CN103672886A - 一种水泥窑炉局部富氧燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水泥窑炉局部富氧燃烧器，通过在燃烧器轴流风通道外设置了富氧空气通道并在富氧空气通道出口设置了喷嘴,喷嘴布置于轴流风喷嘴外侧圆周的下部、接近熟料或类似物侧，使得燃烧器下部与富氧空气通道接触侧氧气局部浓度提高，燃料的燃烧速度会得到提升，直接导致局部热量聚集，随着氧气的扩散及热传递、热辐射过程的进行，相邻的燃料也开始燃烧，因此回转窑熟料或类似物和富氧空气通道接触侧温度明显上升，能够应对配料带来的生料质量波动。此外,通过设定喷嘴在圆周方向上的分布区域所对应的中心角≤270°,这个角度范围能够完全覆盖燃料和随着回转窑转动的水泥熟料或类似物之间的区域，确保了富氧空气的使用精准、节约。

Description

一种水泥窑炉局部富氧燃烧器

技术领域

本发明涉及一种生产水泥或类似物的工业燃烧器，特别涉及利用劣质燃料或替代燃料的富氧燃烧器。

背景技术

近几年，随着水泥生产规模的不断扩大以及整体水泥市场的萎缩，国内的水泥生产企业都已经将精力从粗放式生产转而聚焦于如何提高熟料质量、降低各工艺环节的生产成本、降低废气及粉尘的排放上来。

水泥回转窑窑头燃烧器用煤量占据整个生产线的30%～50%，而从水泥生产角度来看，原料（矿石）、燃料（主要是煤粉）、电的费用消耗是水泥熟料的主要成本构成，而对于部分水泥厂，燃料费用甚至占据熟料成本的一半以上。因此，在不改变系统运转工况的情况下，尽可能多地燃用成本低廉的劣质燃料对于企业降低产品的成本有极大帮助。对于窑头燃烧器这一主要耗能设备，如何提升燃烧器燃用劣质煤及其他低热值燃料的稳定性、提高对燃料品质变化的适应性成了目前困扰业界的难题。

用回转窑生产水泥或类似物所用的燃烧器，影响煅烧的主要因素是燃烧器的一次风比例，煤粉喷出速度，各通道出口风速，旋流强度，燃料种类、颗粒细度、燃烧氛围等。对于普通的煤粉燃烧器，燃用劣质煤缺陷明显，因为劣质煤的挥发分含量低、发热量低、灰分含量大，易磨性差，燃烧时火焰稳定性差、煤粉气流的着火距离延长、火焰温度较低，火焰中心容易偏斜，点火稳燃困难，操作不当时，在燃烧器头部会出现严重的结焦现象，导致不得不频繁停窑检修，降低了企业的生产质量和生产效率。

对于生产企业来说，存在由于煤磨产能的限制因而无法通过降低煤粉细度来改善燃烧的可能性，所以针对劣质煤的燃烧，燃烧器的结构改变势在必行。

煤粉的燃烧过程中，氧气浓度的变化对煤粉燃烧会产生很大的影响，通过增加氧气的浓度，煤粉的着火温度会下降，燃烧反应的速度、火焰温度、煤粉的燃烬率会得到提升，尤其是对于劣质煤，根据实验，氧气浓度的提升对于其燃尽的促进作用更加显著。

目前存在的利用回转窑制造水泥或者类似物的富氧燃烧技改装置中，在燃烧器所处的窑头处，业内较频繁使用膜分离法分离出来的含氧浓度为23%～30%的富氧空气对一次风进行富氧的方式。该部分的富氧空气中，氮气比例约占68%～75%左右，虽然较空气中的氮气比例有所降低，但是相较于VPSA制氧装置制取的含氧量80%～92%浓度的气体，使用膜分离法制取的富氧空气对一次风进行全局富氧+时，第一会造成排放的尾气中含N₂比例过高，大量的热量经N₂携带出回转窑，导致热能利用效率降低，第二会造成氧气的浪费，因为回转窑内并非所有部位都需要进行富氧。

