燃烧器
FlexiflameTM – a major step forward in burner design
FlexiflameTM--燃烧器设计的重大突破
1 前言
纵观这些年，水泥厂在不同领域发生的若干变化影响了窑 操作的改变。回转窑的燃烧器最初被设计用来燃烧传统燃料， 如天然气、燃料油及具有易燃特性的煤。后来由于传统燃料价格持续攀升, 又用来燃烧重油和石油焦。在过去的十年里，由 于经济和环境优势, 液态或固态废燃料开始出现。近几年，关于燃烧的一个重要话题成为热门:有关排放物对环境的影响。
事实上，除了经济和环境优势，这些"新兴燃料"的燃烧效 率越来越低:挥发分较少、含水量高、粘性渐增、颗粒较大等等。 这种新的趋势造成一种全新的挑战:整合可能的投资、可控制 的排放和工艺的稳定性。从根本上讲, 燃烧器的设计有两个主 流方向:
a) 涡流空气在粉状燃料通道里面:这是一个传统构造，形成的火焰具有良好的可调性。
b) 涡流空气在粉状燃料通道外面:这种构造始于20 年前，其主要目的是减少 NOx 的量。
Greco 想突破这两种模式并提出了一种方案，即将这 两种曾被看作对立的思路结合起来:涡流空气在粉状燃料通道 的内部和外部同时应用。而最近出现的 FlexiflameTM 正实现了 让两种模式的优势互补。
Greco是一个有着 40 多年水泥窑燃烧器设计经验的 公司，再加上燃烧器设计方面的一系列成就，它完全有能力在 窑操作环境不断变化的情况下提供优质燃烧器。这种新型燃 烧器的发展也是 Greco-Enfil 所信奉的格言的体现:燃烧器不仅 是燃料喷射器，也是熟料生产的工具。
2 技术背景
2.1 火焰再循环
火焰的空气动力学和燃烧，也就是火焰形状，与几个因素 有关，包括燃料特性(挥发分含量、颗粒级配、含水量等)，二次 风温，一次风量，注入速率，燃烧器喷嘴的几何构造等等，这些 因素最终归结为一个要点:对内部和外部再循环的控制。 它们决定了燃烧速率及燃料的燃烧方式和点燃时间。
NOx(由燃料中的氮转化而成的 NOx)和热 NOx(氮分子和空 气中的氧在高温下反应生成)。NOx 的形成机制复杂，要经过 多步反应且种类众多，可以图解的形式概述。
燃料氮转化为 NOx 取决于几个因素，包括燃料中的氮含 量、氮液化率及氧气利用率等等。其中大部分因素是燃料所 固有和过程特性。但是有几个方面可以通过适当的燃烧器设 计来控制:燃烧速率和火焰中氧 / 燃料的分布。或许这些可控 因素正是其中最重要的。很明确的是只有部分燃料氮转化为 NOx，也许只有 10~20% 参与了如下述实例中的反应。
虽然燃烧器只提供燃烧所需理论空气的一小部分，例如， 在半间接和间接点火系统中都只占 10%，但它对火焰的形状起 重要作用。通过一次风分布可以控制:煤风混合，燃料点火位 置和火焰长度(一般都在物理学允许的范围内)。比如在内部再循环中，控制第一个温度峰值非常重要，也就是煤风在火焰中心剧烈混合和点火的地方。此外，燃烧中产 生的热气体回流(通过循环)到燃烧器喷嘴以帮助点火和稳定 火焰。通过这个高度紊乱区后，流动速度不再很高，内部循环变 弱，一次风中的氧气被全部消耗，但仍有未燃烧的燃料。这时外部循环开始发挥作用。外部循环负责控制诱导二次风进入火焰。事实上二次风 的风速比不上一次风;但是它温度高。二次风与火焰的混合完 成燃烧并释放煅烧熟料过程中必需的剩余能量。这就是所谓 的第二个温度峰值。鉴于熟料的生产过程的需要，为了避免燃烧圈形成，以形 成短窄型火焰以减少硫挥发，降低后端高温，减少堆积，也为了 确保窑皮和耐火砖的使用寿命，必须使两个温度峰值尽量接近。
