Настройка горелки вращающейся печи цементного завода

Правильная настройка горелочных устройств вращающихся печей является ключевым фактором эффективности производства цементного клинкера. От параметров работы горелки зависит качество готовой продукции, энергоэффективность процесса и срок службы огнеупорной футеровки печи.

Типы горелок вращающихся печей цементных заводов

Вращающиеся печи представляют собой стальные цилиндрические барабаны, установленные под углом 3-4 градуса к горизонту. Горелочное устройство располагается в нижнем торце печи и обеспечивает сжигание топлива с созданием факела определенной длины и формы. Современные цементные печи работают при температурах 1350-1450 градусов Цельсия в зоне обжига клинкера.

Горелки для вращающихся печей классифицируются по нескольким критериям. По методу смешения топлива и воздуха различают диффузионные горелки внешнего смешения и горелки с предварительным смешиванием. По количеству каналов подачи компонентов горения выделяют одноканальные, двухканальные, трехканальные и многоканальные конструкции.

Многоканальные горелочные устройства

Многоканальные горелки являются наиболее распространенным типом для крупных вращающихся печей производительностью от 3000 тонн клинкера в сутки. Конструктивно такая горелка состоит из центрального канала подачи топлива и нескольких концентрических каналов для первичного и вторичного воздуха.

Центральный канал обычно служит для подачи пылевидного угля или природного газа. Вокруг центрального канала располагается кольцевой канал первичного воздуха, необходимого для стабилизации факела в прикорневой зоне. Наружные каналы предназначены для подачи вторичного воздуха, подогретого до температур 850-1050 градусов Цельсия в колосниковом холодильнике.

Принцип работы многоканальной горелки

Топливо подается через центральное сопло со скоростью 15-30 метров в секунду для газа и 20-40 метров в секунду для пылеугольной смеси. Первичный воздух закручивается с помощью аксиальных или радиальных лопаток, создавая зону рециркуляции у корня факела. Вторичный воздух подается через регулируемые каналы с изменяемой степенью закрутки.

Регулирование параметров многоканальной горелки осуществляется изменением положения центрального дросселя, степени закрутки воздушных потоков и соотношения первичного и вторичного воздуха. Современные системы автоматического управления позволяют оперативно изменять параметры факела в зависимости от технологических требований.

Горелки с низким выбросом NOx

Оксиды азота образуются при высокотемпературном окислении атмосферного азота в зоне активного горения. Концентрация NOx в дымовых газах цементных печей может достигать 800-1200 миллиграммов на кубический метр при традиционных горелках. Экологические требования стимулируют внедрение технологий снижения выбросов оксидов азота.

Принципы снижения образования NOx

Горелки с низким выбросом NOx работают по принципу ступенчатого сжигания топлива. Первая ступень происходит при недостатке кислорода с коэффициентом избытка воздуха 0,8-0,95, что снижает температуру и предотвращает термическое образование оксидов азота. На второй ступени подается остальной воздух для полного дожига.

Конструктивно низко-NOx горелки имеют раздельные каналы подачи воздуха с точным дозированием. Угол закрутки потоков выбирается таким образом, чтобы обеспечить равномерное температурное поле и избежать локальных перегревов. Важную роль играет конфигурация выходного сопла, которое формирует структуру факела.

Современные низко-NOx горелки обеспечивают концентрацию оксидов азота в дымовых газах на уровне 400-600 миллиграммов на кубический метр без дополнительных систем очистки. При комбинации с селективным некаталитическим восстановлением можно достичь снижения выбросов на 60-70 процентов от исходного уровня.

Формирование оптимальной длины факела

Длина факела определяется как расстояние от выходного сопла горелки до точки полного сгорания топлива. Для вращающихся печей цементных заводов оптимальная длина факела составляет от 10 до 25 метров в зависимости от размеров печи и технологических требований.

Факторы, влияющие на длину факела

Длина факела зависит от скорости истечения топлива и воздуха, диаметра сопла, степени предварительного смешения компонентов, температуры и давления. При увеличении скорости истечения газа длина факела возрастает. Диаметр сопла оказывает прямое влияние на длину факела.

Методы регулирования длины факела

Основным методом изменения длины факела является регулирование положения центрального дросселя относительно выходного сопла. При выдвижении дросселя увеличивается турбулизация потока, факел становится короче и интенсивнее. При втягивании дросселя факел удлиняется и становится более пологим.

