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2020-03-20
0 引言
2019年7月1日，生态环境部、国家发展和改革委员会、工业和信息化部、财政部四部委联合下发《工业炉窑大气污染综合治理方案》。此方案是为了贯彻落实《国务院关于印发打赢蓝天保卫战三年行动计划的通知》有关要求，到2020年，完善工业炉窑大气污染综合治理管理体系，推进工业炉窑全面达标排放，提高大气污染防治重点区域工业炉窑装备和污染治理水平，实现工业行业二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等污染物排放进一步下降，促进建材、钢铁等重点行业污染物排放总量得到有效控制，推动环境空气质量持续改善和产业高质量发展。该方案对水泥工业熟料烧成系统大气污染物治理提出了明提高确要求：
现有及重点行业工业炉窑大气污染排放标准严格按《水泥工业大气污染物排放标准》执行（GB 4915-2013）；
水泥熟料窑应配备低氮燃烧器,采用分级燃烧等技术,窑尾配备选择性非催化还原（SNCR）、选择性催化还原（SCR）等脱硝设施；
窑头、窑尾配备覆膜袋式等高效除尘设施；
窑尾废气二氧化硫不能达标排放的应配备脱硫设施。【1】
从笔者的专业角度出发，我们对此的理解是，水泥熟料烧成系统必须向环保功能型转变，其中低氮燃烧器的应用是不可忽略的重点。本文就满足环保功能型烧成系统煤粉燃烧质量要求的燃烧器的开发与应用展开论述。
1 环保功能型烧成系统对煤粉燃烧质量的要求
烧成系统的环保功能
我们熟知回转窑烧成系统目前承载的功能越来越强大，主要担任减排利废功能、协同处理废弃物功能（如燃烧生活垃圾，处理危废等）、替代燃料应用功能（可广泛适用于高硫煤、烟煤、无烟煤、重油、天然气等燃料）、利用烧成系统自产脱硫剂脱硫功能以及低氮燃烧、分级燃烧技术降低NOx排放功能等等。
烧成系统环保功能对煤粉燃烧质量的要求
目前水泥工厂，大部分使用煤粉作为燃料来进行熟料的煅烧，但随着环保功能型烧成系统概念[2]的提出，燃烧器已逐渐向多燃料多通道高效节能大推力性能方向发展。对以煤粉为代表的燃料燃烧质量及效果要求也越来越高，具体表现在以下方面：
燃料适应性强。广泛使用低热值、劣质燃料、生物质燃料及其它生活垃圾和危废物等多燃料多通道燃烧器。
低氮燃烧功能。通过头部参数的合理化设计和科学计算对比分析，降低高温峰值，大幅减少热力型NOx的生成量。
分级燃烧技术降低氮氧化物。如窑尾采用燃料浓淡分级燃烧技术，利用RDF和分解炉再循环工艺，有效降低窑内已产生的热力型NOx及降低炉内燃烧型NOx。
组织燃料高效燃烧，形成合理的燃烧带。结合燃料特性、工艺参数和燃烧器技术，组织燃料高效燃烧并提高燃尽率、形成适宜的高温区，是燃烧器具备的关键功能，也是燃料燃烧质量和效果的重要体现。
节能降耗。如降低入窑一次风率、降低燃烧器配套风机功率消耗等。
低氮燃烧的原理
随着全球经经济的发展，人们对环保要求的重视和提高，水泥工业废气对氮氧化物排放的限值也日益严格。《水泥工业大气污染物排放标准-GB 4915-2013》中重点行业的排放标准规定：氮氧化物（以NO2计）排放值为≤320mg/Nm3，个别地区的标准已经远远低于了这个标准，详见表1。
表1 国家标准与个别地方标准对比
NOx生成机理
在燃烧过程中所产生氮的氧化物主要为NO和NO2,通常把这两种氮的氧化物称为NOx。大量的实验结果表明，燃烧装置排放的氮氧化物主要为NO，平均约占95%，而NO2仅占5%左右，NOx生成机理一般分为如下三种。
热力型NOx生成机理
