产业峰会 | 齐砚勇：烧成系统操作方法改进可促进水泥行业绿色发展
3月28日上午，由中国水泥网主办的“第十三届中国水泥产业峰会”顺利召开。西南科技大学副教授 齐砚勇为峰会带来了以《碳减排背景下烧成系统操作方法》为主题的精彩报告。
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1 前言
70年代中期国际上发展起来的水泥回转窑多通道煤粉燃烧器使窑的一次风用量由传统的20％～30％下降至12％～15％，同时窑的操作及熟料锻烧情况得到明显改善。经过20多年来的技术进步,目前窑的一次净风用量已降低到6％～8％，大大改进了窑的燃烧效率和热效率。与此同时，水泥窑对燃煤品质要求不断降低，无烟煤、劣质煤及再生燃料（即工业和民用可燃垃圾）的利用技术渐成热点。从而促使燃烧器结构型式的不断改进，自传统的单通道燃烧器向多通道（如三通道、四通道等）燃烧器发展以后，新一代的双通道燃烧器，由于调节性能、火焰成形能力，燃烧效率等方面的优良性能正作为一种新的技术发展方向。多相流及反应计算机数值模拟技术的发展使燃烧器开发专家不再依赖传统的冷态气体模型试验，以KILN FLAME SYSTEMS公司为代表的酸碱水模拟试验方法可使回转窑燃烧的流场设计更加精确，从而确保了高风险的窑头燃烧器的投运调试顺利达到预期效果。
2 对旋窑煤粉燃烧认识的深入
从工艺过程角度看，用于对回转窑烧成带提供热量的燃烧器应满足下述要求：
(1) 对燃料品质具有较强的适应性，特别是在燃烧无烟煤或劣质煤时，能确保在较低空气过剰系数下完全燃烧，其CO和NOX排放量降至最低限度。
(2) 火焰形状应是细而不长，使整个烧成带具有强而均匀的热辐射。这一方面有利于熟料结粒、熟料矿物正确的晶相发育，防止烧成带扬尘。另一方面有利于形成致密稳定的烧成带窑皮，延长耐火砖使用寿命。
(3) 一次风用量尽可能少，但必须保证在不正常的窑况下火焰燃烧的稳定。
值得指出的是，在上述要求中强调了火焰形状应是“细而不长”以形成合理的燃烧带长度，而不再象以往那样强调强化燃烧以适应强化锻烧要求，这是因为强化燃烧所形成的局部高温对烧成带窑皮不利，从而影响耐火砖使用寿命，另一方面局部高温将增加NOX的排放量。
一般情况，来自冷却机的二次风温可达900℃以上，窑头燃烧火焰温度高达1800℃左右，其燃烧一般已进入扩散控制区。扩散控制区的燃烧特点在于：煤粉燃烬时间受煤粉细度的影响较大（正比于煤粉粒径的平方）而受煤品种特性影响较小，煤粉燃烧速率取决于扩散速率，即煤粉和助燃空气的混合速率及火焰区的湍流强度。换句话说，在确定的燃料品种和一定煤粉细度情况下，为在整个烧成带范围内形成均匀燃烧强度的火焰，必须控制煤粉和助燃空气的混合速率。在窑头的所有助燃空气中，二次风量一般占80％以上，所以控制煤粉和助燃空气的混合速率实质上是控制燃烧器出口射流股对二次风的引射速率。至于火焰形状除受到对二次风的引射速率和一次射流股的旋流强度等方面因素的影响外，还取决于燃烧出口一次射流本身的“刚度”，一次射流本身的“刚度”可以一次射流最大速度沿轴向的衰减程度来衡量。上述这些都取决窑头受限射流空气动力学方面的精确设计。图1为我们实测到的典型的窑及三通道燃烧器所形成的受限射流速度场。
水泥旋窑燃烧属受限射流火焰，在二次空气供给量一定时，按一次射流动量大小可分两种情况：
(1) 当一次射流动量通量不大时，二次空气足够引射，也即射流在扩展到窑壁前，引射量不受影响。
(2) 当一次射流动量通量大到一定值时，二次空气不能满足引射量的要求，即在射流扩展到窑壁之前的某个位置，二次空气被引射完毕，过剩的射流动量随即开始引射下游区域的燃烧烟气，形成外部回流区，见图1。
外回流的产生一方面使下游炽热燃烧烟气的回流增加了上游火焰化学活性基团和温度浓度，从而增加煤粉后期燃烧速度。另一方面冲淡了可燃混合物中氧含量和挤占燃烧空间，这会引起燃烧速度降低，增加了火焰长度，所以外回流的大小有一最佳范围。
此外，适度的外回流对煤粉/空气混合过程有促进作用，而没有外回流，则表明并非所有的二次空气都被带入一次射流火焰中。值得指出的另一重要方面是，适度的外回流可以防止“扫窑皮现象”，防止一次射流扩展碰撞窑皮。经验表明，在射流扩展的理论碰撞点附近常常发生耐火衬砌磨损过快现象，导致窑运转周期缩短。
在烧低挥发分燃料时，火焰的气体流场是非常重要的，因为低挥发分燃料一般具有较高的着火点，加之由于挥发分含量低，燃烧所产生的热量不足以使炭粒加热到着火温度而使燃烧持续进行。确保低挥发分煤持续点燃的最简便方法是增加火焰内循环量（见图1），使下游炽热的燃烧产物回流到火焰根部以提高该处一次风和煤粉温度。内循环的产生及其大小主要取决于燃烧器出口结构参数。
综上分析，喷煤管出口动量通量和旋流强度是窑头火焰设计和操作的重要参数。喷煤管出口动量通量是射流股对来自冷却机二次空气引射能力的度量。过小的动量通量将导致二次空气和煤粉不能很好地混合，燃烧不完全，窑尾CO 含量升高，煤灰沉落不均而影响熟料质量，甚至出现煤粉沉落引起结前圈。另外由于火焰下游外回流消失，加之火焰刚度不够（火焰的浮升）使火焰易碰撞窑皮，影响耐火砖使用寿命。过大的动量通量会引起过大的外回流，一方面挤占火焰下游的燃烧空间，另一方面降低火焰下游氧浓度，同样导致燃烧不完全，窑尾温度升高。
喷煤管出口射流旋流强度主要控制着火焰形状，因此被称之为火焰形状系数。随着旋流强度的增加，火焰变粗、变短、可强化火焰对熟料的热辐射，但过强的旋流会引起双峰火焰，即发散火焰，易使局部窑皮过热、剥落，另一方面也易引起“黑火头”消失，喷嘴直接接触火焰根部而被烧坏。虽然大多数多通道燃烧器的旋流强度是可在操作中调节的，但极限参数的限定是很重要的，也是必须的。
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