多风道煤粉燃烧器旋流数的分析与计算

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1、多风道煤粉燃烧器旋流数的分析与计算1、前言理论分析与生产实践均证明，回转窑用煤粉燃烧器三风道明显优于单风道，四风道明显 优于三风道。多风道与单风道的重要区别就在于风煤混合由管内移到了管外，并且都有一个 旋流器，借以产生旋转环形射流，如图1所示。这股旋转环形射流的强弱对多风道煤粉燃 烧器的性能具有重要影响：一方面可以产生速度差、方向差和压力差，使风煤混合更为充分 均匀，对煤粉提高燃烧速率有利；另一方面会使火焰稳定，进而为热工制度稳定提供必要的 条件。但是，如果设计不当，旋流度太小则起不到应有的作用，使火焰发飘无力，更谈不上 能够顶烧。太大则会扫窑皮烧砖，不仅使运转率大大降低，而且使产质量也不能提

2、高，给企 业造成严重损失。最近笔者接到了许多、传真和信函，有的亲自来单位研讨。这表明当前对四风道煤粉燃 烧器的认识愈来愈深化，研究的问题亦愈来愈广泛。随着多风道，特别是旋流式四风道煤粉 燃烧器的引进和推广，国内不少单位也进行了研发，但效果却相差悬殊，有好有差，个别情 况还有不及单风道的。其中一个重要原因就是旋流度不合理，不匹配，不能调节到所需要的 良好状态。旋流度是一个燃烧空气动力学问题，现将笔者的一些分析和体会介绍给有关读者参考，权作 一个公开的回复。外190中岡耳谨ViT T0 SIM 1a、单风道煤粉燃烧器的风煤在管内混合及喷出情况b、四风道煤粉燃烧器的风煤在管外混合及喷出情况图1多风道

3、与单风道的风煤混合情况2、旋转流产生的方法旋转射流简称为“旋转流”或“旋流”，概括起来基本上由以下三类产生的方法或曰三种类 型”：2.1使流体或它的一部分切向进入圆柱形流道，产生旋转运动，最后由喷口喷出。如各 种喷雾器的雾化片，在煤粉燃烧器的燃油点火助燃装置中的喷油枪喷头的雾化片也是如 此，见图2所示。图3所示的可调塞块式旋流燃烧器亦属此类。图2各种雾化片简图图3可调塞块液燃烧器简图2.2用机械装置的旋转使通过它们的流体获得旋转运动，如转动叶片、叶栅和管子等。 奥地利尤尼兹姆公司于最近开发的MAS型煤粉燃烧器即属此类，如图4所示。N点火油枪-中疗凤可调帖箍流 强度的外净凤图4有若干旋转管的煤粉

4、燃烧器简图2.3在轴向管流中应用螺旋叶片使流体产生旋转运动，如现在回转窑多风道煤粉燃烧器 中多用的螺旋体即属此类，见图5。图5螺旋体的结构简图用以上三种方法都可以使流体产生旋转运动或产生旋流，究竟采用那种最好应视具体情况而 定。最主要的要求是旋流度可调性好，满足性能要求，结构简单，可靠度高，既便于加工制 造，降低成本，同时又能保证长寿命。3、旋流度S与旋流数S的分析与计算旋转射流的旋转强弱程度用“旋转强度”，简称为“旋流强度”或“旋流度”S来表示。对于不 同的旋转流产生器，其计算方法不同。在多风道煤粉燃烧器中，旋转流产生器基本上都是采 用螺旋体，即属于2.3项所述的在轴向管流中采用螺旋叶片使流

5、体空气产生旋转运动的情 况。当然也有煤风道出口采用螺旋叶片的，不过不多。因此，为节省篇幅现仅对这种旋转流 产生器进行分析和计算。这种旋转流产生器的简图如图6所示，螺旋叶片的外半径为，内半径为，任意半径r 上的螺旋角为，其旋流度为S可用下式表达：式中是在自由旋转射流或火焰中的角动量轴向通量，是轴向推力，即轴向动量通量，二者 均守恒，可用下式表达：号.勺G = 吧 pU 2翻f - i WpU 2岔Of = “曲1 （常数）00G* = I UpU -+ I P 2开曲 p二 I pCJ2 - 27Vrdr + I P - 2jrrdr - const （常数）f）o式中的为流体密度；r为任意半径

