多风道煤粉燃烧器旋流数的分析与计算cany.docx

多风道煤煤粉燃烧烧器旋流流数的分分析与计计算1、前前言理论论分析与与生产实实践均证证明，回回转窑用用煤粉燃燃烧器三三风道明明显优于于单风道道，四风风道明显显优于三三风道。多多风道与与单风道道的重要要区别就就在于风风煤混合合由管内内移到了了管外，并并且都有有一个旋旋流器，借借以产生生旋转环环形射流流，如图图1所示示。这股股旋转环环形射流流的强弱弱对多风风道煤粉粉燃烧器器的性能能具有重重要影响响：一方方面可以以产生速速度差、方方向差和和压力差差，使风风煤混合合更为充充分均匀匀，对煤煤粉提高高燃烧速速率有利利；另一一方面会会使火焰焰稳定，进进而为热热工制度度稳定提提供必要要的条件件。但是是，如果果设计不不当，旋旋流度太太小则起起不到应应有的作作用，使使火焰发发飘无力力，更谈谈不上能能够顶烧烧。太大大则会扫扫窑皮烧烧砖，不不仅使运运转率大大大降低低，而且且使产质质量也不不能提高高，给企企业造成成严重损损失。 最近近笔者接接到了许许多电话话、传真真和信函函，有的的亲自来来单位研研讨。这这表明当当前对四四风道煤煤粉燃烧烧器的认认识愈来来愈深化化，研究究的问题题亦愈来来愈广泛泛。随着着多风道道，特别别是旋流流式四风风道煤粉粉燃烧器器的引进进和推广广，国内内不少单单位也进进行了研研发，但但效果却却相差悬悬殊，有有好有差差，个别别情况还还有不及及单风道道的。其其中一个个重要原原因就是是旋流度度不合理理，不匹匹配，不不能调节节到所需需要的良良好状态态。 旋旋流度是是一个燃燃烧空气气动力学学问题，现现将笔者者的一些些分析和和体会介介绍给有有关读者者参考，权权作一个个公开的的回复。 a、单风风道煤粉粉燃烧器器的风煤煤在管内内混合及及喷出情情况            b、四四风道煤煤粉燃烧烧器的风风煤在管管外混合合及喷出出情况 图1    多多风道与与单风道道的风煤煤混合情情况 2、旋旋转流产产生的方方法旋转转射流简简称为“旋旋转流”或或“旋流流”，概概括起来来基本上上由以下下三类产产生的方方法或曰曰“三种种类型”： 2.1 使使流体或或它的一一部分切切向进入入圆柱形形流道，产产生旋转转运动，最最后由喷喷口喷出出。如各各种喷雾雾器的雾雾化片，在在煤粉燃燃烧器的的燃油点点火助燃燃装置中中的喷油油枪喷头头的雾化化片也是是如此，  见图22所示。图图3所示示的可调调塞块式式旋流燃燃烧器亦亦属此类类。图2各各种雾化化片简图图图3可可调塞块块液燃烧烧器简图图2.2 用用机械装装置的旋旋转使通通过它们们的流体体获得旋旋转运动动，如转转动叶片片、叶栅栅和管子子等。奥奥地利尤尤尼兹姆姆公司于于最近开开发的MMAS型煤煤粉燃烧烧器即属属此类，如如图4所所示。 图4有有若干旋旋转管的的煤粉燃燃烧器简简图2.3 在在轴向管管流中应应用螺旋旋叶片使使流体产产生旋转转运动，如如现在回回转窑多多风道煤煤粉燃烧烧器中多多用的螺螺旋体即即属此类类，见图图5。 图5   螺旋体体的结构构简图  用以上三三种方法法都可以以使流体体产生旋旋转运动动或产生生旋流，究究竟采用用那种最最好应视视具体情情况而定定。最主主要的要要求是旋旋流度可可调性好好，满足足性能要要求，结结构简单单，可靠靠度高，既既便于加加工制造造，降低低成本，同同时又能能保证长长寿命。  3、旋旋流度SS与旋流流数S的分析析与计算算 旋转转射流的的旋转强强弱程度度用“旋旋转强度度”，简简称为“旋旋流强度度”或“旋旋流度”SS来表示示。对于于不同的的旋转流流产生器器，其计计算方法法不同。在在多风道道煤粉燃燃烧器中中，旋转转流产生生器基本本上都是是采用螺螺旋体，即即属于22.3项项所述的的在轴向向管流中中采用螺螺旋叶片片使流体体空气产产生旋转转运动的的情况。当当然也有有煤风道道出口采采用螺旋旋叶片的的，不过过不多。因因此，为为节省篇篇幅现仅仅对这种种旋转流流产生器器进行分分析和计计算。 