2.2 NOx 形成机制
在水泥窑中，NOx 排放物有两个主要来源:所谓的燃料NOx(由燃料中的氮转化而成的 NOx)和热 NOx(氮分子和空 气中的氧在高温下反应生成)。NOx 的形成机制复杂，要经过 多步反应且种类众多，可以图解的形式概述，如图3 所示。
燃料氮转化为 NOx 取决于几个因素，包括燃料中的氮含 量、氮液化率及氧气利用率等等。其中大部分因素是燃料所 固有和过程特性。但是有几个方面可以通过适当的燃烧器设 计来控制:燃烧速率和火焰中氧 / 燃料的分布。或许这些可控 因素正是其中最重要的。很明确的是只有部分燃料氮转化为 NOx，也许只有 10~20% 参与了如下述实例中的反应。
假设生产过程条件如下:
-石油焦的低位热值:8000 kcal/kg (33.5 MJ/kg)
-窑热耗:800 kcal/kg (3.35 MJ/kg)
-生料烧失量:35%
-焦炭含氮量:1.8 % (w/w) 每消耗 100kg 焦炭产生:
-538kgCO (约 274Nm3)
-1220kg 燃烧废气，O2 占 0% 情况下(约 905Nm)
-1.8 kg 氮气
如果这些氮气全部转化为 NOx 将生成 5.9 kg NO2，进而在 O 无剩余的情况下将导致排放量为 5000 mg NOx/Nm3，O 占
10% 时为 2620 mg NOx/Nm3. 考虑到 O 占 10% 时热 NOx 还要 贡献 350mg NOx/Nm3，所以 O 占 10% 时燃料总排放量大约为3000 mg NOx/Nm3.
3 FlexiflameTM 型燃烧器的特点
FlexiflameTM 型燃烧器(图 4)主要理念是使粉状固体燃料 夹在两股涡流空气之间。这些不同的空气流分别是(图 5):
-冷却空气以轴向、径向和切向的速度分量沿若干注入固 体废料的管、液体废料及燃油喷枪的导流管、点火器、火焰传感 器等提供空气。
-扩散风，具有轴向和切向速度分量;
-粉碎固体燃料传送风，轴向速度分量;
-切向风，具有轴向和切向速度分量;
-外风，轴向速度分量。
FlexiflameTM 型燃烧器的使用说明(表 1)在 Greco-Enfil 最 近研发的燃烧器中都有所体现，即便这样，仍有一点需要强调， 那就是所有的燃烧器，从 60 年代的第一台到刚委托制作的这一台，都是量身定做。它们全部是为某一个窑炉和某一个熟料生产过程而设计的。
冷却空气的作用是冷却燃烧器的中心盘，同时向火焰中心 供氧，主要是帮助固液废料燃烧。扩散风担负形成好的燃料云 状物，快速点火和剧烈燃烧，"快速"火焰对一次风的变化和燃 料氮的快速液化很敏感。切向风使未燃烧燃料和液化氮留在内部循环区，这个区域 还原物富集有助于对燃料和热 NOx 进行控制。由于处于边缘位置且喷入速度高，外风用 来增加对热二次风的携卷进入火焰，加大火焰 的刚度或者说推力。而且外风的喷嘴被专门 设计成小孔而不是环缝，以确保外风和二次风 接触面积最大且入射面积相同情况下压损最小(并提高二次风的加速度)。燃烧器的设置可以通过移动三个蝶形阀轻 松调整，这三个阀位于燃烧器外风、切向风和扩 散风的入口处。按照要求，我们可提供带有机 动驱动的阀门。在这种情况下，燃烧器会从控 制室进行调整。上述操作会通过各个通道的气流和压力被控制室持续监控。