三通道燃燒器設計計算的半經驗方法與推導

? 作者:孔學標　王超群　 單位:南京水泥工業設計研究院

?摘要 :本文采用將同軸旋轉射流筒化為單段旋轉射流的辦法，結合數值模擬技術，推導出了適合工程應用工程適用的半經驗公式。計算結果表明，半經驗公式基本上能夠滿足工程好度要求。

1 前言

　　 三通道燃燒器是國外七十年代發展起來的一種高效燃燒裝置，國內從八十年代初期引進并進行二次開發，取得了一些成功的經驗。然而由于燃燒器出口流動過程的復雜性，再加之缺乏一些基礎數據，所以設計過程是基于經驗，選取一次空氣用量和燃燒器出口速度，并由此確定出口截面積。這種設計方法缺乏一定的科學依據，不可能確保所設計的燃燒器于相應窯系統相匹配，給操作過程帶來很大的盲目性。不合理的燃燒器設計與操作往往導致窯內煤粉燃燒狀況不良，從而使得窯的單位產量熱耗增加，燒成帶耐火材料壽命縮短，熟料標號降低。為此本文試圖從窯內煤粉燃燒過程的具體特點出發，著重煤粉射流與二次風的混合速率分析，并將多通道的同軸射流視作為單股旋轉射流進行簡化處理，同時引入一些修正常數。此常數由實驗或數值模擬確定，并由此導出易于工程應用的計算公式。

2 半經驗公式的推導
　　水泥回轉窯煅燒中，三通道燃燒器射流引射二次風屬于受限射流。為了計算方便作以下假定：射流混合區內任一垂直于射流軸線截面的引射量作為其下游射流的一部分，則軸向射流及旋轉射流對二次風的引射速率為：

　　　對于三通道煤粉燃燒器，采用軸向動量的當量通量：　　根據動量守恒原理，在射流擴展過程中，角動量和軸向動量及當量軸向通量均保持為常數，聯立求解方程(1)、(4)、(5)可得到下列等式：　　從式(7)中可以看出前衛項為射流軸向運動的引射量，第二項為射流旋轉運動而產生的附加引射量。
　　為達到煤粉在接近當量比下燃燒，式(7)中M應根據燃燒計算所需要的實際空氣需要量給出。為方便分析令：　　式(7)中，X的 大值等于射流混合區長度，只有當射量出口動量小到一定值時，外回流區完多消失，才會出現這一情況，此時X為： 　　根據實驗資料，等溫旋轉射流的引射量可以用下列經驗式表示：　　K3可以通過燃燒計算得出。因此，若通過對現行噴嘴結構利用冷態實驗確定а值和α值，則便可以利用式(10)計算出燃燒器射流必須達到的 小軸向當量通量。 3 系數а和α的確定方法

　　系數а和α的確定原則上可以通過冷態模擬或數值模擬來進行，本文擬采用數值模擬的方法確定。
　　從粘性流體的動量方程出發,采用雷諾平均可以得到平均運動的動量方程，對方程中的高階關聯項采用梯度模擬,二階關聯項(即雷諾應力)通過定義兩個標量Κ和ε和來封閉，即采用所謂的Κ-ε雙方程湍流模型。通用方程可以寫成如下： 　　對上述方程在控制容積內采用有限差分離散為代數方程，采用SIMPLE算法(3)給定邊界條件即可求解。
　　圖1是某一特定工況下同軸射流計算的氣體速度矢量圖和同等流量下相同旋流數的單通道旋轉射流的氣流速度矢量圖。從圖中可以看出，由于同軸射流外風速度較高，導致了對二次風引射能力的增強，外回流開始點提前，但外回流結束點與單股轉射流相同，這是由于二者具有相同的旋流數和流量。通過不同幾何尺寸不同流量和旋流數工況的模擬計算，比較兩射流造成的外回流區中心的長短就可以確定а和α的大小。а的范圍基本上在1.5d 0一3d 0之間，其中d 0是三通道燃燒器外風通道的外徑。α基本上符合式(6)，只不過K0不是4.8而是l1.5，Κ仍取14。利用此數值計算得外回流結束的長度與實驗結果〔2〕相差16%，基本上可以滿足工程計算的需要。該方法已成功地應用于多套旋窯煤粉燃燒器參數的設計。
參考文獻

　　1孔學標.旋窯煤粉燃燒器及其空氣動力計算《水泥·石灰》　No.1.1988；2J.M.比埃爾.N.切給爾.《燃燒空氣動力學》科學出版社.1984；3S.V.帕坦卡《傳熱與流體流動的數值計算》科學出版社，1984.