KBN新型双通道燃烧器可视化模拟试验

1、 前言  
　　燃烧器是水泥生产中非常重要的热工设备，目前水泥回转窑所使用的燃烧器主要有三通道、四通道等燃烧器；随着环保和节能要求的提高，传统的燃烧器需要在技术和结构上进行相应的改进。国内外的科研院所、技术公司在对燃烧器进行了大量的研究，取得了一定成果：燃烧第二种燃料的五通道燃烧器以及新型双通道燃烧器，如奥地利的M.S.A燃烧器。国内的圣火公司也在吸收了国内外新的燃烧理论和空气动力理论的基础上，自主研发出具有专利的KBN双通道燃烧器，其主要性能如下：  
（1）、采用了环形通道射流，其射流厚度明显增加，火焰刚度增加，使火焰的热流分布和熟料煅烧要求达到较好的匹配，有利于提高熟料的产量和质量。  
（2）、全部的一次净风作为燃烧器外套管冷却风量使之得到充分冷却，减缓了因过热变形导致浇注料应力增加速度，减缓了损坏的速度。  
（3）、采用了可调式旋流器；取消了传统燃烧器旋流风和直流风调节阀，不改变一次风量的同时，可调节旋流强度和出口动量，降低一次风用量，可明显节约一次风机电耗。  
（4）、由于增加了环形射流厚度，新型双通道燃烧器可延缓煤粉和二次风混合速率，降低火焰峰值温度和调节了火焰高温中心的位置，有效地延长烧成带耐火砖寿命。  
燃烧器的研究方法有很多，比较常用的是基于计算机的数值模拟（CFD）和基于物理模型的相似模拟。前者随着计算机的大力发展而得到广泛的使用，具有众多的优势。物理模型的相似模拟技术已经发展了很长一段时间，各方面都有一定的基础，而且能够直接的测量数据和观察形状，因此依然是研究的主要方法之一。  
本文对燃烧器出口湍流场进行充分地研究，推导了相关的相似条件，以保证试验和实际情况在运动学、动力学上相似；并且在此基础上采用了酸碱水模拟的冷态物理模拟方法，成功对KBN燃烧器的出口湍流场进行了模拟。  
2、模拟实验  
2.1相似条件  
模拟试验要与燃烧器出口湍流场中运动学、动力学相似，必须满足相应的相似条件：几何相似和必要的相似准则。几何相似主要是燃烧器以及系统在原型和模型中几何形状要求相似。本实验模型和原型的比例是 =1：10。

  2.2 kbn燃烧器出口流畅的模拟

   2.2.1 实际工况

表1某水泥厂2500t预分解kbn燃烧器主要的技术参数

表2模拟设计中的一些参数

2.2.2模拟试验
对水泥窑用燃烧器出口燃料和燃烧空气的混合影响比较大的因素之一是：一次风的旋流强度和一次风的出口动量。根据KBN双通道燃烧器本身的结构，本试验对不同的出口动量和旋流强度进行了可视化模拟，利用摄像记录了不同情况下的火焰形状，并且采用PHS-3C PH数显计测量了不同部位的PH值，PH值的变化反映不同部位的混合情况。由于模型比较小以及试验条件的限制，测点的分布并没有采用工程中常用的等面积环法，本试验采用的是：中心线轴向位置、与燃烧器外径平行的轴向线、距中心线两倍半径距离的轴向平行线。酸碱溶液的流量比根据实际中一次风和煤风的流量比计算得到 

2.3出口动量对火焰中混合的影响  
试验在确定了相同的旋流强度后，对一次风出口动量进行了调整。图1~图4是一次净风出口动量逐步变小情况下的摄像和PH分布图。  
由于外环一次净风出口的速度很大，而流量并没有改变，因此动量非常大；高速一次净风的强烈引射作用,使内部环道的低速射流中的流体被引向到高速射流区去,造成中心环流偏离中心轴线,从而在火焰中心的中下游形成了一个负压区。由于压力梯度的作用,将造成一个很大的回流区。低速煤风将被高速射流引射而偏离轴线,但大部分煤粉颗粒,在喷入窑后,由于惯性较大,将继续沿原方向做直线运动,从而进入已形成的大回流区中；使煤粉的浓度分布与高温气流的温度分布匹配更好,产生良好的燃烧效果。由于大回流区的高温,煤粒进入后即可着火，又进一步提高回流区温度，强化了燃烧效果。试验中，由于模拟一次净风的酸溶液的出口速度大，而模拟煤风的碱性溶液速度小，大速差产生的引射作用，使得酸碱流体的混合反应更早的完成。因此图1中火焰的形状比较短；在逐步减小出口速度后，火焰形状的变化如图2~图