江旭昌

1 前言

回轉窯是當前煅燒和焙燒漿狀、粉狀和粒塊狀物料的理想設備，廣泛地應用于建材、冶金、環(huán)保等行業(yè)，尤其是在水泥工業(yè)中的應用大為廣泛[1]。凡是應用回轉窯的系統(tǒng)，都必須有相應的燃燒器與之配套，將所用燃料噴射到窯內燃燒以形成不同的火焰形狀，提供被加工物料進行物理和化學變化所需的熱量。在討論回轉窯燃燒器時均要涉及到“推力”的概念，推力大小是表征燃燒器性能的重要參數。推力不足，就不能形成所需要的良好火焰和火焰形狀；推力過大，同樣會影響正常生產，造成不應有的損失。推力并非越大越好。

現在發(fā)現，不少人對燃燒器推力的基本概念、本質、作用和表達方法的認知比較模糊，甚至有的只知其名而不諳其實，這對回轉窯燃燒器的研發(fā)、合理配風、正常操作使用和準確采購等都極為不利。有的燃燒器生產廠家為了推銷自己的產品，冠之以“大推力”，其實推力不是越大越好。在討論降低回轉窯NOx排放方法時，幾乎所有的討論者都將采用小風量大推力或大推力的回轉窯煤粉燃燒器，作為改進燃燒方式、降低NOx排放的重要技術加以論述。究竟多大推力的燃燒器可稱為“大推力燃燒器”？風量小是否就一定是大推力呢？燃燒器推力越大是否性能就越好呢？燃燒器的推力是固有的，還是在使用操作過程中不斷變化的呢？為澄清這些問題，現對回轉窯煤粉燃燒器的推力進行分析，供大家參考。

2 “一次風”和“推力”術語的由來及其基本概念

在討論回轉窯煤粉燃燒器的推力時，首先必須搞清楚“一次風”和“推力”這兩個名詞術語的由來，進而準確理解其基本含義。否則，很容易產生混淆和誤解。

2.1 “一次風”術語的由來及其基本概念的變化

當今水泥回轉窯所用的燃燒器，基本上都是三風道和先進的四風道等多風道煤粉燃燒器。為其配風都需要兩種風：一種是輸送煤粉等固體燃料所用的風，通常稱為“煤風”；另一種是使煤粉等固體燃料噴入到窯內燃燒，并形成所需要的火焰形狀所用的風，這部分風中不含煤粉而是潔凈空氣，可以稱為“凈風”。現在有人將這部分凈風稱為“助燃空氣”，實際上這部分凈風并不是為助燃而采用的，而是為提供燃料燃燒所需的氧氣、足夠推力，為提高卷吸高溫二次風的能力[2]，形成所需要的火焰形狀，以保證風煤混合更加充分均勻而設置的。所以，格瑞柯-茵菲爾（Greco-Enfil）公司將這部分潔凈空氣即凈風稱為“成形風[3]”。但是，國外原來稱這部分凈風為“一次風（Primary air）”，國內有人受國外的影響也如此稱謂[4]。大家可能會覺得奇怪，為什么只將這部分凈風稱為“一次風”而不包括煤風呢？這就需要了解“一次風”這個術語的由來。

回轉窯最早是不能燒煤的，即使是優(yōu)質煙煤也不能應用，必須以燃油和燃氣為燃料[5]。燃油和燃氣等流體燃料的輸送及通過燃燒器噴出時都不需要空氣，即通常所說的“風”，只需要提供為燃料燃燒并形成所需良好火焰形狀的空氣。這部分空氣是通過燃燒器噴射入窯的，對于傳統(tǒng)的水泥窯型，為與由冷卻機入窯的高溫二次風相區(qū)別，故將這部分冷風（或稱“常溫空氣”）稱為“一次風”。這是一種潔凈空氣，其中不含有任何燃料等介質，即是“凈風”。因此，將這種風稱為“一次風”是合理而科學的，這就是“一次風”術語的由來。

