志承教你對于燃燒器的再認識

2019-02-27 13:08:05上海志承熱工設備有限公司387

（1）燃燒器與射流
射流與管內流動不同，其脫離了管口，不受管壁的影響和限制，并且與周圍的氣體接觸和混合。窯頭主燃燒器與二次風的接觸和混合直接影響燃燒效率。

射流有層流和湍流兩種狀態，窯頭燃燒器屬于湍流射流。

射流分自由射流與受限射流，由于燃燒器噴出后受到回轉窯窯壁的限制，因此屬于受限射流。

自由射流的形成與特點：氣體噴出后，不僅沿軸向向前運動，由于與周圍氣體速度差的存在，還發生橫向運動，使得噴出氣體與周圍氣體不斷地互相摻混，進行質量和動量交換，從而帶動周圍氣體一起向前運動。

因此，射流在向前流動過程中，其流量和橫截面積不斷增大，流速逐漸降低，形成向周圍擴散的錐形體的流動，然后射流在周圍氣體中消失（淹沒）。

關于自由射流的具體參數，包括極角、射流半徑、軸心速度、體積流量、平均速度、質量平均速度等，在這里就不進行介紹。大家可以學習《硅酸鹽工業熱工基礎》。

（2）特殊的射流：同心射流的混合
之所以單獨說同心射流，因為其更接近與現有的燃燒器（除了沒有考慮旋流風、中心風）。同心射流指的是一股氣體從中心管噴出，另外一股氣體從周圍噴出。對于水泥窯燃燒器來說，煤風攜帶煤粉從中心噴出，軸流風從環隙噴出，高速的軸流風卷吸高溫二次風，同時軸流風與煤風由于速度差的存在，也會發生混合，這對于煤粉的快速燃燒有重要作用。

這里暫且不考慮軸流風對二次風的卷吸作用，僅考慮軸流風卷吸二次風后與中心風的同心射流。

同心射流混合的速度與外層氣流速度（w）與中心氣流速度（w0）之比、中心管徑和外層氣流厚度、兩股氣流的交角等。

重點說下外層氣流速度（即軸流風速度）與中心氣流速度（即煤風速度）之比的影響。兩者之比對兩股氣流在射流軸線上的混合速度影響如下圖所示。可以看出，當w/w0增加時，中心軸線上的濃度降低較快，這說明混合速度在加快。

其原因是，如果煤風速度加快了，使卷吸二次風后的軸流風不易深入到煤風中去；如果軸流風速度加快了，使氣體質點的湍流擴散速度加快，軸流風更容易深入到中心流中去，有利于氣流的混合。

需要指出的是，一般情況下煤風速度固定，如果提高軸流風速度，這雖然有助于湍流擴散加快，促進混合，但同時使得氣流射程增大，不利于軸流風與煤風在一定距離內的混合。因此，軸流風速度增加后，對于火焰長度的影響是復雜的，有可能因為促進湍流和混合而縮短火焰，也有可能因為射程增大而使火焰延長。

（3）特殊的射流：旋轉射流
旋流風的存在使得燃燒器射流屬于旋轉射流。顧名思義，旋轉射流除了在軸向、徑向上具有速度外，在周向（切向）上也存在速度，從而促使氣流旋轉。旋轉射流在同心射流的基礎上，由于旋轉作用的存在，紊流強度增加了很多，同時擴展角增大到了90-120°，使得其外表面積增大，從而增強了氣體與燃料的混合效果，促進了燃料的快速燃燒，并縮短了射程，即后火焰長度。

這里說下旋轉強度Ω。旋轉強度是評價旋轉強度的符號，也稱為旋流度，定義為：

Ω=L0/（K0×d/4）

其中，L0是旋轉設備出口角動量的軸向通量（可以理解為切向推力）；K0是旋流設備出口軸向推力；d是旋轉設備噴出口的直徑（這里旋轉設備指的就是燃燒器）。具體的計算過程這里不再闡述，可以參考清華大學吳學增等《旋轉射流的特點、旋流強度的計算及在燃燒器上的應用》(http://www.doc88.com/p-0713571515190.html)，及江旭昌《多風道煤粉燃燒器旋流數的分析與計算》，水泥，2014（9）。

旋轉強度越大，旋轉射流切向速度越大，回流區也越大，射流擴散角也越大，射流的射程越短。也就是說，旋轉強度越大，火焰越粗，同時越短。

需要指出的是，當忽略燃燒器出口處與外界的靜壓差時，所得的旋轉強度稱為旋流數。而大量實踐證明，此時的誤差不會很大。旋流數可以直接根據燃燒器的形式和結構尺寸進行求解。同時，對于不同結構的燃燒器，即使其旋流數相同，出口速度場的特性仍可能有較大的差異。

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