KBN新型雙通道燃燒器的可視化模擬

1、 前言 
　　燃燒器是水泥生產(chǎn)中非常重要的熱工設(shè)備，目前水泥回轉(zhuǎn)窯所使用的燃燒器主要有三通道、四通道等燃燒器；隨著環(huán)保和節(jié)能要求的提高，傳統(tǒng)的燃燒器需要在技術(shù)和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。國(guó)內(nèi)外的科研院所、技術(shù)公司在對(duì)燃燒器進(jìn)行了大量的研究，取得了一定成果：燃燒第二種燃料的五通道燃燒器以及新型雙通道燃燒器，如奧地利的M.S.A燃燒器。國(guó)內(nèi)的圣火公司也在吸收了國(guó)內(nèi)外新的燃燒理論和空氣動(dòng)力理論的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)出具有專利的KBN雙通道燃燒器，其主要性能如下： 
　?。?）、采用了環(huán)形通道射流，其射流厚度明顯增加，火焰剛度增加，使火焰的熱流分布和熟料煅燒要求達(dá)到較好的匹配，有利于提高熟料的產(chǎn)量和質(zhì)量。 
　?。?）、全部的一次凈風(fēng)作為燃燒器外套管冷卻風(fēng)量使之得到充分冷卻，減緩了因過熱變形導(dǎo)致澆注料應(yīng)力增加速度，減緩了損壞的速度。 
　　（3）、采用了可調(diào)式旋流器；取消了傳統(tǒng)燃燒器旋流風(fēng)和直流風(fēng)調(diào)節(jié)閥，不改變一次風(fēng)量的同時(shí)，可調(diào)節(jié)旋流強(qiáng)度和出口動(dòng)量，降低一次風(fēng)用量，可明顯節(jié)約一次風(fēng)機(jī)電耗。 
　?。?）、由于增加了環(huán)形射流厚度，新型雙通道燃燒器可延緩煤粉和二次風(fēng)混合速率，降低火焰峰值溫度和調(diào)節(jié)了火焰高溫中心的位置，有效地延長(zhǎng)燒成帶耐火磚壽命。 
燃燒器的研究方法有很多，比較常用的是基于計(jì)算機(jī)的數(shù)值模擬（CFD）和基于物理模型的相似模擬。前者隨著計(jì)算機(jī)的大力發(fā)展而得到廣泛的使用，具有眾多的優(yōu)勢(shì)。物理模型的相似模擬技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了很長(zhǎng)一段時(shí)間，各方面都有一定的基礎(chǔ)，而且能夠直接的測(cè)量數(shù)據(jù)和觀察形狀，因此依然是研究的主要方法之一。 
　　本文對(duì)燃燒器出口湍流場(chǎng)進(jìn)行充分地研究，推導(dǎo)了相關(guān)的相似條件，以保證試驗(yàn)和實(shí)際情況在運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)上相似；并且在此基礎(chǔ)上采用了酸堿水模擬的冷態(tài)物理模擬方法，成功對(duì)KBN燃燒器的出口湍流場(chǎng)進(jìn)行了模擬。 
2、模擬實(shí)驗(yàn) 
2.1相似條件 
模擬試驗(yàn)要與燃燒器出口湍流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)相似，必須滿足相應(yīng)的相似條件：幾何相似和必要的相似準(zhǔn)則。幾何相似主要是燃燒器以及系統(tǒng)在原型和模型中幾何形狀要求相似。本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮偷谋壤?nbsp;=1：10。 