在1900～1910年間，美國人率先將優(yōu)質煙煤的煤粉應用于水泥回轉窯并且取得成功。在燃油、燃氣和燃煤三種燃料中燃煤是最便宜的，儲量也最大，所以在此以后燒煤的水泥回轉窯開始迅速增多。尤其是在上世紀70年代石油危機以后，幾乎所有的水泥回轉窯都轉為以煤粉為燃料。煤粉的輸送和通過燃燒器噴射到窯內燃燒所采取的最方便、經濟的措施就是借助于空氣。在多風道煤粉燃燒器未出現以前，都是利用單風道煤粉燃燒器。對這種習稱“噴煤管”的燃燒器來說，這部分空氣既是煤粉輸送所必需的，也是形成所需火焰形狀所必需的，即在輸送煤粉的同時還提供了一定的推力。對于傳統(tǒng)窯型，為與冷卻機入窯的高溫二次風相區(qū)別，仍然將燃燒器所用的這部分空氣稱為“一次風”。可是，這里的“一次風”與前述“一次風”的基本概念不同。這里的“一次風”已不是凈風，而是包含有煤粉介質的風，嚴格地說，應稱為“煤風”、“輸送風”或“成形風”。由于單風道煤粉燃燒器阻力小，均采用離心風機供風。為了減少管路長度，方便工藝布置，均將這種風機安裝在窯頭，稱為“窯頭一次風機”，簡稱“窯頭風機”，以與其他風機相區(qū)別。

多風道煤粉燃燒器出現以后，既需要輸送煤粉的“煤風”，又需要使煤粉燃燒形成良好火焰的“凈風”。由于歷史的原因，原來國外都將為多風道煤粉燃燒器提供的這部分凈風稱為“一次風”，國內也有人將這部分凈風習慣性地稱為“一次風”[4]，這就是將多風道煤粉燃燒器所需要的這部分凈風稱為“一次風”的由來。另有一部分人，根據單風道煤粉燃燒器用風的傳統(tǒng)稱謂和新型干法窯用風的特點認為，將由多風道煤粉燃燒器噴入到窯內的常溫凈風和煤風合稱為“一次風”比較合理。這就造成“一次風”概念的混亂，給技術交流和具體應用帶來許多麻煩，在談到“一次風”時必須特殊注明是否含煤風。

時代在前進，技術在發(fā)展。一個新事物或者新技術的出現，其對應的名詞術語也必須隨之變化，以便于技術交流和溝通。由于預分解窯的出現，回轉窯的用風也發(fā)生了變化，增加了一股由冷卻機或者窯頭罩抽取到窯尾分解爐中的次高溫三次風。對現在使用最多的預分解窯燒成系統(tǒng)來說，涉及到用風的問題，概括起來共有四種風：一是由多風道煤粉燃燒器噴入到窯內的常溫一次風；二是由冷卻機入窯的高溫二次風；三是由冷卻機或者窯頭罩抽取到窯尾分解爐內的次高溫三次風；四是由窯頭、窯尾、預熱器和分解爐密封裝置等外漏的常溫風。這些風都被窯尾高溫風機抽吸并排到后續(xù)系統(tǒng)中，正常情況下窯頭應保持微負壓，負壓過大會增大漏風量。由此可見，將由多風道煤粉燃燒器噴入到窯內的常溫煤風和凈風之和統(tǒng)稱為“一次風”比較合理和科學[6]。這不僅嚴格區(qū)別了高溫二次風、次高溫三次風和外漏風，而且清晰表明了一次、二次和三次風的概念。輸送煤粉這部分風量并不是可以忽略的小數，一般約為一次凈風的1/3～1/2，為煤粉完全燃燒所需理論空氣量的2.5%～3.5%左右。既有風量又有噴出速度，所以產生了不宜忽略的推力。若一次風不含煤風，那煤風應算哪種風呢？因此，現在國外有的公司已改變了對一次風的定義，如原法國皮拉得公司（Pillard）和法國拉法基水泥公司（Lafarge）已將煤風和凈風之和稱為“一次風”。筆者認為，將煤風與凈風之和稱為“一次風”更合理和科學。

2.2 “推力”術語的由來及其基本概念

物理學中在研究物體運動量和運動狀態(tài)時，都采用動量、功和能量等的理論。在具體舉例中，常會采用“推力”這個術語。如人推車就是人給車一個作用力，使車運動，這個力就稱為“推力”，即人給予車一個“推動力”。又如子彈頭在槍膛中受火藥爆炸力作用而在槍膛中運動，火藥的爆炸力就稱為“爆炸推力”[7]。飛機發(fā)動機推動飛機運動或飛行的推動力，火箭飛天也必須借助于強大的推動力，航空航天專業(yè)將這種推動力簡稱為推力?？梢?，推力是一種力，即作用在一個物體上的外力，可使物體運動，其單位是力的單位“N”、“kN”和“MN”或“kgf”、“t”等。

