产业峰会 | 齐砚勇：烧成系统操作方法改进可促进水泥行业绿色发展
3月28日上午，由中国水泥网主办的“第十三届中国水泥产业峰会”顺利召开。西南科技大学副教授 齐砚勇为峰会带来了以《碳减排背景下烧成系统操作方法》为主题的精彩报告。
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3 窑头火焰的空气动力学计算
3.1一次射流动量通量
根据经验，多通道燃烧器的同轴射流在其不远的下游，表现出和单股射流相同的空气动力学特征，为了分析方便作以下假定，射流混合区内作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，则旋转射流对二次风的引射速率为：
公式(1)
M—引射量的质量流量, kg/s；
X—距喷口的轴向距离，m；
Kt—温度系数，
公式(2)
—被引射空气的密度， Kg/m3；
—射流混合物的视密度， Kg/m3；
G—射流出口轴向总动量通量， N； 对于多通道煤粉燃烧器，总动量通量等于各通道轴向动量通量之和：
G= G1+G2+…… (3)
G1、G2…—燃烧器各个通道出口轴向动量通量，N
S—任意垂直燃烧器轴线截面旋流数；
公式(4)
Gφ—旋流风的角动量通量，Nm；
GX—射流出口轴向动量总通量，N；
R—射流出口当量半径，m
R=tgα（x+a） (5)
a—将同轴射流看作单股射流而引入的常数
α—射流扩展半角，随旋流数呈线性增加；
α=Ko+KSo (6)
So—按三通道燃烧器出口尺寸和风速计算的旋流数。
有资料介绍K0、K分别为4.8和14，不过对于多通道燃烧器的具体喷嘴型式应由冷态实验等方法确定。
根据动量守恒原理，在射流扩展过程中，角动量和轴向动量均保持为常数，解联立方程(1)、(4)和(5)可得到下列等式：
公式
将Gφ/Gx=SoRo代入该式得：
公式(7)
不难看出，式(7)中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。
为达到煤粉在接近等当量比下燃烧，式(7)中M应根据燃烧计算所需的实际空气需要量给出。为分析方便，令：
M=K3Gm-Mo
=K3qc.Gc/Q -Mo (8)
Mo—一次空气、煤粉输送空气总量， kg/s；
Gm—煤粉消耗量， kg/s；
K3—单位煤粉燃烧实际空气需要量， kg/kg；
qc—熟料单位热耗， x4.18kJ/kg；
Gc—熟料产量， Kg/s；
Q —煤粉应用基低位热值， x4.18kJ/kg ；
式(7)中，X的最大值等于射流混合区长度，只有当射流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：
X=Xmax=公式 (9)
D—窑烧成带有效内径 ， m
将(8)、(9)式代入(7)整理后得：
公式(10)
根据实验资料，等温旋转射流的引射量可用下列经验式表示：
公式(11)
根据不同资料，K 、K 取值范围为：
K =0.32~0.35
K =0.8~1.70
比较(11)和(1)不难看出：
K1=(0.32~0.35)
K2=(0.8~1.70)
K3可以通过燃烧计算得出。因此，若通过对现行喷咀结构利用冷态实验等方法确定a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总动量通量。
根据计算机数值模拟结果，a的范围基本上在1.5do~3do之间，do为燃烧器出口外径。α基本上符合式(6)，只不过Ko不是4.8而是11.5，K仍为14。
3.2旋流数
根据有关介绍，在不知道旋转射流横截面上的速度分布和静压分布时，可近似从燃烧器出口端结构参数和工艺参数计算旋流数，其近似程度良好, 即
公式Gx=
由于前述理由，可将多股同轴射流近似看作单股旋转射流。这样，可分别计算各通道射流对总的一次射流股贡献，从而确定出一次射流的旋流数。下式是根据上述观点经推导整理后得到的三通道喷煤管嘴旋流数的计算公式。
S= 公式(12)
P—占一次总风量（包括煤风）百分数， %；
φ—旋流叶片的轴向夹角；
—煤粉浓相输送视密度， kg/m3；
—一次风净风密度， kg/m3；
r’—环形出口外径，mm；
r—环形出口内径，mm
同理二通道燃烧器的旋流数可表达为：
S= 公式(13)
将我院冷模试验用CTI型燃烧器喷咀结构参数代入(12)式，并令
P煤=33%， = ，得到下列等式：
S=
令φ=45°， P内=0.67 ， 得S=0.487；
令φ=45°， P内=0.335 ， 得S=0.171；
令φ=30°， P内=0.335， 得S=0.0986；
令φ=30°， P内=0.67 ， 得S=0.281；
通过上述计算可以发现，调节内、外风的比例来改变旋流数，从而达到改变火焰形状的目的是极为有效的。这与冷态试验结构是一致的。
附注：由于文中的公式较复杂，无法在此页面上显示。如需要原文，请与我们联系。
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