旋流风对窑用四通道生物质燃烧机气相流场的影响
摘要： 通过数值模拟的方海采用重整化群( RNC) K-e方程分析了旋流风速度和旋流角的变化对四通道生物质燃烧机的气相流场的影响。结果表明：旋流风速度增大，回流区增大且沿生物质燃烧机径向外移，旋流角减小，回流区增大，沿轴向前移。在此基础上针对低挥发分煤挥发分少，着火点高，燃烬时间长的特点，提出应同时提高旋流风速度和减小旋流角的低挥发分煤燃烧技术，对于工业上合理选择生物质燃烧机的工作参数及燃用低挥发分煤有重要的指导意义。
强化煅烧是提高水泥质量的必然要求0 1]，但强化煅烧所造成的局部高温不仅减少了窑皮的使用寿命，而且增加了NO。的排放量。因此，调整生物质燃烧机的工艺参数以控制生物质燃烧机的火焰形状，使之既能满足水泥生产的工艺要求，又不影响窑系统的使用寿命，同时降低环境污染，是生物质燃烧机设计和应用中亟待解决的问题。
水泥回转窑窑头燃烧火焰的温度高达1 800℃其燃烧已进入固相扩散控制区[刁。在固相扩散控制区煤粉的燃烧速率取决于其扩散速率，即煤粉与空气的混合速率及火焰区的湍流强度。因此，火焰形状控制主要由生物质燃烧机出口射流旋流强度的变化实现。研究表明：随旋流强度增加，火焰变粗、交短，可强化火焰对熟料的热辐射。因此其出口射流旋流强度被称为火焰形状系裂3。但过强的旋流会引起双峰（发散）火焰，易使窑皮局部过热剥落；同时也使喷嘴直接接触火焰根部而被烧坏，因此在操作中调节生物质燃烧机的旋流强度是很重要的。然而，利用传统的冷态实验方法确定生物质燃烧机的工作参数，不仅劳动强度大，而且不能反映窑内整个系统的火焰形状和温度分布[ 4。为此，运用数值模拟的方法，结合生物质燃烧机的应用理论，对某新型干法水泥厂的四通道生物质燃烧机在回转窑内的气相流动进行探讨，分析旋流风参数对窑内流场的影响，生物质燃烧机工程应用
1 计算的基本方法与边界条件
1.1 控制方程
樊建人、岑可法等研究表明[5]：在中心回流区附近，重整化群(RNG)K一￡模型计算的轴向速度比标准K一￡模型计算的结果要更加符合实验值，标准K-￡模型计算得到的中心回流区比实际的要短；在中心回流区外的区域，2个模型对轴向速度的计算精确度区别不大。采用重整化群K一￡双方程模型进行计算。
1.4数值方法
采用二阶迎风的差分格式，对于离散方程组的压力和速度耦合采用SIMPLE算法，求解方程采用TDMA的逐面迭代及低松弛因子，同时采用标准壁函数，收敛标准为各余项K10_ 3。
由于回转窑的直径(5 m)与生物质燃烧机的直径(0.435 m)比例高达10.1倍，因此计算时其附壁效应可以忽略。
2计算结果与讨论
2.1 旋流风速度对生物质燃烧机气相流动的影响
旋流生物质燃烧机的一个显著特点就是能够产生中心回流区，使高温烟气回流，加热煤粉与空气的混合物，使其顺利着火燃烧，因此，中心回流区是衡量旋流生物质燃烧机的一个重要的性能指标。
图2、图3、图4分别为旋流角不变时，旋流风速分别为160 m/s、200 m/s、240 m/s时生物质燃烧机出口3m内气相速度流场。除图2二次风本身形成了2个独立的回流区外，其余各图均有对称的6个回流区，由于对称的关系，分别俞名为回流区1、2、3（图4）。回流区1的形成是由于切向旋流风速度作用的结果，主要卷吸二次风；而回流区2的形成是由于直流外风和旋流风轴向风速较大，与周围空气场形成的速差射流的结果，卷吸高温烟气；回流区3则是仅由旋流风轴向速度与中心风的速差射流引起的，卷吸中心风。
当旋流风速度增大时，切向速度（动量）与轴向速度（动量）线性增大，因此此时的旋流强度仅与其切向气流的旋转半径有关。而由于切向速度增加，其旋转半径增大，因而其旋流强度增大，图4中显示为回流区
2、3沿切向外移。
2.2旋流风角度对生物质燃烧机气相流动的影响
当旋流角增大时，其切向速度减小，轴向速度增大，因而旋流强度增大。对比旋流角分别为20。、2 50、30。（图3、图5、图6）时的速度矢量图可以发现：旋流角增大时，其轴向速度衰减减慢，回流区1、2速度梯度减小，且沿轴线前移。
2.3旋流风速度、旋流角对低挥发分煤粉燃烧的影响的理论分析
劣质煤的燃烧是水泥工业一个长期研究的课题。其中低挥发分煤由于其挥发分少，着火点高，给燃用造成了很大的困难。在伎用低挥发分煤时，火焰的气体流场是非常重要的，因为低挥发分燃料挥发分含量低，挥发分燃烧所产生的热量不足以使炭粒加热到着火温度而使燃烧持续进行。确保低挥发分煤持续点燃的最简便方法是增加火焰内循环量，使下游炽热的燃烧产物回流到火焰根部以提高该处一次风和煤粉温度。
由数值模拟结果可知：当旋流风速度增大时，旋流强度增加，回流区2回流效应增强，回流的高温烟气量增多，使煤粉迅速升温燃烧。但由于低挥发分煤的燃烬时间长，仅增加旋流风速度，容易造成燃烧区延长，不满足水泥快冷快烧的要求，不利于提高水泥质量。因此，减小旋流角以提高旋流强度是燃烧低挥发分煤必要的手段。同样，仅减小旋流角以提高旋流强度也是不可取的，由图4可见，仅减小旋流角将使燃烧区过分靠近生物质燃烧机出口，从而使生物质燃烧机变形，影响生物质燃烧机的使用寿命，同时由于局部温度过高也容易形成NO。污染环境。因此在水泥工业的实际应用中燃用低挥发分煤时应在提高旋流风的速度的同时减小旋流以形成合理的温度场，满足水泥生产的要求。
3 结论
a·通过对生物质燃烧机的数值模拟，结果表明：旋流风速度增加，回流区尺寸增大，且相对中心线外移；旋流角减小，回流区延轴向前移，回流区尺寸也增大。
b．对于永泥工业用低挥发分煤的燃烧的理论分析结合数值模拟的结果表明：应在提高旋流风的速度的同时减小旋流角，以形成合理的温度场，满足水泥生产的要求。
生物质气化站，
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