6、；U、W和P分别为旋转射流任一截面上的轴向和切向速 度分量以及静压力。用这两个动量的通量值便可以描述旋转射流的空气动力学特性，所以说 这是两个特征量。在（2）式和（3）式中的速度项可以相当精确的从旋转射流产生器简称旋流器”的进口 数据计算出来。可是（3）式中的第二项即静压项的精确确定就比较困难，因为沿流动方向 的静压积分值是变化的。但是，从旋流器进口的速度分布而不是从射流中的速度分布来计算 旋流度S时，静压项可以忽略不计。试验结果与考虑静压项时的计算结果相当接近，所以 完全可以应用于工程计算。但是为了与轴向推力相区别，现引入一个线动量的概念，则（3） 式便可写成下式：= 21 pU2rdr4）

7、T此时的（1）式便可用下式表达:为与旋流度S相区别，将称为“旋流数”，这是一个无因次或者无量纲的数，它仍然能够表 征旋转射流的旋转强度。图6轴向管流中设螺旋叶片的旋流器简图在这种情况下，如果螺旋叶片很薄，任意半径r域从Rn至Rw内变化，在管道横截面上的轴向速度分布是均匀的，此时的轴向速度用U0表示，则角动量便可用下式表达：式中的W为射流任一横截面上的切向速度分量，由图6可见，它与轴向速度分量存在下述 关系，如图7所示，即：琢=5仙民图7射流切向速度分量W与轴向速度U0的关系将（7）式代入（6）式中并对（6）式进行积分则得到下式:包=X忒加测用U0代替（4）式中的U,并对此式进行积分得下式，即线

8、动量为:将（8）式和（9）式代入到（5）式中，经整理后便可得到该旋流器的旋流数S的表达式为:式中为任意半径r上所对应的螺旋角，随着r的增大亦增大。在一般计算中以螺旋叶片半径上的螺旋角为依据，对长螺旋叶片它们之间有下列关系：land -如（11）%在（10）式中还没有考虑螺旋叶片的厚度b和数量n，在多风道煤粉燃烧器中所用的旋 流器，其螺旋叶片不但有，通常还很厚，所以其对旋流数S的影响是不可忽略的。另外， 因为有螺旋角存在会产生一定的阻力，螺旋角越大，阻力也越大。实验表明，这二者对旋 流数S都有影响，其与nb成正比例，与角的余弦成反比，把这些影响用阻塞系数表示， 如下式所列：nbnby了 =2歼扎

9、ms斶Cc加舛j考虑阻塞系数时，根据Leuckel.W的分析，其角动量的轴向通量的理论表达式为:5宓亍右伽验(13)这时的旋流数S，便为下式:帀%4宀磁轧U1(14)l 2w VJ在上述推导旋流数S的过程中，假设旋流器出口后面管道横截面上轴向速度分量U 的分布是均匀的，实际上肯定会有出入，阻塞系数的计算值也存在偏差，因此有必要通过 实验来验证公式（14）的实用性。具体做法是用三个不同螺旋角=30。、=45。和=60，=0.24 的实验值与理论计算值相比较，并将结果绘在图8中。由此可见二者相当符合，这就充分 证明公式（14）完全可以应用于实际的工程计算。为方便于应用，引入一个阻塞系数的影响系数，

10、即：瓦二亠（再令:(16)将和代入到（14）式中，则旋流数S 式变为:(17)为节省计算时间，现将、和tan用表和图线表示出来，并且可以直观地看出它们对旋流数S 的影响变化。1V1论f1./y/?04560图8在Rn/Rw=0.24时旋流数S与叶片螺旋角aw关系的实验值和理论值比较 3.1阻塞系数的影响系数这样就可将和的关系列成表1。阻塞系数与其影响系数的关系阻塞系数X0. 1P0. 2P0.和0. 30.500. 7P0.SP0.9 J1.0豊响系数K叩卢1. nil*1. 2500 P1.42S6 P1. 66672.0000 P2.5000 :3. 3333 :5. 0000 310.0

11、000 PQOp由（12）式可见，螺旋体螺旋叶片的数量n和其厚度b之乘积必然小于螺旋叶片内半 径Rn的圆周长C=2nRn,螺旋a=545, cos 1. 00这说明旋流数S随螺旋角的增大按正切曲线而增大。为了更直观，将表3绘成曲线图11。/7/f/y厂/K*/51 &20 2S M? 3a- _w1!L&T& J- 3 2 i 伽 m 鼻a.cl.也 M-s 壕M叶片姐旋fii的辭环辰樂忌恶庭叶片的釁疑瀚O.图11 w=5。45。间的正切变化曲线4、旋流数S的讨论4.1弱旋流与强旋流的界限当旋流数SV0.6时的旋转射流称为“弱旋流”，这时轴向压力梯度还不够大，不能引起 内部回流，因而对火焰稳定

