回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器推力分析和計算

時間：2021-07-28作者：陜西罡正窯爐科技有限公司瀏覽：87

一、前言

??在各種應(yīng)用回轉(zhuǎn)窯的工業(yè)部門中，水泥工業(yè)應(yīng)用回轉(zhuǎn)窯較多。從所用燃料來看，當(dāng)前基本上都是以各種煤粉為燃料，從所用的燃燒器來看，絕大多數(shù)都是使用較**的四風(fēng)道煤粉燃燒器。在回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器的技術(shù)理論領(lǐng)域中，都涉及到一個“推力”的名詞術(shù)語。有的燃燒器生產(chǎn)廠家為了說明自己的產(chǎn)品性能好，將其冠以“大推力”。幾乎所有在討論降低回轉(zhuǎn)窯NOx排放方法時，都將采用小風(fēng)量大推力的煤粉燃燒器作為*二大類燃料燃燒中的控制首項技術(shù)加以論述。究竟多大推力的燃燒器是大推力燃燒器?燃燒器的推力是其固有的呢?還是在使用操作時隨時都在變化的呢?燃燒器的推力是不是越大越好呢?要準(zhǔn)確搞清楚這些問題，就必須對“推力”這個名詞術(shù)語的由來、基本概念和推力大小進(jìn)行深入的解讀，供大家參考。

??二、兩個名詞術(shù)語的由來及其基本概念

??在討論回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器的推力時，首先必須搞清楚“一次風(fēng)”和“推力”這兩個名詞術(shù)語的由來，進(jìn)而對準(zhǔn)確理解其基本含義就明晰得多。否則，很容易產(chǎn)生混淆和誤解。

??1.“一次風(fēng)”術(shù)語的由來及其基本概念的變化

??當(dāng)今水泥回轉(zhuǎn)窯所用的燃燒器，基本上都是三風(fēng)道和四風(fēng)道等多風(fēng)道煤粉燃燒器。為其配風(fēng)都需要兩種風(fēng)：一種是為輸送煤粉等固體燃料所用的風(fēng)，通常稱為“煤風(fēng)”;另一種是使煤粉等固體燃料噴入到窯內(nèi)燃燒并形成所需要的火焰形狀所用的風(fēng)，這部分風(fēng)中不含煤粉而是潔凈空氣，所以應(yīng)稱為“凈風(fēng)”。現(xiàn)在有人將這部分凈風(fēng)稱為“助燃空氣”，實際上這部分凈風(fēng)并不是為助燃而采用的，而是為提供足夠推力、形成所需要的火焰形狀，以保證風(fēng)煤混合充分均勻而設(shè)置的。所以，格瑞柯——茵菲爾公司將這部分凈風(fēng)稱為“成形風(fēng)”。但是，國外原來都將這部分凈風(fēng)稱為“一次風(fēng) (Primary air) ”，國內(nèi)有人受國外的影響也如此稱謂[1]。可能大家會覺得奇怪，為什么只將這部分凈風(fēng)稱為“一次風(fēng)”而不包括煤風(fēng)呢?這就需要了解“一次風(fēng)”這個術(shù)語的由來。

??回轉(zhuǎn)窯較早是不能燒煤的，即使是優(yōu)質(zhì)煙煤也不能應(yīng)用，都必須以燃油和燃?xì)鉃槿剂蟍2]。燃油和燃?xì)獾攘黧w燃料的輸送及通過燃燒器噴出都不需要空氣，即通常所說的“風(fēng)”，只需要提供為燃料燃燒并形成所需良好火焰形狀的空氣。這部分空氣是通過燃燒器噴射入窯的，對于傳統(tǒng)的水泥窯型，為與由冷卻機(jī)入窯的高溫二次風(fēng)相區(qū)別，故將這部分冷風(fēng)或稱“常溫空氣”稱為“一次風(fēng)”。這是一種潔凈空氣，其中不含有任何燃料等介質(zhì)，即是“凈風(fēng)”。顯然，這時將這種風(fēng)稱為“一次風(fēng)”是合理而科學(xué)的，這就是“一次風(fēng)”術(shù)語的由來。

