淺論火焰穩(wěn)定器的作用

　　一、  前言

　　火焰穩(wěn)定器在燃燒器中具有重要作用，因而被當(dāng)前世界上最先進(jìn)的回轉(zhuǎn)窯用四風(fēng)道煤粉燃燒器廣泛采用。如法國皮拉得公司的Rotaflam型、丹麥?zhǔn)访芩构镜腄uoflex型、奧地利尤尼茲姆公司的M.A.S型、國內(nèi)天津市博納建材高科技研究所的TJB型、天津院的TC型、南京院的NC型和JETFLMAM型、武漢理工大學(xué)的OCUS型等都采用了這一技術(shù)。也有極少數(shù)現(xiàn)在還沒有采用的，如德國洪堡公司的PYRO-JET型、河南幾家的HJGX型和EF型等。

　　眾所周知，只有火焰穩(wěn)定，才能保證回轉(zhuǎn)窯的熱工制度穩(wěn)定，進(jìn)而使回轉(zhuǎn)窯達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。因此凡是研究火焰的工作者都把火焰穩(wěn)定列為關(guān)鍵課題來研究。

　　可是從目前來看，國內(nèi)外對這一問題的重要性認(rèn)識還沒有統(tǒng)一，甚至還有人提出沒有必要。針對這種情況，作者通過多年對燃燒器的研究、設(shè)計制造和對現(xiàn)場實(shí)踐的分析總結(jié)，積累了一些經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)提出與大家探討，供參考。

　　二、  火焰穩(wěn)定器的作用

　　在回轉(zhuǎn)窯的操作中總是希望火焰能夠穩(wěn)定，但是由于窯內(nèi)氣流的變化，喂煤喂料的波動過大，煤粉質(zhì)量（細(xì)度、熱值、水分、灰分、揮發(fā)分等）的變化、二次風(fēng)的速度和溫度的變化、窯皮形狀的變化和燃燒器結(jié)構(gòu)等，都會導(dǎo)致火焰的不穩(wěn)定。表現(xiàn)在火焰時長時短、時粗時細(xì)、溫度時高時低，前焰面有時規(guī)矩有時紛亂，火焰有時振動有時發(fā)聲，嚴(yán)重時會產(chǎn)生回流和回火，甚至熄滅。這樣的火焰不可能保證回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的溫度分布合理，當(dāng)然更談不上能夠穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，勢必造成煤耗高，產(chǎn)量和質(zhì)量低，火磚壽命減短，工藝事故增多等。由此可見，對回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器來說，能夠形成穩(wěn)定的火焰至關(guān)重要。為此，將火焰穩(wěn)定器技術(shù)引進(jìn)了回轉(zhuǎn)窯燃燒器中，使其火焰更加穩(wěn)定。

　　三、  火焰穩(wěn)定器的形式

　　就火焰穩(wěn)定器而言多種多樣，有一元穩(wěn)定器、二元穩(wěn)定器和多元穩(wěn)定器。但當(dāng)前引入回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器中的火焰穩(wěn)定器基本上有以下幾種。