2.2.2模擬試驗(yàn)
　　對(duì)水泥窯用燃燒器出口燃料和燃燒空氣的混合影響最大的因素之一是：一次風(fēng)的旋流強(qiáng)度和一次風(fēng)的出口動(dòng)量。根據(jù)KBN雙通道燃燒器本身的結(jié)構(gòu)，本試驗(yàn)對(duì)不同的出口動(dòng)量和旋流強(qiáng)度進(jìn)行了可視化模擬，利用攝像記錄了不同情況下的火焰形狀，并且采用PHS-3C PH數(shù)顯計(jì)測(cè)量了不同部位的PH值，PH值的變化反映不同部位的混合情況。由于模型比較小以及試驗(yàn)條件的限制，測(cè)點(diǎn)的分布并沒有采用工程中常用的等面積環(huán)法，本試驗(yàn)采用的是：中心線軸向位置、與燃燒器外徑平行的軸向線、距中心線兩倍半徑距離的軸向平行線。酸堿溶液的流量比根據(jù)實(shí)際中一次風(fēng)和煤風(fēng)的流量比計(jì)算得到 

2.3出口動(dòng)量對(duì)火焰中混合的影響 
　　試驗(yàn)在確定了相同的旋流強(qiáng)度后，對(duì)一次風(fēng)出口動(dòng)量進(jìn)行了調(diào)整。圖1~圖4是一次凈風(fēng)出口動(dòng)量逐步變小情況下的攝像和PH分布圖。 
　　由于外環(huán)一次凈風(fēng)出口的速度很大，而流量并沒有改變，因此動(dòng)量非常大；高速一次凈風(fēng)的強(qiáng)烈引射作用,使內(nèi)部環(huán)道的低速射流中的流體被引向到高速射流區(qū)去,造成中心環(huán)流偏離中心軸線,從而在火焰中心的中下游形成了一個(gè)負(fù)壓區(qū)。由于壓力梯度的作用,將造成一個(gè)很大的回流區(qū)。低速煤風(fēng)將被高速射流引射而偏離軸線,但大部分煤粉顆粒,在噴入窯后,由于慣性較大,將繼續(xù)沿原方向做直線運(yùn)動(dòng),從而進(jìn)入已形成的大回流區(qū)中；使煤粉的濃度分布與高溫氣流的溫度分布匹配更好,產(chǎn)生良好的燃燒效果。由于大回流區(qū)的高溫,煤粒進(jìn)入后即可著火，又進(jìn)一步提高回流區(qū)溫度，強(qiáng)化了燃燒效果。試驗(yàn)中，由于模擬一次凈風(fēng)的酸溶液的出口速度大，而模擬煤風(fēng)的堿性溶液速度小，大速差產(chǎn)生的引射作用，使得酸堿流體的混合反應(yīng)更早的完成。因此圖1中火焰的形狀比較短；在逐步減小出口速度后，火焰形狀的變化如圖2~圖

