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旋窑的结构 摘要:一. 旋窑的工作原理 二. 旋窑的结构 三. 止推滚轮液压系统 四.窑系统的传动 五. 大齿轮传动及其润滑 六. 窑头煤粉燃烧器 七. 窑皮的作用 一. 旋窑的工作原理 水泥烧成设备有立窑、湿法旋窑、普通中空干法窑、立波尔窑、预热器窑(SP)以及目前A厂较为先进的预热预锻式旋窑。大陆目前有8000多家水泥厂，其中立窑就有8000家左右。预热预锻式的旋窑与传统的旋窑最大的区别是将生料的碳酸钙分解放在预热器中进行，从预热器下来的料其碳酸钙分解度有90%以上。这样使窑的负荷减轻了，产量提高，热耗降低。 旋窑是一个有一定斜度的圆筒状物，A厂#3窑的斜度为3.5%，#1与#2窑的斜度为3%。预热器来的料从窑尾进入到窑中，借助窑的转动来促进料在旋窑内搅拌，使料互相混合、接触进行反应。窑头喷煤燃烧产生大量的热，热量以火焰的辐射、热气的对流、窑砖(窑皮)传导等方式传给物料。物料依靠窑筒体的斜度及窑的转动在窑内向前运动。二. 旋窑的结构 窑体的主要结构包括有: 1. 窑壳，它是旋窑的主体，窑壳钢板厚度在40mm左右的钢板，轮带的附近，因为承重比较大，此处的窑壳钢板要厚一些。窑壳的内部砌有一层200mm左右的耐火砖。窑壳在运转的时候，由于高温及承重的关系，窑壳会有椭园型的变形，这样就会对窑砖产生压力，影响窑砖的寿命。在窑尾大约有一米长的地方为锥形，使从预热器进料室来的料能较为顺畅地进入到窑内。 2. 轮带、支持滚轮、轴承,轮带与支持滚轮都是用来支撑窑的重量用。轮带是套在窑壳上，它与窑壳间并没有固定，窑壳与轮带之间是加有一块铁板隔开，使轮带与窑壳间保留一定间隙，不能太大也不能过小。如果间隙太小，窑壳的膨胀受到轮带的限制，窑砖容易破坏。如果间隙太大，窑壳与轮带间相对移动、磨擦更加利害，也会使窑壳的椭圆变形更加严重。通常要在二者间加润滑油。我门可以通过窑壳与轮带间的相对运动来凭估计窑壳的椭圆变形程度。窑壳与轮带之间存在着热传导率的差异，必需借助外部的风车来帮助窑壳散热，平衡减小两者间的温差。否则窑壳的膨胀会受到轮带的限制。在开窑时，窑壳的升温速率高于轮带，烧手必须控制旋窑的升温速率在50/h，这样有利保护窑砖。 通常托轮要比轮带宽50-100mm毫米左右，滚轮轴承是采用巴氏合金，如果轴承失去润滑，会使轴承因温度过高而烧坏。在轴承处都有冷却水进行循环冷却。为减少窑壳对轮带的热辐射，造成托轮温度过高，在二者之间都加有隔热板来减少热辐射。 A厂的三套窑中，#3窑是短窑系统，长径比为1:11，只有2组托轮。#1与#2窑是普通窑，长径比分别为1:14与1:15，共有3组托轮。调整3组托轮的位置时，要达到三者在同一直线上比较困难，并且稍有偏离便会使中间的托轮过载，造成托轮轴承温度过高，严重时轴承上的巴氏合金熔化(100度左右)，从而使轴承被破坏。短窑系统只有两组托轮，便不会有这样的情形。 3. 止推滚轮 止推滚轮就是限制旋窑吃下或吃上时的极限开关。因为支持滚轮要比窑胎宽一些，为使托轮与轮带能够上下移动，磨损均匀。在轮带的端面设有止推滚轮。 #1窑共有2组止推滚轮，滚轮只是起到阻挡的作用，滚轮本身并没有动力。窑体的吃上吃下是靠滚轮的偏位，将托轮与窑的中心线有一定角度，让托轮给窑体有向上的力，使窑壳上移。有时撒一些生料粉或将托轮擦干净，增大其磨擦系数，也可使窑体上移。窑体吃下时，只要在托轮与轮带之间撒上石墨粉，减小两者间的磨擦力既可。#1窑吃上4小时，吃下4小时。 #2窑共有两组液压式的止推滚轮，窑体的吃上是靠挡轮的推力来达到。#2窑吃上2小时，吃下6小时。 #3窑只有两组轮带与滚轮，所以#3只有一组液压止推滚轮。当旋窑吃下触及到Y1开关时，液压系统开始吃上动作，液压系统吃上1分钟，停止4分钟，然后重复吃上1分钟停4分钟的动作，直到窑轮带触及到Y5位置。此时窑体开始吃下，液压系统泄压2分钟，停4分钟，然后重复动作。直到窑体触及到Y1位置又进行吃上。不断重复以上的过程既可。在液压系统停止动作时，内部的压力不变。 液压系统还有三到极限开关。吃上时，如果Y1开关有故障时，窑体会触及到Y第二道开关，系统就会警报(此时窑体已超出吃上范围30mm)，若又触及到第三道开关，则系统会跳车(此时以超出吃上的范围50mm)。旋窑吃下时，如果第一道开关有故障，则旋窑在触及到第二到开关时，系统就会警报，但不会跳车，因为有止推滚轮的限制窑壳的吃下极限。三. 止推滚轮液压系统 窑体的吃上吃下主要是要使支持滚轮与轮带磨损均匀。每8小时吃上吃下各一次，这都是靠液压挡轮来控制。液压挡轮的工作原理与滚压机的液压原理较为相近(具体见附图)。止推滚轮的液压系统位于窑基座的下部，这样可以使现场的布置合理，液压设备的工作温度更低。 