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)。國內(nèi)外的科研院所、技術(shù)公司在對燃燒器進(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。國內(nèi)的圣火公司也在吸收了國內(nèi)外新的燃燒理論和空氣動力理論的基礎(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。 
　?。?）、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，可調(diào)節(jié)旋流強(qiáng)度和出口動量，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。物理模型的相似模擬技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了很長一段時間，各方面都有一定的基礎(chǔ)，而且能夠直接的測量數(shù)據(jù)和觀察形狀，因此依然是研究的主要方法之一。 
　　本文對燃燒器出口湍流場進(jìn)行充分地研究，推導(dǎo)了相關(guān)的相似條件，以保證試驗和實際情況在運(yùn)動學(xué)、動力學(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KBN燃燒器的出口湍流場進(jìn)行了模擬。 
2、模擬實驗 
2.1相似條件 
模擬試驗要與燃燒器出口湍流場中運(yùn)動學(xué)、動力學(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。本實驗?zāi)Ｐ秃驮偷谋壤?nbsp;=1：10。 

2.2.2模擬試驗
　　對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)的出口動量。根據(jù)KBN雙通道燃燒器本身的結(jié)構(gòu)，本試驗對不同的出口動量和旋流強(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)顯計測量了不同部位的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條件的限制，測點的分布并沒有采用工程中常用的等面積環(huán)法，本試驗采用的是：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)實際中一次風(fēng)和煤風(fēng)的流量比計算得到 

2.3出口動量對火焰中混合的影響 
　　試驗在確定了相同的旋流強(qiáng)度后，對一次風(fēng)出口動量進(jìn)行了調(diào)整。圖1~圖4是一次凈風(fēng)出口動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負(fù)壓區(qū)。由于壓力梯度的作用,將造成一個很大的回流區(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,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)度對火焰形狀的影響 
　　旋流火焰的長度和形狀是燃燒中一個非常重要的參數(shù)；火焰的長度和形狀除了與一次凈風(fēng)出口動量有關(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，那么火焰長度會明顯變短。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。 
　　實驗中的出口動量是根據(jù)H準(zhǔn)則計算得到出口動量；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)。但無論在實際還是理論中，增加旋流強(qiáng)度，火焰都會變的粗短。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。本試驗中，在增大旋流強(qiáng)度后，火焰同樣變短，但是與實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力而進(jìn)入堿性溶液的程度。這模擬實際中，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)行模擬實驗，由于水的密度遠(yuǎn)比空氣大，試驗中的水流速度遠(yuǎn)比實際氣體速度小，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KBN燃燒器出口流場進(jìn)行的模擬實驗是成功的、直觀的。 
?。?）、通過模擬試驗，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)度和出口動量的特點，大大降低了一次風(fēng)的用量；使得在實際操作中，對各種變化（如：煤粉質(zhì)量波動、產(chǎn)量變化等）的適應(yīng)性提高和操作也更加簡易。 
　（3）、酸堿水模擬技術(shù)，對于燃燒器在不同情況的調(diào)節(jié)提供了一定的參照，同時也對燃燒內(nèi)部燃料和燃燒空氣的混合提供了一個新的研究方法；在改造或者研制新的燃燒設(shè)備時，水模擬技術(shù)不僅能提供很準(zhǔn)確的流場狀態(tài)，而且對設(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，實驗本身的難度和投資也相對比較小。 
　（4）、實際情況中，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驗的相似性。因此，尋找反映速度和實際煤粉燃燒速度相近的兩種酸堿，可以使得可視化實驗與實際進(jìn)一步完善。