　圖5反映了不同速度下，火焰中心軸向位置上PH的衰減，反映了堿性溶液被引射到外部酸性溶液的程度。 
2.4旋流強(qiáng)度對(duì)火焰形狀的影響 
　　旋流火焰的長(zhǎng)度和形狀是燃燒中一個(gè)非常重要的參數(shù)；火焰的長(zhǎng)度和形狀除了與一次凈風(fēng)出口動(dòng)量有關(guān)，還與燃料的性質(zhì)、燃料和燃燒空氣在出口軸向位置上的化學(xué)當(dāng)量比（燃料與燃燒空氣的比例）以及周圍的燃燒環(huán)境有關(guān)。其中，燃料品質(zhì)越好，燃燒環(huán)境有利于燃燒，那么火焰長(zhǎng)度會(huì)明顯變短。旋流火焰隨著旋流強(qiáng)度的不斷增加，有更多的空氣從外部介質(zhì)突破湍流火焰的褶皺表層，被引射到火焰內(nèi)部，提高了火焰中各點(diǎn)處的氧氣含量。使燃燒過程得到加速，并且隨著火焰旋流強(qiáng)度的增加，混合物達(dá)到化學(xué)當(dāng)量比的位置要更加靠近燃燒器出口，因此旋流強(qiáng)度并不是越大越好。燃燒室的形狀也對(duì)化學(xué)燃燒比的位置產(chǎn)生著影響，形狀比較規(guī)則的燃燒室，火焰中的化學(xué)當(dāng)量比位置也比較合理（如窯體）；而含有突擴(kuò)或者突窄的不合理的燃燒室，化學(xué)當(dāng)量比的位置由于受到燃燒室形狀的影響，其火焰中下游的形狀也要受到更多的制約。 
　　實(shí)驗(yàn)中的出口動(dòng)量是根據(jù)H準(zhǔn)則計(jì)算得到出口動(dòng)量；表明了不同旋流強(qiáng)度（圖5~圖9旋流強(qiáng)度逐步變大）下，擴(kuò)散火焰形狀及混合的情況。圖6中，由于旋流強(qiáng)度十分小，火焰顯的非常松散和無力。在逐步加大旋流強(qiáng)度后，火焰變的比較短細(xì)。但無論在實(shí)際還是理論中，增加旋流強(qiáng)度，火焰都會(huì)變的粗短。這是由于增大旋流強(qiáng)度，燃料和燃燒空氣在徑向的混合加快，使得燃燒加劇，改善了徑向燃燒條件，擴(kuò)大了高溫半徑；更多的燃料在徑向燃燒，因此燃料濃度在軸向的衰減加快，造成火焰比較粗。本試驗(yàn)中，在增大旋流強(qiáng)度后，火焰同樣變短，但是與實(shí)際不同的是火焰也變的比較細(xì)；這是由于，酸堿溶液在旋流增大后，在徑向的混合加快，使得徑向上溶液PH的衰減加速，又由于采用的是酚酞作為指示劑（PH變色范圍8~10），因此在增大旋流后，火焰形狀的粗細(xì)與實(shí)際反映的情況有所不同，即火焰越粗表明旋流比較小，而火焰越短細(xì)則說明旋流比較大。

 
圖11是在不同旋流強(qiáng)度下，酸性溶液由于切向動(dòng)力而進(jìn)入堿性溶液的程度。這模擬實(shí)際中，新鮮空氣進(jìn)入火焰內(nèi)部的情況。 
3、結(jié)論分析 
?。?）、利用水作為介質(zhì)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，由于水的密度遠(yuǎn)比空氣大，試驗(yàn)中的水流速度遠(yuǎn)比實(shí)際氣體速度小，保證了能夠很好的觀察到火焰的形狀和混合狀況。根據(jù)相似準(zhǔn)則對(duì)KBN燃燒器出口流場(chǎng)進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)是成功的、直觀的。 
?。?）、通過模擬試驗(yàn)，證明了KBN燃燒器的主要性能是客觀的；不改變一次風(fēng)量而調(diào)整旋流強(qiáng)度和出口動(dòng)量的特點(diǎn)，大大降低了一次風(fēng)的用量；使得在實(shí)際操作中，對(duì)各種變化（如：煤粉質(zhì)量波動(dòng)、產(chǎn)量變化等）的適應(yīng)性提高和操作也更加簡(jiǎn)易。 
?。?）、酸堿水模擬技術(shù)，對(duì)于燃燒器在不同情況的調(diào)節(jié)提供了一定的參照，同時(shí)也對(duì)燃燒內(nèi)部燃料和燃燒空氣的混合提供了一個(gè)新的研究方法；在改造或者研制新的燃燒設(shè)備時(shí)，水模擬技術(shù)不僅能提供很準(zhǔn)確的流場(chǎng)狀態(tài)，而且對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)特性的合理性、靈敏性進(jìn)行了一次很好地檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)本身的難度和投資也相對(duì)比較小。 
?。?）、實(shí)際情況中，煤粉的燃燒主要是揮發(fā)份揮發(fā)燃燒、煤粉顆粒表面受熱分解、表面逐步燃燒直至燃盡；而酸堿的中和反應(yīng)速度非常快，這在一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)的相似性。因此，尋找反映速度和實(shí)際煤粉燃燒速度相近的兩種酸堿，可以使得可視化實(shí)驗(yàn)與實(shí)際進(jìn)一步完善。