液压油经油泵浦从油缸中抽出，经过一个单向阀被分成两路，其中一路经过三向开关进入到液压缸中，在常态下该阀门是关闭不工作，它是作为另一个三向开关的备用。另一油路经过一个三向开关，当开关的在左边的位置时，油可以通过阀门。在右边的位置时油会回到油缸中。中间的位置油路不通。在三向开关的入口处并连有油压表，在三向开关的入口处与回油管串连有一个泄压阀，用于过载保护。正常的情况下，液压油经过三向阀以后，进入到一个桥式整流油路。整流油路利用单向阀作为导路原件，对面的两个单向阀方向是一至的，中间用一油路接有一个过滤器与阀门。不管是加压进油或是退油都会都要使油进行过滤。在三向开关的回油管上也设有单向阀，然后又经过由单向阀、过滤器组成的并连油路，回油进入油缸前都进行过滤，其中单向阀只是在过滤器阻力较大或堵塞时才会用到。在并连油路的侧边设有一个压力表用于测压力。 液压油从过滤器出来以后，油经过一个电动双向开关与手动阀门后便可进入到液压缸中，在手动阀门边上加有一个手动开关，手动开关阀门在放油泄压才会用到。液压油进入液压缸的管路也并连有两跟油管。其中一条油路上接有一个信号转化器，将油压信号转化成电信号传到中控室。 另一根经过一个手动阀门被分成三条油路，一条与油压表相连，主要用于测量入液压缸油压的大小(该油压表位于楼下)。一条连有一个较小的氮气囊进行缓冲。另一条油路上设有一个手动开关)与泄压阀所组成的并连油路，必要时可将其打开让油回到油缸中。液压缸入口处设有一个油压表，用于测量油压大小(位于现场)，现场可以方便观测油压。氮气囊在窑体吃上时要将其进油阀门打开，缓冲油压。在窑吃下时要将进油阀门关闭，液压缸的工作压力在60bar左右。四.窑系统的传动 窑是慢速转动的设备，窑系统传动装置主要由以下几个部份组成: 1. 动力马达 回转窑载何的特点为: a. 恒力矩 b. 起动力矩大 c. 要求均匀地进行无级变速。 #1与#2窑是采用单边传度，#3窑采用双边同步马达。采用双边传洞便于布置，也节省投资，比较适合于较为大形的旋窑。#3窑主电机的功率为390kw，一般窑内填充率在20-25%左右，如果出现结圈或堵料，窑的主马达功率会上升。有的厂家也利用液压系统进行传动。 2. 辅助引擎 辅助引擎主要是为防止突然断电，窑体在高温、重载(窑内有较多的余料)的情况下发生变形，A厂中设有余热发电及重油发电设备，停电后自发的电还可以利供窑系统工作用，停电对窑内生产的影响小一些。在砌砖或检修时要用辅助引擎进行带动。开窑时也要用辅助马达来帮助起动，这样可以减少开窑起动时的能耗。辅助马达与主减速机之间还设有一个辅助减速机。#3窑系统布置了两台汽油引擎的寸步电机，#1、#2分别有一套。 3. 减速机 马达的转速都比较高，窑的转速一般都在3rpm左右。两者间需要有减速机进行减速传动。有的窑利用三角皮带进行减速，我个人认为三角皮带在高温环境下工作，很容易老化，传动比也不是很衡定。A厂所用的是普通的齿轮减速机。 4. 小齿轮 为了适应窑体的串动，小齿轮要与大齿轮之间留有一定的间隙，新窑更要注意。两者间隙小，两者很容易造成咬合、磨损加快等现象。小齿轮可以安装在大齿轮的正下方，也可以在大齿轮的斜下方。前者会使小齿轮的地脚螺栓完全受水平力作用，比较容易损坏。后者小齿轮受水平与垂直两个方向上的力，这样基座受的水平力就小些。 5. 环齿轮 大齿轮都尺寸比较大，一般都由两半(或者更多块)经螺栓联接组成，A厂的环齿轮通过弹簧片与窑壳连接，这样具有一定的弹性，可以减少因开、停窑时对大小齿轮的冲激。有的厂家也有利用固定式的螺栓与窑壳进行连接，这种连接方式不具有缓冲的作用，齿轮也容易受窑壳热膨胀的影响。 6. 润滑冷却系统 在大小齿轮间设有自动喷油装置，对齿轮进行润滑。每班的现场人员要检查齿轮零件及润滑情况，齿轮的润滑情况。齿轮处的冷却是靠润滑油来冷却。 7. 密封装置 旋窑系统都是在负压下工作，在旋窑的转动与静止两个部份间的连接处(在窑头与窑尾两个地方)，不可避免地有缝隙，为防止外界冷空气的进入，均设有密封装置。在窑头的Seal Air 与止封圈并不冲突，它只是将清除窑头附近的一些粉尘吹干净而以。 如果是在窑头有漏冷风，会降低窑内的烧成温度。在窑尾有漏冷风，会减少二次空气量，影响窑内通风与烧成，增大废气排放量，增大风车与电收尘的负何等一系列的问题。对于密封装置的主要要求有: 1. 密封性要好 窑头的负压低一些，要求可以不要那样高，在窑尾的负压大则要求就严格一些。 2. 能适应于窑体的吃上吃下，窑体温度变化时长度的伸缩，窑体直径的变化以及悬臂端轻微弯曲等的要求。 3. 耐高温、耐磨、结构简单，便于维修。 密封装置的主要类型有: 1. 迷宫式密封， 它可以分为轴向式密封与径向式密封两种。 2. 带有石棉绳的端面磨擦式密封 3. 