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回转窑五通道燃气燃烧器,如何研发与应用?

2022-03-07

在四通道燃气燃烧器的基础上,采用新的燃烧技术开发了五通道燃烧器,优化了燃烧器喷嘴。其主要特点是火焰形状可灵活调整,燃烧稳定,对低热值燃料适应性强,使用寿命长。五通道燃烧器具有较强的市场竞争力,可以完全取代现有的回转窑燃烧器。


回转窑是一种用于煅烧散装材料的热工设备,广泛应用于冶金、碳、水泥、化工、造纸等行业。其中,燃烧器是回转窑的关键设备,在降低回转窑能耗、提高产品质量、延长窑寿命、减少有害气体排放等方面发挥着关键作用。鉴于燃烧器对回转窑的技术性能有很大的影响,国内外回转窑的设计和制造公司将燃烧器作为研发的关键设备。目前,广泛使用的回转窑燃烧器是四通道回转窑燃烧器可单独燃烧煤粉、各种气体燃料,也可实现煤粉和气体燃料的混合燃烧。本文主要讨论了煤系针状焦回转窑多通道燃气燃烧器的设计、开发和应用效果。


1.回转窑燃烧器的发展


自回转窑燃气燃烧器发展以来,国内外科技工作者做了大量的研发工作。实践证明,多通道回转窑燃气燃烧器具有燃料适应性强、燃烧稳定性充足、火焰热强度适中、火焰形状易于调整等优点,已成为回转窑燃烧器的主流产品。目前,多通道回转窑燃烧器已开发出四代产品。


(1)单通道燃烧器。煤粉主要用作单通道燃烧器的燃料。风量大,火焰调节范围窄,灵活性小,仅适用于长回转窑。


(2)双通道燃烧器。双通道燃气燃烧器风量大,火焰长度短,火焰冲击不足,高温区靠近窑头,容易损坏喷嘴喷嘴;火焰刚度差,火焰不集中,窑壁损坏严重。


(3)三通道燃烧器。为适应短回转窑的生产特点,开发了三通道燃烧器,节省了一次空气量,但燃烧煤粉时火焰短而分散。


(4)四通道燃烧器。四通道燃气燃烧器火焰温度高,火焰长度长,但火焰分布不均匀,容易烧坏喷嘴。


2.设计研发


2.1确定技术方案


回转窑规格为60×2.8m,以焦炉煤气为燃料,燃料消耗量为800m3/h。由于燃气燃烧器在回转窑煅烧中起着至关重要的作用,迫切需要开发一种新型回转窑燃烧器,以克服上述回转窑燃烧器的缺点。结合煅烧工艺的生产工艺要求,新型五通道燃烧器的设计理念应满足以下要求:①空燃比合理,燃烧充分稳定;②火焰温度合理,火焰峰值平衡;③火焰形状调节灵活方便,调节特性好;④燃烧器使用寿命长,喷嘴不易燃烧;⑤氮氧化物排放低,节能环保。


2.2结构特征


燃烧器系统由燃烧器本体、空气输送单元和煤气输送单元组成。燃烧器本体由外环风道、外环气道、内环风道、内环气道、中央风道、火焰探测器和点火燃烧器组成。五通道回转窑燃气燃烧器喷嘴结构如图1所示。


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燃气燃烧器内层为中央风道,约占总风量的10%。中央风道头部配有十字内环稳焰器,由耐热不锈钢制成。


内环气道位于中央风道外层,约占总燃气量的40%。内环气道头部设有环形多孔喷嘴,喷射方向和水平角为1°,聚集在中央风道。


空燃预混区设置在中央风道和内环气道前部,中央风和内环气预混区,部分预混燃烧火焰在燃烧器中心形成,确保燃气燃烧器火焰根部燃烧稳定。


内环风道位于内环气道和空气燃烧预混区的外层,约占总风量的40%。内环风通过内环风道内的轴向分流板分流,以直流多股的形式喷出。


外环气道位于内环风道外层,约占总燃气量的60%。外环气体以旋流的形式喷出,旋流角度为30°。


外环风道位于外环气道外层,约占总风量的50%。收缩段设置在外环风道附近燃烧器喷嘴处,轴向分流板设置在收缩段内。外环风以直流多股的形式喷出,在收缩段前形成稳焰区。


综上所述,新型五通道回转窑燃气燃烧器的主要特点:


(1)中央风和内环风为调节风,通过风量调节火焰长度。内环气体以中央风聚集的环形多孔形式喷射,在空气燃烧预混区均匀混合,部分预混燃烧火焰在燃烧器喷嘴中心形成。中央风、内环风和内环气体形成两层风,气体三明治结构,两层风包裹一层气体向前扩散燃烧,使中央回流烟气避免高温区域,达到低排放的目的。


(2)内环风也用作点火风。电子点火器位于内环风管内。内环风不仅提供点火空气,还可以冷却电子点火器喷嘴,保证电子点火器的使用寿命。


(3)外环风为稳焰风,通过调节外环风量和外环气量,可改变火焰形状轮廓。


(4)中央风道内置火焰探测器,火焰探测器可在火焰熄灭时自动报警,并通过控制系统自动向电子点火器发送点火指令,安全可靠。


(5)燃气燃烧器进入回转窑的部分包裹150mm厚耐火浇筑材料,燃烧器喷嘴采用耐高温、耐氧化的不锈钢制成,避免燃烧器在高温环境下燃烧,大大延长了燃烧器的使用寿命。


2.3模拟模拟


根据新煤针焦项目回转窑新五通道燃气燃烧器的设计方案,以焦炉燃气为燃料,模拟燃烧器的燃烧条件。模拟结果表明,燃烧器火焰高温核心区长度超过6.5m,实际火焰燃烧温度可达到1650℃,火焰温度和火焰长度满足回转窑的使用要求。模拟验证了新五通道燃气燃烧器设计方案的合理性。


3应用效果


某公司新建煤系针状焦项目回转窑采用新型五通道燃气燃烧器,燃烧器燃烧稳定,火焰刚性好,冲击力强,无冲刷窑壁现象,火焰长度大于7m,火焰形状调整灵活方便。燃烧器投入使用后,可保证针状焦回转窑头温度控制在1400~1500℃之间,满足工艺生产要求,煅烧合格率达到95%以上。运行一段时间的能耗数据显示,与普通多通道燃烧器相比,新型五通道燃气燃烧器的回转窑单耗降低了4%,既降低了生产成本,又实现了节能减排。


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