12、没有明显影响，但对引射率和速度衰减率有一定作用。因为对工 程应用意义不大，所以不作更多的讨论。当旋流数S0.6时，沿射流轴线的反向压力梯度不能再被沿轴向流动流体质点的动能 所克服，能够在射流的中心部分形成一个回流区，将这种旋转射流称为强旋流”。回流区呈 环形旋涡状，对火焰的稳定具有相当重要的作用。因为这是一个燃烧产物的良好混合区，在 靠近燃烧器出口的射流中心部分还可储存一定的热量和化学活性物质，所以对火焰的稳定 性、燃烧强度、停留时间的分布和形状等都有重要作用。由此可见，在设计煤粉燃烧器时, 螺旋体即旋流器必须按强旋流进行。4.2回流区流线的描述对性能良好的多风道煤粉燃烧器而言，都应能形成两个

13、回流区。在火焰中心部分的回流 区称为“内部回流区”或“第一回流区”，在火焰的外廓与窑皮之间形成的回流区称为外回流区” 或“第二回流区”，如图12所示。内部回流区可使火焰更加稳定，燃烧强度提高，停留时间 分布更为合理，火焰形状满足回转窑烧成的要求。湍流旋转射流的空气动力学，综合了旋转运动的特性及在射流和尾迹流动中的自由湍流 现象。从喷口喷出的流体运动，除具有在非旋转射流中的轴向和径向速度分量外，还存在切向速度分量。旋转运动的存在导致轴向和径向压力梯度的产生，反过来又影响流场。在强旋 流的情况下，轴向反压力梯度大的足以能够形成内部回流区，其流线如图13所示。环形旋 涡使射流的外边界从燃烧器出口喷出

14、后便迅速膨胀，这种初始膨胀与从环境介质引射进的空 气没有关系，环形旋涡核心的长度随旋流数的增加而增大。从燃烧器喷出后的流体质点已失 去燃烧器壁面的约束，有向切线方向飞去的趋向。然而，流体质点受粘性力的制约，还受到 径向压力的作用。这些因素的综合效应使流线成为图13的形状。只有外部回流区存在，才会使热烟气反混。一可促进风煤的混合更加充分均匀；二可提 高煤粉的燃烧温度，这两种作用对提高煤粉的燃烧速率具有重要意义；三使煤粉在低氧环境 条件下燃烧和燃尽，可以大大减少NOX有害气体的形成，同时对烧低质煤（劣质煤、低挥 发分煤和无烟煤等）具有特殊的意义。外部回流区的流线及回流量的分布如图14所示。图12回

15、转窑内流场分布与四风道煤粉燃烧器形成的内外回流区输向IS5JC图13 S=1.57时旋转射流的流线形状在湍流旋转射流中，射流流体与环境流体之间存有密度差,它所形成的火焰是湍流扩散火焰。I回施显处射流边界正向連度图14外部回流区的流线及回流量的分布4.3旋流数S量值的合理确定对回转窑多风道煤粉燃烧器而言，旋流数S过大就会使火焰发散，扫窑皮；过小则起 不到应有的作用。本文所讨论的仅仅是其中的一个带切相速度分量的圆环形射流，实际上还 有不带切向速度分量的外风圆环形射流和煤风两相流的圆环形射流，对于四风道煤粉燃烧 器，还有中心风一个圆环形射流。可见，回转窑四风道煤粉燃烧器是一个多环含尘燃烧湍流 的受限

16、射流，既含有非旋转射流也含有旋转射流，既有压力和温度的变化，也有流动谱型或 流场的变化，所形成的火焰为湍流扩散火焰。这就是说，多风道煤粉燃烧器实际所形成的火 焰射流要比本文所讨论的内容复杂的多，然而旋流的形成和参数控制却是最重要的基础。由此可见，多风道煤粉燃烧器与庞大的窑体相比，无论在体型上、重量上抑或造价上都 是九牛一毛，然而要搞好它确实不是一件容易的事。主要是它涉及的理论学科太多，诸如物 理学、化学、燃烧学、空气动力学、机械学和水泥工艺学等，特别是空气动力学，没有相当 的理论功底是啃不动的。最好还有一定的看火经验，否则就难以搞好。这就是当前有些名为 四风道，实际上达不到真品四风道的技术性能，甚至有的还不如单风道使用效果的重要原因 之一。参考文献1 D.B.斯帕尔丁著、曾求凡译：燃烧理论基础，国防工业，1964年6月。2 J.M.比埃尔、N.A.切吉尔著、陈熙译：燃烧空气学，科学，1979年。3 江旭昌：回转窑多风道煤粉燃烧器培训教材，中国磷肥工业协会、中国硫酸工业协会，1999年 4 月。4M.A.菲尔德、D.W吉尔、B.B.摩根、P.G.W.霍克斯利著，章明川等译：煤粉燃烧，水利电力，1989 年 3 月。