KBN新型雙通道燃燒器可視化模擬試驗

摘要:本文利用酸堿水模擬技術，對KBN新型雙通道燃燒器出口情況進行了可視化模擬。模擬試驗結果表明KBN燃燒器在不改變一次風量的情況，對于旋流強度和出口動量的調節都是可靠的、靈敏的。

1、 前言?
　　燃燒器是水泥生產中非常重要的熱工設備，目前水泥回轉窯所使用的燃燒器主要有三通道、四通道等燃燒器；隨著環保和節能要求的提高，傳統的燃燒器需要在技術和結構上進行相應的改進。國內外的科研院所、技術公司在對燃燒器進行了大量的研究，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。國內的圣火公司也在吸收了國內外新的燃燒理論和空氣動力理論的基礎上，自主研發出具有專利的KBN雙通道燃燒器，其主要性能如下：?
　?。?）、采用了環形通道射流，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到較好的匹配，有利于提高熟料的產量和質量。?
　?。?）、多部的一次凈風作為燃燒器外套管冷卻風量使之得到充分冷卻，減緩了因過熱變形導致澆注料應力增加速度，減緩了損壞的速度。?
　?。?）、采用了可調式旋流器；取消了傳統燃燒器旋流風和直流風調節閥，不改變一次風量的同時，可調節旋流強度和出口動量，降低一次風用量，可明顯節約一次風機電耗。?
　?。?）、由于增加了環形射流厚度，新型雙通道燃燒器可延緩煤粉和二次風混合速率，降低火焰峰值溫度和調節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算機的數值模擬（CFD）和基于物理模型的相似模擬。前者隨著計算機的大力發展而得到廣泛的使用，具有眾多的優勢。物理模型的相似模擬技術已經發展了很長一段時間，各方面都有一定的基礎，而且能夠直接的測量數據和觀察形狀，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行充分地研究，推導了相關的相似條件，以保證試驗和實際情況在運動學、動力學上相似；并且在此基礎上采用了酸堿水模擬的冷態物理模擬方法，成功對KBN燃燒器的出口湍流場進行了模擬。?
2、模擬實驗?
2.1相似條件?
模擬試驗要與燃燒器出口湍流場中運動學、動力學相似，必須滿足相應的相似條件：幾何相似和必要的相似準則。幾何相似主要是燃燒器以及系統在原型和模型中幾何形狀要求相似。本實驗模型和原型的比例是 =1：10。

? 2.2 kbn燃燒器出口流暢的模擬

?? 2.2.1 實際工況

表1某水泥廠2500t預分解kbn燃燒器主要的技術參數

表2模擬設計中的一些參數

2.2.2模擬試驗
　　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：一次風的旋流強度和一次風的出口動量。根據KBN雙通道燃燒器本身的結構，本試驗對不同的出口動量和旋流強度進行了可視化模擬，利用攝像記錄了不同情況下的火焰形狀，并且采用PHS-3C PH數顯計測量了不同部位的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條件的限制，測點的分布并沒有采用工程中常用的等面積環法，本試驗采用的是：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實際中一次風和煤風的流量比計算得到?

2.3出口動量對火焰中混合的影響?
　　試驗在確定了相同的旋流強度后，對一次風出口動量進行了調整。圖1~圖4是一次凈風出口動量逐步變小情況下的攝像和PH分布圖。?
　　由于外環一次凈風出口的速度很大，而流量并沒有改變，因此動量非常大；高速一次凈風的強烈引射作用,使內部環道的低速射流中的流體被引向到高速射流區去,造成中心環流偏離中心軸線,從而在火焰中心的中下游形成了一個負壓區。由于壓力梯度的作用,將造成一個很大的回流區。低速煤風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,將繼續沿原方向做直線運動,從而進入已形成的大回流區中；使煤粉的濃度分布與高溫氣流的溫度分布匹配更好,產生良好的燃燒效果。由于大回流區的高溫,煤粒進入后即可著火，又進一步提高回流區溫度，強化了燃燒效果。試驗中，由于模擬一次凈風的酸溶液的出口速度大，而模擬煤風的堿性溶液速度小，大速差產生的引射作用，使得酸堿流體的混合反應更早的完成。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