石墨块(铸铁、铜)磨擦式密封A厂目前所用的是第三重金属磨擦式的密封装置，它借助支架与弹簧将金属紧压在筒体之上进行对气流的密封。五. 大齿轮传动及其润滑 在窑体的大齿处，它是靠双边同步马达进行传动，共有两个小齿轮与大齿轮齿合。这样的传力点较多，运转平稳，齿的受力减小一半，齿轮的模数与宽度都可以大为减小，有利于设备的布置。双边传动也会造成零部件过多，安装与维修工作量增加。两边齿面都有自动喷油嘴进行喷油润滑。 润滑后的废油经过泵浦加压输送到冷却机，原先的油管是在江侧，现已改在山侧。主要是因为在江侧散热较多，环境温度比较低，使油的粘度增加，再加上江侧要照顾行人通过，使油管路曲折阻力增加。我个人认为将废油加在冷却机中燃烧不是很好，冷却机主要将熟料冷却，不希望有热量的进入，将废油加到冷却机中燃烧会提高冷却机中的温度，影响到熟料的冷却效率。而应该将废油引入到需要热量的地放去燃烧，如预热器、窑等地方。 润滑油与泵浦都在窑基座下的房子内，这样布置使现场更干净，润滑设备的环境温度也更低一些。泵浦是利用空压机为动力，从空压机过来的压缩空气首先经过一个过滤器将水份过滤去除。然后分成两路。其中一路通向上面齿轮的喷嘴处，在管路上并连接有一个电磁油压控制阀。另一路是进入到油桶内的泵浦，在管路上串连有一个压力表、一个油槽及一个泄压阀。压缩空气经过油槽后，可以使空企带上一部份油入泵浦中，对泵浦润滑。泄压阀的工作是靠进喷嘴处的电磁阀来控制，当油路上压力高于8bar电磁阀会感应一个信号让泄压阀泄压，此时压缩空气不能进入到油桶中加压工作，空压机就停止工作。当油压低于6bar时，空压机又会重新工作。油从油桶中出来后经过一个压力表，在管路上设有一个过载保护的阀门。最后才进入到喷油嘴处，利用气管中的空气将油喷出，多余的油会从喷嘴处经回油管中回到油桶中。一个齿面有四组平行的喷嘴，每次喷油只喷其中的一个油嘴，然后进行轮流喷油。六. 窑头煤粉燃烧器 碳酸钙分解以后的生料进入到窑内，需要继续吸热升温至1400度左右才能烧成熟料。旋窑内热量主要是由窑内的煤粉燃烧装置提供，它是由喷煤管、喷煤嘴与燃烧带三部份所组成。其中喷煤嘴是最为重要的组成部份。 喷煤嘴位于窑头，煤粉随空气以一定的流速从喷煤嘴喷出，与周围的热空气接触后进行燃烧，形成一定的火焰形状，将热量传给生料。煤粉的燃烧空气可以分为两个部份，一部份是输送煤粉、将煤粉与空气混合均匀及供挥发份燃烧所用的一次空气。另一部份是依靠预热器风车从冷却机中抽上来的高温高氧的二次空气，二次空气主要是供固定碳进行燃烧。 传统的喷煤嘴只是用一次空气与煤粉混合后再一起喷出，所形成的火焰风煤混合不是很好，在火焰的中心通风不良，不便调节。在开窑点火时非常的不方便。A厂目前所用的是较为先进的三风道喷煤嘴。 喷煤嘴分为四部份组成，由外到内分别为: 外圈一次空气，煤粉圈，内圈一次空气，以及最内圈的喷油管(喷油管只在点火或者没有煤时才使用)。各风道都有各自的动力系统、阀门调节系统等，调节火焰非常的方便。其中一次风管外圈的作用为: 1. 冷却喷煤嘴 2. 帮助煤粉燃烧，提供挥发份燃烧所需的氧 3. 控制轴向的火焰形状 一次风管内圈的作用为: 1. 帮助火焰扩散，在喷嘴中心形成低压区 2. 帮助煤粉燃烧，提供挥发份燃烧所需的氧 3. 控制径向的火焰形状 正常工作时，煤粉夹在内外圈的气体之间，在内圈空气的内部中形成一个低压区，使空气与煤粉在此回旋能充份混合。在外圈空气的外部也形成一个低压区，带动高温的二次空气与煤粉进行混合，供氧供热进行燃烧。 一般增大内圈空气压力，降低外圈空气压力，会使煤粉与空气混合更快，使所形成的火焰缩短。如果内圈压力减小，外圈压力提高，会使火焰伸长。七. 窑皮的作用 依照温度与化学反应的不同，可以将整个窑分为四个带，它们分别是锻烧带、过渡带、烧成带及部分的冷却带。一般烧成带位于从窑头到5倍的窑直径处，在这段区域内有一层比较稳定的窑皮存在，窑皮对延长窑砖寿命及有非常关键的作用，旋窑的维护成本中，耐火砖所占的比例特别大，如果掉窑砖造成停窑，火砖的费用不算，产量的损失更大。由此可见保护窑皮对延长耐火砖寿命有重要作用。但如果窑皮过厚也会造成窑的有效空间减小，不利于烧成的进行，甚至会造成结圈。 窑皮是由熟料或粉尘自液相或半液相变成固体，它的主要作用有:1. 保护耐火砖，使耐火砖不直接受高温及化学侵蚀。 2. 储存热能，减少窑壳向周围的热损失，提高旋窑的热效率。 3. 充当传热介质，在窑皮暴露于空气中，与高温的空气接触时，通过辐射或者是对流的方式吸收热量，当窑皮在下部与料接触时，以传导的方式传热给生料。4. 窑皮的表面粗糙，它可以降低粉料流动速度，延长料在窑内反应时间。影响窑皮生成的主要因素有:（1）生料的化学成份 窑皮是由液相变成固相的过程的产物。铝质与铁质的成份比较多，液相量就多，容易形成窑皮。铝质与铁质的成份比较少，液相量少，形成窑皮比较困难。