分子式：N2+O2=2NO，NO+1/2O2=NO2,热力型NOx的生成量和燃烧温度关系很大。在温度T≤1300℃时，NOx的生成量不大；而当温度T≥1300℃时，每增加100℃，反应速率增大6-7倍。回转窑中烧成带的火焰温度高于1500℃以上，除了生成燃料型NOx外，大量助燃空气中的氮在高温下被氧化产生大量的热力型NOx，回转窑产生的NOx大约800-1200ppm。
快速型NOx生成机理
快速型NOx是在碳氢化合物燃料在燃料过浓时燃烧，燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基和空气中氮气反应生成HCN和N，再进一步与氧气作用以极快的速度生成，其形成时间只需要60ms。快速型NOx在燃烧过程中的生成量很小。影响快速NOx生成的主要因素有空气过量条件和燃烧温度。
燃料型NOx生成机理
燃料型NOx由燃料中氮化合物在燃烧中氧化而成。由于燃料中的氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度，在600-800℃时就会生成燃烧型NOx。它在煤粉燃烧NOx产物中占60-80%。在生成燃料型NOx过程中，产生是含有氮的有机化合物热裂解产生N、CN、HCN等中间产物基因，然后再氧化成NOx。由于煤的燃烧过程由挥发分燃烧和焦炭燃烧两个阶段，燃烧型NOx的形成也由气相氮的氧化（挥发分）和焦炭中剩余的氧化（焦炭）两部分组成，其中挥发分NOx占燃烧型NOx大部分。影响燃料NOx生成的因素有燃料的含氮量、燃料的挥发分含量、燃烧过程温度、着火阶段氧浓度等。燃料的挥发分增加，NOx转换量就越大；火焰温度越高，NOx转换量就越大；挥发分NOx转化率随氧浓度的平方增加。在分解炉和宾尾上升管道区域，燃料燃烧温度约为950-1200℃，在此温度范围内主要生成燃料NOx，预分解系统的NOx约为500-700ppm。
三种类型的NOx随温度的分布见图1。
可以参考2018年第六期39，但要注意图序号
低NOx燃烧技术
NOx是由燃烧过程中产生的，而燃烧方法和燃烧条件对NOx的生成有较大影响，因此可以通过改进燃烧技术来降低NOx。熟知三种NOx的生成机理后除选用含氮量低的燃料（包括燃料脱氮和转变成低氮燃料）外，可采用如下相关技术。
低过量空气燃烧技术
低过气过量系数燃烧可以降低温度峰值以减少“热力型NOx”，另外随着烟气中过量氧的减少，在火焰周围生产大量的还原性气氛及未燃碳，这不但使燃烧氮所生成的中间产物得不到足够的氧而无法生成NOx，而且对已经生成的NOx还能还原和分解，从而使NOx生成量下降。一般来说，采用低过量空气燃烧可以降低NOx排放15-20%，但如果氧含量（浓度）＜3%时，会使CO浓度剧增，使热效率降低。
降低空气过剩系数，组织浓相燃烧，来降低燃料周围氧气浓度；浓煤粉气流是富燃料燃烧，由于着火稳定性得到改善，使挥发分析出、燃烧速度加快，进一步造成挥发分析出区缺氧，降低了燃料NOx，另外由于缺氧燃烧，燃烧温度降低，使热力型NOx减少。使用大推力、一次空气比例较小的多通道燃烧器，我公司SR4型大推力低氮节能燃烧器，一次风速达到亚音速，空气在火焰高温带停留时间短，对于不同的水泥NOx的减排效果一般可达5-30%。
在氧浓度较低的情况下，增加燃料在火焰反应区的停留时间。同时增加燃烧器内外风的搅动混合能力和整体推力，增加二次热风的卷吸利用，均衡火焰温度，减少高温峰值，降低热力型NOx。
分级燃烧技术
