多風(fēng)道煤粉燃燒器旋流數(shù)的分析與計(jì)算

　　1、前言

　　理論分析與生產(chǎn)實(shí)踐均證明，回轉(zhuǎn)窯用煤粉燃燒器三風(fēng)道明顯優(yōu)于單風(fēng)道，四風(fēng)道明顯優(yōu)于三風(fēng)道。多風(fēng)道與單風(fēng)道的重要區(qū)別就在于風(fēng)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(zhuǎn)環(huán)形射流，如圖1所示。這股旋轉(zhuǎn)環(huán)形射流的強(qiáng)弱對多風(fēng)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(fēng)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(jìn)而為熱工制度穩(wěn)定提供必要的條件。但是，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，旋流度太小則起不到應(yīng)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(yùn)轉(zhuǎn)率大大降低，而且使產(chǎn)質(zhì)量也不能提高，給企業(yè)造成嚴(yán)重?fù)p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(dāng)前對四風(fēng)道煤粉燃燒器的認(rèn)識愈來愈深化，研究的問題亦愈來愈廣泛。隨著多風(fēng)道，特別是旋流式四風(fēng)道煤粉燃燒器的引進(jìn)和推廣，國內(nèi)不少單位也進(jìn)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(fēng)道的。其中一個重要原因就是旋流度不合理，不匹配，不能調(diào)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(xué)問題，現(xiàn)將筆者的一些分析和體會介紹給有關(guān)讀者參考，權(quán)作一個公開的回復(fù)。

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

　　2、旋轉(zhuǎn)流產(chǎn)生的方法

　　旋轉(zhuǎn)射流簡稱為“旋轉(zhuǎn)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(jìn)入圓柱形流道，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(diǎn)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(diào)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(diào)塞塊液燃燒器簡圖

　　2.2 用機(jī)械裝置的旋轉(zhuǎn)使通過它們的流體獲得旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，如轉(zhuǎn)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(zhuǎn)管的煤粉燃燒器簡圖

　　2.3 在軸向管流中應(yīng)用螺旋葉片使流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，如現(xiàn)在回轉(zhuǎn)窯多風(fēng)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(jié)構(gòu)簡圖 

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

　　3、旋流度S與旋流數(shù)S′的分析與計(jì)算

　　旋轉(zhuǎn)射流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)弱程度用“旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度”，簡稱為“旋流強(qiáng)度”或“旋流度”S來表示。對于不同的旋轉(zhuǎn)流產(chǎn)生器，其計(jì)算方法不同。在多風(fēng)道煤粉燃燒器中，旋轉(zhuǎn)流產(chǎn)生器基本上都是采用螺旋體，即屬于2.3項(xiàng)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(zhuǎn)運(yùn)動的情況。當(dāng)然也有煤風(fēng)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(zhuǎn)流產(chǎn)生器進(jìn)行分析和計(jì)算。

　　這種旋轉(zhuǎn)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(dá)：

式中 是在自由旋轉(zhuǎn)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(dá)：

式中的 為流體密度；r為任意半徑；U、W和P分別為旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)射流的空氣動力學(xué)特性，所以說這是兩個特征量。

　　在（2）式和（3）式中的速度項(xiàng)可以相當(dāng)精確的從旋轉(zhuǎn)射流產(chǎn)生器簡稱“旋流器”的進(jìn)口數(shù)據(jù)計(jì)算出來?？墒牵?）式中的第二項(xiàng)即靜壓項(xiàng)的精確確定就比較困難，因?yàn)檠亓鲃臃较虻撵o壓積分值是變化的。但是，從旋流器進(jìn)口的速度分布而不是從射流中的速度分布來計(jì)算旋流度S時(shí)，靜壓項(xiàng)可以忽略不計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果與考慮靜壓項(xiàng)時(shí)的計(jì)算結(jié)果相當(dāng)接近，所以完全可以應(yīng)用于工程計(jì)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(shí)的（1）式便可用下式表達(dá)：

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(zhuǎn)射流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度。

圖6    軸向管流中設(shè)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(shí)的軸向速度用U0表示，則角動量便可用下式表達(dá)： 

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(guān)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(guān)系

　　將（7）式代入（6）式中并對（6）式進(jìn)行積分則得到下式：

　　用U0代替（4）式中的U，并對此式進(jìn)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(dá)式為：

式中 為任意半徑r上所對應(yīng)的螺旋角，隨著r的增大 亦增大。在一般計(jì)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(guān)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(fēng)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?yàn)橛新菪?nbsp;存在會產(chǎn)生一定的阻力，螺旋角 越大，阻力也越大。實(shí)驗(yàn)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(shí)，根據(jù)Leuckel.W的分析，其角動量的軸向通量 的理論表達(dá)式為：

