（热能工程专业论文）低热值高温煤气燃烧器流场冷态试验及模拟研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 i 摘 要 高温烟气在钢铁、水泥、冶金等行业应用广泛，针对高温烟气发生工艺以及工业 窑炉难以利用劣质煤的现状，煤燃烧试验室开发了结合流化床煤气化以及流化床燃烧 技术的超高温烟气发生工艺，本文对工艺过程进行了描述，针对低热值高温煤气和高 温含氧烟气的特点，设计了适用于此工艺的一种套筒式旋流燃烧器，在冷态模型台架 上完成对各工况下燃烧器旋流流场的测量，用工程模拟软件fluent模拟三维热态燃烧， 以得到燃烧器的优化设计，以适应超高温烟气发生工艺在回转窑煅烧生产中的需求。 低热值高温煤气燃烧器是整个超高温烟气发生工艺的关键部件之一，由于该工艺 的设备较多、系统复杂，产生的煤气和烟气均在 900左右，不宜用结构过于复杂的 三通道或多通道燃烧器，在满足燃烧效果和系统安全的前提下，设计了加装旋流叶片 式的套筒式燃烧器形式，并根据冷态模化原理计算结果，建造燃烧器冷态测量系统。 试验采用五孔探针测量系统进行测试，得到了不同旋流叶片角度、数量、位置，以及 不同内外质量流量比等各个工况下轴向、切向、径向速度的变化情况，最终分析得出 旋流叶片的角度和位置对改变旋流流场的状况影响最为明显。 实际工况中，原料气体在以回转窑为燃烧室的燃烧状况，是直接关系工艺最终实 现的关键。本文结合具体项目，根据冷态流场测量得到的最佳设计参数，用gambit 软件进行三维立体建模并划分网格，采用cfd工程模拟软件fluent进行高温煤气在以 回转窑为燃烧室内燃烧特性模拟，包括温度场、速度场以及压力场等。模拟得到的火 焰温度为1780k，即1503，最高速度为194m/s，在煤气与烟气混合出口处，与设计 值相当接近，窑头部分维持在负压，约- 336pa。模拟得到的燃烧情况能够满足回转窑 煅烧生产需要。 关键词：超高温烟气；低热值高温煤气；旋流燃烧器；五孔探针；冷态流场； 热态模拟 华中科技大学硕士学位论文 ii abstract high- temperature gas is widely used in the steel, cement, and metallurgical industries. the high- temperature gas generator system and industrial furnace have difficulty in using low quality coal in the current situation. according to this situation, the coal combustion laboratory develop the ultra- high temperature gas generator system, which combine the fluidized bed coal gasification and fluidized bed combustion. this paper described its process, and then designed one sleeve burner for this system. the experiment completed the cold model measurement of the flow field on the burner model，and used the engineering software fluent to simulate the combustion to meet the needs of rotary kiln production. low calorific value coal gas burner is one of the key components of ultra- high temperature gas generator system. due to the system has many equipment and complex process, and the temperature of low calorific value flue gas and oxygen- containing gas were 900, it is not suitable to use three- channel or multi- channel burner structure. in order to meet the effects of burning and satisfy safety of the system, the paper designed the sleeve burner with the swirl leaves, and built the whole modeling cold burner measurement