回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器推力的分析和計(jì)算（下）

江旭昌

（天津市博納建材高科技研究所，天津 300400）

（接2018年第10期98頁(yè)）

4 幾個(gè)問題的分析及討論

通過以上的分析和舉例計(jì)算，為了使概念清晰，有幾個(gè)問題有必要進(jìn)行討論。

4.1 推力的大與小

煤粉燃燒器的推力，不管用什么方法表達(dá)，只是具體數(shù)值不同，而其實(shí)質(zhì)是相同的。由（1）式可以看出，燃燒器形成良好火焰都是需要一定能量的，也就是說都需要一定的推力。而決定推力的大小只有兩個(gè)因素；一是所用的一次風(fēng)量m1，二是一次風(fēng)的噴出速度V1。如果一次風(fēng)量一定，那么噴出速度V1越大，則推力就越大。相反，如果噴出速度V1確定，則一次風(fēng)量越大，推力也隨之按比例增大。對(duì)于單風(fēng)道煤粉燃燒器，即大家習(xí)稱的噴煤管，其一次風(fēng)率一般約為30%～40%，一次風(fēng)的噴出速度V1=50m/s～70m/s。如果用相對(duì)推力表示法計(jì)算，則其相對(duì)推力F0=（30～40）×（50～70）=1 500%·m/s～2 800%·m/s。可見單風(fēng)道煤粉燃燒器的最大相對(duì)推力比丹麥?zhǔn)访芩构緦?duì)Duoflex型四風(fēng)道煤粉燃燒器所規(guī)定的最大相對(duì)推力F0=1 250%·m/s～1 850%·m/s還要大。顯然，不能說單風(fēng)道煤粉燃燒器的性能比Duoflex型還好。從法國(guó)拉法基水泥公司對(duì)煤粉燃燒器單位熱量推力的要求看，只要＞8N.h/G Cal即可，參見表3。從巴西格瑞柯—茵菲爾技術(shù)裝備公司的FlexiflameTM型煤粉燃燒器也可看出，對(duì)單位熱量推力的要求，一般在7N·h/G Cal～9N·h/G Cal即可，最大也不能超過12N·h/G Cal，參見表2。這些都說明，燃燒器的推力不是越大越好，而是夠用就行。燃燒器推力的大小固然是決定其性能的一個(gè)不可忽視的指標(biāo)，但不是唯一的。然而，推力不足的燃燒器，肯定是一個(gè)性能不好的燃燒器。推力過大的燃燒器，性能也不一定就好。因?yàn)槿紵鞯男阅懿粌H與其推力有關(guān)，而且與其結(jié)構(gòu)的合理性也息息相關(guān)。如果結(jié)構(gòu)不合理，即使推力很大，也是達(dá)不到預(yù)期效果的。對(duì)于水泥回轉(zhuǎn)窯來說，最最重要的就是要保證窯內(nèi)的溫度分布合理。欲達(dá)此目的，就必須有一個(gè)能夠形成良好火焰形狀并且調(diào)節(jié)方便靈活的煤粉燃燒器為保證。對(duì)燃燒器的推力不是越大越好，而是夠用即可。

表3 TJB-KP-10型四風(fēng)道煤粉燃燒器各風(fēng)道各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算表

有人為說明自己燃燒器性能好，都要說推力大，有人在談到低NOx燃燒器時(shí)也說需要大推力燃燒器。由上述可見，現(xiàn)在對(duì)燃燒器的推力概念還都是比較模糊的。實(shí)際上，燃燒器的推力在操作時(shí)都是隨時(shí)變化的，夠用就行，沒有必要過大。要使燃燒器推力過大，只有兩個(gè)途徑：一是增大一次風(fēng)量m1，這不僅會(huì)使熱耗增高，而且對(duì)其他主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也要產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響，顯然這是一個(gè)不宜采用的途徑；二是提高一次風(fēng)的噴出速度V1，這是另一個(gè)選擇。可是當(dāng)噴出速度過高時(shí)，也產(chǎn)生一個(gè)負(fù)面問題，不僅燃燒器自身的阻力增大，浪費(fèi)電能，而且使機(jī)件的磨損速率增高，噴燃管的壽命要縮短。從這一點(diǎn)考慮，燃燒器的推力也是不宜過大的，只要夠用就可以了。

