多風道煤粉燃燒器旋流數(shù)的分析與計算

　　1、前言

　　理論分析與生產(chǎn)實踐均證明，回轉窯用煤粉燃燒器三風道明顯優(yōu)于單風道，四風道明顯優(yōu)于三風道。多風道與單風道的重要區(qū)別就在于風煤混合由管內(nèi)移到了管外，并且都有一個旋流器，借以產(chǎn)生旋轉環(huán)形射流，如圖1所示。這股旋轉環(huán)形射流的強弱對多風道煤粉燃燒器的性能具有重要影響：一方面可以產(chǎn)生速度差、方向差和壓力差，使風煤混合更為充分均勻，對煤粉提高燃燒速率有利；另一方面會使火焰穩(wěn)定，進而為熱工制度穩(wěn)定提供必要的條件。但是，如果設計不當，旋流度太小則起不到應有的作用，使火焰發(fā)飄無力，更談不上能夠頂燒。太大則會掃窯皮燒磚，不僅使運轉率大大降低，而且使產(chǎn)質量也不能提高，給企業(yè)造成嚴重損失。

　　最近筆者接到了許多電話、傳真和信函，有的親自來單位研討。這表明當前對四風道煤粉燃燒器的認識愈來愈深化，研究的問題亦愈來愈廣泛。隨著多風道，特別是旋流式四風道煤粉燃燒器的引進和推廣，國內(nèi)不少單位也進行了研發(fā)，但效果卻相差懸殊，有好有差，個別情況還有不及單風道的。其中一個重要原因就是旋流度不合理，不匹配，不能調節(jié)到所需要的良好狀態(tài)。
旋流度是一個燃燒空氣動力學問題，現(xiàn)將筆者的一些分析和體會介紹給有關讀者參考，權作一個公開的回復。

a、單風道煤粉燃燒器的風煤在管內(nèi)混合及噴出情況         b、四風道煤粉燃燒器的風煤在管外混合及噴出情況
圖1   多風道與單風道的風煤混合情況 

　　2、旋轉流產(chǎn)生的方法

　　旋轉射流簡稱為“旋轉流”或“旋流”，概括起來基本上由以下三類產(chǎn)生的方法或曰“三種類型”：

　　2.1 使流體或它的一部分切向進入圓柱形流道，產(chǎn)生旋轉運動，最后由噴口噴出。如各種噴霧器的霧化片，在煤粉燃燒器的燃油點火助燃裝置中的噴油槍噴頭的霧化片也是如此， 見圖2所示。圖3所示的可調塞塊式旋流燃燒器亦屬此類。

圖2　各種霧化片簡圖

圖3　可調塞塊液燃燒器簡圖

　　2.2 用機械裝置的旋轉使通過它們的流體獲得旋轉運動，如轉動葉片、葉柵和管子等。奧地利尤尼茲姆公司于最近開發(fā)的M•A•S型煤粉燃燒器即屬此類，如圖4所示。

圖4　有若干旋轉管的煤粉燃燒器簡圖

　　2.3 在軸向管流中應用螺旋葉片使流體產(chǎn)生旋轉運動，如現(xiàn)在回轉窯多風道煤粉燃燒器中多用的螺旋體即屬此類，見圖5。

圖5  螺旋體的結構簡圖 

用以上三種方法都可以使流體產(chǎn)生旋轉運動或產(chǎn)生旋流，究竟采用那種最好應視具體情況而定。最主要的要求是旋流度可調性好，滿足性能要求，結構簡單，可靠度高，既便于加工制造，降低成本，同時又能保證長壽命。 

　　3、旋流度S與旋流數(shù)S′的分析與計算

　　旋轉射流的旋轉強弱程度用“旋轉強度”，簡稱為“旋流強度”或“旋流度”S來表示。對于不同的旋轉流產(chǎn)生器，其計算方法不同。在多風道煤粉燃燒器中，旋轉流產(chǎn)生器基本上都是采用螺旋體，即屬于2.3項所述的在軸向管流中采用螺旋葉片使流體空氣產(chǎn)生旋轉運動的情況。當然也有煤風道出口采用螺旋葉片的，不過不多。因此，為節(jié)省篇幅現(xiàn)僅對這種旋轉流產(chǎn)生器進行分析和計算。

