对于燃烧器的再认识

本文内容大部分摘自孙晋涛主编的《硅酸盐工业热工基础》（武汉工业大学出版社），主要想说明为什么轴流风速度增加后火焰有可能变长，也有可能变短；以及旋流风的重要作用。

（1）燃烧器与射流

射流与管内流动不同，其脱离了管口，不受管壁的影响和限制，并且与周围的气体接触和混合。窑头主燃烧器与二次风的接触和混合直接影响燃烧效率。

射流有层流和湍流两种状态，窑头燃烧器属于湍流射流。

射流分自由射流与受限射流，由于燃烧器喷出后受到回转窑窑壁的限制，因此属于受限射流。

自由射流的形成与特点：气体喷出后，不仅沿轴向向前运动，由于与周围气体速度差的存在，还发生横向运动，使得喷出气体与周围气体不断地互相掺混，进行质量和动量交换，从而带动周围气体一起向前运动。

因此，射流在向前流动过程中，其流量和横截面积不断增大，流速逐渐降低，形成向周围扩散的锥形体的流动，最后射流在周围气体中消失（淹没）。

关于自由射流的具体参数，包括极角、射流半径、轴心速度、体积流量、平均速度、质量平均速度等，在这里就不进行介绍。大家可以学习《硅酸盐工业热工基础》。

（2）特殊的射流：同心射流的混合

之所以单独说同心射流，因为其更接近与现有的燃烧器（除了没有考虑旋流风、中心风）。同心射流指的是一股气体从中心管喷出，另外一股气体从周围喷出。对于水泥窑燃烧器来说，煤风携带煤粉从中心喷出，轴流风从环隙喷出，高速的轴流风卷吸高温二次风，同时轴流风与煤风由于速度差的存在，也会发生混合，这对于煤粉的快速燃烧有重要作用。

这里暂且不考虑轴流风对二次风的卷吸作用，仅考虑轴流风卷吸二次风后与中心风的同心射流。

同心射流混合的速度与外层气流速度（w）与中心气流速度（w0）之比、中心管径和外层气流厚度、两股气流的交角等。

重点说下外层气流速度（即轴流风速度）与中心气流速度（即煤风速度）之比的影响。两者之比对两股气流在射流轴线上的混合速度影响。可以看出，当w/w0增加时，中心轴线上的浓度降低较快，这说明混合速度在加快。

其原因是，如果煤风速度加快了，使卷吸二次风后的轴流风不易深入到煤风中去；如果轴流风速度加快了，使气体质点的湍流扩散速度加快，轴流风更容易深入到中心流中去，有利于气流的混合。

需要指出的是，一般情况下煤风速度固定，如果提高轴流风速度，这虽然有助于湍流扩散加快，促进混合，但同时使得气流射程增大，不利于轴流风与煤风在一定距离内的混合。因此，轴流风速度增加后，对于火焰长度的影响是复杂的，有可能因为促进湍流和混合而缩短火焰，也有可能因为射程增大而使火焰延长。

（3）特殊的射流：旋转射流

旋流风的存在使得燃烧器射流属于旋转射流。顾名思义，旋转射流除了在轴向、径向上具有速度外，在周向（切向）上也存在速度，从而促使气流旋转。旋转射流在同心射流的基础上，由于旋转作用的存在，紊流强度增加了很多，同时扩展角增大到了90-120°，使得其外表面积增大，从而增强了气体与燃料的混合效果，促进了燃料的快速燃烧，并缩短了射程，即后火焰长度。

这里说下旋转强度Ω。旋转强度是评价旋转强度的符号，也称为旋流度，定义为：Ω=L0/（K0×d/4）

其中，L0是旋转设备出口角动量的轴向通量（可以理解为切向推力）；K0是旋流设备出口轴向推力；d是旋转设备喷出口的直径（这里旋转设备指的就是燃烧器）。具体的计算过程这里不再阐述，可以参考清华大学吴学增等《旋转射流的特点、旋流强度的计算及在燃烧器上的应用》，及江旭昌《多风道煤粉燃烧器旋流数的分析与计算》，水泥，2014（9）。

旋转强度越大，旋转射流切向速度越大，回流区也越大，射流扩散角也越大，射流的射程越短。也就是说，旋转强度越大，火焰越粗，同时越短。

需要指出的是，当忽略燃烧器出口处与外界的静压差时，所得的旋转强度称为旋流数。而大量实践证明，此时的误差不会很大。旋流数可以直接根据燃烧器的形式和结构尺寸进行求解。同时，对于不同结构的燃烧器，即使其旋流数相同，出口速度场的特性仍可能有较大的差异。

作者：Ebico

2021-09-16 15:22:58