張世煜 畢仕輝

(中鋼集團(tuán)鞍山熱能研究院有限公司)

回轉(zhuǎn)窯是對散狀物料進(jìn)行煅燒處理的熱工設(shè)備，廣泛用于冶金、碳素、水泥、化工和造紙等行業(yè)。其中，燃燒器是回轉(zhuǎn)窯的關(guān)鍵設(shè)備，在降低回轉(zhuǎn)窯能耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長窯體壽命、減少有害氣體排放等方面起關(guān)鍵作用。鑒于燃燒器對回轉(zhuǎn)窯技術(shù)性能影響較大，國內(nèi)外回轉(zhuǎn)窯設(shè)計、制造公司均把燃燒器作為重點設(shè)備進(jìn)行研發(fā)。目前應(yīng)用較廣的回轉(zhuǎn)窯燃燒器為四通道回轉(zhuǎn)窯燃燒器，此類燃燒器可以單獨燃燒煤粉、各種氣體燃料，也可以實現(xiàn)煤粉和氣體燃料的混燒。文章主要針對煤系針狀焦回轉(zhuǎn)窯多通道燃?xì)馊紵鞯脑O(shè)計研發(fā)和應(yīng)用效果進(jìn)行論述。

1 回轉(zhuǎn)窯燃燒器的發(fā)展

回轉(zhuǎn)窯燃燒器發(fā)展至今，國內(nèi)外科技工作者做了大量的研發(fā)工作。實踐證明，多通道回轉(zhuǎn)窯燃燒器具有燃料適應(yīng)性強(qiáng)、燃燒穩(wěn)定充分、火焰熱強(qiáng)度適中、火焰形狀容易調(diào)整等諸多優(yōu)點，已經(jīng)成為回轉(zhuǎn)窯燃燒器的主流產(chǎn)品。目前，多通道回轉(zhuǎn)窯燃燒器已經(jīng)開發(fā)出四代產(chǎn)品。

(1)單通道燃燒器。單通道燃燒器多采用煤粉作為燃料，一次風(fēng)量大，火焰調(diào)節(jié)范圍窄，靈活性小，僅適用于長回轉(zhuǎn)窯。

(2)雙通道燃燒器。雙通道燃燒器一次風(fēng)量大，火焰長度短，火焰沖力不夠，高溫區(qū)靠近窯頭，容易損壞燒嘴噴頭；火焰剛性差，火焰不集中，對窯壁的燒損比較嚴(yán)重。

(3)三通道燃燒器。三通道燃燒器是為了適應(yīng)短回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)特點而研發(fā)出來，節(jié)省了一次空氣量，但燃燒煤粉時火焰短且分散。

(4)四通道燃燒器。四通道燃燒器火焰溫度高，火焰長度較長，但火焰分布不均勻，容易燒損噴頭。

2 設(shè)計研發(fā)

2.1 技術(shù)方案的確定

某公司新建煤系針狀焦項目的煅燒工序回轉(zhuǎn)窯規(guī)格為Φ60×2.8 m，以焦?fàn)t煤氣為燃料，燃料消耗量為800 m3/h。由于燃燒器對回轉(zhuǎn)窯煅燒效果起至關(guān)重要作用，急需開發(fā)一種新型回轉(zhuǎn)窯燃燒器，克服上述幾種回轉(zhuǎn)窯燃燒器的缺點。結(jié)合煅燒工序的生產(chǎn)工藝要求，新型五通道燃燒器設(shè)計思路應(yīng)符合以下要求：①空燃比合理，燃燒充分穩(wěn)定；②火焰溫度合理，火焰峰值均衡；③火焰形狀調(diào)節(jié)靈活方便，調(diào)節(jié)特性好；④燃燒器使用壽命長，噴頭不易燒損；⑤氮氧化物排放量低，節(jié)能環(huán)保。

2.2 結(jié)構(gòu)特點

燃燒器系統(tǒng)由燃燒器本體、空氣輸送單元和煤氣輸送單元組成。燃燒器本體由外環(huán)風(fēng)道、外環(huán)煤氣道、內(nèi)環(huán)風(fēng)道、內(nèi)環(huán)煤氣道、中心風(fēng)道、火焰探測器和點火燒嘴組成。五通道回轉(zhuǎn)窯燃?xì)馊紵鲊婎^結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 五通道回轉(zhuǎn)窯燃?xì)馊紵鲊婎^結(jié)構(gòu)

燃燒器最內(nèi)層為中心風(fēng)道，中心風(fēng)約占總風(fēng)量的10%。在中心風(fēng)道的頭部裝有十字內(nèi)環(huán)型穩(wěn)焰器，穩(wěn)焰器由耐熱不銹鋼制成。

內(nèi)環(huán)煤氣道位于中心風(fēng)道外層，內(nèi)環(huán)煤氣量約占總?cè)細(xì)饬康?0%。在內(nèi)環(huán)煤氣道頭部裝有環(huán)形多孔噴口，噴射方向與水平夾角為1°，向中心風(fēng)道方向匯聚。

