KBN新型双通道燃烧器的可视化模拟

1、 前言 
　　燃烧器是水泥生产中非常重要的热工设备，目前水泥回转窑所使用的燃烧器主要有三通道、四通道等燃烧器；随着环保和节能要求的提高，传统的燃烧器需要在技术和结构上进行相应的改进。国内外的科研院所、技术公司在对燃烧器进行了大量的研究，取得了一定成果：燃烧第二种燃料的五通道燃烧器以及新型双通道燃烧器，如奥地利的M.S.A燃烧器。国内的圣火公司也在吸收了国内外新的燃烧理论和空气动力理论的基础上，自主研发出具有专利的KBN双通道燃烧器，其主要性能如下： 
　　（1）、采用了环形通道射流，其射流厚度明显增加，火焰刚度增加，使火焰的热流分布和熟料煅烧要求达到较好的匹配，有利于提高熟料的产量和质量。 
　　（2）、全部的一次净风作为燃烧器外套管冷却风量使之得到充分冷却，减缓了因过热变形导致浇注料应力增加速度，减缓了损坏的速度。 
　　（3）、采用了可调式旋流器；取消了传统燃烧器旋流风和直流风调节阀，不改变一次风量的同时，可调节旋流强度和出口动量，降低一次风用量，可明显节约一次风机电耗。 
　　（4）、由于增加了环形射流厚度，新型双通道燃烧器可延缓煤粉和二次风混合速率，降低火焰峰值温度和调节了火焰高温中心的位置，有效地延长烧成带耐火砖寿命。 
燃烧器的研究方法有很多，比较常用的是基于计算机的数值模拟（CFD）和基于物理模型的相似模拟。前者随着计算机的大力发展而得到广泛的使用，具有众多的优势。物理模型的相似模拟技术已经发展了很长一段时间，各方面都有一定的基础，而且能够直接的测量数据和观察形状，因此依然是研究的主要方法之一。 
　　本文对燃烧器出口湍流场进行充分地研究，推导了相关的相似条件，以保证试验和实际情况在运动学、动力学上相似；并且在此基础上采用了酸碱水模拟的冷态物理模拟方法，成功对KBN燃烧器的出口湍流场进行了模拟。 
2、模拟实验 
2.1相似条件 
模拟试验要与燃烧器出口湍流场中运动学、动力学相似，必须满足相应的相似条件：几何相似和必要的相似准则。几何相似主要是燃烧器以及系统在原型和模型中几何形状要求相似。本实验模型和原型的比例是 =1：10。 

2.2.2模拟试验
　　对水泥窑用燃烧器出口燃料和燃烧空气的混合影响最大的因素之一是：一次风的旋流强度和一次风的出口动量。根据KBN双通道燃烧器本身的结构，本试验对不同的出口动量和旋流强度进行了可视化模拟，利用摄像记录了不同情况下的火焰形状，并且采用PHS-3C PH数显计测量了不同部位的PH值，PH值的变化反映不同部位的混合情况。由于模型比较小以及试验条件的限制，测点的分布并没有采用工程中常用的等面积环法，本试验采用的是：中心线轴向位置、与燃烧器外径平行的轴向线、距中心线两倍半径距离的轴向平行线。酸碱溶液的流量比根据实际中一次风和煤风的流量比计算得到 

2.3出口动量对火焰中混合的影响 
　　试验在确定了相同的旋流强度后，对一次风出口动量进行了调整。图1~图4是一次净风出口动量逐步变小情况下的摄像和PH分布图。 
　　由于外环一次净风出口的速度很大，而流量并没有改变，因此动量非常大；高速一次净风的强烈引射作用,使内部环道的低速射流中的流体被引向到高速射流区去,造成中心环流偏离中心轴线,从而在火焰中心的中下游形成了一个负压区。由于压力梯度的作用,将造成一个很大的回流区。低速煤风将被高速射流引射而偏离轴线,但大部分煤粉颗粒,在喷入窑后,由于惯性较大,将继续沿原方向做直线运动,从而进入已形成的大回流区中；使煤粉的浓度分布与高温气流的温度分布匹配更好,产生良好的燃烧效果。由于大回流区的高温,煤粒进入后即可着火，又进一步提高回流区温度，强化了燃烧效果。试验中，由于模拟一次净风的酸溶液的出口速度大，而模拟煤风的碱性溶液速度小，大速差产生的引射作用，使得酸碱流体的混合反应更早的完成。因此图1中火焰的形状比较短；在逐步减小出口速度后，火焰形状的变化如图2~图

