自1885 年 5 月 Frederik Ransome 先生发明第一个用于水泥熟料生产的回转窑并申请专利以来，由于能源本身的改变及废物处理的开始或者是由于对环境的关注，生产技术人员面对 的问题正逐年改变。除了冷却机、预热器和分解炉工艺技术之 外，燃烧器也以实现最大化的工作灵活性为目标在发展，以应 对水泥窑可能出现的任何变化。顺着这个节奏 Greco 最新的技术进展又使之向前迈进了一步，这个进展即是本文所介 绍的 FlexiflameTM。

燃烧器

FlexiflameTM – a major step forward in burner design

FlexiflameTM——燃烧器设计的重大突破

1　前言

纵观这些年，水泥厂在不同领域发生的若干变化影响了窑 操作的改变。回转窑的燃烧器最初被设计用来燃烧传统燃料， 如天然气、燃料油及具有易燃特性的煤。后来由于传统燃料价格持续攀升, 又用来燃烧重油和石油焦。在过去的十年里，由 于经济和环境优势, 液态或固态废燃料开始出现。近几年，关于燃烧的一个重要话题成为热门：有关排放物对环境的影响。

事实上，除了经济和环境优势，这些“新兴燃料”的燃烧效 率越来越低：挥发分较少、含水量高、粘性渐增、颗粒较大等等。 这种新的趋势造成一种全新的挑战：整合可能的投资、可控制 的排放和工艺的稳定性。从根本上讲, 燃烧器的设计有两个主 流方向：

a) 涡流空气在粉状燃料通道里面：这是一个传统构造，形成的火焰具有良好的可调性。

b) 涡流空气在粉状燃料通道外面：这种构造始于20 年前，其主要目的是减少 NOx 的量。

Greco 想突破这两种模式并提出了一种方案，即将这 两种曾被看作对立的思路结合起来：涡流空气在粉状燃料通道 的内部和外部同时应用。而最近出现的 FlexiflameTM 正实现了 让两种模式的优势互补。

Greco是一个有着 40 多年水泥窑燃烧器设计经验的 公司，再加上燃烧器设计方面的一系列成就，它完全有能力在 窑操作环境不断变化的情况下提供优质燃烧器。这种新型燃 烧器的发展也是 Greco-Enfil 所信奉的格言的体现：燃烧器不仅 是燃料喷射器，也是熟料生产的工具。

2　技术背景

2.1　火焰再循环

火焰的空气动力学和燃烧，也就是火焰形状，与几个因素 有关，包括燃料特性（挥发分含量、颗粒级配、含水量等），二次 风温，一次风量，注入速率，燃烧器喷嘴的几何构造等等，这些 因素最终归结为一个要点：对内部和外部再循环的控制。 它们决定了燃烧速率及燃料的燃烧方式和点燃时间。

NOx（由燃料中的氮转化而成的 NOx）和热 NOx（氮分子和空 气中的氧在高温下反应生成）。NOx 的形成机制复杂，要经过 多步反应且种类众多，可以图解的形式概述。

燃料氮转化为 NOx 取决于几个因素，包括燃料中的氮含 量、氮液化率及氧气利用率等等。其中大部分因素是燃料所 固有和过程特性。但是有几个方面可以通过适当的燃烧器设 计来控制：燃烧速率和火焰中氧 / 燃料的分布。或许这些可控 因素正是其中最重要的。很明确的是只有部分燃料氮转化为 NOx，也许只有 10~20% 参与了如下述实例中的反应。