这种种旋转流流产生器器的简图图如图66所示，螺螺旋叶片片的外半半径为  ，内半半径为  ，任意意半径rr上的螺螺旋角为为 ，其其旋流度度为S可可用下式式表达： 式中 是是在自由由旋转射射流或火火焰中的的角动量量轴向通通量，  是轴向向推力，即即轴向动动量通量量，二者者均守恒恒，可用用下式表表达： 式中的  为流体体密度；r为任任意半径径；U、WW和P分分别为旋旋转射流流任一截截面上的的轴向和和切向速速度分量量以及静静压力。用用这两个个动量的的通量值值便可以以描述旋旋转射流流的空气气动力学学特性，所所以说这这是两个个特征量量。 在（22）式和和（3）式式中的速速度项可可以相当当精确的的从旋转转射流产产生器简简称“旋旋流器”的的进口数数据计算算出来。可可是（33）式中中的第二二项即静静压项的的精确确确定就比比较困难难，因为为沿流动动方向的的静压积积分值是是变化的的。但是是，从旋旋流器进进口的速速度分布布而不是是从射流流中的速速度分布布来计算算旋流度度S时，静静压项可可以忽略略不计。试试验结果果与考虑虑静压项项时的计计算结果果相当接接近，所所以完全全可以应应用于工工程计算算。但是是为了与与轴向推推力 相相区别，现现引入一一个线动动量 的的概念，则则（3）式式便可写写成下式式： 此时的（11）式便便可用下下式表达达： 为与旋流流度S相相区别，将将 称为为“旋流流数”，这这是一个个无因次次或者无无量纲的的数，它它仍然能能够表征征旋转射射流的旋旋转强度度。 图6     轴轴向管流流中设螺螺旋叶片片的旋流流器简图图 在这这种情况况下，如如果螺旋旋叶片很很薄，任任意半径径r域从从Rn至至Rw内内变化，在在管道横横截面上上的轴向向速度分分布是均均匀的，此此时的轴轴向速度度用U00表示，则则角动量量便可用用下式表表达：  式中的WW为射流流任一横横截面上上的切向向速度分分量，由由图6可可见，它它与轴向向速度分分量 存存在下述述关系，如如图7所所示，即即： 图7   射流切切向速度度分量WW与轴向向速度UU0的关关系 将（77）式代代入（66）式中中并对（66）式进进行积分分则得到到下式： 用UU0代替替（4）式式中的UU，并对对此式进进行积分分得下式式，即线线动量为为： 将（88）式和和（9）式式代入到到（5）式式中，经经整理后后便可得得到该旋旋流器的的旋流数数S的表达达式为：式中 为为任意半半径r上上所对应应的螺旋旋角，随随着r的的增大  亦增大大。在一一般计算算中以螺螺旋叶片片半径  上的螺螺旋角  为依据据，对长长螺旋叶叶片它们们之间有有下列关关系： 在（110）式式中还没没有考虑虑螺旋叶叶片的厚厚度b和和数量nn，在多多风道煤煤粉燃烧烧器中所所用的旋旋流器，其其螺旋叶叶片不但但有，通通常还很很厚，所所以其对对旋流数数S的影响响是不可可忽略的的。另外外，因为为有螺旋旋角 存存在会产产生一定定的阻力力，螺旋旋角 越越大，阻阻力也越越大。实实验表明明，这二二者对旋旋流数SS都有影影响，其其与nbb成正比比例，与与 角的的余弦成成反比，把把这些影影响用阻阻塞系数数 表示示，如下下式所列列： 考虑阻塞塞系数  时，根根据Leeuckkel.W的分分析，其其角动量量的轴向向通量  的理论论表达式式为： 这时时的旋流流数S便为下下式： 在上上述推导导旋流数数S的过程程中，假假设旋流流器出口口后面管管道横截截面上轴轴向速度度分量UU的分布布是均匀匀的，实实际上肯肯定会有有出入，阻阻塞系数数 的计计算值也也存在偏偏差，因因此有必必要通过过实验来来验证公公式（114）的的实用性性。具体体做法是是用三个个不同螺螺旋角  =300°、  =455°和 =600°，  =0.24的的实验值值与理论论计算值值相比较较，并将将结果绘绘在图88中。由由此可见见二者相相当符合合，这就就充分证证明公式式（144）完全全可以应应用于实实际的工工程计算算。 