原料中铝质较多，液相的粘度大，形成窑皮比较困难，但一旦形成就比较坚固。原料中铁质原料多，液相的粘度就比较小，窑皮容易形成，但形成的窑皮也容易掉落。（2）火焰的温度 火焰温度低，料所形成的液相就比较少，不易形成窑皮，火焰温度过高，会使窑皮温度高过液相的凝固温度，窑皮容易脱落。 （3）火焰的形状 窑皮的温度受火焰形状、以及窑壳筒体散热等情况的影响。一般来说，太短、太急、太粗阔的火焰对窑皮的侵蚀比较历害，长火焰对窑皮较为有利，但会使窑的热量分散，对烧成不好。因此在操作时，一定要保持一定合理的火焰形状与位置，严格控制熟料的结粒，防止结大块冲刷窑皮，稳定窑内的热工制度，防止结圈，发现有大块或者是结圈要及时处理。 窑皮的脱落与发红 窑皮会因为温度超过本身的固态化温度而掉落，有时也会因为受热不均匀随火砖一起掉落，掉落的主要原因有:1. 饲料成份与喂料量不稳定，导至窑温不稳定 如果喂入的料一时好烧则窑内温度就高，不好烧时则温度就低。当料量较多时其温度就低，料量少时，多于的热就没有料来吸收。这样温度忽高忽低，造成窑皮热胀冷缩不均匀，容易脱落。2. 错误的操作程序 主要是火焰的形状调整不恰当所至。 当发现有掉窑皮时，在中控室可以通过查看窑壳温度去进行判断，一般窑壳的温度在200-300度左右，如果有温度过高的地方，就有可能发生掉窑皮，此时要马上要进行补救窑皮的措施，马上降低喷煤量，或改变火焰形状及位置，在现场可以利用鼓风机或压缩空气对掉窑皮的窑壳进行冷却，风机应该放在四点或者是八点的位置(此处正是料流的位置)，离掉窑皮的地方越近越好。 各种挡板可以靠气动或者是电动来控制，两者都可进行管路挡板的自动控制。电动挡板主要使用在气流管线上，它可以调节开度的大小，并且它具有过载保护，如果挡被卡住时会使电流增大而跳车。气动挡板一般只有开与关两种状态而已，它不可以调节其挡板的开度。煤磨系统及回转窑燃烧器的改造 作者:李芝顺，张建业，王少武，杨立军，侯素芹单位:(山东铝业公司水泥厂山东淄博255051) 2003-7-31关键字:煤磨系统及回转窑燃烧器摘要:我厂4.5mlOOm日产960t的湿法短窑一直使用单风道燃烧器和煤磨废气直接入窑的燃烧系统，熟料热耗高、产量低。2002年6月份，对煤磨系统及燃烧器进行了改造，节能和经济效益显著。我厂4.5mlOOm日产960t的湿法短窑一直使用单风道燃烧器和煤磨废气直接入窑的燃烧系统，熟料热耗高、产量低。2002年6月份，对煤磨系统及燃烧器进行了改造，节能和经济效益显著。1 存在的问题改造前煤磨及窑头系统工艺流程见图1。生产中存在的问题：1)煤磨废气和窑一次风共用1台风机，造成2个系统互相干扰。如一次风增大时，磨内风速快，煤粉细度粗，台时产量高；反之，磨内风速慢，产品细度细，台时产量低。若打开冷风门增加风量，对煤磨的烘干能力和台时产量影响更大，互相干扰使煤磨和窑系统操作不稳，难以达到最佳工艺状态，限制了煤磨台时产量的提高，煤粉细度也在10%15%(80m筛余)范围内波动。2)单风道燃烧器废气用量大、黑火头长、燃烧不完全，熟料热耗高。据热工测定，窑正常生产用煤灰分25%、挥发分25%时，喷煤量在12t/h，此时一次风占燃烧空气总量的30%。当煤灰达到30%以上时，一次风比例必须达到35%，否则就会出现风煤混合不均，燃烧状况不佳的现象。过多的使用煤磨废气，致使入窑二次风比例降低，熟料热耗升高。单风道燃烧器黑火头长度一般控制在500mm左右，但该窑黑火头长度在1.5m，煤粉燃烧速度慢、燃尽率低，未燃尽的部分煤粉粗颗粒沉落在熟料中，另一部分则被废气带走在窑后部燃烧，使窑尾温度达到300。2 改造措施根据系统存在的问题，决定将煤磨和窑2个系统分开，以解决工艺调整过程中的互相干扰问题。同时使用新型燃烧器取代现有单风道煤粉燃烧器。1)煤磨安装袋式除尘器。窑与煤磨系统分开，必须解决废气达标排放问题。为此投资60万元，在煤磨细粉分离器后安装1台CGN14型煤磨袋式除尘器，并重新配置了排风机。废气由细粉分离器出来进入袋式除尘器净化处理后排入大气，粉尘排放浓度50mg/m3。同时拆除细粉分离器到窑头鼓风机的管路、设备。为了满足煤磨提高产量后对细度的要求，降低了煤磨平均球径 。 改造后工艺流程见图2，系统主要设备见表1。 表1煤磨系统主要设备 煤磨2.6m7.2m.产量17t/h袋式除尘器CGN-14过滤面积940 处理风量45000-56000m3/h排风机9-26M12.50D右90-7.99-9.72kPa 风量335415869S7m3/h2)使用新型双风道燃烧器。选用KBN380新型双风道煤粉燃烧器。该燃烧器除具有多风道燃烧器的优点外，更主要的是消除了燃烧带局部高温现象，使火焰温度分布更合理，有利于窑的长周期运转。 KBN系列新型双风道燃烧器有效地克服了多风道燃烧器的不足。