system with the cold principles. the experiments used five- hole probe measurement system, and compared the different number， angle， and position of swirl leaves, and different centre wind for swirl export velocity. experimental tests got various conditions of axial, tangential and radial velocity changes, finally got the different number and position of the swirl blade have most obvious changing to the swirl flow field by the experiment. in the actual working conditions, the combustion of the gas is the important key of the system. based on the optimal design parameters of the measure flow field and specific project, use gambit software to finish the three- dimensional modeling and meshing,and use fluent to simulate combustion characteristics for high temperature gas in a rotary kiln as a combustion chamber, including temperature, velocity and pressure field. simulated flame temperature get to 1780k, 1503 ; the maximum speed is 194 m/s at the mixed positon of gas and fume at the nozzle exit, with the design value is very close; some kiln maintained at negative pressure, about - 336pa. the combustion can be simulated by the practical needs of rotary kiln applications. keywords:ultra- high temperature gas;low calorific value coal gas; swirl burner; five- hole probe; cold flow field;thermal simulation 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密?，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密?。 (请在以上方框内打“ v” ) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 绪 论 1.1 课题研究背景及意义 在全球范围内，水泥都被称为建筑业的基础，在建筑成本中占有很重要的份额。 尤其是近三十年的改革开放，国内大规模的建设各种基础设施，需要大量的水泥等建 材产品，水泥工业的发展也越来越迅速1- 4。 自 1985 年起我国水泥产量己连续 21 年位 居世界第一位，现如今已占世界水泥总产量的 47%左右。近十年来甚至发展到十亿吨 以上，而其中落后生产能力比重仍占 60%左右。所以优化水泥工业产业结构，采用先 进技术，提高产品质量，减少环境污染，增强产品竞争力是实现水泥工业健康发展的 重要而迫切的任务。 我国现在社会快速发展，人口增长压力也比较大，而同时，环境的日益恶化，资 源的日渐匮乏却成为阻碍我国继续高速发展的重大问题。现在全世界都在关注能源利 用对于环境的破坏，越来越多的人开始关注环境问题。我国是以煤作为主要的能源利 用。煤燃烧的污染程度虽然较以往有了较大幅度的改善，但和很多其他国家相比形势 依旧严峻，我国在国际环境与发展的各种大会中压力日趋增大，而节能减排就是要从 根本上预防污染产生，最有效地减少资源消耗，最大限度地降低废弃物排放。根据“ 十 一五” 规划，到 2010 年末我国单位 gdp 的能耗要比 2005 年末降低 20%，污染物排放 总量减少 10%。2007 年，工业特别是高耗能高污染行业增长过快，占全国工业能耗和 so2 排放近 70的电力、钢铁、冶金、建材、石油加工、化工等 6 大行业增长 20.6 ，同比加快 6.6，节能减排所面临的形势相当严峻5- 7。 