窑头燃烧器的使用经验
水泥 水泥杂志 2017-03-06
费县沂州水泥有限公司现有两条Φ4.8m×74m回转窑，分别于2008年12月和2010年10月投产。所用的窑头煤粉燃烧器是皮拉德公司（Pillard）刚转让给法孚皮拉德公司(Fivespillard)时，后者生产的Rotaflam型四风道煤粉燃烧器。该燃烧器虽然也称为Rotaflam型，可是既与皮拉德公司的原Rotaflam型不同，也与法孚皮拉德公司后来的Novaflam型三风道煤粉燃烧器不同。在使用中出现不少问题。为此，该公司更换了燃烧器。现将两种燃烧器的使用情况及经验作一总结，以供参考。
1 原燃烧器的基本情况
1.1 燃烧器的头部结构
燃烧器的头部结构如图1所示。
图1 燃烧器的头部结构
可以看出，我公司燃烧器与皮拉德公司的原Rotaflam型燃烧器相比较，除头部结构去掉拢焰罩之外，其他如风道和通道数量、排列顺序和结构基本雷同。显然，这是法孚皮拉德公司刚从皮拉德公司转接过来时的过渡产品。
1.2 配风及操作表压
燃烧器的配风列于表1。
表1 煤风和净风罗茨风机的主要参数
实际操作参数：
按要求，在操作时外风表压控制在24kPa左右，可实际上我公司两条线在操作时的表压值如表2所列，表中的喷出速度和推力是核算出来的。
表2 操作时燃烧器上压力表的表压
1.3 所用煤质的工业分析、水分和细度
该公司一直使用优质烟煤，其工业分析、水分和细度列于表3中。
表3 公司使用煤质工业分析、水分和细度
2 原燃烧器存在的问题及其分析
2.1 火焰成形不好，推力和刚度不足
从燃烧器头部结构看，这种燃烧器为了解决皮拉德公司原同型号燃烧器拢焰罩磨损过快的问题，将拢焰罩去掉。这就失去对火焰射流根部收拢的作用，使火焰射流角增大。从设计理念上看，这种燃烧器采用的是大风量低喷出速度的设计理念。由表1和表2可见，虽然一次风量很大，但喷出速度很低，造成火焰射流的推力和刚度不足，火焰不稳定。由以上两个因素，导致火焰分散无力，热力不集中，使窑前温度提不高，出窑熟料温度低，二、三次风温降低。因此对熟料良好烧成、分解炉升温和窑头余热发电系统的良好运行都产生很大的不利影响且存在恶性循环现象。
2.2 对煤质和喂煤喂料的波动适应能力差，操作难度大
当煤质稍微变差，喂煤和生料来料稍微不稳定时，火焰就更不稳定。经常出现两种情况：一种是煤粉在窑前局部燃烧，火焰高温区集中在距窑口3～5m处，出现峰值温度，不仅损伤窑皮，缩短耐火砖的使用寿命，同时使窑皮减短，影响熟料的产质量；而且还会造成NOx的生成量增大。另一种是有时会出现煤粉不完全燃烧现象，煤粉后燃严重，导致窑尾和烟室温度增高，窑前温度降低，熟料煅烧情况变差。以上两种情况出现时，都给稳定操作带来很大困难，一时半会调整不过来，增大了操作难度。
2.3 熟料结粒不均匀，大颗粒熟料烧不透
由于火焰发散而不稳定极易损伤窑皮，使窑皮长度变化频繁，表面既不坚固又不平整，所以熟料结粒不好、不均齐，粉砂料和过大颗粒较多。过大颗粒往往烧不透，2号窑大颗粒熟料砸开后，发现还有未燃尽的煤粉存在。这种现象不仅使熟料热耗增高，而且影响熟料质量。
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2.4 一次风用量过大，熟料单位热耗高
为与由篦冷机入窑的高温二次风和由篦冷机或者窑头罩抽取到窑尾的次高温三次风相区别，这里将煤风和净风之和，即由燃烧器喷射到窑内的冷风或常温风称为“一次风”。其中的煤风一般占一次风的三分之一，同时也有喷出速度，因而也会产生一定的推力。
众所周知，一次风过大有百害而无一利。
1）一次风过大时必然少用篦冷机的高温二次风，既影响篦冷机的热效率，又影响二、三次风温的提高，因而使熟料热耗增高或浪费煤。
2）一次风过大之后，使窑内的废气量增大，从窑尾排出废气的热损失增大，也会造成熟料热耗增高或者费煤。多条生产线的热工标定结果显示，窑尾排出废气的热损失约占熟料单位热耗的20%～29%。
3）因一次风是冷风，过大之后影响煤粉的燃烧速率和燃尽率，不仅费煤，而且还会引起不必要的工艺事故。尤其对烧低质煤（劣质煤、低挥发分煤、无烟煤等）的影响更大。
