引言
燃燒器在迴轉窯中雖然只是一個小小的熱工設備，但從熱力學角度來說，卻是整個窯系統的能量源泉，對水泥熟料的燒成起著至關重要的作用。正所謂「大窯一根槍」，燃燒器性能優劣直接影響著燒成系統的產量，影響著熟料的質量和煤耗，甚至影響著系統污染物的排放指標，因而選擇一台與燒成系統匹配的性能優良的燃燒器備受水泥企業重視。
廣東某水泥公司擁有4條6 000 t/d 預分解水泥生產線，迴轉窯規格Φ5.0 m×74 m，雙系列五級預熱器＋RSP分解爐系統。其燒成系統配置四通道煤粉燃燒器，使用中表現一般，工廠立項決定對窯頭燃燒器進行技術升級改造。本文就該項目的情況進行總結，以資參考。
01
原配燃燒器的使用情況
（1）一次風比率高，入窯冷風量多，不利於節能降耗。窯系統內煤粉燃燒所需要的空氣根據其來源和用途分成三股，習慣上分別稱之為：一次風、二次風和三次風。一次風是通過窯頭燃燒器強制送入窯內的自然空氣，由窯頭的一次風機供給，它對於多風道燃燒器，又是煤風與淨風以及中心風的總和。一次風的溫度為環境大氣溫度，其用量越大，過剩空氣係數越大，相對二、三次風來講耗熱越多，從而使系統的熱耗增加。
（2）火焰偏軟發飄，黑火頭長，煤粉燃燒速度慢、燃盡率低，煤灰沉降會導致燒成帶末端易結厚窯皮、易結圈。根據燃燒熱力學的研究，煤粉在水泥窯中的有焰燃燒都需要遵循這樣一個過程：煤粉中的燃點低的揮發分先燃燒，繼而將這些熱量傳遞給燃點高的固定碳，最終實現固定碳的徹底完全燃燒。這兩步都需要足夠的氧氣，但來源卻不一樣。揮發分用氧來自一次風，和煤粉同時入窯；而固定碳用氧，需要高熱焓的二次風提供，二者接觸越充分，固定碳的燃燒速度越快。但二次風與火焰內部的固定碳充分接觸需要燃燒器有足夠的旋流強度。
（3）一次風機風量大，升壓低，軸流風出口速度低，對高溫二次風的卷吸引射能力不足，利用率低，直接影響煤粉的燃燒速度和燃盡率。一次風量與一次風速是影響煤粉燃燒的重要參數，它對高溫二次風的挾帶作用，是加快燃燒速度的關鍵，形成適度的再循環火焰是保證火焰穩定的前提。在燃燒器噴頭出口面積固定的情況下，一次風量直接決定了火焰動量，同時也影響對高溫二次風的卷吸利用率及火焰長度。
（4）燒成火力不足，煅燒能力不夠，熟料結粒偏細，多粉料，影響產質量的進一步提高；熟料結粒差，又會影響熟料冷卻效果，降低二次風溫和三次風溫，不僅使窯頭煤粉燃燒效果進入低效循環狀態，還影響分解爐煤粉的燃燒。
（5）從圖1可知，燒成帶末端窯皮較厚，有結圈趨勢，窯筒體42 m以後存在著結副窯皮現象。分析認為：一次風風量過大，出口速度低，軸流風對高溫二次風的卷吸利用率低，旋流強度偏弱，對煤粉的打散以及攪拌程度不足，高溫二次風難以完全進入煤粉流內部，直接影響了煤粉的燃燒速度和燃盡率，煤灰沉降，後燃，從而造成燒成帶末端窯皮偏厚，窯尾易結煤粉圈或者副窯皮。
圖1 改造前筒體掃描的窯皮情況
02
解決方案
根據現場生產狀況及以上分析，我們提取了煤粉工業分析結果（見表1），秉承中和機電公司「一煤一設計，一窯一修正」的燃燒器設計理念，給出了窯頭燃燒器優化改進方案，見表2。
表1 入窯煤粉工業分析結果
表2 窯頭燃燒器優化改進方案
從表2中可以看出，新方案減少了一次風量，增加了風機壓力。
燃燒器推力計算公式為：
M＝m×v
式中，M—燃燒器的推力，N；
m—燃燒器一次空氣的質量流量，kg/s；
v—燃燒器一次空氣噴出速度，m/s。
為了保證燃燒器有足夠的推力，在降低一次風量的情況下，我們增加了風機壓力，即提高了燃燒器出口速度，從而保證了燃燒器的動量，充分利用高溫二次風，黑火頭縮短，加快了煤粉燃燒速度。實踐證明，形成優質火焰是衡量一次風量、風壓使用是否正確的唯一標準，儘管影響優質火焰形成的因素不只是一次風，但在保證煤粉燃燒所需氧氣含量的情況下，減少一次風量，提高二次風利用率，是提高煤粉燃燒速度的關鍵。
03
SR4燃燒器的使用效果
該公司自2021年3月更換使用中和機電SR4高效節能燃燒器後，生料投料穩定在460 t/h以上，熟料產量超過6 800 t/d。該狀態下，SR4燃燒器的運行參數為：一次風機48 Hz，軸流風壓力56 kPa，燃燒器出口風速≥320 m/s，旋流風壓力48 kPa，燃燒器出口風速≥260 m/s，送煤風40 Hz，燃燒器推力達到8~11 N/MW。通過合理確定燃燒器在窯橫斷面的位置（以窯中心線為基準稍微偏料），控制窯皮的厚度和長度，火焰的外焰實現了近料而不觸料的燃燒效果。通過調整旋流風出口截面積，增加旋流強度，縮短黑火頭長度，煤粉燃燒速度和燃盡率得到提高。
SR4燃燒器運行一年多來，窯系統運行穩定，產量提高，煤耗下降；熟料結粒基本均齊（見圖2），無嚴重分級現象；游離鈣合格率提高，熟料強度提高約1 MPa，噸水泥所需熟料配比減少2%~3%，見表3。改造後筒體掃描的窯皮情況見圖3。
圖2 熟料結粒情況
圖3 改造後筒體掃描的窯皮情況
表3 燃燒器更換前後熟料質量對比
04
結束語
一年多的生產實踐證明，中和機電研發的SR4系列高效節能煤粉燃燒器在6 000 t/d的熟料生產線表現優良：推力更大；相同細度煤粉，主窯皮穩定，無副窯皮產生，煤粉燃盡率高；現場火焰黑火頭短，火焰明亮有力，性狀穩定；使用5 300 kcal/kg的山西煤，可以維持6 800~6 900 t/d熟料產量；噸熟料節煤近1 kg標煤；熟料強度提高，熟料噸水泥所需熟料配比降低。
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