三通道燃燒器設(shè)計計算的半經(jīng)驗方法

1 前言

　　 三通道燃燒器是國外七十年代發(fā)展起來的一種高效燃燒裝置，國內(nèi)從八十年代初期引進并進行二次開發(fā)，取得了一些成功的經(jīng)驗。然而由于燃燒器出口流動過程的復(fù)雜性，再加之缺乏一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，所以設(shè)計過程是基于經(jīng)驗，選取一次空氣用量和燃燒器出口速度，并由此確定出口截面積。這種設(shè)計方法缺乏一定的科學(xué)依據(jù)，不可能確保所設(shè)計的燃燒器于相應(yīng)窯系統(tǒng)相匹配，給操作過程帶來很大的盲目性。不合理的燃燒器設(shè)計與操作往往導(dǎo)致窯內(nèi)煤粉燃燒狀況不良，從而使得窯的單位產(chǎn)量熱耗增加，燒成帶耐火材料壽命縮短，熟料標(biāo)號降低。為此本文試圖從窯內(nèi)煤粉燃燒過程的具體特點出發(fā)，著重煤粉射流與二次風(fēng)的混合速率分析，并將多通道的同軸射流視作為單股旋轉(zhuǎn)射流進行簡化處理，同時引入一些修正常數(shù)。此常數(shù)由實驗或數(shù)值模擬確定，并由此導(dǎo)出易于工程應(yīng)用的計算公式。

2 半經(jīng)驗公式的推導(dǎo)
　　水泥回轉(zhuǎn)窯煅燒中，三通道燃燒器射流引射二次風(fēng)屬于受限射流。為了計算方便作以下假定：射流混合區(qū)內(nèi)任一垂直于射流軸線截面的引射量作為其下游射流的一部分，則軸向射流及旋轉(zhuǎn)射流對二次風(fēng)的引射速率為：

　　　對于三通道煤粉燃燒器，采用軸向動量的當(dāng)量通量：　　根據(jù)動量守恒原理，在射流擴展過程中，角動量和軸向動量及當(dāng)量軸向通量均保持為常數(shù)，聯(lián)立求解方程(1)、(4)、(5)可得到下列等式：　　從式(7)中可以看出第一項為射流軸向運動的引射量，第二項為射流旋轉(zhuǎn)運動而產(chǎn)生的附加引射量。
　　為達到煤粉在接近當(dāng)量比下燃燒，式(7)中M應(yīng)根據(jù)燃燒計算所需要的實際空氣需要量給出。為方便分析令：　　式(7)中，X的最大值等于射流混合區(qū)長度，只有當(dāng)射量出口動量小到一定值時，外回流區(qū)完全消失，才會出現(xiàn)這一情況，此時X為： 　　根據(jù)實驗資料，等溫旋轉(zhuǎn)射流的引射量可以用下列經(jīng)驗式表示：　　K3可以通過燃燒計算得出。因此，若通過對現(xiàn)行噴嘴結(jié)構(gòu)利用冷態(tài)實驗確定а值和α值，則便可以利用式(10)計算出燃燒器射流必須達到的最小軸向當(dāng)量通量。 3 系數(shù)а和α的確定方法

　　系數(shù)а和α的確定原則上可以通過冷態(tài)模擬或數(shù)值模擬來進行，本文擬采用數(shù)值模擬的方法確定。
　　從粘性流體的動量方程出發(fā),采用雷諾平均可以得到平均運動的動量方程，對方程中的高階關(guān)聯(lián)項采用梯度模擬,二階關(guān)聯(lián)項(即雷諾應(yīng)力)通過定義兩個標(biāo)量Κ和ε和來封閉，即采用所謂的Κ-ε雙方程湍流模型。通用方程可以寫成如下： 　　對上述方程在控制容積內(nèi)采用有限差分離散為代數(shù)方程，采用SIMPLE算法(3)給定邊界條件即可求解。
　　圖1是某一特定工況下同軸射流計算的氣體速度矢量圖和同等流量下相同旋流數(shù)的單通道旋轉(zhuǎn)射流的氣流速度矢量圖。從圖中可以看出，由于同軸射流外風(fēng)速度較高，導(dǎo)致了對二次風(fēng)引射能力的增強，外回流開始點提前，但外回流結(jié)束點與單股轉(zhuǎn)射流相同，這是由于二者具有相同的旋流數(shù)和流量。通過不同幾何尺寸不同流量和旋流數(shù)工況的模擬計算，比較兩射流造成的外回流區(qū)中心的長短就可以確定а和α的大小。а的范圍基本上在1.5d ₀一3d ₀之間，其中d ₀是三通道燃燒器外風(fēng)通道的外徑。α基本上符合式(6)，只不過K₀不是4.8而是l1.5，Κ仍取14。利用此數(shù)值計算得外回流結(jié)束的長度與實驗結(jié)果〔2〕相差16%，基本上可以滿足工程計算的需要。該方法已成功地應(yīng)用于多套旋窯煤粉燃燒器參數(shù)的設(shè)計。