回转窑作为最普遍使用的煅烧设备之一，具有机械化、产量高、熟料质量好、自 动化程度高等优点。我国是世界上回转窑最多的国家。但是我国许多地区优质煤价格 太高，或者根本就只能产劣质煤，燃料成本越来越高。况且常用的回转窑一般使用高 价的优质煤，且煤炭产地和煤质分布并不均匀，当优质煤价高而且不能保证供应时， 如果使用的煤种并非回转窑的设计煤种时，就会造成回转窑燃烧的燃烧器燃烧效率低 华中科技大学硕士学位论文 2 等状况。因此研发煤种适用性强、清洁高效生产超高温烟气的新技术及与之相适应的 回转窑用燃烧器势在必行8。 1.2 煤气化的进展及超高温烟气发生技术 1.2.1 煤气化技术的发展 煤气化是指在气化剂(空气、氧气、水蒸汽或氢气等)作用下把煤以及其干馏产物 最大限度地转化为煤气的过程。煤气的有效组分主要是 h2、co、ch4，其余组分有 co2、n2 等。 煤气化技术迄今为止已有上百年的历史，而在这漫长的时间过程中已经发展了很 多不同类型的技术。如果按气固接触方式的标准来划分的话，典型的煤气化技术大体 可以分为三类，即流化床气化技术、固定床气化技术和气流床气化技术。固定床煤气 化技术已经比较成熟，但固定床必须使用质量较好热值较高的块煤或型煤为原料。随 着现代化机械采煤技术的进步，优质块煤的产量越来越少，价格也越来越高，常压固 定床气化技术的燃料供应问题越来越显现，其发展受到了一定的限制。 因此，对气化率和煤气热值的要求都相对较低，从而使采用系统较简单的流化床 常压气化成为可能。流化床煤气化技术的特点是燃料适应性广，投资低。它相比于固 定床气化技术，流化床气化炉的气化强度得到了较大幅度的提升，同时由于整体温度 比较均匀，产生的焦油量比较少。常压流化床气化技术操作温度较低，因此对原料煤 的气化反应性有严格的要求9。循环流化床气化技术采用高效分离器将飞灰分离，进 一步提高了能量转化的效率，降低了对于反应性的要求。气流床气化炉在高温高压的 反应条件下可以实现煤的高效转化，目前典型的气流床气化技术的碳转化率均大于 98%，冷煤气效率一般均大于 70%。这些是目前煤气化技术特别是大型煤气化技术比 较重要的发展方向10, 11。 目前，发达工业国家已经逐步用流化床气化、气流床气化，取代原有的固定床气 化技术。从煤气化大规模制造化工原料气来看，用粉煤代替块煤、氧气代替空气、用 加压代替常压，以适应现代机械化采煤成块率低的现状，提高碳的转化率、原料气成 分的含量和单位床截面产气量，是煤气化发展的趋势。不过这些发展是以增加气化系 华中科技大学硕士学位论文 3 统的复杂程度和设备、运行成本为代价的。而煤气化同时产生的气化半焦可以在燃烧 床中得以利用，生产含氧高温烟气，煤气在约 900c 的含氧高温烟气中燃烧，进一步 提高烟气温度。 1.2.2 超高温烟气发生技术 高炉煤气燃烧、重油燃烧和喷煤粉燃烧是最常用的产生高温烟气的技术。其中高 炉煤气只能在离高炉不远的地方使用，燃油方法成本较高。在我国喷煤粉燃烧占据主 导地位。流化床技术的特点是强化传热、稳定燃烧，燃料适应性强，能燃用包括贫煤、 煤泥、煤矸石等各种劣质燃料生产高温烟气12。现有国内的流化床高温烟气技术，大 部分都是采用沸腾炉单独进行直接燃煤或煤气化燃烧13。 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室流化床课题组根据流化床干燥原理，发明了 流化床高温烟气炉，如图 1.1 所示： 1 沸腾层 2 悬浮段 3 炉体 4 喂料系统 5 热烟气出口 6 燃尽室 7 风帽 8 布风板 9 冷渣管 10 一次风管 11 送风机 12 炉门 13 二次风管 14 二次进风口 15 给煤系统 图 1.1 高温烟气沸腾炉 这中流化床高温烟气炉比传统的技术要先进很多。而且高效、低污染是流化床高 温烟气炉的主要特点，燃用劣质燃料时，烟气炉的燃烧效率和热效率均大于 90%。流 化床高温烟气炉在很多企业，尤其是湖北省内的各种企业得到广泛的利用。这种流化 床高温烟气炉主要用于建材行业，生产出来的高温烟气能够达到 900c 以上，能够用 华中科技大学硕士学位论文 4 来烘干水泥物料、矿石、有色金属等物料，并用来煅烧石膏13, 14。但在实践中发现， 由于煤质的灰熔点的缘故，流化床高温烟气炉产生的高温烟气不能超过 1000c，这严 重限制了它的应用范围。 12001500c 的高温环境是很多特殊加工工艺所需要的， 提 高流化床高温烟气炉产生的烟气温度不仅有助于煅烧质量的上升，而且还可以扩大应 用范围，这将带来多个行业产品的更新换代，有效降低成本。 而用煤部分气化结合气化残焦燃烧的方法生产超高温烟气(1200c)是一种可行 的途径。 