　　1、鈍體式火焰穩(wěn)定器

　　鈍體式火焰穩(wěn)定器是把一個圓錐體置于回轉(zhuǎn)窯單風(fēng)道和雙風(fēng)道煤粉燃燒器噴燃管的頭部中心，如圖1所示。圖1a所示是河南叉河水泥廠為解決煤質(zhì)波動大、窯熱工制度不穩(wěn)定而采取的措施[1]。據(jù)報導(dǎo)，采用這種火焰穩(wěn)定器后，射流的流態(tài)由層流變?yōu)橥牧?，改善了風(fēng)煤混合，使黑火頭減短，高溫部分集中有力而穩(wěn)定，看火視場好；對煤質(zhì)的適應(yīng)性強(qiáng)，可燒灰分36.18%、揮發(fā)分26.21%，低位發(fā)熱量4703×4.18 KJ/㎏.co的煤粉；當(dāng)將煤粉細(xì)度放粗到R0.08=20%時,窯內(nèi)也不結(jié)前后圈。圖16是吉林松江水泥廠曾為解決煤粉質(zhì)量差和煤磨產(chǎn)量不足而采取的措施，取得了一定效果。煤粉的灰分偏高，在20%～28%，熟值過低，在4202×4.18～4777×4.18 KJ/㎏.co,造成煤磨能力不足。為此煤粉細(xì)度放粗到R0.08=30%～40%，水分放寬到5%左右。這時火焰極不穩(wěn)定，黑火頭很長，調(diào)節(jié)困難，兩臺φ3.3×52.36 m立波爾窯和一臺φ3.3×52.36 m預(yù)分解窯經(jīng)常結(jié)圈。采用鈍體式火焰穩(wěn)定器后,不僅可燒這種煤粉,而且立波爾窯的產(chǎn)量提高37%,熟料強(qiáng)度提高了0.5 MPa,煤耗下降了4 kg/t.cl

a河南叉河水泥廠的結(jié)構(gòu)

b松江水泥廠的結(jié)構(gòu)

圖1  帶鈍體火焰穩(wěn)定器的單風(fēng)道噴煤管

　　圖2所示為采用鈍體式火焰穩(wěn)定器的雙風(fēng)道煤粉燃燒器噴煤管的頭部結(jié)構(gòu)，這是我國清華大學(xué)力學(xué)系吳學(xué)曾和李榮先兩位教授研制的。1988年通過了省級鑒定，使雙風(fēng)道煤粉燃燒器的性能得到很大改善[3][4]。一方面強(qiáng)化了風(fēng)煤混合，黑火頭可縮短到單風(fēng)道的1/2～1/3;另一方面火焰穩(wěn)定,溫度提高,火焰形狀容易控制；可燒灰分達(dá)30%～40%的劣質(zhì)煤和揮發(fā)分低于13%的貧煤；結(jié)構(gòu)簡單,造價低廉,適合于中小型回轉(zhuǎn)窯使用。當(dāng)時推廣較快,到1992年就有11家水泥廠20臺回轉(zhuǎn)窯由單風(fēng)道改成了這種雙風(fēng)道煤粉燃燒器,詳細(xì)情況列在表1中。

圖2　帶鈍體火焰穩(wěn)定器的雙風(fēng)道噴煤管

圖3    有無圓板式火焰穩(wěn)定器對燃油燃燒器火焰的影響

圖4    國內(nèi)采用圓板式火焰穩(wěn)定器的四風(fēng)道煤粉燃燒器

　　3、孔板式火焰穩(wěn)定器

　　前述的Rotaflam型、Duoflex型、M.A.S型、TJB型、TC型、NC型等旋流式四風(fēng)道煤粉燃燒器，其中心風(fēng)都是通過板孔式火焰穩(wěn)定器上若干個小圓孔噴射的。圖5所式為各種板孔式火焰穩(wěn)定器的端面照片。

不同廠家使用帶火焰穩(wěn)定器的雙風(fēng)道燃燒器所取得的效果  表1

　　當(dāng)代所采用的三風(fēng)道和四風(fēng)道煤粉燃燒器，都采用螺旋體以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)射流。旋轉(zhuǎn)射流的中心形成一個負(fù)壓區(qū)，便引起回流。這就好像大家熟見的旋風(fēng)一樣，旋轉(zhuǎn)速度愈高，中心所形成的孔洞愈大愈深。這個空洞就是負(fù)壓區(qū)，噴燃管的端面區(qū)域形成，對火焰的穩(wěn)定也起一定的作用。這個回流區(qū)愈大，火焰就愈穩(wěn)定?？装迨交鹧娣€(wěn)定器的一個功能，就是頂住因旋轉(zhuǎn)流產(chǎn)生的回流，避免回流和回火。它的原理極類似于梅克爾噴嘴中所采用的網(wǎng)罩式火焰穩(wěn)定器，使火焰更加穩(wěn)定[7]。大家熟知的防風(fēng)打火機(jī)就是利用這一原理制成的，在大風(fēng)條件下使用也不會熄滅，火焰相當(dāng)穩(wěn)定。

