格雷科燃燒器

燃燒器

FlexiflameTM – a major step forward in burner design

FlexiflameTM--燃燒器設計的重大突破

1 前言

縱觀這些年，水泥廠在不同領域發(fā)生的若干變化影響了窯 操作的改變。回轉(zhuǎn)窯的燃燒器最初被設計用來燃燒傳統(tǒng)燃料， 如天然氣、燃料油及具有易燃特性的煤。后來由于傳統(tǒng)燃料價格持續(xù)攀升, 又用來燃燒重油和石油焦。在過去的十年里，由 于經(jīng)濟和環(huán)境優(yōu)勢, 液態(tài)或固態(tài)廢燃料開始出現(xiàn)。近幾年，關(guān)于燃燒的一個重要話題成為熱門:有關(guān)排放物對環(huán)境的影響。

事實上，除了經(jīng)濟和環(huán)境優(yōu)勢，這些"新興燃料"的燃燒效 率越來越低:揮發(fā)分較少、含水量高、粘性漸增、顆粒較大等等。 這種新的趨勢造成一種全新的挑戰(zhàn):整合可能的投資、可控制 的排放和工藝的穩(wěn)定性。從根本上講, 燃燒器的設計有兩個主 流方向:

a) 渦流空氣在粉狀燃料通道里面:這是一個傳統(tǒng)構(gòu)造，形成的火焰具有良好的可調(diào)性。

b) 渦流空氣在粉狀燃料通道外面:這種構(gòu)造始于20 年前，其主要目的是減少 NOx 的量。

Greco 想突破這兩種模式并提出了一種方案，即將這 兩種曾被看作對立的思路結(jié)合起來:渦流空氣在粉狀燃料通道 的內(nèi)部和外部同時應用。而最近出現(xiàn)的 FlexiflameTM 正實現(xiàn)了 讓兩種模式的優(yōu)勢互補。

Greco是一個有著 40 多年水泥窯燃燒器設計經(jīng)驗的 公司，再加上燃燒器設計方面的一系列成就，它完全有能力在 窯操作環(huán)境不斷變化的情況下提供優(yōu)質(zhì)燃燒器。這種新型燃 燒器的發(fā)展也是 Greco-Enfil 所信奉的格言的體現(xiàn):燃燒器不僅 是燃料噴射器，也是熟料生產(chǎn)的工具。

2 技術(shù)背景

2.1 火焰再循環(huán)

火焰的空氣動力學和燃燒，也就是火焰形狀，與幾個因素 有關(guān)，包括燃料特性(揮發(fā)分含量、顆粒級配、含水量等)，二次 風溫，一次風量，注入速率，燃燒器噴嘴的幾何構(gòu)造等等，這些 因素最終歸結(jié)為一個要點:對內(nèi)部和外部再循環(huán)的控制。 它們決定了燃燒速率及燃料的燃燒方式和點燃時間。

NOx(由燃料中的氮轉(zhuǎn)化而成的 NOx)和熱 NOx(氮分子和空 氣中的氧在高溫下反應生成)。NOx 的形成機制復雜，要經(jīng)過 多步反應且種類眾多，可以圖解的形式概述。

燃料氮轉(zhuǎn)化為 NOx 取決于幾個因素，包括燃料中的氮含 量、氮液化率及氧氣利用率等等。其中大部分因素是燃料所 固有和過程特性。但是有幾個方面可以通過適當?shù)娜紵髟O 計來控制:燃燒速率和火焰中氧 / 燃料的分布。或許這些可控 因素正是其中最重要的。很明確的是只有部分燃料氮轉(zhuǎn)化為 NOx，也許只有 10~20% 參與了如下述實例中的反應。

雖然燃燒器只提供燃燒所需理論空氣的一小部分，例如， 在半間接和間接點火系統(tǒng)中都只占 10%，但它對火焰的形狀起 重要作用。通過一次風分布可以控制:煤風混合，燃料點火位 置和火焰長度(一般都在物理學允許的范圍內(nèi))。比如在內(nèi)部再循環(huán)中，控制第一個溫度峰值非常重要，也就是煤風在火焰中心劇烈混合和點火的地方。此外，燃燒中產(chǎn) 生的熱氣體回流(通過循環(huán))到燃燒器噴嘴以幫助點火和穩(wěn)定 火焰。通過這個高度紊亂區(qū)后，流動速度不再很高，內(nèi)部循環(huán)變 弱，一次風中的氧氣被全部消耗，但仍有未燃燒的燃料。這時外部循環(huán)開始發(fā)揮作用。外部循環(huán)負責控制誘導二次風進入火焰。事實上二次風 的風速比不上一次風;但是它溫度高。二次風與火焰的混合完 成燃燒并釋放煅燒熟料過程中必需的剩余能量。這就是所謂 的第二個溫度峰值。鑒于熟料的生產(chǎn)過程的需要，為了避免燃燒圈形成，以形 成短窄型火焰以減少硫揮發(fā)，降低后端高溫，減少堆積，也為了 確保窯皮和耐火磚的使用壽命，必須使兩個溫度峰值盡量接近。