流化床要产生超高温烟气， 必须将煤部分气化和气化半焦燃烧有机结合起来， 鉴于此，华中科技大学煤燃烧国家重点实验室流化床课题组提出了流化床超高温烟气 发生技术工艺，如图 1.2 所示，使燃烧和气化分开进行，并将流化床煤气化产生的残 焦颗粒送入烟气发生炉内进行燃烧，产生高温含氧烟气，为高温煤气的燃烧提供热量 和氧化剂，进一步提高烟气温度，达 1200以上。该工艺已申报发明专利并公开15。 图1.2 超高温烟气发生技术的工艺流程 工业上把热值在1600038000 3 /kjm(标态)范围内的煤气叫做低热值煤气， 超高温 烟气发生技术产生两股气体，一股是高温低热值煤气，主要燃烧气体是co，含量在 20%，还有极少量的 4 ch 和 2 h ，低热值煤气的缺点是不易着火燃烧，火焰温度低，火 焰难以稳定，达到相同的热负荷时燃料体积耗量大，烟气量增多，使排烟损失增加； 另一股是高温含氧烟气，温度均在900，要使这两股气体能有效的组织燃烧，对燃 烧器的设计提出较高的要求16, 17。 华中科技大学硕士学位论文 5 1.3 回转窑及窑用燃烧器 1.3.1 回转窑介绍 回转窑是指旋转煅烧窑，也称旋窑，是对浆状流体物料或散状粉体进行加热处理 的常用热工设备， 一般由传动装置通过小齿轮带动直筒上的大齿轮， 使之不停地转动。 筒体倾斜一定的安装角度，由两组或更多组托轮支撑。物料与热烟气一般情况下为逆 流，物料从窑的高端(又称冷端或窑尾端)加入。图 1.3 显示为普通回转窑的一般结构。 图 1.3 回转窑结构 回转窑是水泥熟料烧成的关键设备，能提供熟料烧成所需要的温度和物料在 高温下的足够停留时间18。影响回转窑运行效果的因素有多种，不可变因素和可变因 素都存在。不可变因素是指工艺设备的各种设计参数，如窑系统各组成部分、预热器 和分解炉等的设计参数，以及辅助设备的性能参数等。设备选型和配置是否合理，只 有待系统运转后加以评价，通过技术改造可以改进有缺陷的参数和设备。可变因素一 般指回转窑运转时的热工状况，这直接关系到煅烧或焙烧成品的质量，例如窑内反应 温度、空气流量、过剩空气系数等重要影响因素6, 19, 20。 1.3.2 国内外回转窑用燃烧器的发展 为了生产高质量和高产量的熟料，煅烧回转窑用的燃烧器性能的性能就显得尤为 关键。燃烧器是否能有效组织燃烧流场，保证窑内的稳定运行，而且能利用热值较低 的燃料，同时减少环境污染，这是现在回转窑用燃烧器设计的最终目的。 回转窑用燃烧器由于受制于原料，煤粉在我国是利用较多的，分布也比较广泛， 华中科技大学硕士学位论文 6 所以基本上都是用的煤粉燃烧器，在煤气由于来源不多，而且价格昂贵，所以基本很 少利用。在煤粉燃烧器的发展史上，也经历了从单风道向双风道再到多风道的转变。 原来的单风道煤粉燃烧器缺点较多，混合流速低，混合效率差，经常因不完全燃烧产 生黑火头，而且基本利用不了二次风，主要的燃尽风都是一次风供给。后来发展到多 风道，现在甚至出现了可以以两种以上燃料为基础的五风道回转窑燃烧器。但是，这 也带来了喷燃管的结构变复杂，重量变重，造价变高，在使用时很容易弯曲的问题 国际火焰研究基金会(ifrf)曾经直接资助对水泥回转窑内煤粉和石油焦的燃烧及 其火焰的研究工作。 欧洲许多水泥的生产者、 制造者和研究单位都是这个组织的成员， 使他们在回转窑煤粉燃烧器方面走在世界的前列，比较先进的有 rotaflam型（法国皮 拉德公司） ，四风道的 pyro- jet型（德国洪堡公司） ，duoflex型（丹麦史密斯公司） 都是当今世界先进燃烧器的代表。我国由于近年来加大研究和投入，现在研发的燃烧 器也能达到国际先进水平，而且价格却低很多，所以现在用国产的燃烧器的厂家越来 越多18, 19, 22, 23。 1.3.3 回转窑对于燃烧器的要求 常规情况下对燃烧器的基本要求是： (1)燃烧器出口燃料分配均匀，配风合理； (2)能形成良好的燃烧室内空气动力场，火焰在炉内的充满程度好，且不会冲墙贴 壁； (3)能使煤粉气流稳定地着火燃烧，确保较高的燃烧效率； (4)有较好的燃料适应性和负荷调节范围； (5)流动阻力较小； (6)能减少氮氧化物的生成，减少对环境的污染。 回转窑在煅烧时对火焰的要求是火焰温度要达到 1700以上， 并且燃烧火焰形状 对称，调节功能较好，在回转窑内的温度分布合理，形状根据工况的不同可以进行调 整19。 从工艺过程角度看，用于对回转窑烧成带提供热量的燃烧器应满足的要求有很 多，既要求能够燃烧多种燃料，而且要求能在空气量不够的情况下尽快的燃烧，除此 华中科技大学硕士学位论文 7 之外，碳氧化物和氮氧化物等污染物的排放也要求最低。同时，火焰的形状保证较细， 外轮廓不能太宽，防止扫到窑皮，火焰形状也不能太长，但又要保证烧成带的热辐射 足够且均匀。一次风用量尽可能少，但必须保证在不正常的窑况下火焰燃烧的稳定。 现在的回转窑燃烧不再像以往那样强调强化燃烧以适应强化煅烧要求，这是因为 强化燃烧所形成的局部高温对烧成带窑皮不利，从而影响耐火砖使用寿命，另一方面 局部高温将增加 x no 的排放量24, 25。这就为了超高温烟气发生工艺的回转窑煤气燃烧 器的设计提供的思路和依据，只要能较好的组织燃烧，就不用拘泥于非要多通道的设 置，较少的风道也不一定会产生燃烧效率低下的问题。 