主要应用在窑尾分解炉上，基本原理是将燃料的燃烧过程分两阶段来完成。在第一阶段，将第一层的燃烧器供入炉内的空气量减少到总空气量的70-75%，使燃料在缺氧的富燃料条件下燃烧，燃料氮分解大量活性产物CN、HCN及NH等,它们相互复合将已有的NOx还原分解，抑制了燃料型NOx的形成。同时，由于燃烧速度和燃烧峰值的降低，也减少了热力型NOx的形成。 为了完成全部燃烧过程，完全燃烧所需的其余空气布置在炉内第二层，与在第一级燃烧区“贫氧燃烧”条件下所产生的烟气混合，在α＞1的条件下完成全部燃烧过程，由于这时火焰温度较低，在二级燃烧区内也不会产生较多的NOx，因此总的NOx排放得以控制。采用这一措施NOx减排效果为20-50%，可使NOx排放浓度降至300-700mg/Nm3之间。
低氮燃烧器的特点
基于低氮燃烧器的原理以及降低NOx燃烧技术的主要途径对燃烧器的功能提出了新的要求。无论是低氮燃烧器还是分级燃烧技术都属于环保功能型烧成系统的范畴，如何在环保功能型烧成系统通过燃烧器的设计选型提高煤粉燃烧质量以及效果，一台性能优越的燃烧器必须具备以下特点：
火焰形状能使整个烧成带具有强而有均匀的热辐射，有利于熟料结粒、矿物晶相正常发育、防止烧成带扬尘，形成稳定的窑皮；形状规整、无波动、不会出现扫窑砖现象，延长耐火砖的使用寿命；
燃料和助燃风混合良好，燃烧充分，燃烬率高；
火焰热力强度适中能生产优质熟料，温度分布合理，没有过高的温度峰值；
对燃料具有较强的适应性，尤其是在燃烧无烟煤或劣质煤时，能在较低的空气过剩系数下完全燃烧，能有效降低废气中的CO和NOx的含量，有利于环保；
燃烧器结构简单，操作方便，在线调节灵活，头部采用火焰稳定器，受喂煤量、煤质和窑况变化波动的影响小，对不同的煤质以及配料的变化适应性强；
能实现燃烧器在回转窑内空间定位调节以及轴向移动；
煤粉进口处采用耐磨处理，提高燃烧器使用寿命。
燃烧器采用高速大推力型设计。火力强度和刚性好，出口风速高，火焰调节和控制能力强，可卷吸利用更多二次热风，提高燃料燃尽率，顶料能力强，对窑况和燃料波动性适应性强。
结构简单合理、调节灵活方便，材质可靠耐用。复杂的结构在高温状态下容易产生高温应力变形；燃烧器本体上可进行粗调和微调两种手段；喷头材质要耐高温抗氧化、耐磨、耐腐蚀性，并采用可更换设计，维修拆卸更换方便。
燃烧器的设计选型
燃烧器设计理念
回转窑燃烧器
如何在一台燃烧器上实现这么多的功能？这对燃烧器的设计选型提出了更高要求，中和机电一直秉承“燃烧器功能专业化”的技术要求，结合多年实战经验，针对燃料特性、工艺参数和实际条件，提出“一煤一设计，一窑一修正”的设计理念和采用CFD计算机模拟仿真科学计算，力求精准设计，高效节能、低炭环保的完美功能。
回转窑燃烧器的结构选型
以目前行业内以煤粉为典型代表的多通道煤粉燃烧器为例，燃烧器厂家众多，各有特色，技术良莠不齐。作为燃烧器的关键部件--头部结构排布，以煤粉通道的布置位置不同呈现三大类别：一类是煤粉通道在内风和外风之间；二类是煤粉通道在内风和外风内侧；三类是煤粉通道在内风和外风的外侧。从调节性能特点来看，有内外风均可调节速度和角度的；也有只调节只内风速度和角度的，还有甚至有双旋流调节的。我公司从事回转窑燃烧器研发设计已有20多年时间，目前燃烧器应用行业有10+多个行业且占据多个行业市场率第一，各行业回转窑煅烧工艺要求（主要是煅烧温度、火焰长度）各不相同，经过多年的经验积累和理论结合验证，针对水泥回转窑煅烧工艺要求选型一类结构燃烧器更适合。下表为我公司经过多年总结不同窑型煅烧要求所设计选型的燃烧器结构。
表2 不同回转窑要求选择不同类型燃烧器
项目 | 煅烧温度/℃ | 适宜燃烧器类型 | 备注 |
钙镁砂 | 1600-1800 | 一类 | 使用高热值燃料 |
水泥 | 1450-1600 | 一类 | 使用中热值燃料 |
石灰 | 1250-1350 | 二类 | 使用中低热值燃料 |
球团 | 1200-1250 | 二类 | 使用中低热值燃料 |
其它低温煅烧回转窑 | 900-1200 | 二类 | 使用中低热值燃料 |