　图5反映了不同速度下，火焰中心轴向位置上PH的衰减，反映了碱性溶液被引射到外部酸性溶液的程度。 
2.4旋流强度对火焰形状的影响 
　　旋流火焰的长度和形状是燃烧中一个非常重要的参数；火焰的长度和形状除了与一次净风出口动量有关，还与燃料的性质、燃料和燃烧空气在出口轴向位置上的化学当量比（燃料与燃烧空气的比例）以及周围的燃烧环境有关。其中，燃料品质越好，燃烧环境有利于燃烧，那么火焰长度会明显变短。旋流火焰随着旋流强度的不断增加，有更多的空气从外部介质突破湍流火焰的褶皱表层，被引射到火焰内部，提高了火焰中各点处的氧气含量。使燃烧过程得到加速，并且随着火焰旋流强度的增加，混合物达到化学当量比的位置要更加靠近燃烧器出口，因此旋流强度并不是越大越好。燃烧室的形状也对化学燃烧比的位置产生着影响，形状比较规则的燃烧室，火焰中的化学当量比位置也比较合理（如窑体）；而含有突扩或者突窄的不合理的燃烧室，化学当量比的位置由于受到燃烧室形状的影响，其火焰中下游的形状也要受到更多的制约。 
　　实验中的出口动量是根据H准则计算得到出口动量；表明了不同旋流强度（图5~图9旋流强度逐步变大）下，扩散火焰形状及混合的情况。图6中，由于旋流强度十分小，火焰显的非常松散和无力。在逐步加大旋流强度后，火焰变的比较短细。但无论在实际还是理论中，增加旋流强度，火焰都会变的粗短。这是由于增大旋流强度，燃料和燃烧空气在径向的混合加快，使得燃烧加剧，改善了径向燃烧条件，扩大了高温半径；更多的燃料在径向燃烧，因此燃料浓度在轴向的衰减加快，造成火焰比较粗。本试验中，在增大旋流强度后，火焰同样变短，但是与实际不同的是火焰也变的比较细；这是由于，酸碱溶液在旋流增大后，在径向的混合加快，使得径向上溶液PH的衰减加速，又由于采用的是酚酞作为指示剂（PH变色范围8~10），因此在增大旋流后，火焰形状的粗细与实际反映的情况有所不同，即火焰越粗表明旋流比较小，而火焰越短细则说明旋流比较大。

 
图11是在不同旋流强度下，酸性溶液由于切向动力而进入碱性溶液的程度。这模拟实际中，新鲜空气进入火焰内部的情况。 
3、结论分析 
　（1）、利用水作为介质进行模拟实验，由于水的密度远比空气大，试验中的水流速度远比实际气体速度小，保证了能够很好的观察到火焰的形状和混合状况。根据相似准则对KBN燃烧器出口流场进行的模拟实验是成功的、直观的。 
　（2）、通过模拟试验，证明了KBN燃烧器的主要性能是客观的；不改变一次风量而调整旋流强度和出口动量的特点，大大降低了一次风的用量；使得在实际操作中，对各种变化（如：煤粉质量波动、产量变化等）的适应性提高和操作也更加简易。 
　（3）、酸碱水模拟技术，对于燃烧器在不同情况的调节提供了一定的参照，同时也对燃烧内部燃料和燃烧空气的混合提供了一个新的研究方法；在改造或者研制新的燃烧设备时，水模拟技术不仅能提供很准确的流场状态，而且对设备结构特性的合理性、灵敏性进行了一次很好地检测，实验本身的难度和投资也相对比较小。 
　（4）、实际情况中，煤粉的燃烧主要是挥发份挥发燃烧、煤粉颗粒表面受热分解、表面逐步燃烧直至燃尽；而酸碱的中和反应速度非常快，这在一定程度上影响了实验的相似性。因此，寻找反映速度和实际煤粉燃烧速度相近的两种酸碱，可以使得可视化实验与实际进一步完善。