中心風(fēng)道和內(nèi)環(huán)煤氣道前部設(shè)置空燃預(yù)混區(qū)，中心風(fēng)與內(nèi)環(huán)煤氣在空燃預(yù)混區(qū)預(yù)先混合，在燃燒器中心形成部分預(yù)混燃燒火焰，保證燃燒器火焰根部燃燒穩(wěn)定。

內(nèi)環(huán)風(fēng)道位于內(nèi)環(huán)煤氣道和空燃預(yù)混區(qū)的外層，內(nèi)環(huán)風(fēng)量約占總風(fēng)量的40%。內(nèi)環(huán)風(fēng)通過內(nèi)環(huán)風(fēng)道內(nèi)的軸向分流板分流，以直流多股形式噴出。

外環(huán)煤氣道位于內(nèi)環(huán)風(fēng)道外層，外環(huán)煤氣量約占總?cè)細(xì)饬康?0%。外環(huán)煤氣以旋流形式噴出，旋流角度為30°。

外環(huán)風(fēng)道位于外環(huán)煤氣道外層，外環(huán)風(fēng)量約占總風(fēng)量的50%。外環(huán)風(fēng)道靠近燃燒器噴口處設(shè)置收縮段，收縮段內(nèi)設(shè)置軸向分流板，外環(huán)風(fēng)以直流多股形式噴出，在收縮段前部形成穩(wěn)焰區(qū)。

綜上所述，新型五通道回轉(zhuǎn)窯燃?xì)馊紵髦饕攸c：

(1)中心風(fēng)和內(nèi)環(huán)風(fēng)為調(diào)節(jié)風(fēng)，通過風(fēng)量調(diào)節(jié)火焰長度。內(nèi)環(huán)煤氣以向中心風(fēng)匯聚的環(huán)形多孔形式噴出，在空燃預(yù)混區(qū)內(nèi)均勻混合，在燃燒器噴口中心形成部分預(yù)混燃燒火焰。中心風(fēng)、內(nèi)環(huán)風(fēng)與內(nèi)環(huán)煤氣形成兩層風(fēng)在外、煤氣在內(nèi)的夾心結(jié)構(gòu)，兩層風(fēng)包裹一層煤氣向前擴(kuò)散燃燒，使中心回流煙氣避開了高溫區(qū)，達(dá)到低NOx排放的目的。

(2)內(nèi)環(huán)風(fēng)同時作為點火用風(fēng)。電子點火器位于內(nèi)環(huán)風(fēng)道內(nèi)，內(nèi)環(huán)風(fēng)既提供了點火空氣，又起到冷卻電子點火器噴頭的作用，保證電子點火器使用壽命。

(3)外環(huán)風(fēng)為穩(wěn)焰風(fēng)，通過調(diào)節(jié)外環(huán)風(fēng)量與外環(huán)煤氣量可以改變火焰外形輪廓。

(4)中心風(fēng)道內(nèi)置火焰檢測器，火焰檢測器可以在火焰熄滅時自動報警，并通過控制系統(tǒng)向電子點火器自動發(fā)送點火指令，安全可靠。

(5)燃燒器進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯的部分包裹150 mm厚耐火澆注料，并且燃燒器噴頭采用耐高溫、抗氧化的不銹鋼制成，避免燃燒器在高溫環(huán)境下出現(xiàn)燒損現(xiàn)象，燃燒器的使用壽命大大延長。

2.3 模擬仿真

依據(jù)某新建煤系針狀焦項目回轉(zhuǎn)窯新型五通道燃?xì)馊紵鞯脑O(shè)計方案，采用焦?fàn)t煤氣為燃料，對燃燒器的燃燒工況進(jìn)行模擬仿真。仿真結(jié)果表明，燃燒器火焰高溫核心區(qū)長度在6.5 m以上，火焰實際燃燒溫度則可達(dá)到1 650 ℃，火焰溫度和火焰長度均滿足回轉(zhuǎn)窯使用要求。模擬仿真驗證了新型五通道燃?xì)馊紵髟O(shè)計方案的合理性。

3 應(yīng)用效果

某公司新建煤系針狀焦項目的回轉(zhuǎn)窯使用新型五通道燃?xì)馊紵鳎撊紵魅紵€(wěn)定，火焰剛性較好，沖力較強(qiáng)，無沖刷窯壁現(xiàn)象，火焰長度大于7 m，火焰外形調(diào)整靈活方便。該燃燒器投入使用后，可保證針狀焦回轉(zhuǎn)窯窯頭溫度控制在1 400～1 500 ℃之間，滿足工藝生產(chǎn)要求，煅燒合格率達(dá)到95%以上。運行一段時間的能耗數(shù)據(jù)顯示，相比于常見的多通道燃燒器，采用了新型五通道燃?xì)馊紵鞯幕剞D(zhuǎn)窯單耗下降了4%，既降低了生產(chǎn)成本，又實現(xiàn)了節(jié)能減排。