　　這時(shí)的旋流數(shù)Sˊ便為下式：

　　在上述推導(dǎo)旋流數(shù)Sˊ的過程中，假設(shè)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(shí)際上肯定會有出入，阻塞系數(shù) 的計(jì)算值也存在偏差，因此有必要通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證公式（14）的實(shí)用性。具體做法是用三個不同螺旋角 =30°、 =45°和 =60°， =0.24的實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算值相比較，并將結(jié)果繪在圖8中。由此可見二者相當(dāng)符合，這就充分證明公式（14）完全可以應(yīng)用于實(shí)際的工程計(jì)算。
為方便于應(yīng)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(jì)算時(shí)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(shí)旋流數(shù)S′與葉片螺旋角αw關(guān)系的實(shí)驗(yàn)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(guān)系列成表1。 

阻塞系數(shù)與其影響系數(shù)的關(guān)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(guān)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(jì)算出的阻塞系數(shù) 在圖9中查出對應(yīng)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(guān)系

現(xiàn)將 與 的關(guān)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(guān)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(dāng)內(nèi)外半徑比值 越大時(shí)，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(jì)算，

　　根據(jù)表2的數(shù)據(jù)繪成曲線圖10。由此可見，在設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)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(qiáng)旋流的界限 

　　當(dāng)旋流數(shù)S′＜0.6時(shí)的旋轉(zhuǎn)射流稱為“弱旋流”，這時(shí)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?yàn)閷こ虘?yīng)用意義不大，所以不作更多的討論。

　　當(dāng)旋流數(shù)S′＞0.6時(shí)，沿射流軸線的反向壓力梯度不能再被沿軸向流動流體質(zhì)點(diǎn)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(zhuǎn)射流稱為“強(qiáng)旋流”。回流區(qū)呈環(huán)形旋渦狀，對火焰的穩(wěn)定具有相當(dāng)重要的作用。因?yàn)檫@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(xué)活性物質(zhì)，所以對火焰的穩(wěn)定性、燃燒強(qiáng)度、停留時(shí)間的分布和形狀等都有重要作用。由此可見，在設(shè)計(jì)煤粉燃燒器時(shí)，螺旋體即旋流器必須按強(qiáng)旋流進(jìn)行。

　　4.2 回流區(qū)流線的描述

　　對性能良好的多風(fēng)道煤粉燃燒器而言，都應(yīng)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(qiáng)度提高，停留時(shí)間分布更為合理，火焰形狀滿足回轉(zhuǎn)窯燒成的要求。

　　湍流旋轉(zhuǎn)射流的空氣動力學(xué)，綜合了旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)動，除具有在非旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運(yùn)動的存在導(dǎo)致軸向和徑向壓力梯度的產(chǎn)生，反過來又影響流場。在強(qiáng)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(zhì)引射進(jìn)的空氣沒有關(guān)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(zhì)點(diǎn)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(zhì)點(diǎn)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(yīng)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(jìn)風(fēng)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(shí)對燒低質(zhì)煤（劣質(zhì)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(zhuǎn)窯內(nèi)流場分布與四風(fēng)道煤粉燃燒器形成的內(nèi)外回流區(qū)

圖13  S=1.57時(shí)旋轉(zhuǎn)射流的流線形狀

在湍流旋轉(zhuǎn)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(kuò)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(zhuǎn)窯多風(fēng)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(yīng)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(shí)際上還有不帶切向速度分量的外風(fēng)圓環(huán)形射流和煤風(fēng)兩相流的圓環(huán)形射流，對于四風(fēng)道煤粉燃燒器，還有中心風(fēng)一個圓環(huán)形射流?？梢姡剞D(zhuǎn)窯四風(fēng)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(zhuǎn)射流也含有旋轉(zhuǎn)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(kuò)散火焰。這就是說，多風(fēng)道煤粉燃燒器實(shí)際所形成的火焰射流要比本文所討論的內(nèi)容復(fù)雜的多，然而旋流的形成和參數(shù)控制卻是最重要的基礎(chǔ)。 

　　由此可見，多風(fēng)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(jià)上都是九牛一毛，然而要搞好它確實(shí)不是一件容易的事。主要是它涉及的理論學(xué)科太多，諸如物理學(xué)、化學(xué)、燃燒學(xué)、空氣動力學(xué)、機(jī)械學(xué)和水泥工藝學(xué)等，特別是空氣動力學(xué)，沒有相當(dāng)?shù)睦碚摴Φ资强胁粍拥?。最好還有一定的看火經(jīng)驗(yàn)，否則就難以搞好。這就是當(dāng)前有些名為四風(fēng)道，實(shí)際上達(dá)不到真品四風(fēng)道的技術(shù)性能，甚至有的還不如單風(fēng)道使用效果的重要原因之一。

　　參  考  文  獻(xiàn)
　　[1]    D.B.斯帕爾丁著、曾求凡譯：《燃燒理論基礎(chǔ)》，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(xué)》，科學(xué)出版社，1979年。
　　[3]    江旭昌：《回轉(zhuǎn)窯多風(fēng)道煤粉燃燒器培訓(xùn)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。