回转窑煤粉燃烧器推力分析和计算

时间：2021-07-28

一、前言

  在各种应用回转窑的工业部门中，水泥工业应用回转窑较多。从所用燃料来看，当前基本上都是以各种煤粉为燃料，从所用的燃烧器来看，绝大多数都是使用较先进的四风道煤粉燃烧器。在回转窑煤粉燃烧器的技术理论领域中，都涉及到一个“推力”的名词术语。有的燃烧器生产厂家为了说明自己的产品性能好，将其冠以“大推力”。几乎所有在讨论降低回转窑NOx排放方法时，都将采用小风量大推力的煤粉燃烧器作为*二大类燃料燃烧中的控制首项技术加以论述。究竟多大推力的燃烧器是大推力燃烧器?燃烧器的推力是其固有的呢?还是在使用操作时随时都在变化的呢?燃烧器的推力是不是越大越好呢?要准确搞清楚这些问题，就必须对“推力”这个名词术语的由来、基本概念和推力大小进行深入的解读，供大家参考。

  二、两个名词术语的由来及其基本概念

  在讨论回转窑煤粉燃烧器的推力时，首先必须搞清楚“一次风”和“推力”这两个名词术语的由来，进而对准确理解其基本含义就明晰得多。否则，很容易产生混淆和误解。

  1.“一次风”术语的由来及其基本概念的变化

  当今水泥回转窑所用的燃烧器，基本上都是三风道和四风道等多风道煤粉燃烧器。为其配风都需要两种风：一种是为输送煤粉等固体燃料所用的风，通常称为“煤风”;另一种是使煤粉等固体燃料喷入到窑内燃烧并形成所需要的火焰形状所用的风，这部分风中不含煤粉而是洁净空气，所以应称为“净风”。现在有人将这部分净风称为“助燃空气”，实际上这部分净风并不是为助燃而采用的，而是为提供足够推力、形成所需要的火焰形状，以保证风煤混合充分均匀而设置的。所以，格瑞柯——茵菲尔公司将这部分净风称为“成形风”。但是，国外原来都将这部分净风称为“一次风 (Primary air) ”，国内有人受国外的影响也如此称谓[1]。可能大家会觉得奇怪，为什么只将这部分净风称为“一次风”而不包括煤风呢?这就需要了解“一次风”这个术语的由来。

  回转窑较早是不能烧煤的，即使是优质烟煤也不能应用，都必须以燃油和燃气为燃料[2]。燃油和燃气等流体燃料的输送及通过燃烧器喷出都不需要空气，即通常所说的“风”，只需要提供为燃料燃烧并形成所需良好火焰形状的空气。这部分空气是通过燃烧器喷射入窑的，对于传统的水泥窑型，为与由冷却机入窑的高温二次风相区别，故将这部分冷风或称“常温空气”称为“一次风”。这是一种洁净空气，其中不含有任何燃料等介质，即是“净风”。显然，这时将这种风称为“一次风”是合理而科学的，这就是“一次风”术语的由来。

  在1900～1910年间，美国人率先将优质烟煤的煤粉应用于水泥回转窑并且取得成功。在燃油、燃气和燃煤三种燃料中煤是较便宜的，储量也较大，所以在此以后烧煤的水泥回转窑便迅速地增多起来。尤其是在上世纪70年代石油危机以后，没有特殊情况，几乎所有的水泥回转窑都转为以煤粉为燃料。煤粉的输送和通过燃烧器喷射到窑内燃烧，较方便的措施就是借助于空气。在多风道煤粉燃烧器未出现以前，都是利用单风道煤粉燃烧器。对这种习称“喷煤管”的燃烧器来说，这部分空气既是煤粉输送所必需，也是形成一定所需火焰形状所必需，即在输送煤粉的同时还提供了一定的推力。对于传统窑型，仍然为与冷却机入窑的高温二次风相区别，将燃烧器所用的这部分空气也称为“一次风”。可是，这里的“一次风”与前述的“一次风”基本概念不同。这里的“一次风已不是净风，而是风中已含有煤粉介质，严格地说应称为“煤风”或“成形风”。由于单风道煤粉燃烧器阻力小，都采用离心风机供风。为了减少管路长度和工艺布置方便，都将这台风机安装在窑头。所以，有人将其称为“窑头一次风机“，简称”窑头风机“，以与其他风机相区别。