4）一次风过大，会阻止窑内的热烟气正常返混，不仅会降低煤粉燃烧的环境温度，而且还会影响窑内合理二次回流区的形成，极易影响窑皮的规整性。
5）一次风过大，风中的氮、氧增大，入窑后由于温度迅速增高，所以有害气体CO2、SO2和NOx等都相应增加，尤其是NOx的增加,会使脱硝系统的成本增大。
6）一次风量过大，浪费电能。
一次风都是由煤风和净风罗茨风机提供的，由于罗茨风机的风量大，升压选择再不合理，就会造成所配用的电动机功率增大。现以我公司的窑头煤风罗茨风机为例加以说明。由表1可见，窑头煤风罗茨风机在20℃时的风量为92.4m3/min，升压至58.8kPa,电动机为132kW，额定电流为240A，实际运行电流为113A,仅为额定电流的47%，还不到一半。显然是大马拉小车，浪费很多电能。这是因为不仅风量选大，而且升压选高，导致电动机功率过大。对于这样5000t/d熟料生产线，合理的煤风风量应选为50～65m3/min即可。因为煤磨在窑头，没有很长的管路，煤粉输送系统的阻力根本没有58.8kPa，选为49kPa足够。如是，由罗茨风机样本可知，电动机功率选为75kW或90kW就足够。75kW电动机的额定电流约140A，比113A还大24%。这就是说，原煤风罗茨风机，每年就多耗449400kWh的电能。如果电价按0.6元/kWh计，则每年就浪费了约27万元。若将两条线共6台罗茨风机都选择合理，输送管路规格选用的也与罗茨风机风量相匹配，每年至少可省90多万元的电费。
由上述可以看出，一次风过大是我公司熟料单位热耗高的主要原因。我公司的一次风率经计算高达21.5%，比性能优良燃烧器的一次风率12%约大了9%，造成了熟料单位热耗高达3239kJ/kg，比同规模较先进指标2970kJ/kg约大了9.1%。对我公司而言，则意味着每年两条窑多消耗4.5万吨优质烟煤，同时还浪费了大量的电能。
3 改换燃烧器
由于燃烧器存在上述诸多问题，我们换用了EPIC型四风道煤粉燃烧器。
3.1 EPIC型燃烧器头部结构及工作原理
该燃烧器的头部结构如图2所示。外风采用小喷嘴喷射，旋流风由出口直接喷出，中心风通过板孔式火焰稳定器喷出，中心有插入喷油枪的通道，在外风外侧采用了拢焰罩。采用高风压低风量的设计理念。净风罗茨风机的风量为130m3/min，升压为49kPa。提高外风和旋流风在热态下的喷出速度,最高为280～300m/s，以形成大速差并增大火焰推力，见表4。
图2 EPIC型燃烧器头部结构
表4 EPIC型燃烧器操作参数
3.2 EPIC型燃烧器的主要特点
1）由于净风风量减少，可以节煤；
2）由于喷出速度增高，外风卷吸高温二次风能力增强，火焰推力增大，火焰形状好，可以清除煤粉后燃现象；
3）采用拢焰罩，既可以保护头部免受粉料的冲刷，以延长头部部件的使用寿命，又可以在火焰根部起到收拢火焰的作用，进而保护窑头浇注料和窑皮；
4）小喷嘴一旦磨损更换容易，大大降低了成本。
3.3 更换准备
1）设计的需求
为了节省资金，保留原移动小车燃油点火装置和煤粉输送系统，只更换了关键的喷煤管构件。
2）为了满足供货厂家对现有净风罗茨风机升压达到49kPa的要求，将净风罗茨风机所配套的电动机进行更换。由罗茨风机样本可知，在风量为204 m3/min，升压为49kPa时，电动机的功率应为220kW。因此，将原有的132kW的电动机更换为220kW的电动机，转数未变，仍为1450r/min。
3.4 更换后使用情况
EPIC型燃烧器首先在2号窑上于2014年10月1日更换使用，使用的煤粉与原来没有变化，只是一次风的净风罗茨风机参数有所变化，见表5。
表5 改换燃烧器前后净风罗茨风机主要参数的变化
注：①表中数值前标有“+”号者表示提高或增大；
②表中风量的数值均指在20℃时的风量值。
改后，窑运行比较稳定，在产量不降低的情况下，熟料3d抗压强度提高了1MPa，熟料质量也比较稳定，煤耗有所降低，消除了煤粉后燃现象。但窑皮缩短，由原来的24m降到了20m。显然稍短，存在短焰急烧现象，经过一段时间调整，已有改观，但还需要时间摸索。
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