根据国外的富氧运行经验来看，对原有装置进行富氧技改多采用额外增加氧气喷枪的方法，虽然采用该方法安装位置、喷射角度可以比较灵活地调整，但采用该方法会有明显的弊端：由于氧气喷枪直接插入回转窑窑头，煤粉在富氧环境下产生远大于1300℃的高温，而对于氧气喷枪来说，管径一般比较小，堆砌浇注料较为困难，且浇注料寿命难以得到保证，只能通过外加隔热套管等方式保护，可能导致氧枪存在寿命偏低、需要频繁更换等问题；此外，燃烧器对于工厂来说是消耗品，针对每一次更换不同品牌或者同品牌不同结构形式的燃烧器，工厂需要修改氧气喷枪的位置，以达到最佳效果，这样无疑增加了工厂的操作难度。

如果不对燃烧器通道进行改进，而仅对一次风机出口加氧或对轴向风通道进行富氧时，会造成氧气的浪费。水泥熟料或类似物的煅烧过程主要在燃烧器和熟料或类似物接近的一侧进行，根据现有的燃烧技术，并不需要对燃烧器上远离熟料或类似物的那侧进行高浓度富氧。

发明内容

所要解决的技术问题：

针对现有的燃烧器对于劣质燃料、低热值燃料适应性较差、燃尽率低，回转窑出口CO浓度偏高，并且现存的对燃烧器进行富氧的方式存在氧气耗量大、热能利用效率低、使用者承担成本高昂的问题，本发明提供了一种增设富氧风通道及喷嘴的燃烧器，该燃烧器对于燃料品质的变化有很强的适应性，能够在水泥或类似物的生产过程中燃用劣质燃料，达到节能降耗、稳定生产、降低成本的目的。

技术方案：

为了解决以上问题，本发明提供了一种水泥窑炉局部富氧燃烧器，包括点火油枪管、中心风道、一个或多个旋流风道、一个或多个燃料通道、轴流风通道以及点火油枪、中心风喷嘴、旋流风喷嘴、燃料喷嘴、轴流风喷嘴，其特征在于：在燃烧器轴流风通道外设置了富氧空气通道并在富氧空气通道出口设置了喷嘴,喷嘴布置于轴流风喷嘴外侧圆周的下部、接近熟料或类似物侧，喷嘴在圆周方向上的分布区域所对应的中心角≤270°。

作为本发明的有益效果，通过在燃烧器上设置富氧空气通道，并在富氧空气通道出口设置富氧喷嘴，使得燃烧器下部与富氧空气通道接触侧氧气局部浓度提高，燃料的燃烧速度会得到提升，直接导致局部热量聚集，随着氧气的扩散及热传递、热辐射过程的进行，相邻的燃料也开始燃烧，因此回转窑熟料或类似物和富氧空气通道接触侧温度明显上升，能够应对配料带来的生料质量波动；同时，由于热能利用效率提升，单位熟料或类似物的标煤耗有所下降，此外，更高的煅烧温度也带来了熟料烧成的产量的提升。假设将局部对称结构的喷嘴布置于轴流风喷嘴与燃料喷嘴之间，会导致煤粉直接与富氧空气接触，煤粉迅速燃烧，温度急剧上升，富氧空气通道外圈的轴流风被富氧风替代，同时失去了原有的助燃作用，热力型NOx的产生速率与体积均超过本发明方案的水平;此外,通过设定喷嘴在圆周方向上的分布区域所对应的中心角≤270°,这个角度范围能够完全覆盖燃料和随着回转窑转动的水泥熟料或类似物之间的区域，确保了富氧空气的使用精准、节约。