含煤粉的空氣和潔凈空氣，即煤風和凈風，在煤粉燃燒器噴燃管各個風道中能夠流動，也是因為受到一種力的推動作用，因而有人將這種力稱為“推動力”，并按式（1）進行計算[8]。

由式（1）可以看出，這是動量的表達式。對于固體，式（1）中的m1是固體的質量，單位為kg，V1是固體的運動速度，單位為m/s。由此可見，P的單位應為kg·m/s。顯然這不是力的單位，而是國際單位制的動量單位。但是，對于流體，其質量m1應用質量流量表達，其單位為kg/s，流體的流動速度V1的單位仍為m/s。這樣，P的單位則變?yōu)閗g/s·m/s=kg·m/s2=N（“牛頓”，簡稱“?！保?。因為1kg·m/s2=1N，這就是力的單位了，而不是動量單位?？諝庠趪娙脊芨黠L道內之所以能夠流動，就是推動力的作用，所以國內外都將這個力簡稱為“推力”，與物理學所講的推力概念完全一致，符合牛頓第二定律?，F在有人將其稱為“動量”或“沖量”，實際上都不夠準確。因“沖量”或“沖力”的單位是力與時間的乘積，在國際單位制中的單位是“N·s”，既不是力的單位也不是動量的單位。雖然實質都是一種能量的表達，但是在這里都不及稱為“推力”準確。

對于多風道煤粉燃燒器，式（1）應寫成式（2）更準確：

式（2）中的注腳“i”是“風道”的數量，不是“通道”的數量，煤粉燃燒器的總推力PZ應等于包括煤風在內的各個風道推力之和。煤風也是一股風，也會產生一定的推力。煤風所產生的推力的大小與設計者的觀念有關，有的設計得很大，有的又設計得很小，但一般都設計為一次風的1/3左右，如法國拉法基公司就按一次風的30%設計。

3 回轉窯多風道煤粉燃燒器所需能量的表示方法

燃燒器將煤粉噴射到窯內燃燒，只有火焰形狀合理，才能滿足窯內的溫度分布符合物料在各段進行反應所需要的溫度。要獲得合理的火焰形狀，就必須有足夠的能量支撐。目前，國內外對這種能量的表示方法有所不同，但其本質相同。歸納起來基本上有四種表示方法：一是能量表示法或稱動能表示法；二是單位熱量推力表示法；三是單位功率推力表示法；四是相對推力表示法。

3.1 能量表示法[9]

能量表示法也稱動能表示法，即所需要的動能E等于一次風量中的凈風風量L1j與其所具有的有效壓強Pu的乘積?？砂词剑?）進行計算：

式中：

L1j——燃燒器所供一次風量中的凈風風量，m3/h

Pu——在燃燒器風道噴出時，空氣所達到的有效壓強，bar

法國皮拉得公司采用上述方法來表達煤粉燃燒器所需要的動能，在對原開發(fā)的三風道和后研發(fā)的Rotaflam型四風道煤粉燃燒器性能進行比較時，該公司就采用了這種表示方法。兩種煤粉燃燒器的動能比較見表1。

由表1可以看出，新開發(fā)的Rotaflam型四風道煤粉燃燒器的性能比原三風道好很多。雖然一次風的凈風風量降低了40%，但其動能卻增大了5.9%。另外，有效壓力增大了76.5%。有效壓力的增大，意味著凈風噴出速度增高，噴出環(huán)形間隙的面積減?。?mbar=0.1kPa，150mbar=15kPa）。

3.2 單位熱量推力表示法

單位熱量推力表示法，就是用每小時煤粉燃燒所產生的熱量除以燃燒器一次風中的凈風所產生的推力，可用式（4）進行計算：

式中：

F——單位時間熱量所需的推力，N/（G cal/h）或者N·h/G cal

P——一次風中凈風所能產生的推力，N，可由式（2）計算得到

Q——燒成合格熟料時單位時間內所需的熱量，G cal/h

當前，國外采用這種表示方法的居多，如巴西格瑞柯—茵菲爾（Greco-Enfil）技術裝備公司所生產的FlexiflameTM型燃燒器、法國拉法基水泥公司等都是采用此法，典型設計參數見表2[3]。前者稱為“火焰推力”，不包括煤風時的火焰推力一般在7～9N·h/G cal，最高可達12N·h/G cal。后者要求其單位熱量的火焰推力應≥8N/（G cal/h）=8N·h/G cal。

