曲线图

对于大多数的煤粉燃烧器而言，当燃烧器喷燃管设计制造好以后，其喷出面积Ai就固定不变了。若要提高喷出速度Vi，就必须增大一次风的风量Li。当Li增大一倍，喷出速度Vi就随之增大一倍。众所周知，一次风的风量Li是不宜过大的。若要提高喷出速度Vi，只有在设计时将喷出面积Ai减小，这涉及到燃烧器的设计理念问题。为了增大煤粉燃烧器的适应能力，将喷燃管出口的喷出面积Ai设计成可调节的。这样，在风量Li不变的情况下，就能改变各个风道的喷出速度Vi，创造更好的操作条件。如法国皮拉得公司的Rotaflam型、天津博纳的TJB-KP型等煤粉燃烧器都属于这种。

由上述可见，在这四种表示方法中，以最后一种最为直观和简便，还可指导操作。另外，从操作范围也可看出，四风道煤粉燃烧器的性能明显优于三风道煤粉燃烧器。显然，一次风中的净风风量减少，但喷出速度高，所以火焰的推力不小。再者也可看出，虽然对推力的表示方法不同，可是在本质上并没有区别，可以互相转换。

在这里需要特别指出的是，在上述的推力计算中，或者推力表示法的计算中，都是以一次风中的净风量为计算参数，这是因为国外大都将净风称为一次风，而不考虑煤风对燃烧器推力的影响。只有原法国皮拉得公司和法国拉法基水泥公司才将煤风产生的推力计算在内。

4 对推力大小的讨论

对于单风道煤粉燃烧器，即大家习称的喷煤管，其一次风率一般约为30%～40%，一次风的喷出速度V1=50～70m/s。如果采用相对推力表示法进行计算，则其相对推力F0=（30～40）×（50～70）=（1 500～2 800）%·m/s。可见，单风道煤粉燃烧器的最大相对推力，比丹麦史密斯公司对Duoflex型四风道煤粉燃烧器所规定的最大相对推力F0=1 850%·m/s还要大。显然，这不能说明单风道煤粉燃烧器的性能比Duoflex型好。从法国拉法基水泥公司对煤粉燃烧器单位热量推力的要求看，只要＞8N·h/G cal即可。从巴西格瑞柯—茵菲尔技术装备公司的FlexiflameTM型煤粉燃烧器也可看出，对单位热量推力的要求，一般在7～9N·h/G cal即可，最大也不能超过12N·h/G cal。

燃烧器推力的大小固然是决定其性能的一个不可忽视的重要指标，但不是唯一的。推力不足的燃烧器，必定是一个性能不好的燃烧器。推力过大的燃烧器，不仅浪费能源，而且其性能也不一定好。燃烧器的性能与其结构的合理性等诸多因素息息相关，如果结构和其他有关因素不合理，即使推力很大，也达不到预期效果。

5 结语

（1）推力的作用，是使煤粉燃烧器能够形成煅烧物料所需的良好火焰形状，推力并非越大越好，而是够用就行。推力过大，不仅影响烧成系统潜力的正常发挥，而且浪费电能。

（2）推力与动量、冲量或冲力的概念不同。推力是力而不是其他，推力在使用操作中随时都在变化，不是固定不变的。

（3）对于燃烧固体燃料的燃烧器，一次风量应包括燃料输送风。一次风量不宜过大，风量过大，不仅影响系统潜能的正常发挥，增大NOx的排放，对节能减排也非常不利[12]，而且还会加剧喷燃管尤其是头部件的磨损，缩短其使用寿命。

（4）由表2可以看出，燃烧器所需要的推力大小与燃料品种有关。固体燃料最大，燃气和燃油相对要小一些，这是因为燃气和燃油的输送和喷射不需要空气，不会产生推力。

吉尔吉斯斯坦南方建材2 500t/d熟料生产线项目竣工

11月2日上午10点，天津院有限公司承建的F201-吉尔吉斯斯坦南方建材2 500t/d熟料生产线建设项目举行了盛大的竣工开业典礼，吉尔吉斯斯坦国家总统索隆拜·热恩别科夫出席了仪式。

天津院有限公司承建的该项目于2017年5月25日正式开始施工，12月30日完成主机设备安装，2018年7月5日点火，9月27日完成项目性能指标考核。

索隆拜·热恩别科夫总统在典礼上发表讲话，盛赞天津院以非常快的速度完成了熟料生产线的建设目标，为吉尔吉斯斯坦创建了一座现代化的工厂，提供了大量的就业机会，是“一带一路”经济合作发展的又一模范工程。