??在1900～1910年間，美國人率先將優(yōu)質(zhì)煙煤的煤粉應(yīng)用于水泥回轉(zhuǎn)窯并且**成功。在燃油、燃?xì)夂腿济喝N燃料中煤是較便宜的，儲量也較大，所以在此以后燒煤的水泥回轉(zhuǎn)窯便迅速地增多起來。尤其是在上世紀(jì)70年代石油危機(jī)以后，沒有特殊情況，幾乎所有的水泥回轉(zhuǎn)窯都轉(zhuǎn)為以煤粉為燃料。煤粉的輸送和通過燃燒器噴射到窯內(nèi)燃燒，較方便的措施就是借助于空氣。在多風(fēng)道煤粉燃燒器未出現(xiàn)以前，都是利用單風(fēng)道煤粉燃燒器。對這種習(xí)稱“噴煤管”的燃燒器來說，這部分空氣既是煤粉輸送所必需，也是形成一定所需火焰形狀所必需，即在輸送煤粉的同時還提供了一定的推力。對于傳統(tǒng)窯型，仍然為與冷卻機(jī)入窯的高溫二次風(fēng)相區(qū)別，將燃燒器所用的這部分空氣也稱為“一次風(fēng)”?？墒?，這里的“一次風(fēng)”與前述的“一次風(fēng)”基本概念不同。這里的“一次風(fēng)已不是凈風(fēng)，而是風(fēng)中已含有煤粉介質(zhì)，嚴(yán)格地說應(yīng)稱為“煤風(fēng)”或“成形風(fēng)”。由于單風(fēng)道煤粉燃燒器阻力小，都采用離心風(fēng)機(jī)供風(fēng)。為了減少管路長度和工藝布置方便，都將這臺風(fēng)機(jī)安裝在窯頭。所以，有人將其稱為“窯頭一次風(fēng)機(jī)“，簡稱”窯頭風(fēng)機(jī)“，以與其他風(fēng)機(jī)相區(qū)別。

??多風(fēng)道煤粉燃燒器出現(xiàn)以后，既需要輸送煤粉的“煤風(fēng)”，又需要使煤粉燃燒形成良好火焰的“凈風(fēng)”。由于歷史的原因，原來國外都把為多風(fēng)道煤粉燃燒器提供的這部分凈風(fēng)仍習(xí)慣地稱為“一次風(fēng)”。國內(nèi)有人也人云亦云，將這部分凈風(fēng)稱為“一次風(fēng)”[1]。這就是將多風(fēng)道煤粉燃燒器所需要的這部分凈風(fēng)稱為“一次風(fēng)”的由來。另有一部分人，根據(jù)單風(fēng)道煤粉燃燒器用風(fēng)的傳統(tǒng)稱謂和新型干法窯用風(fēng)的特點認(rèn)為，將由多風(fēng)道煤粉燃燒器噴入到窯內(nèi)的常溫凈風(fēng)和煤風(fēng)合稱為“一次風(fēng)”比較合理。這就造成“一次風(fēng)”概念的混亂，給技術(shù)交流和具體應(yīng)用帶來許多麻煩，在談到一次風(fēng)時必須特殊注明是不是含煤風(fēng)。

??時代在前進(jìn)，技術(shù)在發(fā)展。一個新事物或者新技術(shù)的出現(xiàn)，名詞術(shù)語也必須隨之變化，跟上時代的步伐，以便于技術(shù)交流和溝通。由于預(yù)分解窯的出現(xiàn)，回轉(zhuǎn)窯的用風(fēng)也發(fā)生了變化，這就是增加了一股由冷卻機(jī)或者窯頭罩抽取到窯尾分解爐中的次高溫三次風(fēng)。對現(xiàn)在使用較多的預(yù)分解窯燒成系統(tǒng)來說，涉及到用風(fēng)的問題，概括起來共有四種風(fēng)：一是由多風(fēng)道煤粉燃燒器噴入到窯內(nèi)的常溫一次風(fēng);二是由冷卻機(jī)入窯的高溫二次風(fēng);三是由冷卻機(jī)或者窯頭罩抽取到窯尾分解爐內(nèi)的次高溫三次風(fēng);四是由窯頭、窯尾、預(yù)熱器和分解爐密封裝置等的常溫外漏風(fēng)。這些風(fēng)都是通過窯尾高溫風(fēng)機(jī)抽吸并排到后續(xù)系統(tǒng)中，所以在正常情況下，窯頭應(yīng)保持微負(fù)壓。負(fù)壓大了并不好，因為會增大漏風(fēng)量。由此可見，將由多風(fēng)道煤粉燃燒器噴入到窯內(nèi)的常溫煤風(fēng)和凈風(fēng)之和統(tǒng)稱為“一次風(fēng)”比較合理和科學(xué)[3]。這樣，不僅與二次風(fēng)、三次風(fēng)和漏風(fēng)嚴(yán)格區(qū)別開來，而且一次、二次和三次風(fēng)的概念也特別清晰。因為輸送煤粉這部分風(fēng)量并不是可以忽略的小數(shù)，一般約為一次凈風(fēng)的1/3～1/2，為煤粉完全燃燒所需理論空氣量的2.5%～3%左右。由于既有風(fēng)量，又有噴出速度，因而也產(chǎn)生不宜忽略的推力。如果一次風(fēng)不含煤風(fēng)，那么煤風(fēng)又應(yīng)算哪股風(fēng)呢?因此，現(xiàn)在國外有的也改變了稱謂，如法國皮拉得公司(Pillard)和法國拉法基水泥公司(Lafarge)現(xiàn)在就將煤風(fēng)和凈風(fēng)之和稱為“一次風(fēng)”。筆者認(rèn)為，將煤風(fēng)與凈風(fēng)之和稱為“一次風(fēng)”較合理和科學(xué)。