所述喷嘴为局部对称式布置。作为本发明的有益效果，通过在富氧空气通道出口设置局部对称结构喷嘴，节约了富氧空气用量，由于回转窑不停旋转这一工作特点，从窑头往窑尾方向看，水泥熟料或类似物被物料间摩擦力带起，且断面呈月牙形分布在回转窑中的一侧，如图4中熟料或类似物14所示的部分，煅烧反应在此区域内完成。根据现有的煅烧技术，只需要对燃烧器靠近熟料或类似物的一侧提供富氧气体，即可有效提高火焰温度，从而提高回转窑内反应区的温度，加速反应过程的进行。因此不需对火焰全局富氧，此外全局富氧还会导致：①富氧气体存在极大浪费，②远离熟料或类似物侧局部温度过高，从而导致窑皮烧损以及窑砖寿命缩短等一系列问题，③热力型NOx产量增加。

所述富氧空气通道独立于其它通道，供氧装置通过管路和富氧空气通道连接。作为本发明的有益效果，富氧空气通道独立于其它通道，供氧装置通过管路和富氧空气通道连接,这样避免了其它通道中气体的干扰，且能够在指定位置加入富氧空气，便于精确计量控制进入燃烧器的富氧空气的体积，从而便捷地调整出口风速，进而间接通过燃烧过程来调节火焰的形状，改善水泥熟料或类似物的煅烧效果。

所述富氧空气通道出口设置的喷嘴存在一喷射角度范围，在喷嘴端面上，以单个气体分子所在位置为基准点，设定经过该基准点并垂直于燃烧器端面方向为正方向，对应的每一个气体分子的喷射角度被限定在一个以该气体分子所在位置为顶点，锥角为120°的发散圆锥内。在此锥角的范围内，富氧空气与燃料充分接触，燃料的燃烧得到促进，低热值、劣质燃料的燃烬率也得到了提升。

所述的喷嘴在燃烧器端面上呈圆弧形布置。圆弧形布置的喷嘴确保与轴流风的等距，能够使燃烧器与熟料或类似物接触端的燃烧均匀稳定。

所述的喷嘴中单个喷嘴端面为圆形或不闭合圆环形。所述的富氧空气喷嘴端面形式为不闭合圆环形时，内部设置数量n≥1的加强筋。加强筋的设置保证了富氧空气喷嘴在高温环境下依然具有稳定的结构性能。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明的一种可选的端部结构剖面图；

图3为本发明增设的富氧气体喷嘴喷射方向示意图；

图4为从窑头向窑尾方向，回转窑燃烧器富氧喷嘴的相对位置图；

图5为本发明一种优选的喷嘴出口端面形式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、2所示，本发明提供了一种富氧燃烧器，包括点火油枪管1、中心风道2、一个或多个旋流风道3、一个或多个燃料通道4、轴流风通道5、中心风喷嘴11、旋流风喷嘴10、燃料喷嘴9、轴流风喷嘴8，在燃烧器轴流风通道5外设置了富氧空气通道6（如图3、4、5）并在富氧空气通道6出口设置了喷嘴12。点火器点燃点火油枪后，燃料经过燃料管道4进入，空气从中心风道2、旋流风道3，轴流风管5出口的喷嘴喷射入回转窑，为燃料（煤粉）的燃烧提供空气；而通过在燃烧器上设置富氧空气通道，使得低热值燃料能够与部分富氧空气混合，改善燃烧环境。一般煤粉的着火点在270～380℃之间，根据煤的品质变化而变化，比如褐煤着火点一般在280℃左右，贫煤、瘦煤等都在370℃左右。而煤粉和富氧空气混合后，燃料的着火点被降低，着火时间亦有不同程度上的缩短，在提高燃烧效率的同时，促进燃料的完全燃烧。所设置的局部富氧空气喷嘴在保证燃料燃烧完全的同时，最大程度上节约了富氧用气体的用量。

富氧空气喷嘴12端面结构及在圆周方向上分布的区域所对应的中心角角度根据使用燃料的种类确定。喷嘴12布置于轴流风喷嘴8外侧圆周的下部、接近熟料或类似物侧，喷嘴12在圆周方向上的分布区域所对应的中心角≤270°。所述喷嘴12为局部对称式布置。