　　這種旋轉流產(chǎn)生器的簡圖如圖6所示，螺旋葉片的外半徑為 ，內(nèi)半徑為 ，任意半徑r上的螺旋角為 ，其旋流度為S可用下式表達：

式中 是在自由旋轉射流或火焰中的角動量軸向通量， 是軸向推力，即軸向動量通量，二者均守恒，可用下式表達：

式中的 為流體密度；r為任意半徑；U、W和P分別為旋轉射流任一截面上的軸向和切向速度分量以及靜壓力。用這兩個動量的通量值便可以描述旋轉射流的空氣動力學特性，所以說這是兩個特征量。

　　在（2）式和（3）式中的速度項可以相當精確的從旋轉射流產(chǎn)生器簡稱“旋流器”的進口數(shù)據(jù)計算出來?？墒牵?）式中的第二項即靜壓項的精確確定就比較困難，因為沿流動方向的靜壓積分值是變化的。但是，從旋流器進口的速度分布而不是從射流中的速度分布來計算旋流度S時，靜壓項可以忽略不計。試驗結果與考慮靜壓項時的計算結果相當接近，所以完全可以應用于工程計算。但是為了與軸向推力 相區(qū)別，現(xiàn)引入一個線動量 的概念，則（3）式便可寫成下式：

此時的（1）式便可用下式表達：

為與旋流度S相區(qū)別，將 稱為“旋流數(shù)”，這是一個無因次或者無量綱的數(shù)，它仍然能夠表征旋轉射流的旋轉強度。

圖6    軸向管流中設螺旋葉片的旋流器簡圖 

　　在這種情況下，如果螺旋葉片很薄，任意半徑r域從Rn至Rw內(nèi)變化，在管道橫截面上的軸向速度分布是均勻的，此時的軸向速度用U0表示，則角動量便可用下式表達： 

式中的W為射流任一橫截面上的切向速度分量，由圖6可見，它與軸向速度分量 存在下述關系，如圖7所示，即：

圖7  射流切向速度分量W與軸向速度U0的關系

　　將（7）式代入（6）式中并對（6）式進行積分則得到下式：

　　用U0代替（4）式中的U，并對此式進行積分得下式，即線動量為：

　　將（8）式和（9）式代入到（5）式中，經(jīng)整理后便可得到該旋流器的旋流數(shù)Sˊ的表達式為：

式中 為任意半徑r上所對應的螺旋角，隨著r的增大 亦增大。在一般計算中以螺旋葉片半徑 上的螺旋角 為依據(jù)，對長螺旋葉片它們之間有下列關系：

　　在（10）式中還沒有考慮螺旋葉片的厚度b和數(shù)量n，在多風道煤粉燃燒器中所用的旋流器，其螺旋葉片不但有，通常還很厚，所以其對旋流數(shù)Sˊ的影響是不可忽略的。另外，因為有螺旋角 存在會產(chǎn)生一定的阻力，螺旋角 越大，阻力也越大。實驗表明，這二者對旋流數(shù)Sˊ都有影響，其與nb成正比例，與 角的余弦成反比，把這些影響用阻塞系數(shù) 表示，如下式所列：

考慮阻塞系數(shù) 時，根據(jù)Leuckel.W的分析，其角動量的軸向通量 的理論表達式為：

　　這時的旋流數(shù)Sˊ便為下式：

　　在上述推導旋流數(shù)Sˊ的過程中，假設旋流器出口后面管道橫截面上軸向速度分量U的分布是均勻的，實際上肯定會有出入，阻塞系數(shù) 的計算值也存在偏差，因此有必要通過實驗來驗證公式（14）的實用性。具體做法是用三個不同螺旋角 =30°、 =45°和 =60°， =0.24的實驗值與理論計算值相比較，并將結果繪在圖8中。由此可見二者相當符合，這就充分證明公式（14）完全可以應用于實際的工程計算。
為方便于應用，引入一個阻塞系數(shù) 的影響系數(shù) ，即： 

再令：

將 和 代入到（14）式中，則旋流數(shù)Sˊ式變?yōu)椋?