　　火焰穩(wěn)定器的評析 

　　1、火焰穩(wěn)定器的基本概念

　　火焰理論中的重要問題之一是火焰?zhèn)鞑?，也就是燃燒區(qū)域燃燒波通過可燃混合物的傳播。在燃燒器的火焰中，火焰向與反應(yīng)劑流動相反傳播，且其位置是固定不動的。但當(dāng)進(jìn)口或環(huán)境條件變化時，如燃料流量、空氣與燃料比、預(yù)熱情況和燃燒室形狀及溫度變化，對回轉(zhuǎn)窯來說還有物料和氣流的變化，都會引起火焰變得不是固定不動的或者說變得不穩(wěn)定。如果這些參數(shù)在一定的范圍內(nèi)變動不會引起火焰被吹滅、向燃燒器中回流或回火、火焰不發(fā)生較大的波動和抖動、火焰的形狀和溫度不發(fā)生較大的變化，便認(rèn)為燃燒器火焰在這些參數(shù)范圍內(nèi)是穩(wěn)定的[8]

　　顯然，火焰穩(wěn)定器的問題與火焰?zhèn)鞑ダ碚撔畔⑾嚓P(guān)?；鹧?zhèn)鞑サ亩坷碚搶?shí)際上是基于從反應(yīng)區(qū)向未燃燒混合物的熱量和質(zhì)量的傳輸，這是一個相當(dāng)復(fù)雜的問題，在此不作更多的闡述，有興趣者可參閱文獻(xiàn)[9]。

　　2、火焰穩(wěn)定器的工作機(jī)理

　　任何一種火焰穩(wěn)定器均可視為一個不良流線體。射流在其尾跡中的流動會產(chǎn)生一個回流區(qū)并在該區(qū)中形成一個環(huán)形旋渦，如圖6所示。

　　射流受不良流線體的尺寸、形狀和周圍流動體系的影響，所形成的回流區(qū)是不同的。回流區(qū)的邊界由徑向點(diǎn)確定，在這些點(diǎn)上，向前流動的質(zhì)量流量等于該軸向位置處的反向流量。反流區(qū)的零速度線為邊界，反流區(qū)和回流區(qū)的邊界在不良流線體的分離點(diǎn)處和下游駐點(diǎn)處互相重合。環(huán)形旋渦的中心或稱“眼點(diǎn)”處在反流區(qū)的邊界上，這是靜壓最小之點(diǎn)。

　　空氣以環(huán)狀射流的形式從噴燃管噴出，由于從環(huán)境引射和壓力減小的結(jié)果，促使射流逐漸膨脹而形成一個錐形。環(huán)壯射流最大速度的徑向位置向軸線收縮，如圖中的du/dr=0的虛線所示。不良流線體的前段傾角α使流動方向偏斜出去，這個角度對于圓柱體火焰穩(wěn)定器α=0，對于圓板式火焰穩(wěn)定器α=180°，

　　戴維斯和比埃爾對不良流線體的不同幾何參數(shù)和阻塞比Br（d/D2）進(jìn)行了仔細(xì)測量，發(fā)現(xiàn)平均速度、靜壓和湍流應(yīng)力都有變化[9]，如圖7所示。阻塞比Br加大使回流區(qū)長度減小，見圖7a，不良流線體的錐角α減小，使回流區(qū)尺寸減小，見圖7b。