为为方便于于应用，引引入一个个阻塞系系数 的的影响系系数 ，即即：  再令： 将 和  代入到到（144）式中中，则旋旋流数SS式变为为： 为节省计计算时间间，现将将 、  和taan 用用表和图图线表示示出来，并并且可以以直观地地看出它它们对旋旋流数SS的影响响变化。 图8   在 RRn/RRw=00.244时旋流流数S与叶片片螺旋角角w关关系的实实验值和和理论值值比较 3.1 阻阻塞系数数 的影影响系数数  这样样就可将将 和  的关系系列成表表1。  阻塞系数数与其影影响系数数的关系系由（112）式式可见，螺螺旋体螺螺旋叶片片的数量量n和其其厚度bb之乘积积必然小小于螺旋旋叶片内内半径RRn的圆圆周长CC=2Rn,螺旋5°°455°，ccos  1，阻阻塞系数数 nnb/CCcossn1，  阻塞系数数与其其影响系系数K的关系系  根据据表1的的数据绘绘成 与与 的曲曲线图99，这样样就可以以通过计计算出的的阻塞系系数 在在图9中中查出对对应的  值。由由表1和和图9可可见，随随着阻塞塞系数  的逐渐渐增大，对对旋流数数S的影响响也就随随之增大大。 图9    阻塞塞系数影影响系数数K与与阻塞系系数的的关系 现将 与与 的关关系列成成表2，使使用起来来极为方方便。 3.22 螺旋旋叶片内内外半径径比例系系数KRR的影响响       现将将关系列列成表22，使用用起来极极为方便便。 由图66可见，螺螺旋叶片片的高度度h就等等于外半半径 与与内半径径 之差差，即：  当内外半半径比值值 越大大时，表表明螺旋旋叶片的的高度hh越小。由由表2可可见，随随着半径径的增大大，其半半径比例例系数KKR增大大，即对对旋流数数S的的影响也也越大。为为了更方方便于计计算， 根据据表2的的数据绘绘成曲线线图100。由此此可见，在在设计时时将螺旋旋叶片高高度h减减小，不不仅会增增大旋流流数S，而且且可以大大大减小小加工量量，对降降低成本本有利。  3.3 螺螺旋角  w的影影响 在实实际使用用中，螺螺旋角在在5°45°°之间。现现将它对对旋流数数S的的影响列列在表33中。  螺旋旋角 ww对旋流流数S的影响响 这说明旋旋流数SS随螺螺旋角  的增大大按正切切曲线而而增大。为为了更直直观，将将表3绘绘成曲线线图111。 图11   w=5°45°°间的正正切变化化曲线  4、旋旋流数SS的讨讨论 4.1 弱弱旋流与与强旋流流的界限限 当旋旋流数SS00.6时时的旋转转射流称称为“弱弱旋流”，这这时轴向向压力梯梯度还不不够大，不不能引起起内部回回流，因因而对火火焰稳定定没有明明显影响响，但对对引射率率和速度度衰减率率有一定定作用。因因为对工工程应用用意义不不大，所所以不作作更多的的讨论。 当旋旋流数SS00.6时时，沿射射流轴线线的反向向压力梯梯度不能能再被沿沿轴向流流动流体体质点的的动能所所克服，能能够在射射流的中中心部分分形成一一个回流流区，将将这种旋旋转射流流称为“强强旋流”。回回流区呈呈环形旋旋涡状，对对火焰的的稳定具具有相当当重要的的作用。因因为这是是一个燃燃烧产物物的良好好混合区区，在靠靠近燃烧烧器出口口的射流流中心部部分还可可储存一一定的热热量和化化学活性性物质，所所以对火火焰的稳稳定性、燃燃烧强度度、停留留时间的的分布和和形状等等都有重重要作用用。由此此可见，在在设计煤煤粉燃烧烧器时，螺螺旋体即即旋流器器必须按按强旋流流进行。 4.2 回回流区流流线的描描述 对性性能良好好的多风风道煤粉粉燃烧器器而言，都都应能形形成两个个回流区区。在火火焰中心心部分的的回流区区称为“内内部回流流区”或或“第一一回流区区”，在在火焰的的外廓与与窑皮之之间形成成的回流流区称为为“外回回流区”或或“第二二回流区区”，如如图122所示。内内部回流流区可使使火焰更更加稳定定，燃烧烧强度提提高，停停留时间间分布更更为合理理，火焰焰形状满满足回转转窑烧成成的要求求。 湍流流旋转射射流的空空气动力力学，综综合了旋旋转运动动的特性性及在射射流和尾尾迹流动动中的自自由湍流流现象。