面向新世纪的水泥燃料燃烧技术和装备（1）

1 引言

　　新中国成立以来，我国水泥工业得到很大发展，水泥产量以年均15%的速度递增，特别是改革开放以来发展更快。1980年水泥产量不到1亿吨，1997年就达5.1亿吨，代表水泥工业发展方向的新型干法水泥工艺已走向成熟。但水泥工业整体落后的面貌并未改变，立窑水泥占水泥总产量的3/4。我国的水泥工业将在加快结构调整，实现“由大变强、靠新出强”的发展战略下跨入新世纪，将在党中央、国务院加快西部大开发的形势下跨入新世纪，将在我国加入WTO，实施ISO强度方法，实现水泥标准与国际接轨的时刻跨入新世纪。

　　前年2月，国务院副总理李岚清在端士新世界经济论坛上宣布，今后3年中国将在基础设施的建设上投入7500亿美元。因此水泥作为最重要的建筑材料将面临更大的需求。据估计，2010年我国水泥需求量将达8亿吨，接近世界水泥总产量的一半。按合理指标估算，年产8亿吨水泥将消耗标煤8400万吨、电835亿kWh，排放Nox150万吨，这就是说这时的水泥工业将对能源消耗和环境造成极大的压力。

　　面向新世纪的水泥工业必须实施可持续发展战略。可持续发展的本意是“满足当代人的需求，又不损害子孙后代满足其需要的能力”。水泥工业实施可持续发展战略，决不仅仅限于保护环境，更重要的是节约能源、节约资源，决不能等到21世纪中叶能源、资源匮乏时再来研究。除少数新型干法线外，从整体上讲目前我国水泥工业能耗高、效率低、污染严重，违背了可持续发展战略。因此，面向新世纪的水泥工业既充满了发展机遇，又面临着严重的挑战。

2 水泥燃料燃烧技术和装备的现状、差距及对策

　　新型干法窑通常指旋风预热器窑、立筒预热器窑（两者统称为悬浮预热器窑）及预分解窑。我国在60年代中期独立开发了旋风和立筒预热器窑，分别在太原、杭州建成投产。70年代中期，我国自行研制的预分解窑（烧油）又在四平石岭投产，然而新型干法水泥生产取得长足的进步和发展是在改革开放的80年代以后。我国新型干法水泥生产取得长足的进步和发展是在改革开放的80年代以后。我国的立筒窑有270余台，只有青海、武山能力大一点，其余大多为小型（多数为泾阳窑）；旋风预热器窑近60台，较大的仅为日产1000吨的φ4×60m和φ3.5×88m窑，其余大多为300~600t/d生产线；预分解窑近120台，除几条360t/d、500t/d外其余均为70t/d、1000t/d、2000t/d及其以上生产线。在这些新型干法水泥企业中，除80年代以来成套引进及80年代后期以来建设的国产大型生产线的设备、技术及生产状况较好外，80年代初期以来建设的中等规模生产线的装备、技术都存在不少问题，而80年代以来因陋就简建设的许多中、小型生产线问题更多。从煤粉燃烧器方面看，除成套引进及80年代以来后期建设的国产大型生产状况较好外，中、小型生产线大部分使用陈旧的单通道燃烧器，一次风量达20~30%，燃料燃烧也不完全；另有相当一部分使用老式三通道燃烧器，其一次风量达15%左右，而且易变形、磨损快，不利于窑的安全运转；只有少数厂采用了双通道燃烧器，其效果在单通道和老式三通道之间。至于利用可燃废料替代煤来煅烧熟料，我国还处在试验阶段，而国外如瑞士1994年就回收利用二次燃料达水泥生产总热耗的20%，2010年计划有2~3个水泥厂实现100%采用二次燃料，完全不用煤来烧熟料，这不仅可节约资源，而且水泥窑还将成为治理可燃废料的理想设备。对周围环境及居民区达到零污染水平，从而被环保界誉为“清洁生产”、“绿色工厂” ，使发达国家中处于“夕阳工业”的水泥企业又有了“朝阳工业”的属性，受到了人们的青睐。

