ROCKTEQ GmbH 的 Christian Helmreich 和 Klaus Eichas 博士探讨了过去二十年来水泥工厂为实现替代燃料高效燃烧所进行的燃烧器技术发展
替代燃料（AF）共燃技术（即 "固体回收燃料"SRF 或较粗的 "垃圾衍生燃料"RDF）在水泥窑中的应用已有约 25 年历史。本文将回顾主燃烧器处理固体替代燃料的燃烧工程技术发展，并展望热工处理技术的未来方向。
主燃烧器 AF 共燃技术的历史发展：
固体替代燃料的首次共燃试验于 90 年代在欧洲进行，初期使用较小的残渣和废料。切碎的木屑和预分选残渣制成的燃料由于窑内高温被直接喷入窑内。AF 喷射意味着在主燃烧器处燃烧固体替代燃料，而轮胎等则被喂入窑头，较粗的 RDF 被喂入分解炉。
图1. 燃烧器端部形态变化
90 年代初期，三通道窑用燃烧器是水泥生产的行业标准（图 1A），设计用于煤粉、燃油或天然气。该设计包括带环形喷嘴的轴向风通道、带扩散出口的煤粉通道，以及内部带 20°-40° 旋流器的径向风通道。
首次固体 AF 共燃试验采用改装的三通道燃烧器，通过中心钢管简易气力输送装置进行。部分燃烧器仅移除中心油枪，利用原有油枪套管进行 SRF 气力喷射。这种低分类燃料与煤粉混烧时，热替代率（TSR）较低。无油枪重启燃烧器困难，油枪操作也存在问题。少数三通道燃烧器改进为中心带半月形 SRF 通道（图 1B），同时保留正常运行所需的油枪和点火器。
另一种改进方案是在主燃烧器顶部安装外部 AF 输送管（背包式，图 1B2）喷射固体替代燃料。该方案在平均燃烧器动量 3-5N/MW 时运行良好，但 TSR 仍较低。
与此同时，低氮氧化物燃烧器技术发展起来。其原理是通过分级燃烧避免高温火焰：主燃料（煤粉）被一次风通道（轴向和径向风）包围，火焰中心形成几乎无氧的回流区，延缓燃料着火和快速燃烧反应，降低火焰峰值温度，从而减少热力型 NOx 生成。
低 NOx 设计的长火焰燃烧器无法满足新的技术要求，催生了新一代多燃料燃烧器（图 1C）。这类燃烧器可处理至少三种燃料（如煤粉、燃油和位于中心的 SRF），最多兼容六种燃料。自此，燃烧器设计发生重大变革：中央布置的 SRF 管道扩大了燃烧器动量和外径，部分燃烧器增设燃气通道用于启动或全负荷运行，进一步增加了尺寸和重量。
根据供应商技术理念，窑用燃烧器分为低 NOx 多燃料型（图 1C）或三通道型（图 1D）。主要区别在于径向风通道位置：位于煤粉通道内侧（"三明治结构"）或外侧。此外，各供应商的一次风喷嘴设计差异显著，多数采用环形结构。
部分供应商已认识到自由射流设计的优势，如 GRECO、ROCKTEQ、KHD（Pyrojet）和 Unitherm（M.A.S.）采用空气多射流设计。高温二次风通过自由射流的卷吸效应被引入火焰。随着 TSR 和 SRF/RDF 流量增加，燃烧器动量需提升至7-12N/MW。
燃烧器外径扩大（尤其是煤粉 / 石油焦通道因内置 SRF/RDF 管、油枪、点火器和燃气枪而加粗）对煤粉通道设计提出特殊要求（图 1D vs 1E）。煤粉通道的水力直径、间距及煤粉浓度均影响着火特性、燃烧性能和火焰形状。部分窑用燃烧器外径超过 650-700mm，存在工艺风险。高 TSR 工况下需特别注意避免双重火焰和烧成带失控。
使用替代燃料的窑用燃烧器通常 NOx 排放较低。SRF/RDF 的水分降低火焰核心温度，需先蒸发水分才能点燃燃料颗粒。低 NOx 设计与 AF 燃烧的结合利弊并存，主要取决于燃料特性、氧气浓度、熟料质量、窑况和二次风温度等因素。主燃烧器低 NOx 排放有助于减少脱硝二次措施，但无法提高 TSR。