具有以下优点：取消了内风风道，采用可调式旋流器，使外风道旋流强度可以根据窑煅烧工况随意调整。由于明显增加了环形射流厚度(是三风道燃烧器的2倍)。新型双风道燃烧器可延缓煤粉和二次风混合速率，降低火焰峰值温度，有效地延长烧成带耐火砖寿命。取消了传统多风道燃烧器的内风和外风调节阀门，使系统变得简单，并可节省一次风机电耗约30%。火焰形状主要通过位于传动箱上的手轮调节，由位于齿轮箱上的指示仪指示，火焰控制十分简单、精确。燃烧器外形见图3。3)在煤粉螺旋喂料器下安装1台KP200-1型螺旋泵，罗茨风机通过螺旋泵将煤粉送至双风道燃烧器做内风，外风由高压离心风机供风，见图2。系统主要设备见表2。表2改造后系统主要设备及参数 KBN380双风道燃烧器最大送煤量20t/h,最大能力380GJ/hL72WD罗茨风机流量80.6m3/min,全压29.4kPaY2-10高压风机流量150m3/min,全压25.6kPa3 效果1)台时产量提高，节煤效果明显入磨热风温度由380400提高到450500。煤磨可根据原煤水分、易磨性，自由调节风量而不受窑前的影响，台时产量大幅度提高，粉磨电耗下降。经过3个月运行，双风燃烧器燃烧稳定，火焰长短可通过转动手柄灵活调节，煤粉燃烧速度快、燃尽率高、黑火头缩短至400500mm，回转窑操作稳定，快转率(60s/r)达到50%以上。节煤效果明显，喂煤螺旋输送机电动机频率由3035Hz下降至2530Hz，实物煤耗由280kg/t降至260kg/t；下料量88%90%提高到90%97%，台时产量由40t/h提高到43t/h。窑尾温度由280320下降至240260。改造前后工艺技术指标对比见表3。表3改造前后工艺技术指标 时间煤磨台时产量/(t/h)煤磨细度(80m) /%回转窑台时产量/(t/h)喂料量 /%熟料实物煤耗 /(kg/t)窑尾温度 /回转窑快转率 /%改造前1310144088902802803200改造后1681043909726024026050 2)节能和经济效益显著整个技改投资约100万元。技改后年节煤146万元；煤磨台时产量提高后，年节约电费20万元，窑台时产量提高产生效益67万元，合计年产生效益233万元。三通道燃烧器设计计算的半经验方法 作者:孔学标王超群单位:南京水泥工业设计研究院 2003-7-31关键字:三通道燃烧器摘要:本文采用将同轴旋转射流筒化为单段旋转射流的办法，结合数值模拟技术，推导出了适合工程应用工程适用的半经验公式。计算结果表明，半经验公式基本上能够满足工程精度要求。1 前言 三通道燃烧器是国外七十年代发展起来的一种高效燃烧装置，国内从八十年代初期引进并进行二次开发，取得了一些成功的经验。然而由于燃烧器出口流动过程的复杂性，再加之缺乏一些基础数据，所以设计过程是基于经验，选取一次空气用量和燃烧器出口速度，并由此确定出口截面积。这种设计方法缺乏一定的科学依据，不可能确保所设计的燃烧器于相应窑系统相匹配，给操作过程带来很大的盲目性。不合理的燃烧器设计与操作往往导致窑内煤粉燃烧状况不良，从而使得窑的单位产量热耗增加，烧成带耐火材料寿命缩短，熟料标号降低。为此本文试图从窑内煤粉燃烧过程的具体特点出发，着重煤粉射流与二次风的混合速率分析，并将多通道的同轴射流视作为单股旋转射流进行简化处理，同时引入一些修正常数。此常数由实验或数值模拟确定，并由此导出易于工程应用的计算公式。2 半经验公式的推导水泥回转窑煅烧中，三通道燃烧器射流引射二次风属于受限射流。为了计算方便作以下假定：射流混合区内任一垂直于射流轴线截面的引射量作为其下游射流的一部分，则轴向射流及旋转射流对二次风的引射速率为：对于三通道煤粉燃烧器，采用轴向动量的当量通量：根据动量守恒原理，在射流扩展过程中，角动量和轴向动量及当量轴向通量均保持为常数，联立求解方程(1)、(4)、(5)可得到下列等式：从式(7)中可以看出第一项为射流轴向运动的引射量，第二项为射流旋转运动而产生的附加引射量。为达到煤粉在接近当量比下燃烧，式(7)中M应根据燃烧计算所需要的实际空气需要量给出。为方便分析令：式(7)中，X的最大值等于射流混合区长度，只有当射量出口动量小到一定值时，外回流区完全消失，才会出现这一情况，此时X为： 根据实验资料，等温旋转射流的引射量可以用下列经验式表示：K3可以通过燃烧计算得出。因此，若通过对现行喷嘴结构利用冷态实验确定值和值，则便可以利用式(10)计算出燃烧器射流必须达到的最小轴向当量通量。 3 系数和的确定方法系数和的确定原则上可以通过冷态模拟或数值模拟来进行，本文拟采用数值模拟的方法确定。从粘性流体的动量方程出发,采用雷诺平均可以得到平均运动的动量方程，对方程中的高阶关联项采用梯度模拟,二阶关联项(即雷诺应力)通过定义两个标量和和来封闭，即采用所谓的-双方程湍流模型。