华中科技大学硕士学位论文 8 2 窑用燃烧器原型及冷态模化试验设计 2.1 窑用低热值高温煤气燃烧器原型设计 2.1.1 燃烧器结构形式选择 影响燃烧反映发生的速度的根本原因时燃料与空气的混合以及混合后燃气被升 温的速率，而并不是燃料自己的特性，所以，将煤气与空气加热到一定程度，即所谓 预热，这对两者的混合以及充分燃烧都有较大的好处。而超高温烟气发生工艺中，煤 气来自于流化床汽化炉，烟气及含氧空气来自己与流化床烟气炉，两者出炉的温度在 正常工况下均在 900以上，煤气和空气的预热不是问题。但混合的强度还是有必要 加强，并通过燃烧器的结构来改变火焰的形状以及工况的调整。 气体燃料的燃烧状态， 一般可分为动力燃烧状态和扩散燃烧状态。 动力燃烧状态， 亦可称为无焰燃烧或预混合燃烧状态。 指的是煤气和空气在进入燃烧器或者燃烧室(包 括窑内)之前就先进行了混合，而在从出口喷出时就直接进行燃烧反映，这类反映速度 非常之快，很快即燃烧殆尽，而且火焰较短，甚至有时看不到形式上的火焰。而煤气 与空气混合的压力、纯度、以及余热温度等方面在动力燃烧状态的情况下都被严格的 要求，且不容易被控制，一旦控制不好，就有回火、烧坏喷嘴和爆炸的危险。因此在 以煤气或其他燃气为燃料供应回转窑煅烧需要时，常常不选择动力燃烧状态。 扩散燃烧状态，相对于动力燃烧状态，是指煤气与空气在通过燃烧器之前，并不 经过预先的混合，而是在各自的通道经过喷嘴后再混合燃烧，而且是边混合边燃烧， 然后形成火焰形状。由于这一速度，火焰的长度受混合快慢的影响，长度会较长26。 扩散燃烧状态在使用时，具有火焰辐射能力强，温度分布均匀，火焰状态可以调 整。煤气压力可低值使用，纯度质量要求不高，不易发生回火等特点，在回转窑和其 它窑炉上得到了普遍地采用。与此同时，煤气在燃烧时，存在着需要大于燃料本身数 倍的助燃空气进行混合帮助燃烧时， 因燃料或空气的质量因素， 需要较大的燃烧空间。 因空气系统(风机)不足或异常时，才会产生燃烧不完全，回火燃烧和爆炸的可能。 华中科技大学硕士学位论文 9 总之，扩散燃烧的特点最终表现在煤气和空气的混合质量上，混合质量就包括混 合程度和混合速度。混合的程度直接决定燃烧的完全程度，只有尽量做到完全混合才 能达到完全燃烧的标准；而混合速度则直接决定燃烧的速度，而相较之下，燃烧反应 的过程一般要比混合速度快很多，所以煤气与空气的混合程度和速度，也包括各种阻 燃风的配比及煤气空气预热的温度，就决定了扩散燃烧的效果27。 对于扩散式燃烧器，燃烧所需的全部空气没有来自于预先的混合，而是在燃烧过 程发生之后才通过其他方式来供给。而如果根据空气供给方式来分类，扩散式燃烧器 可以分为自然引风式燃烧器和送风式燃烧器，自然引风式燃烧器依靠自然抽力的形式 来卷吸周围的空气，而这种情况下，煤气和空气的混合较差，混合程度不高，混合速 度也不快，所以燃烧速度也比较低。而且一旦在煤气量增加的过快，自然引风式燃烧 器很难供气足够的空气来支持燃烧的进行，必然会造成燃烧的不完全。本文所设计燃 烧器必然属于送风式燃烧器。在送风式扩散燃烧器中，套管式燃烧器应用较广泛，该 燃烧器结构简单，技术相对也比较成熟，套筒式燃烧器结构如图 2.1 所示。通常燃气 从中间小管中流出，空气从大管和小管之间的夹套中流出，两者在火道或炉膛中边混 合边燃烧。参照扩散式燃烧的特点可发现其适合于超高温烟气发生工艺，并一般不发 生回火、使用压力低以及调节比例较大等优点26, 28。 本文所探讨的燃烧器将采用这种双通道套筒式的燃烧器为超高温烟气发生工艺 的基本形式。 图 2.1 套筒式燃烧器的结构 套管式燃烧器中由于燃气和空气为同心平行射流，故混合较预混式动力燃烧较 差。为了克服这个缺点，在空气出口外加一定角度的渐缩喷口，提高射流的速度，并 华中科技大学硕士学位论文 10 通过设置旋流器来加强内外管的混合。 本工艺采用双通道燃烧器，高温煤气通过燃烧器内管直流喷出，保证燃烧火焰维 持一定的刚性和形状。高温烟气通过燃烧器外管经过旋流作用喷出，增大气流的旋流 强度，增强窑内火焰对周围流场的卷吸作用，并带动中心直流气体旋转，加强流场的 湍流强度，改善低热值煤气的着火条件，使回转窑窑内达到煅烧物料所需的温度。高 温烟气渐缩部分保证一定的火焰形状，防止火焰外沿扫到窖皮，导致结圈。 2.1.2 旋流燃烧器 2.1.2.1 旋流及回流区 为了使应用于超高温烟气发生工艺的双通道套筒式燃烧器能有更好的燃烧效果， 通过旋流作用加强低热值高温煤气和高温含氧烟气的混合作用，并减少部分氮氧化物 的生成，无疑是一种可行和实用的方法。 射流离开喷嘴前先强迫流体做旋转运动，从喷嘴流出后，气流一边旋转，一边向 静止介质中扩散前进，这种射流称为旋转射流。旋流燃烧器是利用强烈的旋转气流产 生强大的高温回流区，从而强化燃料的着火和燃烧，同时也加速燃料和空气的混合。 旋转射流具有一般射流的径向与轴向速度分量外，还具有一定分量的切向速度分量。 