从从喷口喷喷出的流流体运动动，除具具有在非非旋转射射流中的的轴向和和径向速速度分量量外，还还存在切切向速度度分量。旋旋转运动动的存在在导致轴轴向和径径向压力力梯度的的产生，反反过来又又影响流流场。在在强旋流流的情况况下，轴轴向反压压力梯度度大的足足以能够够形成内内部回流流区，其其流线如如图133所示。环环形旋涡涡使射流流的外边边界从燃燃烧器出出口喷出出后便迅迅速膨胀胀，这种种初始膨膨胀与从从环境介介质引射射进的空空气没有有关系，环环形旋涡涡核心的的长度随随旋流数数的增加加而增大大。从燃燃烧器喷喷出后的的流体质质点已失失去燃烧烧器壁面面的约束束，有向向切线方方向飞去去的趋向向。然而而，流体体质点受受粘性力力的制约约，还受受到径向向压力的的作用。这这些因素素的综合合效应使使流线成成为图113的形形状。 只有有外部回回流区存存在，才才会使热热烟气反反混。一一可促进进风煤的的混合更更加充分分均匀；二可提提高煤粉粉的燃烧烧温度，这这两种作作用对提提高煤粉粉的燃烧烧速率具具有重要要意义；三使煤煤粉在低低氧环境境条件下下燃烧和和燃尽，可可以大大大减少NNOX有有害气体体的形成成，同时时对烧低低质煤（劣劣质煤、低低挥发分分煤和无无烟煤等等）具有有特殊的的意义。外外部回流流区的流流线及回回流量的的分布如如图144所示。 图12   回转转窑内流流场分布布与四风风道煤粉粉燃烧器器形成的的内外回回流区 图13   S=1.557时旋旋转射流流的流线线形状 在湍流旋旋转射流流中，射射流流体体与环境境流体之之间存有有密度差差，它所所形成的的火焰是是湍流扩扩散火焰焰。 图14   外部部回流区区的流线线及回流流量的分分布 4.3 旋旋流数SS量值值的合理理确定  对回回转窑多多风道煤煤粉燃烧烧器而言言，旋流流数S过大就就会使火火焰发散散，扫窑窑皮；过过小则起起不到应应有的作作用。本本文所讨讨论的仅仅仅是其其中的一一个带切切相速度度分量的的圆环形形射流，实实际上还还有不带带切向速速度分量量的外风风圆环形形射流和和煤风两两相流的的圆环形形射流，对对于四风风道煤粉粉燃烧器器，还有有中心风风一个圆圆环形射射流。可可见，回回转窑四四风道煤煤粉燃烧烧器是一一个多环环含尘燃燃烧湍流流的受限限射流，既既含有非非旋转射射流也含含有旋转转射流，既既有压力力和温度度的变化化，也有有流动谱谱型或流流场的变变化，所所形成的的火焰为为湍流扩扩散火焰焰。这就就是说，多多风道煤煤粉燃烧烧器实际际所形成成的火焰焰射流要要比本文文所讨论论的内容容复杂的的多，然然而旋流流的形成成和参数数控制却却是最重重要的基基础。  由此此可见，多多风道煤煤粉燃烧烧器与庞庞大的窑窑体相比比，无论论在体型型上、重重量上抑抑或造价价上都是是九牛一一毛，然然而要搞搞好它确确实不是是一件容容易的事事。主要要是它涉涉及的理理论学科科太多，诸诸如物理理学、化化学、燃燃烧学、空空气动力力学、机机械学和和水泥工工艺学等等，特别别是空气气动力学学，没有有相当的的理论功功底是啃啃不动的的。最好好还有一一定的看看火经验验，否则则就难以以搞好。这这就是当当前有些些名为四四风道，实实际上达达不到真真品四风风道的技技术性能能，甚至至有的还还不如单单风道使使用效果果的重要要原因之之一。 参   考   文   献 1      D.BB.斯帕帕尔丁著著、曾求求凡译：燃烧烧理论基基础，国国防工业业出版社社，19964年年6月。 2      J.MM.比埃埃尔、NN.A.切吉尔尔著、陈陈熙译：燃烧烧空气学学，科科学出版版社，119799年。 3      江旭昌昌：回回转窑多多风道煤煤粉燃烧烧器培训训教材，中中国磷肥肥工业协协会、中中国硫酸酸工业协协会，119999年4月月。 44           M.AA.菲尔尔德、DD.W.吉尔、BB.B.摩根、PP.G.W.霍霍克斯利利著，章章明川等等译：煤煤粉燃烧烧，水水利电力力出版社社，19989年年3月。