通用方程可以写成如下： 对上述方程在控制容积内采用有限差分离散为代数方程，采用SIMPLE算法(3)给定边界条件即可求解。图1是某一特定工况下同轴射流计算的气体速度矢量图和同等流量下相同旋流数的单通道旋转射流的气流速度矢量图。从图中可以看出，由于同轴射流外风速度较高，导致了对二次风引射能力的增强，外回流开始点提前，但外回流结束点与单股转射流相同，这是由于二者具有相同的旋流数和流量。通过不同几何尺寸不同流量和旋流数工况的模拟计算，比较两射流造成的外回流区中心的长短就可以确定和的大小。的范围基本上在1.5d 0一3d 0之间，其中d 0是三通道燃烧器外风通道的外径。基本上符合式(6)，只不过K0不是4.8而是l1.5，仍取14。利用此数值计算得外回流结束的长度与实验结果2相差16%，基本上可以满足工程计算的需要。该方法已成功地应用于多套旋窑煤粉燃烧器参数的设计。 参考文献 1孔学标.旋窑煤粉燃烧器及其空气动力计算水泥石灰No.1.1988；2J.M.比埃尔.N.切给尔.燃烧空气动力学科学出版社.1984；3S.V.帕坦卡传热与流体流动的数值计算科学出版社，1984.回转窑煤粉燃烧器的技术进展 作者:孔学标单位:南京水泥工业设计研究院（2）（0029） 2003-7-31关键字:煤粉燃烧器摘要: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煅烧情况得到明显改善。经过20多年的技术进步，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形式不断的改进。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、火焰成形能力及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型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拟试验，以KILNFLAMESYSTEMS公司为代表的酸碱水模拟试验方法可使回转窑燃烧的流畅设计更加精确，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。0 引言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煅烧情况得到明显改善。经过20多年的技术进步，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形式不断的改进。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、火焰成形能力及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型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拟试验，以KILNFLAMESYSTEMS公司为代表的酸碱水模拟试验方法可使回转窑燃烧的流畅设计更加精确，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。1 对回转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)对燃烧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剩系数下完全燃烧，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、熟料矿物晶相正常发育，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成应是“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化燃烧以适应强化煅烧要求，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其扩散速率，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，在燃料品种和煤粉细度一定情况下，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，还取决于燃烧器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。 水泥回转窑内煤粉的燃烧属受限射流火焰，在二次空气供给量一定时，按一次射流动量通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，即在射流量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。