旋转射流的流场的径向和轴向都产生压力梯度，引而，当射流旋转较强烈时，由于轴 向压力梯度的增大，流体会在轴向上发生倒流，喷嘴附近出现回流区。从流场特征来 看，旋转射流是由旋转紊流、自由射流和尾流三种运动组成。旋流燃烧技术中旋转射 流是强化气燃烧和组织火焰的一个有效技术，它能大大提高燃烧的强度和火焰的稳定 性。在工程上，产生回流的方法很多，其中旋转气流有很多优点，例如，旋转射流和 气流绕钝体相比要产生相近宽度的回流区，钝体所需的尺寸比旋流器的尺寸要大的 多，这点对容量大的锅炉和窑炉特别重要。第二，旋流燃烧器所产生的回流区的长度 也比钝体来得大。第三个重要的特点是随着旋转强度的变化，回流区的尺寸及高温烟 气回流量的调节方便29。 已有试验研究表明，环形射流的流动可以分成两个具有不同特性的区域：设 0 d 为 环形射流的直径，则一个区域是在离喷嘴约(810) 0 d 以后的完全发展区，该区域中的 华中科技大学硕士学位论文 11 流动特性和单股自由射流相似；另一个是喷嘴附近区域，该区域中有一个反向的回流 区存在，该回流区的大小和回流速度及回流量对着火以及射流的混合都有很大的影 响。环形射流出口附近存在一个大回流区，中心线上的最大回流速度约为射流出口速 度的 15%，其回流量约占射流喷出流量的 6%。 随着旋流数 o 的增加， 回流区长度大幅增加， 燃烧器出口处形成了强大的高温区， 不但强化了着火，而且也加速了燃烧，缩短了火焰的射程。旋流数越大，火焰前沿越 接近燃烧器出口。 旋转切向速度最大值处即为上述两个区域的分界处。由于旋转离心效应，在漩涡 核心处产生了明显的负压区，使流线偏斜，形成强大的回流区，并使轴向速度分布形 成驼峰形分布， 在远离喷嘴处速度场才逐渐均匀化， 对喷入炉内有限空间的旋转射流， 除了中心漩涡回流区外，由于射流外边界的强烈卷吸作用，也会产生外回流区，而形 成中心和外围两个大回流去的稳燃热源。 中心漩涡回流区之后，由于受外围漩涡区高轴向速度的影响，速度又回升至最高 值后再逐步衰减。在燃烧器出口，由于强烈的湍流和回流，切向旋转速度衰减很快， 形成以轴向流动为主的射流30。 2.1.2.2 旋流燃烧器的分类 气体旋流燃烧器分为中心进气和周向进气两种。最初旋流燃烧器的燃料一般为单 一煤气。 随着旋流燃烧技术的进步,气体旋流燃烧器正沿着适合多种可燃性气体混合燃 烧的方向发展31。 如果按照结构分，根据燃烧器的不同结构形式，旋流燃烧器可分为蜗壳式、轴向 叶片式和切向叶片式三大类型。 华中科技大学硕士学位论文 12 图 2.2 旋流燃烧器的分类 (1)蜗壳式旋流燃烧器 蜗壳式旋流燃烧器是通过蜗壳产生旋转射流，优点是结构简单、操作方便、煤种 适应性也较广，在中小型煤粉锅炉中得到较广泛的应用。缺点是结构较简单，调节性 能较差，流动阻力和外形尺寸也较大，大容量煤粉炉中应用不多。 (2)轴向叶片式旋流燃烧器 轴向叶片式旋流燃烧器是利用轴向导叶使气流产生旋转作用的燃烧器，通常，轴 向叶片式燃烧器的二次风过早的和一次风混合，使旋流强度衰减较快，射流的扩展角 也较大。 (3)切向叶片式旋流燃烧器 该形式燃烧器一般装有 8 片左右可动叶片，改变叶片的角度，可使二次风产生不 同的旋流强度，以控制高温烟气回流区的大小。一次风出口处设有带一定张角的多层 盘式稳焰器， 以使一次风略为旋转并引导入二次风之中， 使气流得到良好的混合作用。 和蜗壳式相比，叶片式燃烧器出口截面沿圆周方向的气流分配较均匀30, 32。 旋流燃烧器 蜗 壳 式 切向叶片式 轴向叶片式 双通道外混式轴向叶轮型 轴向可动叶轮型 轴向叶轮- 蜗壳型 蜗壳- 中心护流锥型 三蜗壳和多蜗壳型 双蜗壳式 切向- 轴向导叶型 带直流风的切向叶片型 切向可动叶片型 切向导叶型 华中科技大学硕士学位论文 13 2.1.2.3 旋转气流的特性 (1)旋转气流的速度场 在不同的横截面上，旋转气流的切向速度和径向速度的合速度 22 vw u + 沿射程不 断衰减；当/10 x d 时，旋转速度基本消失，即射流已不旋转。 旋转射流的流动区域，在射流内部有一个反向的回流区。旋转射流不但从射流外 侧卷吸周围介质，而且从内部回流区卷吸介质。在燃烧过程中，从内、外回流区卷吸 的烟气对着火的稳定性起着十分重要的作用。 (2)旋流强度对速度分布的影响 气流的旋转和射流最大速度、离喷嘴的远近有关。距喷嘴越远，射流最大速度急 剧下降，当旋流强度增加时，这种衰减速度加快。 (3)旋转射流的射程 旋流强度增加时，不同方向局部最大速度均增加，但火炬射程却衰减很快。和直 流自由射流相比，旋转射流的轴向速度衰减要快的多，因此可用改变旋流强度的方法 来调节火炬射程。旋转射流的湍流参数分布规律，湍流强度 222 uvw u + =，旋转 射流的湍流强度的平均水平要比自由射流高得多。 本文设计的燃烧器属于共轴旋流组合燃烧器，一次风是直流，二次风是旋流的燃 烧器中，燃料随一次风射入燃烧室，由旋转射流的二次风形成中心回流区来保证燃烧 火焰的稳定性30, 33, 34。 