  多风道煤粉燃烧器出现以后，既需要输送煤粉的“煤风”，又需要使煤粉燃烧形成良好火焰的“净风”。由于历史的原因，原来国外都把为多风道煤粉燃烧器提供的这部分净风仍习惯地称为“一次风”。国内有人也人云亦云，将这部分净风称为“一次风”[1]。这就是将多风道煤粉燃烧器所需要的这部分净风称为“一次风”的由来。另有一部分人，根据单风道煤粉燃烧器用风的传统称谓和新型干法窑用风的特点认为，将由多风道煤粉燃烧器喷入到窑内的常温净风和煤风合称为“一次风”比较合理。这就造成“一次风”概念的混乱，给技术交流和具体应用带来许多麻烦，在谈到一次风时必须特殊注明是不是含煤风。

  时代在前进，技术在发展。一个新事物或者新技术的出现，名词术语也必须随之变化，跟上时代的步伐，以便于技术交流和沟通。由于预分解窑的出现，回转窑的用风也发生了变化，这就是增加了一股由冷却机或者窑头罩抽取到窑尾分解炉中的次高温三次风。对现在使用较多的预分解窑烧成系统来说，涉及到用风的问题，概括起来共有四种风：一是由多风道煤粉燃烧器喷入到窑内的常温一次风;二是由冷却机入窑的高温二次风;三是由冷却机或者窑头罩抽取到窑尾分解炉内的次高温三次风;四是由窑头、窑尾、预热器和分解炉密封装置等的常温外漏风。这些风都是通过窑尾高温风机抽吸并排到后续系统中，所以在正常情况下，窑头应保持微负压。负压大了并不好，因为会增大漏风量。由此可见，将由多风道煤粉燃烧器喷入到窑内的常温煤风和净风之和统称为“一次风”比较合理和科学[3]。这样，不仅与二次风、三次风和漏风严格区别开来，而且一次、二次和三次风的概念也特别清晰。因为输送煤粉这部分风量并不是可以忽略的小数，一般约为一次净风的1/3～1/2，为煤粉完全燃烧所需理论空气量的2.5%～3%左右。由于既有风量，又有喷出速度，因而也产生不宜忽略的推力。如果一次风不含煤风，那么煤风又应算哪股风呢?因此，现在国外有的也改变了称谓，如法国皮拉得公司(Pillard)和法国拉法基水泥公司(Lafarge)现在就将煤风和净风之和称为“一次风”。笔者认为，将煤风与净风之和称为“一次风”更合理和科学。

  2.推力术语的由来及其基本概念

  物理学在研究物体运动量和运动状态时，都采用动量、功和能量等的理论。在具体举例中，常会采用“推力”这个术语。如人推车就是人给车一个作用力使车运动，那么这个力就称为“推力”，即人给予车一个“推动力”。又如子弹头在枪膛中受火药爆炸力作用而在枪膛中运动，火药的爆炸力就称为“爆炸推力”[4]。飞机发动机推动飞机运动或飞行的推动力，在航空专业也称为推力……。可见，推力是一种力，即作用在一个物体上的外力，可使物体运动，其单位是“N”。

  含煤粉的空气和洁净空气，即煤风和净风在煤粉燃烧器喷燃管各个风道中能够流动，也是因为受到一种力的推动作用，因而有人将这种力称为“推动力”，并按下式进行计算[5]。

  由(1)式可以看出，这是动量的表达式。对于固体，(1)式中的m1是固体的质量，单位为kg，V1是固体的运动速度，单位为m/s。由此可见，P的单位应为kg.m/s。显然这不是力的单位，而是国际单位制的动量单位。但是，对于流体，其质量m1应用质量流量表达，其单位为kg/s，流体的流动速度V1的单位仍为m/s。这样，P的单位则变为kg/s.m/s=kg.m/s2=N。因为1kg.m/s2=1N，这就是力的单位了，而不是动量单位。对空气在喷燃管各风道内所以能够流动，就是因为有这个推动力的作用，所以国内外都将这个力简称为“推力”，与物理学所讲的推力概念是完全一致的，仍然符合牛顿*二定律。也有人将其称为“动量”或“冲量”都不够准确，因冲量或称冲力的单位是力与时间的乘积，在国际单位制中的单位是“N·S”。可见既不是力的单位也不是动量的单位。虽然实质都是一种能量的表达，但是在这里都不及称为“推力”准确。