现代窑用燃烧器设计：
当前所有窑用燃烧器均为多燃料设计。过去十年，所有供应商均将喷嘴从环形槽式改为多空气射流设计（若此前未采用）。射流设计优势明显：更快着火、AF 在火焰中更均匀分散（更强回流），从而提升熟料质量。同时，燃烧器动量提升至 7-12N/MW（因 SRF/RDF 需更多氧气），公式中未考虑燃料和输送空气质量。
ROCKTEQ 始终采用轴对称高动量燃烧器设计（图 1F），通过单一中心 AF 管实现稳定、高温短火焰，最大化 RDF 利用率。对比表明，在窑头增设独立可调的小型卫星燃烧器（位于主燃烧器上方或旁侧）比大型多通道燃烧器更高效。
卫星燃烧器直接将 SRF 喷入高氧高温二次风中，实现更快着火、更长燃尽时间，避免燃料过早落入熟料层。主燃烧器可设计得更紧凑，有利于煤粉燃烧，形成更短、均匀且可控的火焰。
表1. 各种燃烧器的比较
燃料适配：
当燃料从煤粉切换为石油焦（或挥发分 / LHV 变化时），建议调整煤粉出口速度，以根据挥发分、射流距离和火焰长度（燃烧反应时间）控制火焰形态。可通过以下方式调节：
- -带补偿器的锥形煤粉喷嘴设计
- -调节风机输送风速
缺乏调节手段将限制火焰控制。实现高 TSR 需深入理解燃烧机制：煤粉流量减少时，AF 使用增加可能导致双重火焰。煤粉燃烧速度远快于替代燃料。
对于难着火的低挥发分燃料（如石油焦、无烟煤），理论上可通过细磨提高着火速度（小颗粒比表面积大），但会增加粉磨成本（OPEX）。
替代燃料喷射：
多数供应商配备中心 AF 管调节装置，减少燃料落料。简单加速 AF 输送可能导致燃料穿透火焰形成双重火焰，恶化熟料质量（游离钙升高、C4AF 含量下降、颜色发灰）。研究表明，火焰中心高氧环境可促进 AF 着火，但与低 NOx 设计相悖。
提高窑头 AF 热替代率时，建议增设卫星燃烧器。其优势包括：
- 二次风预干燥燃料
- 高氧气浓度
- 独立于主燃烧器的 AF 轨迹调节
- 更长燃尽时间
- 减少主火焰冷却
以 20x20mm（0.79x0.79 英寸）、0.1mm 厚的塑料箔膜为例，其重量是煤粉颗粒的 74000 倍，燃烧反应显著滞后，导致火焰变长、烧成带延长。
需理解 AF 的燃烧反应特性：水分蒸发→挥发分析出→燃料着火（300-500℃）→焦碳燃尽。
CO₂减排：
含机质的 SRF/RDF 具有显著减排优势（表 2）。使用木屑、干污泥等生物质燃料可降低成本并减少对 AF 供应商的依赖。缺点是低位热值低、水分高、燃烧延迟。通过干燥处理和优化的燃料输送 / 燃烧方案，可在提高 TSR 的同时保证熟料质量。
表2: 燃料的CO2排放
AF-Booster System®：
ROCKTEQ 推出新型预处理系统，通过两步干燥（闪蒸干燥 + 风选分级）将 RDF/SRF 分为两个富集组分，在窑内最佳位置喷射，使 TSR 提升至 80-100%。该系统通过控制燃料水分减少窑气量，缩短着火时间，强化热解，缩短火焰长度，避免双重火焰。减少燃料落料可稳定熟料质量，增加生物质比例，降低 CO₂排放成本。最终实现 OPEX、燃料成本和 CO₂证书费用的节省，同时提高 AF 市场灵活性。
图2. AF-Booster System® 工作原理
未来展望：
主燃烧器使用氧燃料或氢燃料技术并不复杂，现有燃烧器可改造，但需配套基础设施投资。短期解决方案需增加低气候影响燃料的使用（表 2）。通过分类干燥 AF 与生物质的结合，有望降低燃料成本并加速 CO₂减排，助力 2050 年净零排放目标。
