回转窑五通道燃气燃烧器的研发与应用

张世煜 毕仕辉

(中钢集团鞍山热能研究院有限公司)

回转窑是对散状物料进行煅烧处理的热工设备，广泛用于冶金、碳素、水泥、化工和造纸等行业。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、延长窑体寿命、减少有害气体排放等方面起关键作用。鉴于燃烧器对回转窑技术性能影响较大，国内外回转窑设计、制造公司均把燃烧器作为重点设备进行研发。目前应用较广的回转窑燃烧器为四通道回转窑燃烧器，此类燃烧器可以单独燃烧煤粉、各种气体燃料，也可以实现煤粉和气体燃料的混烧。文章主要针对煤系针状焦回转窑多通道燃气燃烧器的设计研发和应用效果进行论述。

1 回转窑燃烧器的发展

回转窑燃烧器发展至今，国内外科技工作者做了大量的研发工作。实践证明，多通道回转窑燃烧器具有燃料适应性强、燃烧稳定充分、火焰热强度适中、火焰形状容易调整等诸多优点，已经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经开发出四代产品。

(1)单通道燃烧器。单通道燃烧器多采用煤粉作为燃料，一次风量大，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。双通道燃烧器一次风量大，火焰长度短，火焰冲力不够，高温区靠近窑头，容易损坏烧嘴喷头；火焰刚性差，火焰不集中，对窑壁的烧损比较严重。

(3)三通道燃烧器。三通道燃烧器是为了适应短回转窑生产特点而研发出来，节省了一次空气量，但燃烧煤粉时火焰短且分散。

(4)四通道燃烧器。四通道燃烧器火焰温度高，火焰长度较长，但火焰分布不均匀，容易烧损喷头。

2 设计研发

2.1 技术方案的确定

某公司新建煤系针状焦项目的煅烧工序回转窑规格为Φ60×2.8 m，以焦炉煤气为燃料，燃料消耗量为800 m3/h。由于燃烧器对回转窑煅烧效果起至关重要作用，急需开发一种新型回转窑燃烧器，克服上述几种回转窑燃烧器的缺点。结合煅烧工序的生产工艺要求，新型五通道燃烧器设计思路应符合以下要求：①空燃比合理，燃烧充分稳定；②火焰温度合理，火焰峰值均衡；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，喷头不易烧损；⑤氮氧化物排放量低，节能环保。

2.2 结构特点

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、外环煤气道、内环风道、内环煤气道、中心风道、火焰探测器和点火烧嘴组成。五通道回转窑燃气燃烧器喷头结构如图1所示。

图1 五通道回转窑燃气燃烧器喷头结构

燃烧器最内层为中心风道，中心风约占总风量的10%。在中心风道的头部装有十字内环型稳焰器，稳焰器由耐热不锈钢制成。

内环煤气道位于中心风道外层，内环煤气量约占总燃气量的40%。在内环煤气道头部装有环形多孔喷口，喷射方向与水平夹角为1°，向中心风道方向汇聚。

中心风道和内环煤气道前部设置空燃预混区，中心风与内环煤气在空燃预混区预先混合，在燃烧器中心形成部分预混燃烧火焰，保证燃烧器火焰根部燃烧稳定。

内环风道位于内环煤气道和空燃预混区的外层，内环风量约占总风量的40%。内环风通过内环风道内的轴向分流板分流，以直流多股形式喷出。

外环煤气道位于内环风道外层，外环煤气量约占总燃气量的60%。外环煤气以旋流形式喷出，旋流角度为30°。

外环风道位于外环煤气道外层，外环风量约占总风量的50%。外环风道靠近燃烧器喷口处设置收缩段，收缩段内设置轴向分流板，外环风以直流多股形式喷出，在收缩段前部形成稳焰区。

综上所述，新型五通道回转窑燃气燃烧器主要特点：

(1)中心风和内环风为调节风，通过风量调节火焰长度。内环煤气以向中心风汇聚的环形多孔形式喷出，在空燃预混区内均匀混合，在燃烧器喷口中心形成部分预混燃烧火焰。中心风、内环风与内环煤气形成两层风在外、煤气在内的夹心结构，两层风包裹一层煤气向前扩散燃烧，使中心回流烟气避开了高温区，达到低NOx排放的目的。

(2)内环风同时作为点火用风。电子点火器位于内环风道内，内环风既提供了点火空气，又起到冷却电子点火器喷头的作用，保证电子点火器使用寿命。

(3)外环风为稳焰风，通过调节外环风量与外环煤气量可以改变火焰外形轮廓。

(4)中心风道内置火焰检测器，火焰检测器可以在火焰熄灭时自动报警，并通过控制系统向电子点火器自动发送点火指令，安全可靠。

(5)燃烧器进入回转窑的部分包裹150 mm厚耐火浇注料，并且燃烧器喷头采用耐高温、抗氧化的不锈钢制成，避免燃烧器在高温环境下出现烧损现象，燃烧器的使用寿命大大延长。

2.3 模拟仿真

依据某新建煤系针状焦项目回转窑新型五通道燃气燃烧器的设计方案，采用焦炉煤气为燃料，对燃烧器的燃烧工况进行模拟仿真。仿真结果表明，燃烧器火焰高温核心区长度在6.5 m以上，火焰实际燃烧温度则可达到1 650 ℃，火焰温度和火焰长度均满足回转窑使用要求。模拟仿真验证了新型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的回转窑使用新型五通道燃气燃烧器，该燃烧器燃烧稳定，火焰刚性较好，冲力较强，无冲刷窑壁现象，火焰长度大于7 m，火焰外形调整灵活方便。该燃烧器投入使用后，可保证针状焦回转窑窑头温度控制在1 400～1 500 ℃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，相比于常见的多通道燃烧器，采用了新型五通道燃气燃烧器的回转窑单耗下降了4%，既降低了生产成本，又实现了节能减排。