结构特点
如图2所示，由气流携带从煤风通道使煤粉按一定的扩散角向外喷出，由内邻的旋流风及外邻的轴流风传给相当高的动量和动量矩，以高速螺旋前进，并继续径向扩散，在大速差形成的涡流回旋作用下，充分混合，在外轴流风卷吸二次高温风的作用下充分燃烧，形成强劲有力的火焰。
内旋流风束的螺旋扩散力作用增强了煤、风的混合，旋流风面积可调的特性进一步增强了燃烧器对质量及窑况变化的适应性，能按需调节火焰的长短、粗细以适应窑的工艺要求。中心风的作用是促使中心部分的少量燃料及CO燃烧，使燃烧更为充分，同时冷却头部。由于这种燃烧机理和旋流风、轴流风具有的高速度，煤粉的燃烧迅速、完全。我公司SR4系列燃烧器结构特点如表3所示。
表3 SR4系列燃烧器结构特点
结构特点 | 结构特点 |
合理的 风道排布 | (1) 从外至内，分为轴流风、煤风、旋流风、中心风及柴油点火通道。 (2) 轴流风为圆孔形设计，能有效降低高速度带来的磨损并降低阻力保持较高的有效动压； (3) 旋流风可通过波纹补偿器进行出口截面积调整，能适应一定的质量波动同时调节出合适的火焰形状； (4) 中心风为均布的圆孔，起稳定火焰、中心补氧和冷却头部作用； (5) 柴油点火通道采用压缩空气雾化方式,冷窑点火升温期间节油量在25%以上。 |
火焰形状 在线调节方便 | 不仅可通过各风道上的蝶阀调节各股风的比例，还可通过调节金属波纹补偿器来改变旋流风出口截面积而改变风速，从而改变火焰形状。 |
燃料 适应性强 | 燃烧器的旋流风在内侧，调节适应性能优越，一次风及二次风混合速率高，能适应一定煤质的波动。 |
燃烧器 热力强度高 | 燃烧器推力大，喷出风速快，卷吸高温二次风能力强；和一次风及二次风混合良好，燃烧充分，火焰强劲有力，顶料能力强，有利于提高熟料产质量。 |
安全、 环保性好 | 轴流风采用若干个圆形小孔的设计，有效动压高，大推力使整个火焰温度分布更加均匀平滑，有效降低了温度峰值，从而降低NOX的产生。 |
实用性强 | 操作简单，维修方便，每个易损件可单独更换。 |
使用寿命长 | 煤风入口采用耐磨陶瓷，更有效防止磨损； 头部增加浇注料防磨圈设计，有效保护喷头，使寿命达2年以上。 |
主要技术性能参数
明确燃烧器的技术性能参数可以更好的选择和发挥燃烧器在系统中的功能作用，更好地通过配置合适参数、调节合理参数和系统工艺参数相匹配，组织煤粉充分燃烧提高燃尽率，并在烧成带释放更多的热量，形成均布合理的高温区，有效降低热力型NOx及形成稳定的窑皮和窑况，连续高效的高质量生产。
表4 燃烧器主要技术性能参数表
序号 | 指标名称 | 指标定义 | 指标最佳值 |
1 | 正常燃烧 | 在规定的条件下，燃烧器在燃烧过程中的性能和参数变化均在预定范围内的工作状态。在此状态下，火焰应无强烈脉动、脱火和冒黑烟或冒黄烟现象。 | 无强烈脉动、脱火、冒黑烟或冒黄烟 |
2 | 燃料最小流量/(m3·t-1·h-1) | 燃烧器在单位时间内能实现正常燃烧的最小燃料耗量。 | 根据风机和系统参数确定 |
3 | 燃料最大流量/(m3·t-1·h-1) | 燃烧器在单位时间内能实现正常燃烧的最大燃料耗量。 | 根据风机和系统参数确定 |
4 | 火焰尺寸 | 燃烧器在其负荷调节范围内燃料最大流量下正常燃烧时，火焰的最大长度和最大直径符合窑系统工艺要求。 | 形成合理的窑皮厚度和长度 |
5 | 运行可靠性 | 燃烧器按“启动运行一停止燃烧”连续进行不少于 1个质保周期，连续燃烧运行期间，各系统应无异常现象。 | 正常条件下，基本无磨损、烧损、断裂、腐蚀现象 |
6 | 使用寿命 | 燃烧器整机使用期限应不少于40000h （1666.7天，即4.5年） | 整机≥40000h |