  对于多风道煤粉燃烧器，(1)式应写成下式更准确：

  (2)式中的注脚“i”是风道的数量，煤粉燃烧器的总推力Pz应等于包括煤风在内的各个风道推力之和。因为煤风也是一股风，也要产生一定的推力。

  三、回转窑多风道煤粉燃烧器所需能量的表达

  燃烧器将煤粉喷射到窑内燃烧，只有火焰形状合理，才能满足窑内的温度分布符合物料在各段进行反应所需要的温度。要获得合理的火焰形状，就必须有足够的能量支撑。目前，国内外对这种能量的表示方法有所不同，但其本质相同。归纳起来，基本上有三种表示方法：一是能量表示法或称“动能表示法”;二是单位热量推力表示法;三是相对推力表示法，下面分别进行介绍。

  1. 能量表示法[6]
  能量表示法也称“动能表示法”，即所需要的动能E等于一次风量中的净风风量L1j;与其所具有的有效压力Pu之乘积，即以下式进行计算：

  式中：L1j——为燃烧器所供一次风量中的净风风量，m3 /h;
     Pu——在燃烧器风道喷出时空气所达到的有效压力，bar。

  法国皮拉得公司就是采用这种方法来表达煤粉燃烧器所需要的动能。该公司在比较原开发的三风道和后来研发的Rotaflam型四风道煤粉燃烧器性能时就采用了这种表示方法，详列于表1。

  由表1可以看到，新开发的Rotaflam型四风道煤粉燃烧器的性能比原三风道好多了。虽然一次风的净风风量降低了40%，可其动能却增大了5.9%。另外，有效压力增大了76.5%。有效压力的增大，意味着净风喷出速度增高，喷出环形间隙的面积减小。因为1mbar=0.1kPa，所以150mbar=15kPa。

  1. 单位热量推力表示法
  单位热量推力表示法，就是用每小时煤粉燃烧所产生的热量除以燃烧器一次风中的净风所产生的推力，即以下式进行计算：

  式中：F —— 单位时间热量所需的推力，N/(G Cal/h)或者N.h/GCal;
     P —— 一次风中净风所能产生的推力，N，可用(2)式进行计算得到;
     Q —— 烧成合格熟料时单位时间内所需的热量，GCal/h。
  当前，国外采用这种表示方法的居多。如巴西格瑞柯—茵菲尔(Greco-Enfil)技术装备公司所生产的FlexiflameTM型燃烧器、法国拉法基水泥公司等都是采用此法，见表2所列[7]。前者称为“火焰推力”，在不包括煤风时的火焰推力，一般在7～9N.h/GCal，较高可达12N.h/GCal。后者要求其单位热量的火焰推力应≥8N/(GCal/h)=N.h/GCal。

  3. 相对推力表示法

  丹麦史密斯(F.L.Smidth)公司采用相对推力表示法，即燃烧器的相对推力F0等于以百分数表示的一次风中的净风风量L1与其喷出速度V1的乘积，即用下式进行计算[7]：

  式中：F0——燃烧器的相对推力，%.m/s;V1——以百分数表示的一次风中净风的风量，%;V1——一次风中净风的喷出速度，m/s。因为多风道煤粉燃烧器各个风道的喷出速度不同，所以V1应是各个风道喷出速度的加权平均数。

