三通道燃燒器設(shè)計(jì)計(jì)算的半經(jīng)驗(yàn)方法
1 前言
三通道燃燒器是國(guó)外七十年代發(fā)展起來(lái)的一種高效燃燒裝置，國(guó)內(nèi)從八十年代初期引進(jìn)并進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，取得了一些成功的經(jīng)驗(yàn)。然而由于燃燒器出口流動(dòng)過(guò)程的復(fù)雜性，再加之缺乏一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，所以設(shè)計(jì)過(guò)程是基于經(jīng)驗(yàn)，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(shè)計(jì)方法缺乏一定的科學(xué)依據(jù)，不可能確保所設(shè)計(jì)的燃燒器于相應(yīng)窯系統(tǒng)相匹配，給操作過(guò)程帶來(lái)很大的盲目性。不合理的燃燒器設(shè)計(jì)與操作往往導(dǎo)致窯內(nèi)煤粉燃燒狀況不良，從而使得窯的單位產(chǎn)量熱耗增加，燒成帶耐火材料壽命縮短，熟料標(biāo)號(hào)降低。為此本文試圖從窯內(nèi)煤粉燃燒過(guò)程的具體特點(diǎn)出發(fā)，著重煤粉射流與二次風(fēng)的混合速率分析，并將多通道的同軸射流視作為單股旋轉(zhuǎn)射流進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，同時(shí)引入一些修正常數(shù)。此常數(shù)由實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬確定，并由此導(dǎo)出易于工程應(yīng)用的計(jì)算公式。
2 半經(jīng)驗(yàn)公式的推導(dǎo)
水泥回轉(zhuǎn)窯煅燒中，三通道燃燒器射流引射二次風(fēng)屬于受限射流。為了計(jì)算方便作以下假定：射流混合區(qū)內(nèi)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(zhuǎn)射流對(duì)二次風(fēng)的引射速率為：
為達(dá)到煤粉在接近當(dāng)量比下燃燒，式(7)中M應(yīng)根據(jù)燃燒計(jì)算所需要的實(shí)際空氣需要量給出。為方便分析令： 式(7)中，X的最大值等于射流混合區(qū)長(zhǎng)度，只有當(dāng)射量出口動(dòng)量小到一定值時(shí)，外回流區(qū)完全消失，才會(huì)出現(xiàn)這一情況，此時(shí)X為： 根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料，等溫旋轉(zhuǎn)射流的引射量可以用下列經(jīng)驗(yàn)式表示： K3可以通過(guò)燃燒計(jì)算得出。因此，若通過(guò)對(duì)現(xiàn)行噴嘴結(jié)構(gòu)利用冷態(tài)實(shí)驗(yàn)確定а值和α值，則便可以利用式(10)計(jì)算出燃燒器射流必須達(dá)到的最小軸向當(dāng)量通量。 3 系數(shù)а和α的確定方法
系數(shù)а和α的確定原則上可以通過(guò)冷態(tài)模擬或數(shù)值模擬來(lái)進(jìn)行，本文擬采用數(shù)值模擬的方法確定。
從粘性流體的動(dòng)量方程出發(fā),采用雷諾平均可以得到平均運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量方程，對(duì)方程中的高階關(guān)聯(lián)項(xiàng)采用梯度模擬,二階關(guān)聯(lián)項(xiàng)(即雷諾應(yīng)力)通過(guò)定義兩個(gè)標(biāo)量Κ和ε和來(lái)封閉，即采用所謂的Κ-ε雙方程湍流模型。通用方程可以寫(xiě)成如下： 對(duì)上述方程在控制容積內(nèi)采用有限差分離散為代數(shù)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(jì)算的氣體速度矢量圖和同等流量下相同旋流數(shù)的單通道旋轉(zhuǎn)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(fēng)速度較高，導(dǎo)致了對(duì)二次風(fēng)引射能力的增強(qiáng)，外回流開(kāi)始點(diǎn)提前，但外回流結(jié)束點(diǎn)與單股轉(zhuǎn)射流相同，這是由于二者具有相同的旋流數(shù)和流量。通過(guò)不同幾何尺寸不同流量和旋流數(shù)工況的模擬計(jì)算，比較兩射流造成的外回流區(qū)中心的長(zhǎng)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(fēng)通道的外徑。α基本上符合式(6)，只不過(guò)K0不是4.8而是l1.5，Κ仍取14。利用此數(shù)值計(jì)算得外回流結(jié)束的長(zhǎng)度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果〔2〕相差16%，基本上可以滿足工程計(jì)算的需要。該方法已成功地應(yīng)用于多套旋窯煤粉燃燒器參數(shù)的設(shè)計(jì)。
參考文獻(xiàn)
1孔學(xué)標(biāo).旋窯煤粉燃燒器及其空氣動(dòng)力計(jì)算《水泥·石灰》 No.1.1988；2J.M.比埃爾.N.切給爾.《燃燒空氣動(dòng)力學(xué)》科學(xué)出版社.1984；3S.V.帕坦卡《傳熱與流體流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算》科學(xué)出版社，1984.
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