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三通道燃烧器设计计算的半经验方法与推导

  作者:孔学标 王超群  单位:南京水泥工业设计研究院

 摘要 :本文采用将同轴旋转射流筒化为单段旋转射流的办法,结合数值模拟技术,推导出了适合工程应用工程适用的半经验公式。计算结果表明,半经验公式基本上能够满足工程精度要求。


1 前言

   三通道燃烧器是国外七十年代发展起来的一种高效燃烧装置,国内从八十年代初期引进并进行二次开发,取得了一些成功的经验。然而由于燃烧器出口流动过程的复杂性,再加之缺乏一些基础数据,所以设计过程是基于经验,选取一次空气用量和燃烧器出口速度,并由此确定出口截面积。这种设计方法缺乏一定的科学依据,不可能确保所设计的燃烧器于相应窑系统相匹配,给操作过程带来很大的盲目性。不合理的燃烧器设计与操作往往导致窑内煤粉燃烧状况不良,从而使得窑的单位产量热耗增加,烧成带耐火材料寿命缩短,熟料标号降低。为此本文试图从窑内煤粉燃烧过程的具体特点出发,着重煤粉射流与二次风的混合速率分析,并将多通道的同轴射流视作为单股旋转射流进行简化处理,同时引入一些修正常数。此常数由实验或数值模拟确定,并由此导出易于工程应用的计算公式。

2 半经验公式的推导
  水泥回转窑煅烧中,三通道燃烧器射流引射二次风属于受限射流。为了计算方便作以下假定:射流混合区内任一垂直于射流轴线截面的引射量作为其下游射流的一部分,则轴向射流及旋转射流对二次风的引射速率为:


   对于三通道煤粉燃烧器,采用轴向动量的当量通量:  根据动量守恒原理,在射流扩展过程中,角动量和轴向动量及当量轴向通量均保持为常数,联立求解方程(1)、(4)、(5)可得到下列等式:  从式(7)中可以看出第一项为射流轴向运动的引射量,第二项为射流旋转运动而产生的附加引射量。
  为达到煤粉在接近当量比下燃烧,式(7)中M应根据燃烧计算所需要的实际空气需要量给出。为方便分析令:  式(7)中,X的最大值等于射流混合区长度,只有当射量出口动量小到一定值时,外回流区完全消失,才会出现这一情况,此时X为:   根据实验资料,等温旋转射流的引射量可以用下列经验式表示:  K3可以通过燃烧计算得出。因此,若通过对现行喷嘴结构利用冷态实验确定а值和α值,则便可以利用式(10)计算出燃烧器射流必须达到的最小轴向当量通量。 3 系数а和α的确定方法

  系数а和α的确定原则上可以通过冷态模拟或数值模拟来进行,本文拟采用数值模拟的方法确定。
  从粘性流体的动量方程出发,采用雷诺平均可以得到平均运动的动量方程,对方程中的高阶关联项采用梯度模拟,二阶关联项(即雷诺应力)通过定义两个标量Κ和ε和来封闭,即采用所谓的Κ-ε双方程湍流模型。通用方程可以写成如下:   对上述方程在控制容积内采用有限差分离散为代数方程,采用SIMPLE算法(3)给定边界条件即可求解。
  图1是某一特定工况下同轴射流计算的气体速度矢量图和同等流量下相同旋流数的单通道旋转射流的气流速度矢量图。从图中可以看出,由于同轴射流外风速度较高,导致了对二次风引射能力的增强,外回流开始点提前,但外回流结束点与单股转射流相同,这是由于二者具有相同的旋流数和流量。通过不同几何尺寸不同流量和旋流数工况的模拟计算,比较两射流造成的外回流区中心的长短就可以确定а和α的大小。а的范围基本上在1.5d 0一3d 0之间,其中d 0是三通道燃烧器外风通道的外径。α基本上符合式(6),只不过K0不是4.8而是l1.5,Κ仍取14。利用此数值计算得外回流结束的长度与实验结果〔2〕相差16%,基本上可以满足工程计算的需要。该方法已成功地应用于多套旋窑煤粉燃烧器参数的设计。
参考文献

  1孔学标.旋窑煤粉燃烧器及其空气动力计算《水泥·石灰》 No.1.1988;2J.M.比埃尔.N.切给尔.《燃烧空气动力学》科学出版社.1984;3S.V.帕坦卡《传热与流体流动的数值计算》科学出版社,1984.



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