　　众所周知，燃烧器是将煤粉和空气的混合物喷入回转窑内，在高温下点着并燃烧，以煅烧水泥熟料的装置。为了提高熟料的产、质量，并利于回转窑的安全运转，燃烧器形成的火焰形状要易于调整，要能形成良好的窑皮，要利于煤粉的完全燃烧，并且不损害轮带、窑头护板等机械部件的寿命。端部要耐热耐磨，有一定的使用寿命。从热工上讲，最有利的是高温短火焰，以降低能耗，改善熟料和水泥的性能。因为高温的快速煅烧能减小C3S的颗粒尺寸，提高熟料的活性。短火焰又能提高出窑熟料的温度以利于熟料的快速冷却，提高熟料的活性和二次风温度。当然这也受到窑衬、窑口等材质的限制。

　　在熟料产质量、旋窑安全运转、燃烧器使用寿命能保证的前提下，对燃烧器的性能评价必须强调其是否节能。正如不能认为装了悬浮预热器及分解炉、窑尾加了一把火就是新型干法生产一样，也不能认为燃烧器有了三通道、四通道而一次风量仍然超过理论燃烧空气量的10%就统统是先进的燃烧器。节能型燃烧器应采用高浓度燃烧技术，减少一次风，提高煤粉浓度，减少温度较低的一次空气吸热量，充分利用高温的二次风，以达到降低煤粉着火所需热量的目的：

煤粉着火热计算公式：Qzh=（Cr+V1Ck）（Tzh-To）

其中：Qzh为着火热，Cr、Ck分别为煤粉、空气比热

Tzh、To为着火温度及初始温度

V1为一次风量 Nm3/kg燃料

很显然V1降低，煤粉着火热下降，煤粉越易着火。

　　下面举三个实例，看看燃烧技术上的差距及实施可持续发展战略的紧迫性：

　　某厂φ3.5m预热器窑用单通道燃烧器，配用一次风机风量达17500m3/h，电机功率132KW，比采用节能型燃烧器年多烧煤约3200吨，年多耗电30万度。

　　某厂日产2000吨NSP窑，引进了双通道燃烧器，一次风机风量达9700 m3/h，电机功率75KW，比采用节能型燃烧器年多烧煤约1550吨，年多耗电22万度。

　　即便是八十年代成套引进的某日产4000吨NSP窑（三通道燃烧器也引进），其设计的输送煤粉空气就占理论空气量的7.7%，而内外流风占理论空气量的9.7%，即一次风量占理论空气量的17.4%，现在节能型燃烧器一次风量（包括煤风在内）仅占理论空气量的8%以下，这样该NSP窑原配置的三通道燃烧器一年将多耗煤2500余吨。

　　以上是新型干法窑中的典型例子，全国还有大量的湿法窑、余热发电窑、中空窑仍然使用单通道燃烧器，比用节能型燃烧器一年多耗的煤量就更可观了。

　　节能降耗对每个水泥企业来讲是降低成本的重要途径，实际上也是实施可持续发展战略的要求。因此用节能型燃烧器来更换耗能型燃烧器（单通道、双通道及老式三通道燃烧器、个别的四通道燃烧器）已是当务之急。同时它也将为高温煅烧三高率值的熟料，提高熟料质量创造条件。目前国内有几类三通道、四通道燃烧器，其中性能并非都是节能型的，而且也不是通道越多越节能。节能型燃烧器能使煤粉用最少的一次风量，用更多的高温二次风进行燃烧。国内三台日产2000吨NSP窑，其燃烧器均是从国外引进的三通道燃烧器，但是一次风机风量相差很大，分别为7200m3/h，5685 m3/h，3000 m3/h，一次风量大的是风量小的2.4倍，年多耗实物煤1400余吨，显然前者是耗能型燃烧器。合肥水泥研究设计院开发的HP强涡流型多通道高效节能燃烧器，98年通过鉴定，主要结论是：结构属国内首创，主要技术经济指标属国内领先水平，可替代同类进口设备。该成果由国家建材局推荐刊登于国家科技部99年3期《科学技术研究成果公报》上，并刊登于国家经贸委、国家发展计划委员会、国家科技部有关司主编的“九五期间节能科技成果选编”（第一辑），今年6月HP型燃烧器被评为国家重点新产品，已在全国十多个省区应用，取得了显著的节能效果。这种燃烧器还是环保型的，其NOx排放量比传统的燃烧器降低20%~30%，这是由于低的一次风量使火焰高温区保持较低的氧含量，又由于外流小喷嘴的高速气流能迅速均匀地分散煤粉和热空气，一方面大大缩小燃烧器出口端部附近的超高温区域，又可缩短煤粉和热空气在火焰高温区内的停留时间，从而降低了NOx的生成量。