外风管喷嘴应不少于 10000h ，其余头部各喷嘴、旋流器应不少于 15000h ; | 外风管喷嘴应≥10000h ， 其余≥ 15000h | ||
煤风通道内支撑板应不少于 15000h ； | ≥15000h | ||
煤风入口处煤粉冲刷部位应不少于 15000h； | ≥15000h | ||
煤通道管壁应不小于 25000h ； | ≥25000h | ||
7 | 氮氧化物（NOx）生成量及排放限值 | 燃烧器在其负荷调节范围内燃料最大流量下正常燃烧时，烟气中按过剩空气系数为 1.2时折算出的温度型氮氧化物（NOx）含量应符合如下要求： a) 燃油：NOx≤400mg/m3； b) 燃气：NOx≤200mg/m3。 C）煤粉：排放限值NO2≤400mg/m3；(普通地区)；NO2≤320mg/m3；(重点地区) | NO2生成量≥600mg/m3;普通地区：排放限值NO2≤400mg/m3； 重点地区：NO2≤320mg/m3 |
8 | 结焦和积炭 | 燃烧器在其负荷调节范围内连续运行时，旋口的结焦和积炭不应影响正常燃烧，亦不应使炉膛内壁产生结焦。 | 不应影响正常燃烧或易于清理 |
9 | 自振动 | 燃烧器在最大燃烧负荷下运行时，其振动速度应不大于 6.3 mm/s | 一般无自带风机燃烧器均：≤ 6.3 mm/s |
10 | 燃料流量稳定性 | 燃烧器在合同所确定的负荷调节范围（以下相同）内，任一工况下进人燃料喷嘴的燃料流量的波动范围应在士5％之内。 | 士5％ |
11 | 一次风率（%） | 从燃烧器出口入窑的空气（助燃风和送煤风）占燃料理论完全燃烧所需空气量的比率。 | 一般在≤12%,各种燃料或窑型不同，最佳值相应调整 |
12 | 燃烧器推力（N） | Fz= | 单向指标，需要与其它指标配合使用 |
13 | 燃烧器单位热量推力（N/MW） | 用每小时燃料燃烧所产生的热量除燃烧器一次风中的净风（或净风与燃料）所产生的推力 | 水泥窑：≥7N/MW(不含煤风) 球团窑：3-7N/MW(含燃料) 石灰窑：3-7N/MW(含燃料) |
14 | 燃烧器供热能力（GJ/H）(MW) | 将燃烧器最大燃料流量换算为热量单位(1MW≈123kg.标煤) | |
15 | 旋流强度 | 气流的旋动量矩与轴向动量的比：n=M/KL L-定性尺寸，为出口直径的倍数（m） 注：水泥窑用参考值≥0.6 | 水泥窑≥石灰窑≥球团窑 |
分解炉燃烧器
在配套分解炉燃烧器时，首先要根据分解炉的几何尺寸、三次风管的位置、窑尾烟气缩口的尺寸及产量热耗来设计计算燃烧的参数，然后确定燃烧的安装位置。其次再根据实际使用情况和煤质的条件，对燃烧器煤风的喷射速度、混合风的风量和风速的进行调节，同时还需要对混合风的和煤风的混合程度进行再次调节，这样就可以实现流场匹配的目的。根据炉型的不同，分解炉燃烧器的结构是不同的，对于D-D型、PR型、SLC型的分解炉，一般应选用外风为旋流风的三通道燃烧器；对于RSP型、N-SF型的分解炉，一般应选用外风为旋流风的双通道燃烧器；对于N-MFC型、T-MFC型分解炉，选用单通道燃烧器或单通道旋流式燃烧器。
燃烧器的使用与管理
燃烧器使用前的准备工作
性能好的燃烧器设计出来，安装在现场后，没有合理的安装定位以及操作方法同样发挥不出本身的优异性能。所以燃烧器的使用与管理就显得尤为重要了。
烧成操作人员要了解燃烧器的结构性能，确认配套的风机参数和调节方法；做好耐火材料的浇注和保养；结合燃烧器的特性确定窑内安装的位置；空载时检查记录煤风和净风的压力和电机电流。
燃烧器的调节和调整