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。值得指出的另一个重要方面是，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砖磨损过快现象，导致窑运转周期缩短。在使用低挥发分燃烧时，火焰的气体流场是非常重要的，因为低挥发燃烧一般具有较高的着火点，加之由于挥发分含量低、挥发分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。确保低挥发煤持续点燃的最简便方法是增加火焰内循环量，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可在操作中调节，但极限参数的限定是很重要的，也是必须的。2 窑头火焰的空气动力学计算2.1一次射流动量通量根据经验，多通道燃烧器的同轴射流在其不远的下游，表现出和单股射流相同的空气动力学特征。为了分析方便作以下假定，在射流混合区内作一垂直于射流轴线的截面，截面上游的引射量伯为其下游射流的一部分。则旋转射流对二次风的引射速率为：式中：M引射量的质量流量，kg/s；X距喷口的轴向距离，m；Kl温度系数；C射流出口轴向总动量通量，N。对于多通道煤粉燃烧器，总动量通量等于各通道出口轴向动量通量之和：CG；S任意垂直于燃烧器轴线截面的旋流数；P。被引射空气的密度，kg/m3；P。射流混合物的密度，kg/m3；G旋流风的角动量通量，Nm；Gx射流出口轴向动量总通量，N；R射流出口当量半径，m；a将同轴射流看作单股射流而引入的常数；a射流扩展半角，随旋流数量呈线性增加；S。按三通道燃烧器出口尺寸和风速计算的旋流数。有关资料介绍，K。、K分别为4.8和14，不过对于多通道燃烧器的具体喷嘴形式应由冷态实验等方法确定。根据动量守恒原理，在射流扩展过程中，角动量和轴向动量均保持为常数，解联立议程（1）、（3）和（4）可得到下列等式：MK1XK2（G/Gxtga）(X+a)K1/G2将G/GxSoRo代入该式得；MK1KtX/G2K2KtRoSotg-1a(X+a)/ G2（6）不难看出，式（6）中第一项为射流轴向运动的引射量，第二项为射流旋转运动而产生的附加引射量。为达到煤粉在接近等当量比下燃烧，式（6）中M应根据燃烧计算所需的实际空气需要量给出。为分析方便，令：MK3Gm-MoK3qcGc/Qnet.ar-M (7)式中：Mo次空气、煤粉输送空气问题，kg/s；Gm煤粉消耗量，kg/s；K3单位煤粉燃烧实际空气需要量，kg/kg；qc熟料单位热耗，kg/kg；Gc熟料产量，kg/s；Qnet.ar煤粉应用基低位热值，kJ/kg；式（6）中，X的最大值等于射流混合区长度。只有当射流出口动量小到一定值时，外回流区完全消失，才会出现这一情况，此时X为:XXmaxD/2 tga-a (8)式中：D窑烧成带有效内径，m将（7）、（8）式代入（6）整理后得：GPo/Pctg2a（K3qcGc/Qnet.ar-Mo/K1（D/2-atga）+K2RoSo(D/2tga)2 (9)根据实验资料，等温旋转射流的引射量可用下列经验式表示：M/Mo（K1K2S）（X/2Ro）（10）根据不同资料，K1，K2取值范围为：K10.32-0.35K20.8-1.07比较（10）和（1）不难看出：K1（0.32-0.35）p/2K20.8-1.07p/2K3可以通过燃烧计算得出。因此，若通过对现行喷嘴结构利用冷态实验等方法确定a值和a值，则便可以利用式（9）计算出燃烧器射流必须达到的最小轴向总动量通量。根据计算机数值模拟结果，a的范围基本上在（1.5-3）do之间，do为燃烧器出口外径。a基本上符合式（5），只不过Ko不是4.8而是11.5，K仍为14。2.2 旋流数根据有关介绍，在不知道旋转射流横截面上的速度分布和静压分布时，可近似从燃烧器出口端结构参数和工艺参数计算旋流数，其近似程度良好，即SG/Gx R由于前述理由，可将多股同轴射流近似看作单股旋转贡献，从而确定出一次射流的旋流数。（11）式是根据上述观点经推导整理后得到的三通道喷煤管嘴旋流数的计算公式：式中：P1各通道风量与一次风总量（包括煤风）之比；旋流叶片的轴向夹角；Pm煤粉浓相输送视密度，kg/m3；P一次风净风密度，kg/m3；R各通道环形出口外半径，mm；R各通道环形出口内半径，mm。同理，双通道燃烧器的旋流数可表达为：（12）将我院冷模试验用CTI型燃烧器喷嘴结构参数代入（11）式，并令P煤0.33，PP，得到下式：S94.282tg/170+288(0.67/P-1)2+10.532/P令45，P内0.670，则S0.487；令45，P内0.335，则S0.171；令30，P内0.335，则S0.0986；令30，P内0.670，则S0.281；通过上述计算可以发现，调节内、外风的比例来改变旋流数，从而达到改变火焰形状的目的是极为有效的。