所述富氧空气通道6独立于其它通道，供氧装置通过管路7和富氧空气通道6连接。供氧装置为富氧燃烧器提供的富氧空气氧气浓度范围在50%～99.999%之间。

在图3所示的本发明增设的单个富氧空气喷嘴喷射方向示意图中，通过外形及尺寸可变的喷嘴将富氧空气以图3示意的喷射角度范围内的任一角度喷射入火焰中，与燃料接触后促进燃料的燃烧，提升低热值、劣质燃料的燃烬率。在燃烧器端面上，以单个气体分子所在位置为基准点，设定经过该基准点并垂直于燃烧器端面方向为正方向，对应的每一个气体分子的喷射角度被限定在一个以气体分子所在位置为顶点，锥角为120°的发散圆锥内。

作为本发明的一种改进，如图3、4、5所示，富氧空气喷嘴12布置形式为圆弧形。

作为本发明的一种优选方案，如图4所示，单个富氧空气喷嘴端面为圆形。端面为圆形的富氧空气喷嘴呈圆弧形布置于轴流风喷嘴8外侧圆周的下部、接近熟料或类似物侧，富氧空气喷嘴12的喷射出的气体的主要覆盖区域为在燃料以及随着回转窑转动的熟料或类似物14的之间部分，外接的供氧装置所提供的氧气通过管路7和富氧空气通道6，经过端面为圆环的富氧空气喷嘴12喷射入回转窑中。

作为本发明的另一改进，如图5所示，富氧空气喷嘴12端面形式为不闭合圆环形。端面为不闭合圆环形的富氧空气喷嘴12布置于轴流风喷嘴8外的圆周下部、接近熟料或类似物侧。为了保证该形式的富氧空气喷嘴12在高温环境下有稳定的结构性能，在富氧空气喷嘴12内部设置数量n≥1的加强筋13，如图5所示。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种水泥窑炉局部富氧燃烧器，包括点火油枪管（1）、中心风道（2）、一个或多个旋流风道（3）、一个或多个燃料通道（4）、轴流风通道（5）以及点火油枪、中心风喷嘴（11）、旋流风喷嘴（10）、燃料喷嘴（9）、轴流风喷嘴（8），其特征在于：在燃烧器轴流风通道（5）外设置了富氧空气通道（6）并在富氧空气通道（6）出口设置了喷嘴（12）,喷嘴（12）布置于轴流风喷嘴（8）外侧圆周的下部、接近熟料或类似物侧，喷嘴（12）在圆周方向上的分布区域所对应的中心角≤270°。

2.根据权利要求1所述的一种水泥窑炉局部富氧燃烧器，其特征在于：所述喷嘴（12）为局部对称式布置。

3.根据权利要求1所述的一种水泥窑炉局部富氧燃烧器，其特征在于：所述富氧空气通道（6）独立于其它通道，供氧装置通过管路（7）和富氧空气通道（6）连接。

4.根据权利要求1所述的一种水泥窑炉局部富氧燃烧器，其特征在于：所述富氧空气通道（6）出口设置的喷嘴（12）存在一喷射角度范围，在喷嘴(12)端面上，以单个气体分子所在位置为基准点，设定经过该基准点并垂直于燃烧器端面方向为正方向，对应的每一个气体分子的喷射角度被限定在一个以该气体分子所在位置为顶点，锥角为120°的发散圆锥内。

5.根据权利要求1所述的一种水泥窑炉局部富氧燃烧器，其特征在于：所述的喷嘴（12）在燃烧器端面上呈圆弧形布置。

6.根据权利要求1或5所述的一种水泥窑炉局部富氧燃烧器，其特征在于：所述的喷嘴（12）中单个喷嘴端面为圆形或不闭合圆环形。

7.根据权利要求6所述的一种水泥窑炉局部富氧燃烧器，其特征在于：所述的喷嘴（12）端面为不闭合圆环形时，内部设置数量n≥1的加强筋（13）。

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