  燃烧器的相对推力应满足F0=1250～1850 %.m/s，根据煤质的不同，对F0进行取值[8]。煤质越差时，应取大值，优质煤取小值。如果烧无烟煤，应取F0=1850 %.m/s。这种表示方法，看起来很奇怪。其单位“%.m/s”在任何科学技术书籍中都是查不到的。但是，用起来却非常方便。如果以用百分数表示的一次风量中的净风风量L1为横坐标，喷出速度V1为纵坐标，将二者的关系制成曲线，就可以指导 操作，如图1所示。假设根据煤质确定F0=1800%.m/s。当一次净风量为L1=10%时，则喷出速度必须等于或大于V1=180 m/s。当将一次净风量降到L1=5%时，喷出速度就必须提高到V1≥360 m/s。否则，就会出现推力不足的情况。因为喷出速度V1与风量L1成正比，与喷出面积A成反比，即可按下式计算：

  当燃烧器喷燃管设计制造好以后，对于大多数的煤粉燃烧器而言，其喷出面积A就是固定不变的了。这时要提高喷出速度V1，就必须增大一次风净风的风量L1。当L1增大一倍，喷出速度V1就随之增大一倍。众所周知，一次风的净风风量L1是不宜过大的。这样，要提高喷出速度v1，只有在设计时将喷出面积A减少，这涉及到燃烧器的设计理念问题。为了增大煤粉燃烧器的适应能力，将喷燃管出口的喷出面积A设计成可调的。这样，在风量L1不变的情况下，就能改变各个风道的喷出速度V1，给操作创造了更好的条件。如法国皮拉得公司的Rotaflam型、天津博纳的TJB-KP型等煤粉燃烧器都属于这种。

  由上述可见，在这三种表示方法中，以最后一种较直观，较简便，而且还可以指导操作。另外，从操作范围也可看出，四风道煤粉燃烧器的性能明显优于三风道煤粉燃烧器。显然，一次风中的净风风量减少，但喷出速度高，所以火焰的推力却不小。再者也可看出，对推力的表示方法虽然不同，可是在本质上没有区别，都可以互相转换。

  在这里需要特别指出的是，在上述的推力计算中或者推力表示法的计算中都是以一次风中的净风量为计算参数。这是因为国外绝大多数都将净风称为一次风，而不考虑煤风对燃烧器推力的影响。只有原法国皮拉得公司和法国拉法基水泥公司才将煤风产生的推力计及在内。

  四、对推力大小的讨论

  对于单风道煤粉燃烧器，即大家习称的喷煤管，其一次风率一般约为30%～40%，一次风的喷出速度V1=50～70 m/s。如果用相对推力表示法计算，则其相对推力F0=(30~40)*(50~70)=1500～2800 %·m/s。可见单风道煤粉燃烧器的较大相对推力比丹麦史密斯公司对Duoflex型四风道煤粉燃烧器所规定的较大相对推力F0=1850%·m/s还要大。显然，不能说单风道煤粉燃烧器的性能比Duoflex型还好。从法国拉法基水泥公司对煤粉燃烧器单位热量推力的要求看，只要大于8N.h/GCal即可。从巴西格瑞柯—茵菲尔技术装备公司的FlexiflameTM型煤粉燃烧器也可看出，对单位热量推力的要求，一般在7～9 N·h/GCal即可，较大也不能**过12 N·h/GCal。这些都说明，燃烧器的推力不是越大越好，而是够用就行。燃烧器推力的大小固然是决定其性能的一个不可忽视的指标。但不是一的。然而，推力不足的燃烧器，肯定是一个性能不好的燃烧器。推力过大的燃烧器，其性能也不一定就好。因为燃烧器的性能不仅与其推力有关，而且与其结构的合理性也息息相关。如果结构不合理，即使推力很大，也是达不到预期效果的。

  五、结论

  1. 推力的作用是使煤粉燃烧器能够形成煅烧物料所需要良好火焰形状的一种推动力，不是越大越好，而是够用就行;
  2. 推力与动量、冲量或冲力的概念不同;推力在使用操作中随时都在变化，不是固定不变的;
  3. 一次风量对于烧固体燃料的燃烧器应包括输送风，一次风量不宜过大，过大有百害而无一利，不仅影响系统潜能的正常发挥，而且会增大NOx的排放，对节能减排非常不利。

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