燃烧器的调节主要分粗调和微调。粗调主要调整内风、外风及中心的风量及比例，微调主要调整内风的出口截面积。为了做到燃烧器与窑系统的完好匹配，要求燃烧器能够具有多种调节功能：
调节气流的射流动量，即包括在不改变风量情况下的调节不同的速度和不改变速度下的调节不的风量，因为动量=风速×风量）
调节气流的旋转强度，这是调节火焰形状的主要手段。煤质变差时可以加大旋流强度，促进混合，加强燃烧，提高稳定性。
调节煤粉和气流的混合程度。通过调节不同的风速和风量，匹配煤粉的特性，在窑内共同形成稳定的火焰温度和长度。
调节混合气流喷出的距离。通过调整煤粉的喷出速度和内外、外风的速度差，调整了不同强度和长短的火焰。
调节燃烧器在窑口内的空间位置。包括前后移动和上下左右位置调节，结合物料成分和窑况、煤质特性，调整火焰的合适位置。
对燃烧器的全面的正确认识
单个燃烧器也不可能完全适应各种煤种和工况；
好的燃烧器可以产生好的作用，但是要有正确合理的操作和管理方法；
一次风量并不是越低越好，降低一次风量必须是在原燃料稳定、窑况稳定的前提下来实现；
燃烧器的调节包括参数调节和位置调节两个方面；
煤粉输送的稳定性和浓度比例也是影响燃烧器使用效果好坏的一个重要环节；
节能降氮和提高产质量的平衡性，需要结合工厂实际状况选择燃烧器的主要功能。
以下表格和插图可以参考2018年第六期38页至43页，但要注意表序号和图序号
实际应用
现场条件及问题分析
华润水泥（罗定）有限公司（以下简称华润罗定）现有一条5 000 t/d 新型干法水泥生产线Φ4.8 m×72 m回转窑，双系列预热器带TTF分解炉系统。窑头一直使用的是某公司生产的双风机配置四通道双旋流煤粉燃烧器。投产运行以来在同类窑型中一直存在能耗偏高，CO生成量多，系统还原气氛严重，熟料结粒不均齐分级严重，还原料较多，游离钙合格率低，质量波动大，熟料强度偏低，氮氧化物生成量多，氨水使用量偏大等问题。因此襄阳中和机电技术有限公司（以下简称中和机电）针对上述问题，根据现场生产工艺状况以及设备配置情况在不改动任何设备、不增加额外投资的前提下，通过针对性的燃烧器设计期望解决存在的问题。原燃烧器风机配置见表5，煤质参数见表6。
表5 原燃烧器风机配置表
风机 | 风量/（m3•min-3） | 升压/kPa | 功率/kW |
窑头送煤风机（变频） | 74.5 | 58.8 | 110 |
轴流风机（变频） | 114 | 58.8 | 160 |
旋流风机（变频） | 60 | 39.2 | 55 |
备用风机（变频） | 55 | 96.0 | 160 |
低位发热量 Qnet.ad/(kJ·kg-1) | 挥发分 Vad/% | 水分 Mad/% | 灰分 Aad/% | 固定炭 FCad/% | 细度 R0.08/% |
23 563 | 25.5 | 1.45 | 24.27 | 48.78 | 5 |
华润罗定选用了中和机电研制的高效节能低氮燃烧器，型号SR4-15Y/F，在充分利用原有设备不增加任何额外投资情况下，具体设备配置如下：
(1) 窑头送煤风机。利用原有设备。原窑头送煤风机风量74.5 m3，升压58.8 kPa,功率110 kW,输送管道直径Φ245 mm，经核算送煤风量偏大，拟通过变频调节风量。
(2) 轴流风机。利用原有设备。流量 114 m3/min，升压58.8 kPa ，功率 160 kW 。
(3) 旋流风机。利用原有设备。流量 60 m3/min，升压39.2 kPa ，功率 55 kW 。
(4) 备用风机。利用原有设备。流量 55 m3/min，升压96 kPa ，功率 160 kW 。轴流风、旋流风、备用风机管道之间以三通方式连接并安装风量调节阀，以实现风机故障时轴流风机或者旋流风与备用风机互换使用，保证生产连续进行。
