KBN新型雙通道燃燒器可視化模擬試驗(yàn)

摘要:本文利用酸堿水模擬技術(shù)，對KBN新型雙通道燃燒器出口情況進(jìn)行了可視化模擬。模擬試驗(yàn)結(jié)果表明KBN燃燒器在不改變一次風(fēng)量的情況，對于旋流強(qiáng)度和出口動(dòng)量的調(diào)節(jié)都是可靠的、靈敏的。

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(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：?
　　（1）、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。?
　?。?）、多部的一次凈風(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(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。物理模型的相似模擬技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了很長一段時(shí)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(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KBN燃燒器的出口湍流場進(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?=1：10。

? 2.2 kbn燃燒器出口流暢的模擬

?? 2.2.1 實(shí)際工況

表1某水泥廠2500t預(yù)分解kbn燃燒器主要的技術(shù)參數(shù)

表2模擬設(shè)計(jì)中的一些參數(shù)

2.2.2模擬試驗(yàn)
　　對水泥窯用燃燒器出口燃料和燃燒空氣的混合影響 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