2.2 NOx 形成機制

在水泥窯中，NOx 排放物有兩個主要來源:所謂的燃料NOx(由燃料中的氮轉(zhuǎn)化而成的 NOx)和熱 NOx(氮分子和空 氣中的氧在高溫下反應生成)。NOx 的形成機制復雜，要經(jīng)過 多步反應且種類眾多，可以圖解的形式概述，如圖3 所示。

燃料氮轉(zhuǎn)化為 NOx 取決于幾個因素，包括燃料中的氮含 量、氮液化率及氧氣利用率等等。其中大部分因素是燃料所 固有和過程特性。但是有幾個方面可以通過適當?shù)娜紵髟O 計來控制:燃燒速率和火焰中氧 / 燃料的分布?；蛟S這些可控 因素正是其中最重要的。很明確的是只有部分燃料氮轉(zhuǎn)化為 NOx，也許只有 10~20% 參與了如下述實例中的反應。

假設生產(chǎn)過程條件如下:

-石油焦的低位熱值:8000 kcal/kg (33.5 MJ/kg)

-窯熱耗:800 kcal/kg (3.35 MJ/kg)

-生料燒失量:35%

-焦炭含氮量:1.8 % (w/w) 每消耗 100kg 焦炭產(chǎn)生:

-538kgCO (約 274Nm3)

-1220kg 燃燒廢氣，O2 占 0% 情況下(約 905Nm)

-1.8 kg 氮氣

如果這些氮氣全部轉(zhuǎn)化為 NOx 將生成 5.9 kg NO2，進而在 O 無剩余的情況下將導致排放量為 5000 mg NOx/Nm3，O 占

10% 時為 2620 mg NOx/Nm3. 考慮到 O 占 10% 時熱 NOx 還要 貢獻 350mg NOx/Nm3，所以 O 占 10% 時燃料總排放量大約為3000 mg NOx/Nm3.

3 FlexiflameTM 型燃燒器的特點

FlexiflameTM 型燃燒器(圖 4)主要理念是使粉狀固體燃料 夾在兩股渦流空氣之間。這些不同的空氣流分別是(圖 5):

-冷卻空氣以軸向、徑向和切向的速度分量沿若干注入固 體廢料的管、液體廢料及燃油噴槍的導流管、點火器、火焰?zhèn)鞲?器等提供空氣。

-擴散風，具有軸向和切向速度分量;

-粉碎固體燃料傳送風，軸向速度分量;

-切向風，具有軸向和切向速度分量;

-外風，軸向速度分量。

FlexiflameTM 型燃燒器的使用說明(表 1)在 Greco-Enfil 最 近研發(fā)的燃燒器中都有所體現(xiàn)，即便這樣，仍有一點需要強調(diào)， 那就是所有的燃燒器，從 60 年代的第一臺到剛委托制作的這一臺，都是量身定做。它們?nèi)渴菫槟骋粋€窯爐和某一個熟料生產(chǎn)過程而設計的。

冷卻空氣的作用是冷卻燃燒器的中心盤，同時向火焰中心 供氧，主要是幫助固液廢料燃燒。擴散風擔負形成好的燃料云 狀物，快速點火和劇烈燃燒，"快速"火焰對一次風的變化和燃 料氮的快速液化很敏感。切向風使未燃燒燃料和液化氮留在內(nèi)部循環(huán)區(qū)，這個區(qū)域 還原物富集有助于對燃料和熱 NOx 進行控制。由于處于邊緣位置且噴入速度高，外風用 來增加對熱二次風的攜卷進入火焰，加大火焰 的剛度或者說推力。而且外風的噴嘴被專門 設計成小孔而不是環(huán)縫，以確保外風和二次風 接觸面積最大且入射面積相同情況下壓損最小(并提高二次風的加速度)。燃燒器的設置可以通過移動三個蝶形閥輕 松調(diào)整，這三個閥位于燃燒器外風、切向風和擴 散風的入口處。按照要求，我們可提供帶有機 動驅(qū)動的閥門。在這種情況下，燃燒器會從控 制室進行調(diào)整。上述操作會通過各個通道的氣流和壓力被控制室持續(xù)監(jiān)控。利用壓力和氣流信號可能計算出一個"流動系數(shù)"，這個系數(shù)是燃燒器入口質(zhì)量流量與靜壓 平方根的比值，各個通道數(shù)值不同，主要取決于燃燒器本體和 噴嘴的設計。如果這個參數(shù)與設計數(shù)值相比改變過大，就會出 現(xiàn)了堵塞、開口、磨損等燃燒器內(nèi)部的機械問題?；鹧嫱屏?，水 泥工業(yè)所熟知的渦旋數(shù)以及紊亂指數(shù)、切向指數(shù)、擴散指數(shù)、軸 向指數(shù)-尤其是 Greco-Enfil 生產(chǎn)的-諸如此類的火焰指標可 被毫不費勁地納入監(jiān)控系統(tǒng)，如此，監(jiān)控這些火焰指數(shù)也十分簡單。依照 Greco-Enfil 遵循多年的原則，F(xiàn)lexiflameTM 型燃燒器 沒有活動件。這種理念可以消除兩個問題:第一，消除了機械 裝置在高溫多塵中頂死的風險;第二，不會再有氣流對噴嘴位 置是否有可重復性的問題。各氣流是完全分離的，例如，它們不會在燃燒器內(nèi)混合，這 樣就不會有內(nèi)部混合損失，因此在入射區(qū)域壓強速度比可達到 最大，且空氣動力學條件俱佳-相鄰氣流入射的質(zhì)量流量不同，且速度可以維持。