利用压力和气流信号可能计算出一个"流动系数"，这个系数是燃烧器入口质量流量与静压 平方根的比值，各个通道数值不同，主要取决于燃烧器本体和 喷嘴的设计。如果这个参数与设计数值相比改变过大，就会出 现了堵塞、开口、磨损等燃烧器内部的机械问题。火焰推力，水 泥工业所熟知的涡旋数以及紊乱指数、切向指数、扩散指数、轴 向指数-尤其是 Greco-Enfil 生产的-诸如此类的火焰指标可 被毫不费劲地纳入监控系统，如此，监控这些火焰指数也十分简单。依照 Greco-Enfil 遵循多年的原则，FlexiflameTM 型燃烧器 没有活动件。这种理念可以消除两个问题:第一，消除了机械 装置在高温多尘中顶死的风险;第二，不会再有气流对喷嘴位 置是否有可重复性的问题。各气流是完全分离的，例如，它们不会在燃烧器内混合，这 样就不会有内部混合损失，因此在入射区域压强速度比可达到 最大，且空气动力学条件俱佳-相邻气流入射的质量流量不同，且速度可以维持。
4 固液废料点火
随着火焰及喷射控制的进步，FlexiflameTM 型燃烧器已整合了几个创新以促进固液废料燃烧。沿固体废料管道有若干混 合空气喷嘴，它们指向管心，并且有切向分量(图 6)。这在燃烧 固体废料时会非常有效，特别是当大块燃料伴随着冷却风的注 入破坏了固体废料的流动模式时，倘若与一次风混合更加充分 时，保证燃料在火焰高温区停留时间较长时。如果没有在像内 部气动混合装置中那样出现磨损问题，外部混合结构也允许高 速入射。此外，可以为燃烧器设计一个可抽取式固体废料管， 以应对像谷壳这样的高磨损材料，或者是设计一个水冷固体废 料管，以应对像动物膳食这样的在高温下具有粘性的材料。关于液体废料的点火，FlexiflameTM 配备了一个适合像含 有悬浮颗粒这种"脏"液体入射的喷枪(图 7)。这种喷嘴用压 缩空气或蒸汽作为雾化气体。用这种方法，可以使雾化粘度达300cSt 的液体燃料。这样就不再需要额外加热或加压。另外， 这种喷嘴的开口较大，可以避免阻塞和堵灰。而且在特殊环境 下喷嘴会将特殊材料保持在中心线，防止如陶瓷嵌入物的过度 磨损(90 % Al2O3)。
5 结果
虽然只有两台 FlexiflameTM 型燃烧器在运转，一台在拉丁 美洲(在一条白水泥窑上)另一台在欧洲(灰水泥窑)，经过 12 个月的试运转，NOx 的排放情况，火焰控制及替代燃料的替代 率都令人满意。欧洲那家水泥窑是一条干法窑，有四级旋风预 热器和间接点火系统。预热燃料为燃油，主要为石油焦 , 部分 用固液废料(达到燃烧器热能的 70% 以上)代替。在氧气占
10%，燃料全为石油焦的条件下，当前的排放量为 550 mg/Nm3。 且所用窑与第 2.2 节计算 NOx 排放量时所用窑是同一个。
6 结论
无论在 NOx 排放还是固体废料燃烧方面，FlexiflameTM 都 使回转窑燃烧器的发展向前迈进了一步。从目前的结果来看， 窑操作稳定性、耐火砖的使用寿命、熟料质量及替代率都很令 人满意。
基于理论概念、数字模型、熟料的显微分析及大量的现场 试验，Greco-Enfil 可以断定通过正确调整燃烧器喷嘴，减少一 次风量以及利用火焰气体力学、内外循环，达到熟料生产的所 有主要指标是可能的:排放量可控;即使使用难燃或替代燃料， 仍具有掌控火焰成型的能力。
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