??2.推力術(shù)語的由來及其基本概念

??物理學(xué)在研究物體運動量和運動狀態(tài)時，都采用動量、功和能量等的理論。在具體舉例中，常會采用“推力”這個術(shù)語。如人推車就是人給車一個作用力使車運動，那么這個力就稱為“推力”，即人給予車一個“推動力”。又如子彈頭在槍膛中受火藥爆炸力作用而在槍膛中運動，火藥的爆炸力就稱為“爆炸推力”[4]。飛機(jī)發(fā)動機(jī)推動飛機(jī)運動或飛行的推動力，在航空專業(yè)也稱為推力……?？梢?，推力是一種力，即作用在一個物體上的外力，可使物體運動，其單位是“N”。

??含煤粉的空氣和潔凈空氣，即煤風(fēng)和凈風(fēng)在煤粉燃燒器噴燃管各個風(fēng)道中能夠流動，也是因為受到一種力的推動作用，因而有人將這種力稱為“推動力”，并按下式進(jìn)行計算[5]。

??由(1)式可以看出，這是動量的表達(dá)式。對于固體，(1)式中的m1是固體的質(zhì)量，單位為kg，V1是固體的運動速度，單位為m/s。由此可見，P的單位應(yīng)為kg.m/s。顯然這不是力的單位，而是**單位制的動量單位。但是，對于流體，其質(zhì)量m1應(yīng)用質(zhì)量流量表達(dá)，其單位為kg/s，流體的流動速度V1的單位仍為m/s。這樣，P的單位則變?yōu)閗g/s.m/s=kg.m/s2=N。因為1kg.m/s2=1N，這就是力的單位了，而不是動量單位。對空氣在噴燃管各風(fēng)道內(nèi)所以能夠流動，就是因為有這個推動力的作用，所以國內(nèi)外都將這個力簡稱為“推力”，與物理學(xué)所講的推力概念是完全一致的，仍然符合牛頓*二定律。也有人將其稱為“動量”或“沖量”都不夠準(zhǔn)確，因沖量或稱沖力的單位是力與時間的乘積，在**單位制中的單位是“N·S”?？梢娂炔皇橇Φ膯挝灰膊皇莿恿康膯挝?。雖然實質(zhì)都是一種能量的表達(dá)，但是在這里都不及稱為“推力”準(zhǔn)確。

??對于多風(fēng)道煤粉燃燒器，(1)式應(yīng)寫成下式較準(zhǔn)確：

??(2)式中的注腳“i”是風(fēng)道的數(shù)量，煤粉燃燒器的總推力Pz應(yīng)等于包括煤風(fēng)在內(nèi)的各個風(fēng)道推力之和。因為煤風(fēng)也是一股風(fēng)，也要產(chǎn)生一定的推力。

??三、回轉(zhuǎn)窯多風(fēng)道煤粉燃燒器所需能量的表達(dá)

??燃燒器將煤粉噴射到窯內(nèi)燃燒，只有火焰形狀合理，才能滿足窯內(nèi)的溫度分布符合物料在各段進(jìn)行反應(yīng)所需要的溫度。要獲得合理的火焰形狀，就必須有足夠的能量支撐。目前，國內(nèi)外對這種能量的表示方法有所不同，但其本質(zhì)相同。歸納起來，基本上有三種表示方法：一是能量表示法或稱“動能表示法”;二是單位熱量推力表示法;三是相對推力表示法，下面分別進(jìn)行介紹。