為節(jié)省計算時間，現(xiàn)將 、 和tan 用表和圖線表示出來，并且可以直觀地看出它們對旋流數(shù)Sˊ的影響變化。

圖8  在 Rn/Rw=0.24時旋流數(shù)S′與葉片螺旋角αw關系的實驗值和理論值比較

　　3.1 阻塞系數(shù) 的影響系數(shù) 

　　這樣就可將 和 的關系列成表1。 

阻塞系數(shù)與其影響系數(shù)的關系　

　　由（12）式可見，螺旋體螺旋葉片的數(shù)量n和其厚度b之乘積必然小于螺旋葉片內(nèi)半徑Rn的圓周長C=2πRn,螺旋α＝5°～45°，cos ≤1，阻塞系數(shù) Ψnb/Ccosαn≤1， 

阻塞系數(shù)ψ與其影響系數(shù)Kψ的關系 

　　根據(jù)表1的數(shù)據(jù)繪成 與 的曲線圖9，這樣就可以通過計算出的阻塞系數(shù) 在圖9中查出對應的 值。由表1和圖9可見，隨著阻塞系數(shù) 的逐漸增大，對旋流數(shù)Sˊ的影響也就隨之增大。

圖9   阻塞系數(shù)影響系數(shù)Kψ與阻塞系數(shù)ψ的關系

現(xiàn)將 與 的關系列成表2，使用起來極為方便。

3.2 螺旋葉片內(nèi)外半徑比例系數(shù)KR的影響     

　　現(xiàn)將關系列成表2，使用起來極為方便。

 由圖6可見，螺旋葉片的高度h就等于外半徑 與內(nèi)半徑 之差，即： 

當內(nèi)外半徑比值 越大時，表明螺旋葉片的高度h越小。由表2可見，隨著半徑的增大，其半徑比例系數(shù)KR增大，即對旋流數(shù)S′的影響也越大。為了更方便于計算，

　　根據(jù)表2的數(shù)據(jù)繪成曲線圖10。由此可見，在設計時將螺旋葉片高度h減小，不僅會增大旋流數(shù)S′，而且可以大大減小加工量，對降低成本有利。 

　　3.3 螺旋角 w的影響

　　在實際使用中，螺旋角在5°～45°之間?，F(xiàn)將它對旋流數(shù)S′的影響列在表3中。

  螺旋角 w對旋流數(shù)S′的影響

這說明旋流數(shù)S′隨螺旋角 的增大按正切曲線而增大。為了更直觀，將表3繪成曲線圖11。

圖11  w=5°～45°間的正切變化曲線 

　　4、旋流數(shù)S′的討論

　　4.1 弱旋流與強旋流的界限 

　　當旋流數(shù)S′＜0.6時的旋轉射流稱為“弱旋流”，這時軸向壓力梯度還不夠大，不能引起內(nèi)部回流，因而對火焰穩(wěn)定沒有明顯影響，但對引射率和速度衰減率有一定作用。因為對工程應用意義不大，所以不作更多的討論。

　　當旋流數(shù)S′＞0.6時，沿射流軸線的反向壓力梯度不能再被沿軸向流動流體質點的動能所克服，能夠在射流的中心部分形成一個回流區(qū)，將這種旋轉射流稱為“強旋流”?；亓鲄^(qū)呈環(huán)形旋渦狀，對火焰的穩(wěn)定具有相當重要的作用。因為這是一個燃燒產(chǎn)物的良好混合區(qū)，在靠近燃燒器出口的射流中心部分還可儲存一定的熱量和化學活性物質，所以對火焰的穩(wěn)定性、燃燒強度、停留時間的分布和形狀等都有重要作用。由此可見，在設計煤粉燃燒器時，螺旋體即旋流器必須按強旋流進行。

　　4.2 回流區(qū)流線的描述

　　對性能良好的多風道煤粉燃燒器而言，都應能形成兩個回流區(qū)。在火焰中心部分的回流區(qū)稱為“內(nèi)部回流區(qū)”或“第一回流區(qū)”，在火焰的外廓與窯皮之間形成的回流區(qū)稱為“外回流區(qū)”或“第二回流區(qū)”，如圖12所示。內(nèi)部回流區(qū)可使火焰更加穩(wěn)定，燃燒強度提高，停留時間分布更為合理，火焰形狀滿足回轉窯燒成的要求。