虽然燃烧器只提供燃烧所需理论空气的一小部分，例如， 在半间接和间接点火系统中都只占 10%，但它对火焰的形状起 重要作用。通过一次风分布可以控制：煤风混合，燃料点火位 置和火焰长度（一般都在物理学允许的范围内）。比如在内部再循环中，控制第一个温度峰值非常重要，也就是煤风在火焰中心剧烈混合和点火的地方。此外，燃烧中产 生的热气体回流（通过循环）到燃烧器喷嘴以帮助点火和稳定 火焰。通过这个高度紊乱区后，流动速度不再很高，内部循环变 弱，一次风中的氧气被全部消耗，但仍有未燃烧的燃料。这时外部循环开始发挥作用。外部循环负责控制诱导二次风进入火焰。事实上二次风 的风速比不上一次风；但是它温度高。二次风与火焰的混合完 成燃烧并释放煅烧熟料过程中必需的剩余能量。这就是所谓 的第二个温度峰值。鉴于熟料的生产过程的需要，为了避免燃烧圈形成，以形 成短窄型火焰以减少硫挥发，降低后端高温，减少堆积，也为了 确保窑皮和耐火砖的使用寿命，必须使两个温度峰值尽量接近。

2.2　NOx 形成机制

在水泥窑中，NOx 排放物有两个主要来源：所谓的燃料NOx（由燃料中的氮转化而成的 NOx）和热 NOx（氮分子和空 气中的氧在高温下反应生成）。NOx 的形成机制复杂，要经过 多步反应且种类众多，可以图解的形式概述，如图3 所示。

燃料氮转化为 NOx 取决于几个因素，包括燃料中的氮含 量、氮液化率及氧气利用率等等。其中大部分因素是燃料所 固有和过程特性。但是有几个方面可以通过适当的燃烧器设 计来控制：燃烧速率和火焰中氧 / 燃料的分布。或许这些可控 因素正是其中最重要的。很明确的是只有部分燃料氮转化为 NOx，也许只有 10~20% 参与了如下述实例中的反应。

假设生产过程条件如下：

—石油焦的低位热值：8000 kcal/kg (33.5 MJ/kg)

—窑热耗：800 kcal/kg (3.35 MJ/kg)

—生料烧失量：35%

—焦炭含氮量：1.8 % (w/w) 每消耗 100kg 焦炭产生：

—538kgCO （约 274Nm3）

—1220kg 燃烧废气，O2 占 0% 情况下（约 905Nm）

—1.8 kg 氮气

如果这些氮气全部转化为 NOx 将生成 5.9 kg NO2，进而在 O 无剩余的情况下将导致排放量为 5000 mg NOx/Nm3，O 占

10% 时为 2620 mg NOx/Nm3. 考虑到 O 占 10% 时热 NOx 还要 贡献 350mg NOx/Nm3，所以 O 占 10% 时燃料总排放量大约为3000 mg NOx/Nm3.

3　FlexiflameTM 型燃烧器的特点

FlexiflameTM 型燃烧器（图 4）主要理念是使粉状固体燃料 夹在两股涡流空气之间。这些不同的空气流分别是（图 5）：

—冷却空气以轴向、径向和切向的速度分量沿若干注入固 体废料的管、液体废料及燃油喷枪的导流管、点火器、火焰传感 器等提供空气。

—扩散风，具有轴向和切向速度分量；

—粉碎固体燃料传送风，轴向速度分量；

—切向风，具有轴向和切向速度分量；

—外风，轴向速度分量。

FlexiflameTM 型燃烧器的使用说明（表 1）在 Greco-Enfil 最 近研发的燃烧器中都有所体现，即便这样，仍有一点需要强调， 那就是所有的燃烧器，从 60 年代的第一台到刚委托制作的这一台，都是量身定做。它们全部是为某一个窑炉和某一个熟料生产过程而设计的。