4.2 羅茨風(fēng)機(jī)升壓的正確選擇

法國(guó)拉法基水泥公司對(duì)燃燒器的供貨要求與眾不同，不管什么型式的煤粉燃燒器對(duì)一次風(fēng)中的直流外風(fēng)，都要求由一臺(tái)單獨(dú)的羅茨風(fēng)機(jī)供風(fēng)，升壓為70kPa。筆者認(rèn)為；這是對(duì)羅茨鼓風(fēng)機(jī)在輸送空氣時(shí)升壓作用認(rèn)識(shí)模糊或者說理解不當(dāng)而導(dǎo)致的結(jié)果。

4.2.1 羅茨風(fēng)機(jī)的升壓與壓力的基本概念

現(xiàn)在有些人將羅茨風(fēng)機(jī)樣本上或銘牌上給出的升壓值說成是空氣的壓力，表明對(duì)羅茨風(fēng)機(jī)的升壓和壓力的基本概念不十分清楚，實(shí)際上二者是不同的。升壓是指羅茨風(fēng)機(jī)從大氣中吸入的空氣經(jīng)過自身壓縮后而升高的壓強(qiáng)ΔP，而不是出口空氣真正具有的絕對(duì)壓強(qiáng)Pout，因?yàn)榱_茨風(fēng)機(jī)從進(jìn)口吸入的空氣已有一定的壓強(qiáng)Pin。顯然，羅茨風(fēng)機(jī)的升壓ΔP等于出口空氣的壓強(qiáng)Pout與進(jìn)口空氣壓強(qiáng)Pin之差，即：

凡是羅茨風(fēng)機(jī)樣本都給出一條說明，當(dāng)羅茨風(fēng)機(jī)輸送的介質(zhì)為空氣時(shí)，其風(fēng)量系指在標(biāo)準(zhǔn)吸入狀態(tài)（進(jìn)氣溫度20℃、壓力101.325kPa、相對(duì)濕度50%～60%）下的進(jìn)口容積流量[11[。101.325kPa=1atm，是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即進(jìn)口空氣的壓強(qiáng)Pin不是工程大氣壓at，這是平原地區(qū)的情況。如果在高原地區(qū)，則羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)口的空氣壓力Pin就要＜101.325kPa。羅茨風(fēng)機(jī)出口空氣的真實(shí)壓強(qiáng)Pout就可按下式計(jì)算：

由（10）式可知，升壓ΔP高表示羅茨風(fēng)機(jī)出口空氣的壓強(qiáng)Pout高，但羅茨風(fēng)機(jī)的升壓絕不等于壓力，這是需要注意的。在羅茨風(fēng)機(jī)樣本上給出的都是升壓，即升壓的壓強(qiáng)ΔP，而不是羅茨風(fēng)機(jī)出口空氣的絕對(duì)壓力Pout，詳見表4。如轉(zhuǎn)數(shù)為1 450r/min的L42WD型羅茨風(fēng)機(jī)，在平原地區(qū)使用，當(dāng)出口空氣的升壓達(dá)到ΔP=49kPa時(shí)，空氣的絕對(duì)壓力應(yīng)為Pout=Pin+ΔP=101.325+49.0=150.325kPa=1.5atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）；而不是49kPa。由此可以看出，升壓是空氣的相對(duì)壓強(qiáng)，壓力表所指示的壓強(qiáng)都是相對(duì)壓強(qiáng)或者說是相對(duì)靜壓，而不是絕對(duì)壓強(qiáng)或者絕對(duì)靜壓。

