多风道煤粉燃烧器旋流数的分析与计算

多风道煤粉燃烧器旋流数的分析与计算

作者：江旭昌单位:天津市博纳建材高科技研究所[2007-12-17]

关键字:多风道煤粉燃烧器-旋流度与旋流数-阻塞系数-螺旋体

摘要:通过对多风道煤粉燃烧器旋流数的分析，阐明了采用强旋流的重要性。既可使火焰更加稳定，又可使燃烧强度提高，进而保证热工制度稳定，不扫窑皮，延长火砖寿命、节煤和

提高回转窑的产、质量。

1、前言

理论分析与生产实践均证明，回转窑用煤粉燃烧器三风道明显优于单风道，四风道明显优于三风道。多风道与单风道的重要区别就在于风煤混合由管内移到了管外，并且都有一个旋流器，借以产生旋转环形射流，如图1所示。这股旋转环形射流的强弱对多风道煤粉燃烧器的性能具有重要影响：一方面可以产生速度差、方向差和压力差，使风煤混合更为充分均匀，对煤粉提高燃烧速率有利；另一方面会使火焰稳定，进而为热工制度稳定提供必要的条件。但是，如果设计不当，旋流度太小则起不到应有的作用，使火焰发飘无力，更谈不上能够顶烧。太大则会扫窑皮烧砖，不仅使运转率大大降低，而且使产质量也不能提高，给企业造成严重损失。

最近笔者接到了许多电话、传真和信函，有的亲自来单位研讨。这表明当前对四风道煤粉燃烧器的认识愈来愈深化，研究的问题亦愈来愈广泛。随着多风道，特别是旋流式四风道煤粉燃烧器的引进和推广，国内不少单位也进行了研发，但效果却相差悬殊，有好有差，个别情况还有不及单风道的。其中一个重要原因就是旋流度不合理，不匹配，不能调节到所需要的良好状态。

旋流度是一个燃烧空气动力学问题，现将笔者的一些分析和体会介绍给有关读者参考，权作一个公开的回复。

a、单风道煤粉燃烧器的风煤在管内混合及喷出情况

b、四风道煤粉燃烧器的风煤在管

外混合及喷出情况

图1 多风道与单风道的风煤混合情况

2、旋转流产生的方法

旋转射流简称为“旋转流”或“旋流”，概括起来基本上由以下三类产生的方法或曰“三种类型”：

2.1 使流体或它的一部分切向进入圆柱形流道，产生旋转运动，最后由喷口喷出。如各种喷雾器的雾化片，在煤粉燃烧器的燃油点火助燃装置中的喷油枪喷头的雾化片也是如此，见图2所示。图3所示的可调塞块式旋流燃烧器亦属此类。

图2各种雾化片简图

图3可调塞块液燃烧器简图

2.2 用机械装置的旋转使通过它们的流体获得旋转运动，如转动叶片、叶栅和管子等。奥地利尤尼兹姆公司于最近开发的M•A•S型煤粉燃烧器即属此类，如图4所示。

图4有若干旋转管的煤粉燃烧器简图

2.3 在轴向管流中应用螺旋叶片使流体产生旋转运动，如现在回转窑多风道煤粉燃烧器中多用的螺旋体即属此类，见图5。

图5 螺旋体的结构简图

用以上三种方法都可以使流体产生旋转运动或产生旋流，究竟采用那种最好应视具体情况而定。最主要的要求是旋流度可调性好，满足性能要求，结构简单，可靠度高，既便于加工制造，降低成本，同时又能保证长寿命。

3、旋流度S与旋流数S′的分析与计算

旋转射流的旋转强弱程度用“旋转强度”，简称为“旋流强度”或“旋流度”S来表示。对于不同的旋转流产生器，其计算方法不同。在多风道煤粉燃烧器中，旋转流产生器基本上都是采用螺旋体，即属于2.3项所述的在轴向管流中采用螺旋叶片使流体空气产生旋转运动的情况。当然也有煤风道出口采用螺旋叶片的，不过不多。因此，为节省篇幅现仅对这种旋转流产生器进行分析和计算。

这种旋转流产生器的简图如图6所示，螺旋叶片的外半径为，内半径为，任意半径r 上的螺旋角为，其旋流度为S可用下式表达：

式中是在自由旋转射流或火焰中的角动量轴向通量，是轴向推力，即轴向动量通量，二者均守恒，可用下式表达：

式中的为流体密度；r为任意半径；U、W和P分别为旋转射流任一截面上的轴向和切向速度分量以及静压力。用这两个动量的通量值便可以描述旋转射流的空气动力学特性，所以说这是两个特征量。

在（2）式和（3）式中的速度项可以相当精确的从旋转射流产生器简称“旋流器”的进口数据计算出来。可是（3）式中的第二项即静压项的精确确定就比较困难，因为沿流动方向的静压积分值是变化的。但是，从旋流器进口的速度分布而不是从射流中的速度分布来计算旋流度S时，静压项可以忽略不计。试验结果与考虑静压项时的计算结果相当接近，所以完全可以应用于工程计算。但是为了与轴向推力相区别，现引入一个线动量的概念，则（3）式便可写成下式：

此时的（1）式便可用下式表达：

为与旋流度S相区别，将称为“旋流数”，这是一个无因次或者无量纲的数，它仍然能够表征旋转射流的旋转强度。

图6 轴向管流中设螺旋叶片的旋流器简图

在这种情况下，如果螺旋叶片很薄，任意半径r域从Rn至Rw内变化，在管道横截面上的轴向速度分布是均匀的，此时的轴向速度用U0表示，则角动量便可用下式表达：

式中的W为射流任一横截面上的切向速度分量，由图6可见，它与轴向速度分量存在下述关系，如图7所示，即：

图7 射流切向速度分量W与轴向速度U0的关系

将（7）式代入（6）式中并对（6）式进行积分则得到下式：

用U0代替（4）式中的U，并对此式进行积分得下式，即线动量为：

将（8）式和（9）式代入到（5）式中，经整理后便可得到该旋流器的旋流数Sˊ的表达式为：

式中为任意半径r上所对应的螺旋角，随着r的增大亦增大。在一般计算中以螺旋叶片半径上的螺旋角为依据，对长螺旋叶片它们之间有下列关系：

在（10）式中还没有考虑螺旋叶片的厚度b和数量n，在多风道煤粉燃烧器中所用的旋流器，其螺旋叶片不但有，通常还很厚，所以其对旋流数Sˊ的影响是不可忽略的。另外，因为有螺旋角存在会产生一定的阻力，螺旋角越大，阻力也越大。实验表明，这二者对旋流数Sˊ都有影响，其与nb成正比例，与角的余弦成反比，把这些影响用阻塞系数表示，如下式所列：