??1. 能量表示法[6]
??能量表示法也稱“動能表示法”，即所需要的動能E等于一次風(fēng)量中的凈風(fēng)風(fēng)量L1j;與其所具有的有效壓力Pu之乘積，即以下式進(jìn)行計算：

??式中：L1j——為燃燒器所供一次風(fēng)量中的凈風(fēng)風(fēng)量，m3 /h;
?????Pu——在燃燒器風(fēng)道噴出時空氣所達(dá)到的有效壓力，bar。

??法國皮拉得公司就是采用這種方法來表達(dá)煤粉燃燒器所需要的動能。該公司在比較原開發(fā)的三風(fēng)道和后來研發(fā)的Rotaflam型四風(fēng)道煤粉燃燒器性能時就采用了這種表示方法，詳列于表1。

??由表1可以看到，新開發(fā)的Rotaflam型四風(fēng)道煤粉燃燒器的性能比原三風(fēng)道好多了。雖然一次風(fēng)的凈風(fēng)風(fēng)量降低了40%，可其動能卻增大了5.9%。另外，有效壓力增大了76.5%。有效壓力的增大，意味著凈風(fēng)噴出速度增高，噴出環(huán)形間隙的面積減小。因為1mbar=0.1kPa，所以150mbar=15kPa。

??1. 單位熱量推力表示法
??單位熱量推力表示法，就是用每小時煤粉燃燒所產(chǎn)生的熱量除以燃燒器一次風(fēng)中的凈風(fēng)所產(chǎn)生的推力，即以下式進(jìn)行計算：

??式中：F —— 單位時間熱量所需的推力，N/(G Cal/h)或者N.h/GCal;
?????P —— 一次風(fēng)中凈風(fēng)所能產(chǎn)生的推力，N，可用(2)式進(jìn)行計算得到;
?????Q —— 燒成合格熟料時單位時間內(nèi)所需的熱量，GCal/h。
??當(dāng)前，國外采用這種表示方法的居多。如巴西格瑞柯—茵菲爾(Greco-Enfil)技術(shù)裝備公司所生產(chǎn)的FlexiflameTM型燃燒器、法國拉法基水泥公司等都是采用此法，見表2所列[7]。前者稱為“火焰推力”，在不包括煤風(fēng)時的火焰推力，一般在7～9N.h/GCal，較高可達(dá)12N.h/GCal。后者要求其單位熱量的火焰推力應(yīng)≥8N/(GCal/h)=N.h/GCal。

??3. 相對推力表示法

??丹麥?zhǔn)访芩?F.L.Smidth)公司采用相對推力表示法，即燃燒器的相對推力F0等于以百分?jǐn)?shù)表示的一次風(fēng)中的凈風(fēng)風(fēng)量L1與其噴出速度V1的乘積，即用下式進(jìn)行計算[7]：

??式中：F0——燃燒器的相對推力，%.m/s;V1——以百分?jǐn)?shù)表示的一次風(fēng)中凈風(fēng)的風(fēng)量，%;V1——一次風(fēng)中凈風(fēng)的噴出速度，m/s。因為多風(fēng)道煤粉燃燒器各個風(fēng)道的噴出速度不同，所以V1應(yīng)是各個風(fēng)道噴出速度的加權(quán)平均數(shù)。

??燃燒器的相對推力應(yīng)滿足F0=1250～1850 %.m/s，根據(jù)煤質(zhì)的不同，對F0進(jìn)行取值[8]。煤質(zhì)越差時，應(yīng)取大值，優(yōu)質(zhì)煤取小值。如果燒**煤，應(yīng)取F0=1850 %.m/s。這種表示方法，看起來很奇怪。其單位“%.m/s”在任何科學(xué)技術(shù)書籍中都是查不到的。但是，用起來卻非常方便。如果以用百分?jǐn)?shù)表示的一次風(fēng)量中的凈風(fēng)風(fēng)量L1為橫坐標(biāo)，噴出速度V1為縱坐標(biāo)，將二者的關(guān)系制成曲線，就可以指導(dǎo) 操作，如圖1所示。假設(shè)根據(jù)煤質(zhì)確定F0=1800%.m/s。當(dāng)一次凈風(fēng)量為L1=10%時，則噴出速度必須等于或大于V1=180 m/s。當(dāng)將一次凈風(fēng)量降到L1=5%時，噴出速度就必須提高到V1≥360 m/s。否則，就會出現(xiàn)推力不足的情況。因為噴出速度V1與風(fēng)量L1成正比，與噴出面積A成反比，即可按下式計算：

