格雷科燃燒器

NOx(由燃料中的氮轉化而成的 燃料的分布。 燃料的分布。

燃燒器
FlexiflameTM – a major step forward in burner design
FlexiflameTM——燃燒器設計的重大突破
1 前言
縱觀這些年,水泥廠在不同領域發生的若干變化影響了窯 操作的改變。迴轉窯的燃燒器最初被設計用來燃燒傳統燃料, 如天然氣、燃料油及具有易燃特性的煤。後來由於傳統燃料價格持續攀升, 又用來燃燒重油和石油焦。在過去的十年里,由 於經濟和環境優勢, 液態或固態廢燃料開始出現。近幾年,關於燃燒的一個重要話題成為熱門:有關排放物對環境的影響。
事實上,除了經濟和環境優勢,這些“新興燃料”的燃燒效 率越來越低:揮發分較少、含水量高、粘性漸增、顆粒較大等等。 這種新的趨勢造成一種全新的挑戰:整合可能的投資、可控制 的排放和工藝的穩定性。從根本上講, 燃燒器的設計有兩個主 流方向:
a) 渦流空氣在粉狀燃料通道裡面:這是一個傳統構造,形成的火焰具有良好的可調性。
b) 渦流空氣在粉狀燃料通道外面:這種構造始於20 年前,其主要目的是減少 NOx 的量。
Greco 想突破這兩種模式並提出了一種方案,即將這 兩種曾被看作對立的思路結合起來:渦流空氣在粉狀燃料通道 的內部和外部同時套用。而最近出現的 FlexiflameTM 正實現了 讓兩種模式的優勢互補。
Greco是一個有著 40 多年水泥窯燃燒器設計經驗的 公司,再加上燃燒器設計方面的一系列成就,它完全有能力在 窯操作環境不斷變化的情況下提供優質燃燒器。這種新型燃 燒器的發展也是 Greco-Enfil 所信奉的格言的體現:燃燒器不僅 是燃料噴射器,也是熟料生產的工具。
2 技術背景
2.1 火焰再循環
火焰的空氣動力學和燃燒,也就是火焰形狀,與幾個因素 有關,包括燃料特性(揮發分含量、顆粒級配、含水量等),二次 風溫,一次風量,注入速率,燃燒器噴嘴的幾何構造等等,這些 因素最終歸結為一個要點:對內部和外部再循環的控制。 它們決定了燃燒速率及燃料的燃燒方式和點燃時間。
NOx(由燃料中的氮轉化而成的 NOx)和熱 NOx(氮分子和空 氣中的氧在高溫下反應生成)。NOx 的形成機制複雜,要經過 多步反應且種類眾多,可以圖解的形式概述。
燃料氮轉化為 NOx 取決於幾個因素,包括燃料中的氮含 量、氮液化率及氧氣利用率等等。其中大部分因素是燃料所 固有和過程特性。但是有幾個方面可以通過適當的燃燒器設 計來控制:燃燒速率和火焰中氧 / 燃料的分布。或許這些可控 因素正是其中最重要的。很明確的是只有部分燃料氮轉化為 NOx,也許只有 10~20% 參與了如下述實例中的反應。
雖然燃燒器只提供燃燒所需理論空氣的一小部分,例如, 在半間接和間接點火系統中都只占 10%,但它對火焰的形狀起 重要作用。通過一次風分布可以控制:煤風混合,燃料點火位 置和火焰長度(一般都在物理學允許的範圍內)。比如在內部再循環中,控制第一個溫度峰值非常重要,也就是煤風在火焰中心劇烈混合和點火的地方。此外,燃燒中產 生的熱氣體回流(通過循環)到燃燒器噴嘴以幫助點火和穩定 火焰。通過這個高度紊亂區後,流動速度不再很高,內部循環變 弱,一次風中的氧氣被全部消耗,但仍有未燃燒的燃料。這時外部循環開始發揮作用。外部循環負責控制誘導二次風進入火焰。事實上二次風 的風速比不上一次風;但是它溫度高。二次風與火焰的混合完 成燃燒並釋放煅燒熟料過程中必需的剩餘能量。這就是所謂 的第二個溫度峰值。鑒於熟料的生產過程的需要,為了避免燃燒圈形成,以形 成短窄型火焰以減少硫揮發,降低後端高溫,減少堆積,也為了 確保窯皮和耐火磚的使用壽命,必須使兩個溫度峰值儘量接近。