这与冷态试验结构是一致的。3关于燃烧器喷嘴结构设计方面的几个值得讨论的问题3.1喷嘴的基本结构形式从上述分析中可知，增加一次射流的旋流数将提高一次射流的引射速率，即煤粉和二次风的混合速率，从而强化了窑头煤粉燃烧，使火焰变得粗短，所以旋流系数又被称之为火焰形状系数。实际上燃烧器喷嘴结构形式和参数的变化也明显地影响火焰的形状。从空气动力学的角度简单地理解，一次射流对二次风的引射量取决于一次射流的动量通量，其引射速率除受一次射流角动量通量控制外，一次射流和二次风的接触面积（以水力半径度量）显然对引射速率有较大影响，因为引射是通过射流股和周边二次风接触而上的动量交换而产生的。喷嘴设计中，在保持喷嘴出口截面积不变情况下减小水力半径，即增加射流股和二次风的接触面积，将增加煤粉和二次风的混合速率，使火焰变得粗短；另一方面也由于过高的二次风混入速率使一次射流股的核心速度衰减过快，表现为火焰“刚度”下降，对窑内的穿透深度减小。笔者曾就当时市面上的三通道煤粉燃烧器归纳成3种基本结构形式，见图2。其中在相同的一次净风总的出口截面积情况下，c型对二次风的引射速率高于a型，实践中前者火焰粗短，燃烧剧烈，较适合于强化煅烧情况。b型中煤粉通道被分割成数个流股，由于煤粉通道介于内风和外风通道之间，因而增加了煤粉对一次风的混合能力。笔者认为，这种结构形式可能对燃烧速率影响不大，实践中我国在300t/d、600t/d的预热器窑上使用较多，普遍认为火焰散，有时甚至出现所谓的“鹰爪型”火焰，这种不利现象可以通过适当减小煤粉通道的动量通量得以改善。3.2喷嘴的通道数传统的三通道煤粉燃烧器的旋流风通道、煤粉通道及直流风通道是由中心向外排列形成了3个同轴环形喷嘴出口，该技术发展初期市面上出现过具有更多通道的燃烧器。随着技术的发展，窑的一次风用量不断被减小以提高熟料冷却机的热回收效率；另一方面较少的一次风用量也有利于低挥发分工或劣质煤的应用。然而根据上述分析，为维持一定的一次射流动量能量，在减少一次空气用量的同时必须提高一次射流总的出口速度。因此出现的问题有如下几个方面：1)由于出口速度高和一次风用量低的要求，旋流风及直流风环形出口缝隙往往很小，机加工和使用过程中难以保证较高的同轴度要求，引起火焰变形偏转。2)多股风因出口缝隙小，核心速度衰减过快，射流穿透深度不够，导致火焰的“刚度”不足，成形效果差。另外也由于多股风在出口处相互干扰，增加了不必要的溢流强度，使出口阻力损失增大。3)过多的通道数，减少了外风通道的通过风量，使燃烧器外套管得不到跔的冷却，引起变形从而导致燃烧器外层耐火浇注料的过早损坏。近期国际上发展起来的双通道燃烧器可有效地克服上述多通道燃烧的缺点，Unitherm公司的M.A.S燃烧器和F.L.Smidth公司的DULFLEX燃烧器均属这一类型，取消了内风通道，外风通道的旋流强度可以高速。从双通道燃烧器的旋流数表达式（见式12）可以看出调整旋流器角度和调整旋流风比例P均可有效地改变旋流数S，从而调整火焰形状以适应窑的煅烧工况，M.A.S燃烧器可在操作中改变旋流器角度以调整火焰形状。在双通道燃烧器喷嘴结构上，由于煤粉通道被布置在中心，因而在控制火焰方面具有延缓煤粉和二次风的混合，降低火焰峰值温度的特点。山东章丘水泥厂引进Unitherm公司1台双通道燃烧器，据反应使用效果很理想。3.3 稳定火焰的措施除一定的煤粉细度要求和较高的二次风温度及较低的一次风用量要求外，还可以从下述几方面考虑稳定火焰的措施。1） 一定的煤粉出口速度；2） 一定的热烟气内回流量；3） 采用值班火焰。无论什么品质的煤粉，燃烧器煤粉出口速度的设定应以不发生脉冲为前提，无脉冲速度的选择依赖于实际煤粉输送工况如弯头数、输送距离、爬升高度、煤粉细度等。在冷窑启动过程中或窑况不稳定、燃烧带温度过低、二次风温不高的不利情况下，大部分无烟煤使用厂家需采用油煤混烧的方式渡过此难关。辅助燃油量占总供给热量的10%-20%，起到了值班火焰的作用。为有效地降低水泥生产的燃油成本，这方面的技术问题有待进一步形容进一步降低燃油比例，如从一次风用量、内回流强度、值班火焰和煤粉火焰间的相互关系方面优化组织燃烧。如前所述，热烟气内回流是解决稳定低挥发分煤燃烧简单而经济的途径。产生热烟气内回流的方法很多，主要措施有旋转射流、大速差射流，非流线体及整流罩。一般情况下，水泥窑煤粉燃烧器的旋流数不超过0.5，属弱旋转射流范畴，其本身对内回流区的产生及尺寸影响不大。我院曾就大速并稳焰措施在某水泥厂进行了工业性试验，可稳定燃烧1670/kg以下的高灰分煤，但大