4 固液廢料點火

隨著火焰及噴射控制的進步，F(xiàn)lexiflameTM 型燃燒器已整合了幾個創(chuàng)新以促進固液廢料燃燒。沿固體廢料管道有若干混 合空氣噴嘴，它們指向管心，并且有切向分量(圖 6)。這在燃燒 固體廢料時會非常有效，特別是當大塊燃料伴隨著冷卻風的注 入破壞了固體廢料的流動模式時，倘若與一次風混合更加充分 時，保證燃料在火焰高溫區(qū)停留時間較長時。如果沒有在像內(nèi) 部氣動混合裝置中那樣出現(xiàn)磨損問題，外部混合結(jié)構(gòu)也允許高 速入射。此外，可以為燃燒器設計一個可抽取式固體廢料管， 以應對像谷殼這樣的高磨損材料，或者是設計一個水冷固體廢 料管，以應對像動物膳食這樣的在高溫下具有粘性的材料。關(guān)于液體廢料的點火，F(xiàn)lexiflameTM 配備了一個適合像含 有懸浮顆粒這種"臟"液體入射的噴槍(圖 7)。這種噴嘴用壓 縮空氣或蒸汽作為霧化氣體。用這種方法，可以使霧化粘度達300cSt 的液體燃料。這樣就不再需要額外加熱或加壓。另外， 這種噴嘴的開口較大，可以避免阻塞和堵灰。而且在特殊環(huán)境 下噴嘴會將特殊材料保持在中心線，防止如陶瓷嵌入物的過度 磨損(90 % Al2O3)。

5 結(jié)果

雖然只有兩臺 FlexiflameTM 型燃燒器在運轉(zhuǎn)，一臺在拉丁 美洲(在一條白水泥窯上)另一臺在歐洲(灰水泥窯)，經(jīng)過 12 個月的試運轉(zhuǎn)，NOx 的排放情況，火焰控制及替代燃料的替代 率都令人滿意。歐洲那家水泥窯是一條干法窯，有四級旋風預 熱器和間接點火系統(tǒng)。預熱燃料為燃油，主要為石油焦 , 部分 用固液廢料(達到燃燒器熱能的 70% 以上)代替。在氧氣占

10%，燃料全為石油焦的條件下，當前的排放量為 550 mg/Nm3。 且所用窯與第 2.2 節(jié)計算 NOx 排放量時所用窯是同一個。

6 結(jié)論

無論在 NOx 排放還是固體廢料燃燒方面，F(xiàn)lexiflameTM 都 使回轉(zhuǎn)窯燃燒器的發(fā)展向前邁進了一步。從目前的結(jié)果來看， 窯操作穩(wěn)定性、耐火磚的使用壽命、熟料質(zhì)量及替代率都很令 人滿意。

基于理論概念、數(shù)字模型、熟料的顯微分析及大量的現(xiàn)場 試驗，Greco-Enfil 可以斷定通過正確調(diào)整燃燒器噴嘴，減少一 次風量以及利用火焰氣體力學、內(nèi)外循環(huán)，達到熟料生產(chǎn)的所 有主要指標是可能的:排放量可控;即使使用難燃或替代燃料， 仍具有掌控火焰成型的能力。

在全世界倡導低碳經(jīng)濟的形式下，雷科照明秉承"低碳照明、節(jié)能減排"的使命，以"節(jié)能、環(huán)保、務實、創(chuàng)新"為經(jīng)營方針，一直研發(fā)低耗能的新一代照明產(chǎn)品，在低碳照明時代，雷科照明把節(jié)能照明作為重大工程緊急實施，通過自主研發(fā)及與國內(nèi)外同行的技術(shù)交流與合作，利用高科技照明節(jié)能技術(shù)，通過高效率光源與電器的結(jié)合，研發(fā)生產(chǎn)了一系列高效照明產(chǎn)品，為節(jié)能減排作出積極的貢獻。

雷科照明通過了船級社ISO9001質(zhì)量管理體系認證，所有防爆類燈具均嚴格按照國家標準GB3836(爆炸性氣體環(huán)境用電器設備)的相關(guān)要求生產(chǎn)，通過了國家防爆檢測中心試驗，取得了相應防爆合格證書，所有適用于消防環(huán)境的照明燈具均通過了國家消防裝備質(zhì)量監(jiān)督中心的型式試驗，并定期接受工廠審查。