浅论火焰稳定器的作用

　　一、  前言

　　火焰稳定器在燃烧器中具有重要作用，因而被当前世界上最先进的回转窑用四风道煤粉燃烧器广泛采用。如法国皮拉得公司的Rotaflam型、丹麦史密斯公司的Duoflex型、奥地利尤尼兹姆公司的M.A.S型、国内天津市博纳建材高科技研究所的TJB型、天津院的TC型、南京院的NC型和JETFLMAM型、武汉理工大学的OCUS型等都采用了这一技术。也有极少数现在还没有采用的，如德国洪堡公司的PYRO-JET型、河南几家的HJGX型和EF型等。

　　众所周知，只有火焰稳定，才能保证回转窑的热工制度稳定，进而使回转窑达到高产、优质、低耗的技术经济指标。因此凡是研究火焰的工作者都把火焰稳定列为关键课题来研究。

　　可是从目前来看，国内外对这一问题的重要性认识还没有统一，甚至还有人提出没有必要。针对这种情况，作者通过多年对燃烧器的研究、设计制造和对现场实践的分析总结，积累了一些经验，现提出与大家探讨，供参考。

　　二、  火焰稳定器的作用

　　在回转窑的操作中总是希望火焰能够稳定，但是由于窑内气流的变化，喂煤喂料的波动过大，煤粉质量（细度、热值、水分、灰分、挥发分等）的变化、二次风的速度和温度的变化、窑皮形状的变化和燃烧器结构等，都会导致火焰的不稳定。表现在火焰时长时短、时粗时细、温度时高时低，前焰面有时规矩有时纷乱，火焰有时振动有时发声，严重时会产生回流和回火，甚至熄灭。这样的火焰不可能保证回转窑内的温度分布合理，当然更谈不上能够稳定运转，势必造成煤耗高，产量和质量低，火砖寿命减短，工艺事故增多等。由此可见，对回转窑煤粉燃烧器来说，能够形成稳定的火焰至关重要。为此，将火焰稳定器技术引进了回转窑燃烧器中，使其火焰更加稳定。

　　三、  火焰稳定器的形式

　　就火焰稳定器而言多种多样，有一元稳定器、二元稳定器和多元稳定器。但当前引入回转窑煤粉燃烧器中的火焰稳定器基本上有以下几种。

　　1、钝体式火焰稳定器

　　钝体式火焰稳定器是把一个圆锥体置于回转窑单风道和双风道煤粉燃烧器喷燃管的头部中心，如图1所示。图1a所示是河南叉河水泥厂为解决煤质波动大、窑热工制度不稳定而采取的措施[1]。据报导，采用这种火焰稳定器后，射流的流态由层流变为湍流，改善了风煤混合，使黑火头减短，高温部分集中有力而稳定，看火视场好；对煤质的适应性强，可烧灰分36.18%、挥发分26.21%，低位发热量4703×4.18 KJ/㎏.co的煤粉；当将煤粉细度放粗到R0.08=20%时,窑内也不结前后圈。图16是吉林松江水泥厂曾为解决煤粉质量差和煤磨产量不足而采取的措施，取得了一定效果。煤粉的灰分偏高，在20%～28%，熟值过低，在4202×4.18～4777×4.18 KJ/㎏.co,造成煤磨能力不足。为此煤粉细度放粗到R0.08=30%～40%，水分放宽到5%左右。这时火焰极不稳定，黑火头很长，调节困难，两台φ3.3×52.36 m立波尔窑和一台φ3.3×52.36 m预分解窑经常结圈。采用钝体式火焰稳定器后,不仅可烧这种煤粉,而且立波尔窑的产量提高37%,熟料强度提高了0.5 MPa,煤耗下降了4 kg/t.cl

a河南叉河水泥厂的结构

b松江水泥厂的结构

图1  带钝体火焰稳定器的单风道喷煤管

　　图2所示为采用钝体式火焰稳定器的双风道煤粉燃烧器喷煤管的头部结构，这是我国清华大学力学系吴学曾和李荣先两位教授研制的。1988年通过了省级鉴定，使双风道煤粉燃烧器的性能得到很大改善[3][4]。一方面强化了风煤混合，黑火头可缩短到单风道的1/2～1/3;另一方面火焰稳定,温度提高,火焰形状容易控制；可烧灰分达30%～40%的劣质煤和挥发分低于13%的贫煤；结构简单,造价低廉,适合于中小型回转窑使用。当时推广较快,到1992年就有11家水泥厂20台回转窑由单风道改成了这种双风道煤粉燃烧器,详细情况列在表1中。

图2　带钝体火焰稳定器的双风道喷煤管

图3    有无圆板式火焰稳定器对燃油燃烧器火焰的影响

图4    国内采用圆板式火焰稳定器的四风道煤粉燃烧器

　　3、孔板式火焰稳定器

　　前述的Rotaflam型、Duoflex型、M.A.S型、TJB型、TC型、NC型等旋流式四风道煤粉燃烧器，其中心风都是通过板孔式火焰稳定器上若干个小圆孔喷射的。图5所式为各种板孔式火焰稳定器的端面照片。

不同厂家使用带火焰稳定器的双风道燃烧器所取得的效果  表1

　　当代所采用的三风道和四风道煤粉燃烧器，都采用螺旋体以产生旋转射流。旋转射流的中心形成一个负压区，便引起回流。这就好像大家熟见的旋风一样，旋转速度愈高，中心所形成的孔洞愈大愈深。这个空洞就是负压区，喷燃管的端面区域形成，对火焰的稳定也起一定的作用。这个回流区愈大，火焰就愈稳定。孔板式火焰稳定器的一个功能，就是顶住因旋转流产生的回流，避免回流和回火。它的原理极类似于梅克尔喷嘴中所采用的网罩式火焰稳定器，使火焰更加稳定[7]。大家熟知的防风打火机就是利用这一原理制成的，在大风条件下使用也不会熄灭，火焰相当稳定。