2018年5月5日燃烧器安装完成后升温烘窑，5月6日一次性投料成功，7日投料量即达到365 t/h,折合熟料5700 t/d,稳定煅烧挂窑皮。燃烧器调整参数：轴流风46 Hz,压力58 kPa,燃烧器头部出口风速≥300 m/s,旋流风46 Hz,压力46 kPa,燃烧器头部出口风速≥240 m/s,送煤风35 Hz，燃烧器推力达到9~11 N/MW。燃烧器改造前后分别见图4和表7。
表7 燃烧器头部结构对比
对比项目 | 原燃烧器 | SR4系列燃烧器 | 性能对比 | |
风道排布 | 由外至内：拢焰罩，轴流风，外旋流风，煤风，内旋流风（中心风），点火油枪通道，四风道 | 由外至内：浇注料挡板，冷却风，轴流风，煤风，旋流风，中心风，点火油枪通道，五风道 |
四通道双旋流
| 五通道单旋流 |
轴 流 风 | 原16孔，孔径12.8 mm,后经改造为32孔，主窑皮由18 m延伸到21 m。实际使用41Hz，50kPa | 24孔，孔径φ14.8 mm； 实际使用46 Hz，58kPa | 原燃烧器孔数少，单孔孔径小，轴流风动量不足，对高温二次风的卷吸力不够，KH值超过0.90即出现煅烧困难，游离钙高合格率低，熟料质量差，煤粉燃尽率低，系统易产生CO，结粒≥20m,致密的还原料 | SR4燃烧器单孔孔径大，有效动量强。增强了高速轴流风对高温二次风的卷吸引射能力，更多利用高温二次风，达到提高燃料燃烧速度和提高火焰强度的效果。可以煅烧KH 0.905~0.91的料值，熟料质量提高。 |
旋 流 风 | 外旋流风槽数24，角度22°。实际没有使用 | 槽数24，角度40° 实际使用46Hz，48kPa | 开启外旋流火焰发散扫窑皮，被迫关掉外旋,只是用内旋，旋流强度不够，偏弱，对煤质以及窑况的波动适应性差。 | 有效控制火焰旋流强度，增强旋流风对燃料和高温二次风的搅拌混合能力，增强燃烧器对煤质变化及系统工况变化的适应能力，进一步提高燃料燃烧速度和燃尽率，降低还原料比例。 |
煤风 | 燃烧器出口喷出速度由原25 m/s提高至28 m/s。 | |||
中 心 风 | 内旋流，槽数24个，角度45° 实际使用43 Hz，37kPa | 板孔式火焰稳定器，孔数80个，孔径φ3.5mm | 起旋流风的作用，内回流过大，火焰稳定性差。中心风是冷风，风量使用过大热耗增加。 | 火焰的中心区域是煤粉富集之处，燃烧比较集中，形成一个内回流区，在很小的过剩空气系数下就能完全燃烧。火焰稳定性好。 |
拢 焰 罩 | 长度30mm | 无 | 长度偏短起不到拢焰的作用，相当于防磨圈 | 独特的浇注料护板设计，保护喷嘴，延长使用寿命。 |
经过三个月的生产实践，窑系统运行稳定，质量合格，熟料强度提高2MPa。熟料结粒均齐致密，色泽好无还原料。更换前后，窑台时产量生料投料量同比提高5t/h以上；熟料标煤耗同比下降1.5kg/t以上，同时使用低氮节能燃烧器以后可降低热力ＮOｘ排放约15%以上,控制同等的氮氧化物排放值≤300mg/m3，氨水使用量下降15%以上。改造前后能耗和排放对比情况见表8。
表8 能耗和排放指标对比情况
技术参数 | 台时产量 （t/h） | 标准煤耗 （kg/t） | 熟料28天强度 MPa | NOx （mg/m3） | 氨水使用量 （L/h） | 吨熟料氨水成本 （元/吨） |
更换前 | 360~365 | 108.82 | 58 | ≤300 | 800~1000 | 平均3.5 |
更换后 | 365~375 | 106.92 | 60 | ≤300 | 650~850 | 平均2.5 |
更换燃烧器后的熟料结粒情况见图5。更换燃烧器后熟料结粒基本均齐，无严重分级现象。