圖7 回流區(qū)隨阻塞比Br和錐角α的變化

　　不良流線體的阻塞比Br和幾何形狀對反向質(zhì)量流量的影響示于圖8。在回流區(qū)中回流的流體占主流的比例，可視為旋渦強(qiáng)度的量度，對火焰的穩(wěn)定程度起重要作用。回流區(qū)越大，火焰越穩(wěn)定。這里所說的不良流線體就是各種不同形狀和尺寸的火焰穩(wěn)定器?？梢姮F(xiàn)在在四風(fēng)道煤粉燃燒器中所采用的不同火焰穩(wěn)定器并不是新東西，而是在很早以前就有的，只是近代把這項(xiàng)技術(shù)引用到回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器中。各種火焰穩(wěn)定器對火焰穩(wěn)定效果都是可以分析計算的，因篇幅所限，不便闡述。

　　3、對幾種火焰穩(wěn)定器

　　當(dāng)前最先進(jìn)的旋流式四風(fēng)道煤粉燃燒器，從空氣動力學(xué)的角度來說是一個多環(huán)含塵旋轉(zhuǎn)燃燒射流，存在質(zhì)量和熱量交換，是一個相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)。為了獲得更加穩(wěn)定的火焰，不僅采用一環(huán)的旋轉(zhuǎn)射流，而且還采用火焰穩(wěn)定器。從結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性考慮，孔板式火焰穩(wěn)定器不僅性能好而且簡單，所以多用。

　　但從目前看，對孔板式火焰穩(wěn)定器的研究還不夠充分，所以出現(xiàn)了如圖9所示少孔板孔板式火焰穩(wěn)定器。由前述的分析可見，絕對不是隨便增加一股風(fēng)道就是四風(fēng)道煤粉燃燒器，也絕對不是在四風(fēng)道噴燃管中隨便采用一塊圓板并鉆制一些小圓孔就能使火焰穩(wěn)定。而是需要進(jìn)行理論分析和計算，確定出恰當(dāng)?shù)某叽绾瓦m宜數(shù)量的小圓孔，保證一定的噴出速度和壓力，才能達(dá)到有效穩(wěn)定火焰的目的。

　　鈍體式火焰穩(wěn)定器因噴燃管結(jié)構(gòu)的限制，不適應(yīng)于旋流式四風(fēng)道煤粉燃燒器，不能采用，在單風(fēng)道和雙風(fēng)道中可以采用。

　　五、  結(jié)論

　　1、通過文中的實(shí)例表明，不論什么形式的火焰穩(wěn)定器對火焰的穩(wěn)定均具有舉足輕重的作用，這一點(diǎn)是勿庸置疑的。

　　2、合理板孔式火焰穩(wěn)定器的采用，使旋流式四風(fēng)道煤粉燃燒器的性能錦上添花，成為當(dāng)前最先進(jìn)的旋流式四風(fēng)道煤粉燃燒器的一個非常主要的技術(shù)特征。

　　3、理論分析和生產(chǎn)實(shí)踐都證明，火焰穩(wěn)定器的作用是不可小視的。不是可有可無，而是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。但絕對不是隨便采用一個不良流線體都可以使火焰達(dá)到最佳的穩(wěn)定程度。

　　4、在某種意義上說，火焰穩(wěn)定器設(shè)計的是否恰當(dāng)和合理，是鑒別旋流式四風(fēng)道煤粉燃燒器真品和贗品的一個分水嶺。

　　5、火焰穩(wěn)定器的作用不僅是使火焰更加穩(wěn)定、風(fēng)煤混合更加充分和均勻、噴燃管的壽命更長，而且通過它的調(diào)節(jié)還可以改變火焰的形狀和強(qiáng)度。

　　6、中心風(fēng)通過板孔式火焰穩(wěn)定器噴射，不僅結(jié)構(gòu)巧妙，將中心風(fēng)與火焰穩(wěn)定器有機(jī)地結(jié)合起來，而且是旋流式四風(fēng)道煤粉燃燒器成為當(dāng)代最先進(jìn)燃燒器一項(xiàng)不可缺少的先進(jìn)技術(shù)措施，在法國已獲得了專利權(quán)。