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。