超高温烟气发生工艺中使用的套管式燃烧器，若使用蜗壳式旋流形式，则结构较 为复杂，而且旋流强度不好调节，而使用叶片式旋流器是较为适合的产生旋流效应的 形式。 2.2 窑用低热值高温煤气燃烧器冷态模化设计 2.2.1 冷态模化原理及其意义 华中科技大学硕士学位论文 14 模化试验一般用在对还未投入运行的设备进行实验了解，或者设备过大结构过于 复杂，想通过模化实验进行调整改变的时候，等温模化作用不一定能够精确描述实际 工况下的所有过程，但是对其中重点关注的地方还是有一定的指导意义。所以冷态等 温模化技术还是在许多地方得到较多使用，是一种既省时又省力的试验方法。而它所 遵循的原则有三点：几何相似，物理量进入自模化区，边界条件相似。 欧拉准则eu来表明压力与惯性力的比值，即 2 /(re)eupwf= = 。雷诺准则在 流动过程起主要作用：re/wd v=，它是流动惯性力与粘性力之比。在等温流动时， 它决定了气流运动的阻力特性，通常以在截面不变的情况下，阻力系数即为欧拉准则 的两倍。所谓气流运动状态进入自模化区，就是指当re大于某一定值后，eu值不再 与re数有关而保持为一定值，即此时惯性力是决定性因素，而粘性力的影响可以忽 略不计，因此气流质点的运动轨迹主要受惯性力的支配而不再受re值的影响。利用 进入自模化区进行试验的好处是非常明显的： (1)通常大型设备re值很高，如果缩小了几十倍的模型re准则与实物数值相等， 势必要求模型中流速比实物大十倍以上，这是不容易实现的。利用进入自模化区的特 点，可以在较低的re数值下试验而能得到相同的结果。 (2)在进行冷态流体动力场试验时，达到热态运行re值的冷态风速很低，测量比 较困难，此时也可利用自模化区的特点，用较低的re值进行试验来解决。当re时， eu接近于常数，表明该炉在此工况下已进入自模化区。进入自模化区的临界雷诺数 recr如下表： 表2.1 各种炉型及窑型进入自模化区的临界雷诺数 序 号 炉子型式 进入自模化区的 临界recr 序 号 炉子型式 进入自模化区的 临界recr 1 旋风炉 (3.14.1) 4 10 5 单层四角布置燃烧器炉膛 4 (26) 10 2 u型炉膛 4 4.5 10 6 多层四角布置燃烧器炉膛 4 7.5 10 一次风 3 1.48 10 7 前墙布置旋流燃烧器炉膛 4 4.4 10 周界风 4 4.8 10 蜗壳式 4 0.9 10 3 四角布置 燃烧器 二次风 4 7.5 10 8 旋流 燃烧器 叶片式 5 1.8 10 4 回转窑 4 1.0 10 9 码砖料垛隧道窑 3 7.0 10 华中科技大学硕士学位论文 15 柱形料垛隧道窑 3 3.5 10 空气及燃料自燃烧器喷入窑内燃烧时，由于燃料的迅速着火燃烧，烟气体积由于 烟气横向的膨胀，使其容积流量远远大于喷入窑内的空气流量，为了使等温冷态模化 试验与窑内实际流态相接近，在满足上述相似条件的基础上，基于对窑内过程的理解 的深入，在回转窑模化试验方面人们提出了多种模型，因为窑内过程是非等温动力工 程，为使模拟结果与窑内非等温过程实际接近，这些模型都采用了局部失真模型 ，即 在满足燃烧器、回转窑各部分总体满足几何相似的基础上，对于燃烧器模型这一回转 窑局部几何特征采用了与回转窑不同的比例，适当加大了燃烧器尺寸，因为实物燃烧 器出口尺寸小、流速高，这样处理不仅使模化试验结果更接近于窑内热态过程，而且 也使一次风风速进一步降低，更方便了燃烧器模型的制造和风速测量。 2.2.2 冷态模型计算35 旋流叶片是为了加强旋流强度，随着旋流强度的增加，火焰变粗、变短，可强化 火焰对熟料的热辐射，但过强的旋流会引起双峰火焰，即发散火焰，易使局部窑皮过 热、剥落；另一方面也易引起“黑火头”消失，喷嘴直接接触火焰根部而被烧坏25。 根据超高温烟气发生工艺的主要应用之一的通山煤气化发生超高温烟气所需的 燃烧器要求，设计实物尺寸如所示： 图 2.3 套筒式旋流燃烧器结构简图 根据已知数据进行计算，已知高温煤气和高温烟气参数如表 2.2 所示 表 2.2 高温煤气和高温烟气参数 华中科技大学硕士学位论文 16 参数 流量( 3 /ms) 管中流速(/m s) 喷出速度(/m s) 高温煤气 3.18 83.67 124.99 高温烟气 3.99 35.13 69.83 首先计算实物是否处于第二自模化区： 回转窑进入第二自模化区的临界雷诺数为 1.0 4 10 4 re10 wd v = (2- 1) 得冷态窑内平均最小流速： 0 rev w d =15.06 6 10 4 10/2=0.0753/m s (2- 2) 进入自模化区的最小风量为： 000 273 3600 273 qw f t = + =36000.0753p 2 1 273 27320+ =793.5 3 /nmh (2- 3) 实物的额定工况风量计算如下: 高温煤气的流量为： 3.1813600=11451.6 3 /nmh (2- 4) 高温烟气的流量为： 3.9983600=14392.8 3 /nmh (2- 5) 