4.2.2 羅茨風(fēng)機(jī)升壓的正確確定

首先應(yīng)該明確的是，空氣壓強(qiáng)的作用是克服系統(tǒng)阻力，易言之，系統(tǒng)阻力越大，就應(yīng)選擇升壓越高的羅茨風(fēng)機(jī)；其次應(yīng)該清楚的是，升壓不是選多大，實(shí)際就能達(dá)到多大，升壓的大小主要是由系統(tǒng)阻力決定的。其三，更應(yīng)該明白，在風(fēng)量基本一定時(shí)，升壓選擇的越高則羅茨風(fēng)機(jī)所配套的電動(dòng)機(jī)功率就越大，參見表4。

現(xiàn)舉兩個(gè)極端例子來說明這個(gè)問題：一是將羅茨風(fēng)機(jī)的出口堵死并安裝一塊壓力表，這就相當(dāng)于出口系統(tǒng)的阻力無(wú)限大，隨著羅茨風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，表壓會(huì)逐漸升高，表明升壓也在逐漸升高。電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行電流就會(huì)逐漸增大，直至超過額定電流。如果繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)如果有保護(hù)就會(huì)跳閘，如果沒有保護(hù)就會(huì)發(fā)熱甚至燒毀；二是羅茨風(fēng)機(jī)的出口不接任何設(shè)備和管路，即出口敞開，表壓會(huì)基本為零，而且永遠(yuǎn)也不會(huì)升高。電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行電流也不會(huì)增大。這就充分證明，羅茨風(fēng)機(jī)輸送空氣的升壓是由出口系統(tǒng)阻力所決定的。

筆者考察了130多個(gè)廠為三風(fēng)道和四風(fēng)道煤粉燃燒器配風(fēng)的羅茨風(fēng)機(jī)，選型基本上都不合理。不但風(fēng)量基本上都過大，而且許多升壓選擇也過高。尤其是煤風(fēng)的羅茨風(fēng)機(jī)更為突出，大部分電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行電流還不到額定電流的一半，造成大馬拉小車，浪費(fèi)了大量電能的后果。對(duì)于煤風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)，一般都由計(jì)量設(shè)備、管路和燃燒器組成。這些設(shè)備都有阻力，將這些阻力相加就是系統(tǒng)阻力。按理這是應(yīng)該計(jì)算的，但由于計(jì)算復(fù)雜，又需要時(shí)間，因此好多設(shè)計(jì)者都不計(jì)算，而是憑自己的認(rèn)識(shí)來確定。并且認(rèn)為越大越可靠，出自這種想法有的將升壓選為68.6kPa、78.4kPa，個(gè)別有選為88.2kPa的。實(shí)際上，如果煤磨在窯頭，管路又合理，煤風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)的升壓選為49.0kPa就足夠。煤磨在窯尾，因?yàn)楣苈份^長(zhǎng)，阻力增大，選為58.8kPa也富富有余。由表4可以看出，對(duì)于轉(zhuǎn)數(shù)1 450r/min的L42 WD型同一臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)，因?yàn)檗D(zhuǎn)數(shù)相同，所以風(fēng)量也基本相同。實(shí)際風(fēng)量或說實(shí)際流量所以隨著升壓的增高而稍有降低，是因?yàn)榱_茨風(fēng)機(jī)的內(nèi)外泄漏流量與轉(zhuǎn)數(shù)無(wú)關(guān)而隨壓力的升高而增大的緣故。但是，由于升壓不同，電動(dòng)機(jī)的功率也就明顯增大。當(dāng)升壓選為49kPa時(shí)，電動(dòng)機(jī)功率為22kW。當(dāng)升壓選高為78.4kPa時(shí)，電動(dòng)機(jī)功率就需增大到37kW。對(duì)凈風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)，一般都安裝在燃燒器附近，沒有過長(zhǎng)的管路，也沒有計(jì)量設(shè)備，但有調(diào)節(jié)風(fēng)量的閥門，會(huì)產(chǎn)生一定的阻力。另外，在燃燒器中的噴出速度較高，還有螺旋體產(chǎn)生旋流也使阻力增大。即使如此，系統(tǒng)的總阻力也不會(huì)大于煤風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)的升壓，升壓一般選為29.4kPa或者34.3kPa就足夠了，燃燒器自身阻力大的選后者。煤風(fēng)和凈風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)的升壓，不論對(duì)于1 200t/d、2 500t/d、5 000t/d甚至12 000t/d熟料的水泥生產(chǎn)線按上述數(shù)據(jù)來選擇升壓都是夠用的，沒有必要選擇過大[12]。