2.2 NOx 形成機制
在水泥窯中,NOx 排放物有兩個主要來源:所謂的燃料NOx(由燃料中的氮轉化而成的 NOx)和熱 NOx(氮分子和空 氣中的氧在高溫下反應生成)。NOx 的形成機制複雜,要經過 多步反應且種類眾多,可以圖解的形式概述,如圖3 所示。
燃料氮轉化為 NOx 取決於幾個因素,包括燃料中的氮含 量、氮液化率及氧氣利用率等等。其中大部分因素是燃料所 固有和過程特性。但是有幾個方面可以通過適當的燃燒器設 計來控制:燃燒速率和火焰中氧 / 燃料的分布。或許這些可控 因素正是其中最重要的。很明確的是只有部分燃料氮轉化為 NOx,也許只有 10~20% 參與了如下述實例中的反應。
假設生產過程條件如下:
—石油焦的低位熱值:8000 kcal/kg (33.5 MJ/kg)
—窯熱耗:800 kcal/kg (3.35 MJ/kg)
—生料燒失量:35%
—焦炭含氮量:1.8 % (w/w) 每消耗 100kg 焦炭產生:
—538kgCO (約 274Nm3
—1220kg 燃燒廢氣,O2 占 0% 情況下(約 905Nm)
—1.8 kg 氮氣
如果這些氮氣全部轉化為 NOx 將生成 5.9 kg NO2,進而在 O 無剩餘的情況下將導致排放量為 5000 mg NOx/Nm3,O 占
10% 時為 2620 mg NOx/Nm3. 考慮到 O 占 10% 時熱 NOx 還要 貢獻 350mg NOx/Nm3,所以 O 占 10% 時燃料總排放量大約為3000 mg NOx/Nm3.
3 FlexiflameTM 型燃燒器的特點
FlexiflameTM 型燃燒器(圖 4)主要理念是使粉狀固體燃料 夾在兩股渦流空氣之間。這些不同的空氣流分別是(圖 5):
—冷卻空氣以軸向、徑向和切向的速度分量沿若干注入固 體廢料的管、液體廢料及燃油噴槍的導流管、點火器、火焰感測 器等提供空氣。
—擴散風,具有軸向和切向速度分量;
—粉碎固體燃料傳送風,軸向速度分量;
—切向風,具有軸向和切向速度分量;
—外風,軸向速度分量。
FlexiflameTM 型燃燒器的使用說明(表 1)在 Greco-Enfil 最 近研發的燃燒器中都有所體現,即便這樣,仍有一點需要強調, 那就是所有的燃燒器,從 60 年代的第一台到剛委託製作的這一台,都是量身定做。它們全部是為某一個窯爐和某一個熟料生產過程而設計的。
冷卻空氣的作用是冷卻燃燒器的中心盤,同時向火焰中心 供氧,主要是幫助固液廢料燃燒。擴散風擔負形成好的燃料雲 狀物,快速點火和劇烈燃燒,“快速”火焰對一次風的變化和燃 料氮的快速液化很敏感。切向風使未燃燒燃料和液化氮留在內部循環區,這個區域 還原物富集有助於對燃料和熱 NOx 進行控制。由於處於邊緣位置且噴入速度高,外風用 來增加對熱二次風的攜卷進入火焰,加大火焰 的剛度或者說推力。而且外風的噴嘴被專門 設計成小孔而不是環縫,以確保外風和二次風 接觸面積最大且入射面積相同情況下壓損最小(並提高二次風的加速度)。燃燒器的設定可以通過移動三個蝶形閥輕 松調整,這三個閥位於燃燒器外風、切向風和擴 散風的入口處。按照要求,我們可提供帶有機 動驅動的閥門。在這種情況下,燃燒器會從控 制室進行調整。