图上 更换燃烧器后熟料
燃烧器更换前后还原料情况对比见图6。更换前熟料多致密性还原料，更换后无还原料，中控操作界面对比见图
燃烧器更换前后还原料情况对比
更换前后吨熟料氨水消耗量成下降趋势。具体统计数据见下表9。
表9 使用前后氮水量对比表
月份 | 熟料产量 /t | 氨水消耗量/t | 氨水单价 /（元·t-1） | 单位熟料氨水消耗 /（kg·t-1） | 氨水成本 /（元·t-1） | 备注 |
1月 | 176421.00 | 614.82 | 837.99 | 3.48 | 2.92 | |
2月 | 101919.00 | 310.00 | 1051.16 | 3.04 | 3.20 | |
3月 | 172972.00 | 566.00 | 910.60 | 3.27 | 2.98 | |
4月 | 115526.00 | 321.00 | 939.10 | 2.78 | 2.61 | |
5月 | 143139.00 | 361.02 | 931.07 | 2.52 | 2.35 | 5月5日开始使用SR4燃烧器后氨水消耗量相对减少 |
6月 | 168177.00 | 381.12 | 835.79 | 2.27 | 1.89 | |
7月 | 142320.00 | 426.38 | 866.98 | 3.0 | 2.60 |
图8 更换燃烧器后氨水使用情况SNCR操作画面以及NOx排放情况
从表10可知，更换前后三个月窑系统标煤耗成逐月下降趋势，熟料游离钙合格率提高，窑系统稳定性增强。
表10 使用前后煤耗及游离钙合格率对比表
月份 | 窑台产/（t·h-1）） | 运转率/% | 游离钙合格率/% | 标煤耗/（kg·t-1） | 备注 |
1月 | 232.13 | 100 | 86 | 108.48 | |
2月 | 235.65 | 63.02 | 88 | 108.75 | |
3月 | 233.76 | 99.46 | 89 | 108.82 | |
4月 | 234.79 | 68.34 | 87 | 108.43 | |
5月 | 235.92 | 82.96 | 90 | 107.98 | 5月5日使用SR4燃烧器后熟料标煤耗成逐月下降趋势 |
6月 | 237.63 | 99.55 | 95 | 107.18 | |
7月 | 239.79 | 79.78 | 95 | 106.92 |
燃烧器更换前后窑皮情况:更换前主窑皮偏短（21m），不平整，40m~45 m易结副窑皮，更换后主窑皮长度26m（有所延长），平整度好，40~45 m无副窑皮，窑皮筒体扫描见图8。
6 结束语
在烧成系统向环保功能型转型的大趋势中，煤粉燃烧的质量成为关注重点。中和机电研发出高效节能低氮燃烧器，不仅顺应了时代的发展，满足了水泥企业的需求，也为自身的可持续发展奠定了专有核心技术的支撑。生产实践证明，中和机电研发的高效节能低氮燃烧器在新型干法水泥生产线的应用是成功的，满足了环保功能型烧成系统对煤粉燃烧质量的要求。从专业角度讲，我们将继续坚持根据生产线工艺配置、煤粉特性以及原料等实际情况做针对性燃烧器设计的原则，精心制造，为企业烧成系统更节能、更环保、更高效运行做贡献。
参考文献
[1] 聂纪强. 《工业炉窑大气污染综合治理方案》明确水泥熟料烧成系统大气污染物治理要求[J].新世纪水泥导报，2019（5）：86.
[2] 聂纪强.节煤节电减排利废 打造功能型烧成系统——2017中国水泥工业烧成系统优化改造技术研讨会综述[J].新世纪水泥导报，2017（6）：49-56.
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