冷却空气的作用是冷却燃烧器的中心盘，同时向火焰中心 供氧，主要是帮助固液废料燃烧。扩散风担负形成好的燃料云 状物，快速点火和剧烈燃烧，“快速”火焰对一次风的变化和燃 料氮的快速液化很敏感。切向风使未燃烧燃料和液化氮留在内部循环区，这个区域 还原物富集有助于对燃料和热 NOx 进行控制。由于处于边缘位置且喷入速度高，外风用 来增加对热二次风的携卷进入火焰，加大火焰 的刚度或者说推力。而且外风的喷嘴被专门 设计成小孔而不是环缝，以确保外风和二次风 接触面积最大且入射面积相同情况下压损最小（并提高二次风的加速度）。燃烧器的设置可以通过移动三个蝶形阀轻 松调整，这三个阀位于燃烧器外风、切向风和扩 散风的入口处。按照要求，我们可提供带有机 动驱动的阀门。在这种情况下，燃烧器会从控 制室进行调整。上述操作会通过各个通道的气流和压力被控制室持续监控。利用压力和气流信号可能计算出一个“流动系数”，这个系数是燃烧器入口质量流量与静压 平方根的比值，各个通道数值不同，主要取决于燃烧器本体和 喷嘴的设计。如果这个参数与设计数值相比改变过大，就会出 现了堵塞、开口、磨损等燃烧器内部的机械问题。火焰推力，水 泥工业所熟知的涡旋数以及紊乱指数、切向指数、扩散指数、轴 向指数—尤其是 Greco-Enfil 生产的—诸如此类的火焰指标可 被毫不费劲地纳入监控系统，如此，监控这些火焰指数也十分简单。依照 Greco-Enfil 遵循多年的原则，FlexiflameTM 型燃烧器 没有活动件。这种理念可以消除两个问题：第一，消除了机械 装置在高温多尘中顶死的风险；第二，不会再有气流对喷嘴位 置是否有可重复性的问题。各气流是完全分离的，例如，它们不会在燃烧器内混合，这 样就不会有内部混合损失，因此在入射区域压强速度比可达到 最大，且空气动力学条件俱佳—相邻气流入射的质量流量不同，且速度可以维持。

4　固液废料点火

随着火焰及喷射控制的进步，FlexiflameTM 型燃烧器已整合了几个创新以促进固液废料燃烧。沿固体废料管道有若干混 合空气喷嘴，它们指向管心，并且有切向分量（图 6）。这在燃烧 固体废料时会非常有效，特别是当大块燃料伴随着冷却风的注 入破坏了固体废料的流动模式时，倘若与一次风混合更加充分 时，保证燃料在火焰高温区停留时间较长时。如果没有在像内 部气动混合装置中那样出现磨损问题，外部混合结构也允许高 速入射。此外，可以为燃烧器设计一个可抽取式固体废料管， 以应对像谷壳这样的高磨损材料，或者是设计一个水冷固体废 料管，以应对像动物膳食这样的在高温下具有粘性的材料。关于液体废料的点火，FlexiflameTM 配备了一个适合像含 有悬浮颗粒这种“脏”液体入射的喷枪（图 7）。这种喷嘴用压 缩空气或蒸汽作为雾化气体。用这种方法，可以使雾化粘度达300cSt 的液体燃料。这样就不再需要额外加热或加压。另外， 这种喷嘴的开口较大，可以避免阻塞和堵灰。而且在特殊环境 下喷嘴会将特殊材料保持在中心线，防止如陶瓷嵌入物的过度 磨损（90 % Al2O3）。

5　结果

虽然只有两台 FlexiflameTM 型燃烧器在运转，一台在拉丁 美洲（在一条白水泥窑上）另一台在欧洲（灰水泥窑），经过 12 个月的试运转，NOx 的排放情况，火焰控制及替代燃料的替代 率都令人满意。欧洲那家水泥窑是一条干法窑，有四级旋风预 热器和间接点火系统。预热燃料为燃油，主要为石油焦 , 部分 用固液废料（达到燃烧器热能的 70% 以上）代替。在氧气占

10%，燃料全为石油焦的条件下，当前的排放量为 550 mg/Nm3。 且所用窑与第 2.2 节计算 NOx 排放量时所用窑是同一个。

6　结论

无论在 NOx 排放还是固体废料燃烧方面，FlexiflameTM 都 使回转窑燃烧器的发展向前迈进了一步。从目前的结果来看， 窑操作稳定性、耐火砖的使用寿命、熟料质量及替代率都很令 人满意。

基于理论概念、数字模型、熟料的显微分析及大量的现场 试验，Greco-Enfil 可以断定通过正确调整燃烧器喷嘴，减少一 次风量以及利用火焰气体力学、内外循环，达到熟料生产的所 有主要指标是可能的：排放量可控；即使使用难燃或替代燃料， 仍具有掌控火焰成型的能力。