表1 兩種煤粉燃燒器的動能比較表

表2 帶有半間接或間接點火系統(tǒng)干法窯的典型設計參數

3.3 單位功率推力表示法

單位功率推力表示法，就是用燃料燃燒釋放出的每MW熱功率產生的推力N（牛），來表示推力的大小，其單位為N/MW。原法國皮拉得（Pillard）公司較早研發(fā)的Rotaflam?VR型四風道煤粉燃燒器，在燃燒替代燃料較多時，出現了熟料質量下降和火焰形狀無法控制的情況。為解決燃燒器能夠燃燒100%的替代燃料，該公司對原來的Rotaflam?VR型燃燒器進行了改進。一是縮短了攏焰罩的長度；二是外直流風由發(fā)散噴射改為平行噴射；三是減小了旋流風與外直流風的比例；四是提高了一次風量，即凈風的風量，即增大了軸向風的推力。軸向風的推力就是采用單位功率推力表示法來表示的，其主要技術參數的變化見表3[10]。改進后的燃燒器稱為Rotaflam?WF型燃燒器，如圖1所示。需要注意的是：原法國皮拉得（Pillard）公司與現在的法國法孚皮拉德（FivesPillard）公司是不是同一個公司，說法不一，但燃燒器的型式不同。前者是四風道單因素調節(jié)的ROTAFLAM型，而后者是三風道雙因素調節(jié)的，稱為NOVAFLAM型，因此燃燒器的性能也不同。

圖1 Rotaflam?VR與Rotaflam?WF型燃燒器的比較

據報導，原法國皮拉得公司改進后的Ro?taflam?WF型四風道燃燒器，不僅可以燃燒100%的替代燃料，使亞硫化物含量＜0.03%，不影響熟料質量和窯的操作性能，而且還可以降低NOx的形成，操作時可無級調節(jié)火焰形狀，形成均勻理想的窯皮。具體應用情況見表4。

表3 改進前后兩種燃燒器主要參數的比較

表4 改進后的Rotaflam?WF型四風道燃燒器的具體應用情況表

因為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。這就將單位功率推力表示法換算成了單位熱量推力表示法，可見其本質是相同的，只是由于單位不同，而數值有所變化。

3.4 相對推力表示法

丹麥史密斯（F.L.Smidth）公司采用相對推力表示法，即燃燒器的相對推力F0，等于以百分數表示的，一次風中的凈風風量L1與其噴出速度V1的乘積，可用式（5）進行計算[11]：

式中：

F0——燃燒器的相對推力，%·m/s

L1——以百分數表示的一次風中凈風的風量，%

V1——一次風中凈風的噴出速度，m/s。因為多風道煤粉燃燒器各個風道的噴出速度不同，所以V1應是各個風道噴出速度的加權平均數。

燃燒器的相對推力應滿足F0=1 250～1 850%·m/s，F0取值根據煤質的不同而不同[11]。煤質差取大值，煤質優(yōu)取小值。如果燃燒無煙煤，應取F0=1 850%·m/s。這種表示方法看起來很奇怪，其單位“%·m/s”在任何科學技術書籍中都查不到，但用起來卻很方便。若以用百分數表示的一次風量中的凈風風量L1為橫坐標，噴出速度V1為縱坐標，將二者的關系制成曲線即可指導操作，如圖2所示。假設根據煤質確定相對推力F0=1 800%·m/s，當一次凈風量為L1=10%時，則噴出速度必須V1≥180m/s；當一次凈風量降到L1=5%時，噴出速度就必須提高到V1≥360m/s，否則，就會出現推力不足的情況。另外，各個風道的噴出速度Vi與風量Li成正比，與噴出面積Ai成反比，按式（6）即可計算：

圖2 燃燒器噴燃管噴出速度V1與一次風中凈風量L1的關系曲線圖

對于大多數的煤粉燃燒器而言，當燃燒器噴燃管設計制造好以后，其噴出面積Ai就固定不變了。若要提高噴出速度Vi，就必須增大一次風的風量Li。當Li增大一倍，噴出速度Vi就隨之增大一倍。眾所周知，一次風的風量Li是不宜過大的。若要提高噴出速度Vi，只有在設計時將噴出面積Ai減小，這涉及到燃燒器的設計理念問題。為了增大煤粉燃燒器的適應能力，將噴燃管出口的噴出面積Ai設計成可調節(jié)的。這樣，在風量Li不變的情況下，就能改變各個風道的噴出速度Vi，創(chuàng)造更好的操作條件。如法國皮拉得公司的Rotaflam型、天津博納的TJB-KP型等煤粉燃燒器都屬于這種。