　　湍流旋轉射流的空氣動力學，綜合了旋轉運動的特性及在射流和尾跡流動中的自由湍流現(xiàn)象。從噴口噴出的流體運動，除具有在非旋轉射流中的軸向和徑向速度分量外，還存在切向速度分量。旋轉運動的存在導致軸向和徑向壓力梯度的產(chǎn)生，反過來又影響流場。在強旋流的情況下，軸向反壓力梯度大的足以能夠形成內(nèi)部回流區(qū)，其流線如圖13所示。環(huán)形旋渦使射流的外邊界從燃燒器出口噴出后便迅速膨脹，這種初始膨脹與從環(huán)境介質引射進的空氣沒有關系，環(huán)形旋渦核心的長度隨旋流數(shù)的增加而增大。從燃燒器噴出后的流體質點已失去燃燒器壁面的約束，有向切線方向飛去的趨向。然而，流體質點受粘性力的制約，還受到徑向壓力的作用。這些因素的綜合效應使流線成為圖13的形狀。

　　只有外部回流區(qū)存在，才會使熱煙氣反混。一可促進風煤的混合更加充分均勻；二可提高煤粉的燃燒溫度，這兩種作用對提高煤粉的燃燒速率具有重要意義；三使煤粉在低氧環(huán)境條件下燃燒和燃盡，可以大大減少NOX有害氣體的形成，同時對燒低質煤（劣質煤、低揮發(fā)分煤和無煙煤等）具有特殊的意義。外部回流區(qū)的流線及回流量的分布如圖14所示。

圖12  回轉窯內(nèi)流場分布與四風道煤粉燃燒器形成的內(nèi)外回流區(qū)

圖13  S=1.57時旋轉射流的流線形狀

在湍流旋轉射流中，射流流體與環(huán)境流體之間存有密度差，它所形成的火焰是湍流擴散火焰。

圖14  外部回流區(qū)的流線及回流量的分布 

　　4.3 旋流數(shù)S′量值的合理確定 

　　對回轉窯多風道煤粉燃燒器而言，旋流數(shù)S′過大就會使火焰發(fā)散，掃窯皮；過小則起不到應有的作用。本文所討論的僅僅是其中的一個帶切相速度分量的圓環(huán)形射流，實際上還有不帶切向速度分量的外風圓環(huán)形射流和煤風兩相流的圓環(huán)形射流，對于四風道煤粉燃燒器，還有中心風一個圓環(huán)形射流?？梢?，回轉窯四風道煤粉燃燒器是一個多環(huán)含塵燃燒湍流的受限射流，既含有非旋轉射流也含有旋轉射流，既有壓力和溫度的變化，也有流動譜型或流場的變化，所形成的火焰為湍流擴散火焰。這就是說，多風道煤粉燃燒器實際所形成的火焰射流要比本文所討論的內(nèi)容復雜的多，然而旋流的形成和參數(shù)控制卻是最重要的基礎。 

　　由此可見，多風道煤粉燃燒器與龐大的窯體相比，無論在體型上、重量上抑或造價上都是九牛一毛，然而要搞好它確實不是一件容易的事。主要是它涉及的理論學科太多，諸如物理學、化學、燃燒學、空氣動力學、機械學和水泥工藝學等，特別是空氣動力學，沒有相當?shù)睦碚摴Φ资强胁粍拥?。最好還有一定的看火經(jīng)驗，否則就難以搞好。這就是當前有些名為四風道，實際上達不到真品四風道的技術性能，甚至有的還不如單風道使用效果的重要原因之一。

　　參  考  文  獻
　　[1]    D.B.斯帕爾丁著、曾求凡譯：《燃燒理論基礎》，國防工業(yè)出版社，1964年6月。
　　[2]    J.M.比埃爾、N.A.切吉爾著、陳熙譯：《燃燒空氣學》，科學出版社，1979年。
　　[3]    江旭昌：《回轉窯多風道煤粉燃燒器培訓教材》，中國磷肥工業(yè)協(xié)會、中國硫酸工業(yè)協(xié)會，1999年4月。
　　[4]        M.A.菲爾德、D.W.吉爾、B.B.摩根、P.G.W.霍克斯利著，章明川等譯：《煤粉燃燒》，水利電力出版社，1989年3月。