　　火焰稳定器的评析 

　　1、火焰稳定器的基本概念

　　火焰理论中的重要问题之一是火焰传播，也就是燃烧区域燃烧波通过可燃混合物的传播。在燃烧器的火焰中，火焰向与反应剂流动相反传播，且其位置是固定不动的。但当进口或环境条件变化时，如燃料流量、空气与燃料比、预热情况和燃烧室形状及温度变化，对回转窑来说还有物料和气流的变化，都会引起火焰变得不是固定不动的或者说变得不稳定。如果这些参数在一定的范围内变动不会引起火焰被吹灭、向燃烧器中回流或回火、火焰不发生较大的波动和抖动、火焰的形状和温度不发生较大的变化，便认为燃烧器火焰在这些参数范围内是稳定的[8]

　　显然，火焰稳定器的问题与火焰传播理论信息相关。火焰传播的定量理论实际上是基于从反应区向未燃烧混合物的热量和质量的传输，这是一个相当复杂的问题，在此不作更多的阐述，有兴趣者可参阅文献[9]。

　　2、火焰稳定器的工作机理

　　任何一种火焰稳定器均可视为一个不良流线体。射流在其尾迹中的流动会产生一个回流区并在该区中形成一个环形旋涡，如图6所示。

　　射流受不良流线体的尺寸、形状和周围流动体系的影响，所形成的回流区是不同的。回流区的边界由径向点确定，在这些点上，向前流动的质量流量等于该轴向位置处的反向流量。反流区的零速度线为边界，反流区和回流区的边界在不良流线体的分离点处和下游驻点处互相重合。环形旋涡的中心或称“眼点”处在反流区的边界上，这是静压最小之点。

　　空气以环状射流的形式从喷燃管喷出，由于从环境引射和压力减小的结果，促使射流逐渐膨胀而形成一个锥形。环壮射流最大速度的径向位置向轴线收缩，如图中的du/dr=0的虚线所示。不良流线体的前段倾角α使流动方向偏斜出去，这个角度对于圆柱体火焰稳定器α=0，对于圆板式火焰稳定器α=180°，

　　戴维斯和比埃尔对不良流线体的不同几何参数和阻塞比Br（d/D2）进行了仔细测量，发现平均速度、静压和湍流应力都有变化[9]，如图7所示。阻塞比Br加大使回流区长度减小，见图7a，不良流线体的锥角α减小，使回流区尺寸减小，见图7b。

图7 回流区随阻塞比Br和锥角α的变化

　　不良流线体的阻塞比Br和几何形状对反向质量流量的影响示于图8。在回流区中回流的流体占主流的比例，可视为旋涡强度的量度，对火焰的稳定程度起重要作用。回流区越大，火焰越稳定。这里所说的不良流线体就是各种不同形状和尺寸的火焰稳定器。可见现在在四风道煤粉燃烧器中所采用的不同火焰稳定器并不是新东西，而是在很早以前就有的，只是近代把这项技术引用到回转窑煤粉燃烧器中。各种火焰稳定器对火焰稳定效果都是可以分析计算的，因篇幅所限，不便阐述。

　　3、对几种火焰稳定器

　　当前最先进的旋流式四风道煤粉燃烧器，从空气动力学的角度来说是一个多环含尘旋转燃烧射流，存在质量和热量交换，是一个相当复杂的系统。为了获得更加稳定的火焰，不仅采用一环的旋转射流，而且还采用火焰稳定器。从结构的适应性考虑，孔板式火焰稳定器不仅性能好而且简单，所以多用。

　　但从目前看，对孔板式火焰稳定器的研究还不够充分，所以出现了如图9所示少孔板孔板式火焰稳定器。由前述的分析可见，绝对不是随便增加一股风道就是四风道煤粉燃烧器，也绝对不是在四风道喷燃管中随便采用一块圆板并钻制一些小圆孔就能使火焰稳定。而是需要进行理论分析和计算，确定出恰当的尺寸和适宜数量的小圆孔，保证一定的喷出速度和压力，才能达到有效稳定火焰的目的。

　　钝体式火焰稳定器因喷燃管结构的限制，不适应于旋流式四风道煤粉燃烧器，不能采用，在单风道和双风道中可以采用。

　　五、  结论

　　1、通过文中的实例表明，不论什么形式的火焰稳定器对火焰的稳定均具有举足轻重的作用，这一点是勿庸置疑的。

　　2、合理板孔式火焰稳定器的采用，使旋流式四风道煤粉燃烧器的性能锦上添花，成为当前最先进的旋流式四风道煤粉燃烧器的一个非常主要的技术特征。

　　3、理论分析和生产实践都证明，火焰稳定器的作用是不可小视的。不是可有可无，而是一项非常重要的技术。但绝对不是随便采用一个不良流线体都可以使火焰达到最佳的稳定程度。

　　4、在某种意义上说，火焰稳定器设计的是否恰当和合理，是鉴别旋流式四风道煤粉燃烧器真品和赝品的一个分水岭。

　　5、火焰稳定器的作用不仅是使火焰更加稳定、风煤混合更加充分和均匀、喷燃管的寿命更长，而且通过它的调节还可以改变火焰的形状和强度。

　　6、中心风通过板孔式火焰稳定器喷射，不仅结构巧妙，将中心风与火焰稳定器有机地结合起来，而且是旋流式四风道煤粉燃烧器成为当代最先进燃烧器一项不可缺少的先进技术措施，在法国已获得了专利权。