??當(dāng)燃燒器噴燃管設(shè)計制造好以后，對于大多數(shù)的煤粉燃燒器而言，其噴出面積A就是固定不變的了。這時要提高噴出速度V1，就必須增大一次風(fēng)凈風(fēng)的風(fēng)量L1。當(dāng)L1增大一倍，噴出速度V1就隨之增大一倍。眾所周知，一次風(fēng)的凈風(fēng)風(fēng)量L1是不宜過大的。這樣，要提高噴出速度v1，只有在設(shè)計時將噴出面積A減少，這涉及到燃燒器的設(shè)計理念問題。為了增大煤粉燃燒器的適應(yīng)能力，將噴燃管出口的噴出面積A設(shè)計成可調(diào)的。這樣，在風(fēng)量L1不變的情況下，就能改變各個風(fēng)道的噴出速度V1，給操作創(chuàng)造了較好的條件。如法國皮拉得公司的Rotaflam型、天津博納的TJB-KP型等煤粉燃燒器都屬于這種。

??由上述可見，在這三種表示方法中，以最后一種較直觀，較簡便，而且還可以指導(dǎo)操作。另外，從操作范圍也可看出，四風(fēng)道煤粉燃燒器的性能明顯**三風(fēng)道煤粉燃燒器。顯然，一次風(fēng)中的凈風(fēng)風(fēng)量減少，但噴出速度高，所以火焰的推力卻不小。再者也可看出，對推力的表示方法雖然不同，可是在本質(zhì)上沒有區(qū)別，都可以互相轉(zhuǎn)換。

??在這里需要特別指出的是，在上述的推力計算中或者推力表示法的計算中都是以一次風(fēng)中的凈風(fēng)量為計算參數(shù)。這是因為國外絕大多數(shù)都將凈風(fēng)稱為一次風(fēng)，而不考慮煤風(fēng)對燃燒器推力的影響。只有原法國皮拉得公司和法國拉法基水泥公司才將煤風(fēng)產(chǎn)生的推力計及在內(nèi)。

??四、對推力大小的討論

??對于單風(fēng)道煤粉燃燒器，即大家習(xí)稱的噴煤管，其一次風(fēng)率一般約為30%～40%，一次風(fēng)的噴出速度V1=50～70 m/s。如果用相對推力表示法計算，則其相對推力F0=(30~40)*(50~70)=1500～2800 %·m/s。可見單風(fēng)道煤粉燃燒器的較大相對推力比丹麥?zhǔn)访芩构緦uoflex型四風(fēng)道煤粉燃燒器所規(guī)定的較大相對推力F0=1850%·m/s還要大。顯然，不能說單風(fēng)道煤粉燃燒器的性能比Duoflex型還好。從法國拉法基水泥公司對煤粉燃燒器單位熱量推力的要求看，只要大于8N.h/GCal即可。從巴西格瑞柯—茵菲爾技術(shù)裝備公司的FlexiflameTM型煤粉燃燒器也可看出，對單位熱量推力的要求，一般在7～9 N·h/GCal即可，較大也不能**過12 N·h/GCal。這些都說明，燃燒器的推力不是越大越好，而是夠用就行。燃燒器推力的大小固然是決定其性能的一個不可忽視的指標(biāo)。但不是一的。然而，推力不足的燃燒器，肯定是一個性能不好的燃燒器。推力過大的燃燒器，其性能也不一定就好。因為燃燒器的性能不僅與其推力有關(guān)，而且與其結(jié)構(gòu)的合理性也息息相關(guān)。如果結(jié)構(gòu)不合理，即使推力很大，也是達(dá)不到預(yù)期效果的。

??五、結(jié)論

??1. 推力的作用是使煤粉燃燒器能夠形成煅燒物料所需要良好火焰形狀的一種推動力，不是越大越好，而是夠用就行;
??2. 推力與動量、沖量或沖力的概念不同;推力在使用操作中隨時都在變化，不是固定不變的;
??3. 一次風(fēng)量對于燒固體燃料的燃燒器應(yīng)包括輸送風(fēng)，一次風(fēng)量不宜過大，過大有百害而無一利，不僅影響系統(tǒng)潛能的正常發(fā)揮，而且會增大NOx的排放，對節(jié)能減排非常不利。


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