由上述可見，在這四種表示方法中，以最后一種最為直觀和簡便，還可指導操作。另外，從操作范圍也可看出，四風道煤粉燃燒器的性能明顯優(yōu)于三風道煤粉燃燒器。顯然，一次風中的凈風風量減少，但噴出速度高，所以火焰的推力不小。再者也可看出，雖然對推力的表示方法不同，可是在本質上并沒有區(qū)別，可以互相轉換。

在這里需要特別指出的是，在上述的推力計算中，或者推力表示法的計算中，都是以一次風中的凈風量為計算參數，這是因為國外大都將凈風稱為一次風，而不考慮煤風對燃燒器推力的影響。只有原法國皮拉得公司和法國拉法基水泥公司才將煤風產生的推力計算在內。

4 對推力大小的討論

對于單風道煤粉燃燒器，即大家習稱的噴煤管，其一次風率一般約為30%～40%，一次風的噴出速度V1=50～70m/s。如果采用相對推力表示法進行計算，則其相對推力F0=（30～40）×（50～70）=（1 500～2 800）%·m/s?？梢?，單風道煤粉燃燒器的最大相對推力，比丹麥史密斯公司對Duoflex型四風道煤粉燃燒器所規(guī)定的最大相對推力F0=1 850%·m/s還要大。顯然，這不能說明單風道煤粉燃燒器的性能比Duoflex型好。從法國拉法基水泥公司對煤粉燃燒器單位熱量推力的要求看，只要＞8N·h/G cal即可。從巴西格瑞柯—茵菲爾技術裝備公司的FlexiflameTM型煤粉燃燒器也可看出，對單位熱量推力的要求，一般在7～9N·h/G cal即可，最大也不能超過12N·h/G cal。

燃燒器推力的大小固然是決定其性能的一個不可忽視的重要指標，但不是唯一的。推力不足的燃燒器，必定是一個性能不好的燃燒器。推力過大的燃燒器，不僅浪費能源，而且其性能也不一定好。燃燒器的性能與其結構的合理性等諸多因素息息相關，如果結構和其他有關因素不合理，即使推力很大，也達不到預期效果。

5 結語

（1）推力的作用，是使煤粉燃燒器能夠形成煅燒物料所需的良好火焰形狀，推力并非越大越好，而是夠用就行。推力過大，不僅影響燒成系統(tǒng)潛力的正常發(fā)揮，而且浪費電能。

（2）推力與動量、沖量或沖力的概念不同。推力是力而不是其他，推力在使用操作中隨時都在變化，不是固定不變的。

（3）對于燃燒固體燃料的燃燒器，一次風量應包括燃料輸送風。一次風量不宜過大，風量過大，不僅影響系統(tǒng)潛能的正常發(fā)揮，增大NOx的排放，對節(jié)能減排也非常不利[12]，而且還會加劇噴燃管尤其是頭部件的磨損，縮短其使用壽命。

（4）由表2可以看出，燃燒器所需要的推力大小與燃料品種有關。固體燃料最大，燃氣和燃油相對要小一些，這是因為燃氣和燃油的輸送和噴射不需要空氣，不會產生推力。

吉爾吉斯斯坦南方建材2 500t/d熟料生產線項目竣工

11月2日上午10點，天津院有限公司承建的F201-吉爾吉斯斯坦南方建材2 500t/d熟料生產線建設項目舉行了盛大的竣工開業(yè)典禮，吉爾吉斯斯坦國家總統(tǒng)索隆拜·熱恩別科夫出席了儀式。

天津院有限公司承建的該項目于2017年5月25日正式開始施工，12月30日完成主機設備安裝，2018年7月5日點火，9月27日完成項目性能指標考核。

索隆拜·熱恩別科夫總統(tǒng)在典禮上發(fā)表講話，盛贊天津院以非常快的速度完成了熟料生產線的建設目標，為吉爾吉斯斯坦創(chuàng)建了一座現代化的工廠，提供了大量的就業(yè)機會，是“一帶一路”經濟合作發(fā)展的又一模范工程。