高温煤气和高温烟气的流量之和为： 11451.6+14392.8=25844.4 3 /nmh 0 q =793.5 3 /nmh (2- 6) 故实物已进入第二自模化区 模型窑内自模化最小平均流速： m w = 64 re15.06x10 x10 0.1506 1 v d =/m s (2- 7) 故进入自模化区所需的最小送风量为： 273 3600 273 mmm qw f t = + =36000.1506p 2 0.5 273 27320+ =396.7 3 /nmh (2- 8) 由在自模化区模型与实物的欧拉数相等，可得模型二次风风速, 计算如下(下脚标 m表示模型，o 表示实物,1 表示煤气，2 表示烟气)： 华中科技大学硕士学位论文 17 mo eueu= (2- 9) mo mmoo pp ww = (2- 10) 根据原型设计速度与模化速度换算公式为： om mo mo p ww p = = o w 273 273 mm oo tp tp + + (2- 11) 取 m t =20， o t =900， m o p p =0.05 模化后煤气的速度为： m w1=83.67 20273 x0.05 900273 + + =9.35/m s (2- 12) 模化后烟气的模化速度为： w2 m=35.131 20273 x0.05 900273 + + =3.93/m s (2- 13) 模化后煤气的流量为： m q1=3600 2 0.115/49.35=349.6 3 /nmh (2- 14) 模化后烟气的流量为： m q2=3600 ( 22 0.2250.115)/43.93=415.6 3 /nmh (2- 15) 模化后煤气与烟气的流量之和为： mm qq+ 12 =349.6+415.6=765.2 3 /nmh m q =396.7 3 /nmh (2- 16) 所以，设计模型也进入自模化区，设计合理，满足要求。 模化设计主要试验参数如表 2.3 所示 表 2.3 模化设计主要试验参数如表 序号 名称 符号 单位 原型 模型 模化计算公式或依据 1 相似比 n - - - - 2 1 选取 2 煤气管直径 d1 m 0.23 0.115 1 1m d d n = 3 煤气管出口面积 1 s 2 m 0.0416 0.0104 2 1 1 s 4 m m d = 4 煤气管内温度 1 t 900 20 冷态模化温度 华中科技大学硕士学位论文 18 5 煤气管速度 v1 m/s 83.67 9.35 1 110 1 273 273 mm m oo tp vv tp + = + 6 煤气管总流量 q1 3 m / h 11452 349.6 111mmm qsv= 7 烟气管直径 2 d m 0.45 0.225 2 2m d d n = 8 烟气管出口面积 2 s 2 m 0.1175 0.0294 22 21 2 44 mm m dd s= 9 烟气管内温度 2 t 900 20 冷态模化温度 10 烟气管速度 v2 m/s 35.13 3.93 2 22 2 273 273 mm mo oo tp vv tp + = + 11 烟气管流量 q2 3 m / h 14393 415.6 222mmm qsv= 12 导流叶片数量 k 个 - - - - 6；8 设计 13 燃烧器长度 l mm 3730 500 设计 14 旋流叶片高度 s mm - - - - 20 设计 15 旋流叶片长度 l mm - - - - 70 设计 16 叶片与燃烧器轴 向之间的夹角 - - - - 30 ；45 ；60 设计 2.3 本章小结 本章根据通山超高温烟气发生工艺中回转窑煅烧的需求，设计了专门适用于此技 术的套筒式旋流燃烧器， 但燃烧器产生的流场是否能够满足要求， 燃烧火焰是否合理， 是否能适应石灰窑的煅烧还有待检验。故进设计冷态试验进行检测，根据原型燃烧器 计算出冷态模型尺寸，搭建燃烧器冷态流场测量试验台架，为下一章燃烧器冷态流场 五孔探针测量试验，研究燃烧器结构变化情况下相应窑内流场的变化规律做铺垫。 华中科技大学硕士学位论文 19 3 燃烧器冷态流场测量试验及结果分析 3.1 燃烧器冷态试验台架介绍 燃烧器冷态流场测量试验台架如图3.1所示，试验装置流程如图3.2所示，整个台 架由罗茨风机，输风管道，燃烧器模型及五孔探针测量系统组成。内管和外管风速通 过已经过标定的笛形管测速装置和手动蝶阀控制，用五孔探针，三维位移坐标架及 ax540电子微压计组成测量系统，测量燃烧器出口区域的三维速度场。 图3.1 套筒式旋流燃烧器冷态台架 1 鼓风机 2 外管风调节阀 3 内管风调节阀 4 内管风管道 5 外管风管道 6 旋流叶片 7 测点 8三维位移坐标架 9 五孔探针 10 测量区域 图3.2 窑用燃烧器冷态测量试验系统 华中科技大学硕士学位论文 20 3.2 测量仪器 用于测量气体的流速测量的装置主要有皮托管，皮托管在工业试验中经常使用， 优点是对