Второй способ регулирования заключается в изменении степени закрутки воздушных потоков. Увеличение закрутки приводит к формированию короткого широкого факела с высокой температурой в прикорневой зоне. Уменьшение закрутки создает длинный узкий факел с равномерным распределением тепла по длине печи.

Третий метод основан на изменении соотношения первичного и вторичного воздуха. Увеличение доли первичного воздуха ускоряет горение и сокращает длину факела. Преобладание вторичного воздуха растягивает зону горения и удлиняет факел. Оптимальное соотношение обычно составляет 10-20 процентов первичного и 80-90 процентов вторичного воздуха.

Форма и характеристики факела

Форма факела определяет распределение тепловых потоков в печи и влияет на процесс клинкерообразования. Различают стреловидную, коническую и коронообразную формы факела. Каждая форма имеет свои преимущества для определенных условий эксплуатации.

Стреловидный факел

Стреловидный или цилиндрический факел формируется при параллельной подаче топлива и воздуха без значительной закрутки. Такой факел имеет длину 15-25 метров и диаметр 1,5-2,5 метра. Стреловидный факел обеспечивает равномерный прогрев материала по длине зоны обжига и применяется в печах большой длины.

Преимущества стреловидного факела заключаются в стабильности горения при изменении нагрузки и составе топлива. Температурное поле вдоль оси факела относительно равномерное с максимумом в зоне 8-12 метров от сопла. Такая конфигурация минимизирует термические напряжения в футеровке.

Конический факел

Конический факел получается при закрутке воздушных потоков и имеет выраженное расширение от корня к периферии. Угол раскрытия конуса составляет 15-25 градусов. Длина конического факела обычно 8-15 метров при диаметре в дальней зоне 3-4 метра.

Конический факел создает интенсивное тепловыделение в прикорневой зоне с температурой до 1800-2000 градусов Цельсия. Такая конфигурация эффективна для печей с коротким временем пребывания материала и требованиями к быстрому нагреву. Недостатком является неравномерность температурного поля в поперечном сечении печи.

Коронообразный факел

Коронообразный или веерообразный факел формируется при использовании многосопловых горелок с регулируемыми каналами. Центральная часть факела менее интенсивна, а основное тепловыделение происходит на периферии в виде короны. Такая форма обеспечивает локальное повышение температуры в определенных зонах печи.

Выбор формы факела зависит от конструктивных особенностей печи, состава сырьевой смеси и требуемого качества клинкера. Современные системы управления позволяют переключаться между различными режимами факела в процессе работы печи.

Параметры настройки горелок

Настройка горелки вращающейся печи включает регулирование нескольких взаимосвязанных параметров. Основными регулируемыми величинами являются расход топлива, расход первичного и вторичного воздуха, положение центрального дросселя, степень закрутки воздушных потоков и давление газа.

Расход и давление топлива

Расход топлива определяется тепловой нагрузкой печи и удельным расходом тепла на обжиг клинкера. Для современных печей сухого способа удельный расход условного топлива составляет 750-850 килограммов на тонну клинкера. Давление природного газа перед горелкой поддерживается в диапазоне 5-15 килопаскалей в зависимости от конструкции.

Регулирование расхода газа осуществляется изменением проходного сечения регулирующего клапана. Современные системы автоматического управления поддерживают заданный расход с точностью плюс-минус 2-3 процента. Давление газа влияет на скорость истечения и турбулизацию потока, что отражается на характеристиках факела.

Первичный и вторичный воздух

Первичный воздух подается непосредственно через горелку для создания стабильной зоны горения у корня факела. Расход первичного воздуха составляет 10-20 процентов от теоретически необходимого. Температура первичного воздуха обычно 150-250 градусов Цельсия, давление 1,5-3,0 килопаскаля.

Вторичный воздух поступает в печь через зазор между горелкой и головкой печи. Он предварительно нагревается в колосниковом холодильнике до температуры 850-1050 градусов Цельсия. Избыток вторичного воздуха регулируется дроссельной заслонкой и поддерживается на уровне коэффициента избытка воздуха 1,05-1,15.

Положение дросселя и степень закрутки

Центральный дроссель представляет собой подвижный элемент конической формы, который перемещается относительно выходного сопла. Выдвижение дросселя на 50-100 миллиметров за обрез сопла увеличивает турбулизацию и сокращает длину факела на 20-30 процентов. Втягивание дросселя внутрь сопла удлиняет факел.