上述操作會通過各個通道的氣流和壓力被控制室持續監控。利用壓力和氣流信號可能計算出一個“流動係數”,這個係數是燃燒器入口質量流量與靜壓 平方根的比值,各個通道數值不同,主要取決於燃燒器本體和 噴嘴的設計。如果這個參數與設計數值相比改變過大,就會出 現了堵塞、開口、磨損等燃燒器內部的機械問題。火焰推力,水 泥工業所熟知的渦鏇數以及紊亂指數、切向指數、擴散指數、軸 向指數—尤其是 Greco-Enfil 生產的—諸如此類的火焰指標可 被毫不費勁地納入監控系統,如此,監控這些火焰指數也十分簡單。依照 Greco-Enfil 遵循多年的原則,FlexiflameTM 型燃燒器 沒有活動件。這種理念可以消除兩個問題:第一,消除了機械 裝置在高溫多塵中頂死的風險;第二,不會再有氣流對噴嘴位 置是否有可重複性的問題。各氣流是完全分離的,例如,它們不會在燃燒器內混合,這 樣就不會有內部混合損失,因此在入射區域壓強速度比可達到 最大,且空氣動力學條件俱佳—相鄰氣流入射的質量流量不同,且速度可以維持。
4 固液廢料點火
隨著火焰及噴射控制的進步,FlexiflameTM 型燃燒器已整合了幾個創新以促進固液廢料燃燒。沿固體廢料管道有若干混 合空氣噴嘴,它們指向管心,並且有切向分量(圖 6)。這在燃燒 固體廢料時會非常有效,特別是當大塊燃料伴隨著冷卻風的注 入破壞了固體廢料的流動模式時,倘若與一次風混合更加充分 時,保證燃料在火焰高溫區停留時間較長時。如果沒有在像內 部氣動混合裝置中那樣出現磨損問題,外部混合結構也允許高 速入射。此外,可以為燃燒器設計一個可抽取式固體廢料管, 以應對像穀殼這樣的高磨損材料,或者是設計一個水冷固體廢 料管,以應對像動物膳食這樣的在高溫下具有粘性的材料。關於液體廢料的點火,FlexiflameTM 配備了一個適合像含 有懸浮顆粒這種“髒”液體入射的噴槍(圖 7)。這種噴嘴用壓 縮空氣或蒸汽作為霧化氣體。用這種方法,可以使霧化粘度達300cSt 的液體燃料。這樣就不再需要額外加熱或加壓。另外, 這種噴嘴的開口較大,可以避免阻塞和堵灰。而且在特殊環境 下噴嘴會將特殊材料保持在中心線,防止如陶瓷嵌入物的過度 磨損(90 % Al2O3)。
5 結果
雖然只有兩台 FlexiflameTM 型燃燒器在運轉,一台在拉丁 美洲(在一條白水泥窯上)另一台在歐洲(灰水泥窯),經過 12 個月的試運轉,NOx 的排放情況,火焰控制及替代燃料的替代 率都令人滿意。歐洲那家水泥窯是一條幹法窯,有四級鏇風預 熱器和間接點火系統。預熱燃料為燃油,主要為石油焦 , 部分 用固液廢料(達到燃燒器熱能的 70% 以上)代替。在氧氣占
10%,燃料全為石油焦的條件下,當前的排放量為 550 mg/Nm3。 且所用窯與第 2.2 節計算 NOx 排放量時所用窯是同一個。
6 結論
無論在 NOx 排放還是固體廢料燃燒方面,FlexiflameTM 都 使迴轉窯燃燒器的發展向前邁進了一步。從目前的結果來看, 窯操作穩定性、耐火磚的使用壽命、熟料質量及替代率都很令 人滿意。
基於理論概念、數字模型、熟料的顯微分析及大量的現場 試驗,Greco-Enfil 可以斷定通過正確調整燃燒器噴嘴,減少一 次風量以及利用火焰氣體力學、內外循環,達到熟料生產的所 有主要指標是可能的:排放量可控;即使使用難燃或替代燃料, 仍具有掌控火焰成型的能力。

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