表4 L系列羅茨鼓風(fēng)機(jī)性能表

由上述分析可見，法國(guó)拉法基水泥公司不管選用什么樣的燃燒器，一律要求直流外風(fēng)必須采用一臺(tái)升壓為70kPa的單獨(dú)羅茨風(fēng)機(jī)供風(fēng)是完全沒有必要的，這已被實(shí)踐所證明。北京三力水泥有限公司有一條φ3.6m×70m的余熱發(fā)電窯，原用某家的三風(fēng)道煤粉燃燒器，采用三臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)供風(fēng)，效果很不好。于是決定改用TJB-KP-6型高效低NOx四風(fēng)道煤粉燃燒器的噴燃管，同時(shí)去掉了一臺(tái)37kW的羅茨風(fēng)機(jī)，由三臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)改為兩臺(tái)供風(fēng)，效果卻相當(dāng)明顯，詳見表5和表6。由表6可以看出，改后的煤風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)風(fēng)量仍偏大50%，凈風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)的風(fēng)量合適，但升壓過高，電動(dòng)機(jī)功率過大。兩臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)如果按改后要求選購(gòu)，按裝機(jī)容量計(jì)算，每年將節(jié)電299 592kWh/a。當(dāng)電價(jià)按0.5元/kWh計(jì)，則每年將節(jié)省電費(fèi)約15萬(wàn)元，重新購(gòu)買兩臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)也富富有余。但該公司考慮重購(gòu)風(fēng)機(jī)需要另外花錢，所以決定都利用原有。即使在這種情況下，仍然取得了相當(dāng)可觀的效果，詳見表7。另一個(gè)實(shí)例是四川宜賓瑞興實(shí)業(yè)有限公司設(shè)計(jì)能力5 000t/d熟料φ4.8m×74m NSP窯水泥生產(chǎn)線，原使用成都天宇飛翔科技有限公司的TF型四通道煤粉燃燒器，為其配風(fēng)采用三臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)供風(fēng)，詳見表8。由此可以看出，不僅風(fēng)量選擇過大，而且升壓選擇也過高，造成羅茨風(fēng)機(jī)所配電動(dòng)機(jī)的功率過大，都是大馬拉小車，浪費(fèi)大量電能。

表5 三臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)及所配電動(dòng)機(jī)的主要性能參數(shù)