Степень закрутки воздушных потоков регулируется поворотными лопатками в каналах подачи воздуха. Угол установки лопаток изменяется от 0 до 45 градусов относительно оси горелки. При угле 0 градусов факел максимально длинный, при 45 градусах - короткий и расширенный. Оптимальный угол для большинства печей составляет 20-30 градусов.

Влияние настройки горелки на кольцеобразование

Кольцеобразование представляет собой налипание материала на внутреннюю поверхность футеровки вращающейся печи с образованием наростов в виде колец. Кольца сужают проходное сечение печи, нарушают движение материала и снижают производительность. Параметры работы горелки оказывают существенное влияние на интенсивность кольцеобразования.

Механизм образования колец

Кольца формируются в зонах с определенным температурным режимом, где происходит частичное плавление материала и его прилипание к футеровке. Критическими зонами являются область на расстоянии 12-18 метров от головки печи, где температура достигает 1100-1300 градусов Цельсия. В этой зоне карбонаты разлагаются, выделяются щелочные соединения и происходит первичное спекание.

Слишком короткий и интенсивный факел создает высокотемпературную зону вблизи горелки, что усиливает улетучивание щелочей и их конденсацию в более холодных участках печи. Избыточно длинный факел приводит к неравномерному прогреву материала и образованию зон с повышенной липкостью.

Методы предотвращения кольцеобразования

Оптимизация длины факела является основным методом борьбы с кольцеобразованием. Факел должен заканчиваться в зоне высоких температур, но не создавать локальных перегревов футеровки. Регулировка формы факела позволяет равномерно распределить тепловой поток по поперечному сечению печи.

Настройка соотношения первичного и вторичного воздуха влияет на распределение кислорода в зоне горения. Избыток кислорода в прикорневой зоне факела может усилить окисление железосодержащих соединений в материале и способствовать образованию легкоплавких фаз. Недостаток кислорода приводит к неполному сгоранию и отложению сажи.

Важную роль играет режим возврата пыли в печь. Подача циклонной или фильтровой пыли осуществляется либо с горячего конца печи непосредственно в факел, либо с холодного конца за цепную завесу. Подача пыли с холодного конца снижает кольцеобразование и стабилизирует качество клинкера.

Практические рекомендации по эксплуатации

Эффективная эксплуатация горелочного устройства требует регулярного контроля параметров и своевременной корректировки настроек. Операторы печи должны визуально контролировать факел через смотровые окна в головке печи и анализировать данные контрольно-измерительных приборов.

Визуальный контроль факела

Правильно настроенный факел имеет яркую светящуюся зону у корня диаметром 0,8-1,2 метра и длиной 2-3 метра. Основная часть факела представляет собой постепенно расширяющийся светящийся конус с равномерным распределением яркости. Завершение факела должно происходить без видимых языков пламени и темных зон.

Признаки неправильной настройки включают отрыв пламени от корня факела, появление темных полос или зон, пульсации яркости, чрезмерное задымление. Отрыв пламени указывает на слишком высокую скорость истечения газа или недостаток первичного воздуха. Темные зоны свидетельствуют о неполном сгорании из-за избытка топлива или недостатка воздуха.

Контроль состава дымовых газов

Анализ дымовых газов на выходе из печи позволяет оценить эффективность горения. Оптимальные показатели для вращающихся печей: содержание кислорода 2-4 процента, оксида углерода менее 100 миллиграммов на кубический метр, оксидов азота 400-800 миллиграммов на кубический метр в пересчете на сухие газы.

Техническое обслуживание горелки

Регулярное техническое обслуживание горелочного устройства включает очистку сопел от налипшего материала, проверку герметичности газовых и воздушных каналов, контроль состояния футеровки горелочного камня, смазку подвижных элементов механизма регулирования.

Очистка сопла горелки производится при остановке печи на плановый ремонт. Налипший материал и спекшаяся зола удаляются механическим способом. Проверяется износ огнеупорного тоннеля и керамических элементов. При износе более 30 процентов от первоначальной толщины производится замена.

Калибровка систем автоматического управления осуществляется не реже одного раза в квартал. Проверяется соответствие показаний расходомеров, манометров и термопар эталонным значениям. Настраиваются параметры регуляторов для обеспечения требуемой точности поддержания заданных величин.

Часто задаваемые вопросы