由煤風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行電流I＝120A僅為額定電流IH＝247A的48.6%、凈風(fēng)的外風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行電流I＝190A僅為額定電流IH＝347A的54.8%就完全可以證明。兩臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)的風(fēng)量沒有必要這樣大，兩個(gè)系統(tǒng)也根本沒有58.8kPa和68.6kPa如此之大的阻力。如果窯頭改用TJB-KP-14型高效低NOx四風(fēng)道煤粉燃燒器，采用兩臺(tái)恰當(dāng)?shù)牧_茨風(fēng)機(jī)供風(fēng)，每年起碼可以節(jié)省（132+185+110-90-132）×24×365×0.9=1 616 220kWh/a的電能。當(dāng)電價(jià)為0.7元/kWh時(shí)，則每年企業(yè)將節(jié)省113.14萬(wàn)元的電費(fèi)。幸虧這三臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)都安裝了變頻調(diào)速器，否則企業(yè)僅此一項(xiàng)每年就要損失110多萬(wàn)元。另外需要說明，煤風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)一般是沒有必要加裝變頻器的，因?yàn)槭芄苈废拗啤Ａ_茨風(fēng)機(jī)是容積式風(fēng)機(jī)，其風(fēng)量與轉(zhuǎn)數(shù)基本成正比。轉(zhuǎn)數(shù)降低就意味著風(fēng)量降低，當(dāng)輸送管路確定之后，風(fēng)量降低就使輸送速度降低，風(fēng)速過低，煤粉就會(huì)在管路中沉積。所以，只要在設(shè)計(jì)時(shí)將煤風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)參數(shù)選擇合理，輸送管路直徑與其相匹配、工況風(fēng)速在24m/s～25m/s的情況下，就不要增設(shè)變頻器。這無(wú)以辯駁地說明；第一，沒有特殊情況，沒有必要采用三臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)供風(fēng)；第二，外風(fēng)也沒有必要選擇70kPa的升壓。拉法基水泥公司產(chǎn)生這種認(rèn)識(shí)或結(jié)論是由當(dāng)年北京興發(fā)水泥有限公司開始的，在一條φ3m×48m NSP窯上，由分割式三風(fēng)道燃燒器改為外風(fēng)由8個(gè)小圓孔的三風(fēng)道燃燒器。小圓孔的直徑很小，也就是說阻力很大，于是改用一臺(tái)70kPa壓力的羅茨風(fēng)機(jī)單獨(dú)供風(fēng)，實(shí)質(zhì)是加大外風(fēng)的噴出速度。

5 結(jié) 論

綜上所述，可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）推力與動(dòng)量、沖量或沖力的概念不同。

（2）推力的作用是使煤粉燃燒器能夠形成煅燒物料所需要良好火焰形狀的一種推動(dòng)力，不是越大越好，而是夠用就行。

表6 原用風(fēng)機(jī)與應(yīng)選用羅茨風(fēng)機(jī)性能的比較

表7 改用TJB-KP-6型四風(fēng)道煤粉燃燒器前后各項(xiàng)指標(biāo)

表8 宜賓瑞興5000t/d線采用兩種燃燒器的配風(fēng)比較

（3）一次風(fēng)量對(duì)于燒固體燃料的燃燒器應(yīng)包括輸送風(fēng)，一次風(fēng)量不宜過大，過大有百害而無(wú)一利，不僅影響系統(tǒng)潛能的正常發(fā)揮，而且會(huì)增大NOx的排放，對(duì)節(jié)能減排非常不利。

（4）羅茨風(fēng)機(jī)的升壓是克服系統(tǒng)阻力的，不宜選擇過高，過高導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)功率增大，浪費(fèi)電能。對(duì)于任何規(guī)模的生產(chǎn)線當(dāng)煤磨在窯頭又管徑選用合理時(shí)，煤風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)的升壓選為49kPa足夠，當(dāng)煤磨在窯尾時(shí)，因增加了管路阻力，所以煤風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)的升壓選為58.8kPa足夠。凈風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)均應(yīng)設(shè)計(jì)在燃燒器附近，系統(tǒng)沒有計(jì)量設(shè)備和管路的阻力，但受燃燒器阻力大小的影響，升壓一般選為29.4kPa～34.3kPa足夠。

（5）為燃燒器配風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)的確定，沒有特殊情況不宜選用三臺(tái)。四川宜賓瑞興實(shí)業(yè)有限公司5 000t/d熟料水泥生產(chǎn)線，原使用四川天宇飛翔科技有限公司的TF型燃燒器采用三臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)供風(fēng)，參見表8。由此可以看出，不僅風(fēng)量大，而且升壓選擇過高，不僅增大了基建投資，而且系統(tǒng)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)受到很大影響，熟料產(chǎn)量?jī)H達(dá)到5 250t/d。

（續(xù) 完）