回转窑煤粉燃烧器推力的分析和计算（下）

江旭昌

（天津市博纳建材高科技研究所，天津 300400）

（接2018年第10期98页）

4 几个问题的分析及讨论

通过以上的分析和举例计算，为了使概念清晰，有几个问题有必要进行讨论。

4.1 推力的大与小

煤粉燃烧器的推力，不管用什么方法表达，只是具体数值不同，而其实质是相同的。由（1）式可以看出，燃烧器形成良好火焰都是需要一定能量的，也就是说都需要一定的推力。而决定推力的大小只有两个因素；一是所用的一次风量m1，二是一次风的喷出速度V1。如果一次风量一定，那么喷出速度V1越大，则推力就越大。相反，如果喷出速度V1确定，则一次风量越大，推力也随之按比例增大。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=50m/s～70m/s。如果用相对推力表示法计算，则其相对推力F0=（30～40）×（50～70）=1 500%·m/s～2 800%·m/s。可见单风道煤粉燃烧器的最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最大相对推力F0=1 250%·m/s～1 850%·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＞8N.h/G Cal即可，参见表3。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7N·h/G Cal～9N·h/G Cal即可，最大也不能超过12N·h/G Cal，参见表2。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，但不是唯一的。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，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。对于水泥回转窑来说，最最重要的就是要保证窑内的温度分布合理。欲达此目的，就必须有一个能够形成良好火焰形状并且调节方便灵活的煤粉燃烧器为保证。对燃烧器的推力不是越大越好，而是够用即可。

表3 TJB-KP-10型四风道煤粉燃烧器各风道各项参数的计算表

有人为说明自己燃烧器性能好，都要说推力大，有人在谈到低NOx燃烧器时也说需要大推力燃烧器。由上述可见，现在对燃烧器的推力概念还都是比较模糊的。实际上，燃烧器的推力在操作时都是随时变化的，够用就行，没有必要过大。要使燃烧器推力过大，只有两个途径：一是增大一次风量m1，这不仅会使热耗增高，而且对其他主要技术经济指标也要产生严重的不利影响，显然这是一个不宜采用的途径；二是提高一次风的喷出速度V1，这是另一个选择。可是当喷出速度过高时，也产生一个负面问题，不仅燃烧器自身的阻力增大，浪费电能，而且使机件的磨损速率增高，喷燃管的寿命要缩短。从这一点考虑，燃烧器的推力也是不宜过大的，只要够用就可以了。

4.2 罗茨风机升压的正确选择

法国拉法基水泥公司对燃烧器的供货要求与众不同，不管什么型式的煤粉燃烧器对一次风中的直流外风，都要求由一台单独的罗茨风机供风，升压为70kPa。笔者认为；这是对罗茨鼓风机在输送空气时升压作用认识模糊或者说理解不当而导致的结果。

4.2.1 罗茨风机的升压与压力的基本概念

现在有些人将罗茨风机样本上或铭牌上给出的升压值说成是空气的压力，表明对罗茨风机的升压和压力的基本概念不十分清楚，实际上二者是不同的。升压是指罗茨风机从大气中吸入的空气经过自身压缩后而升高的压强ΔP，而不是出口空气真正具有的绝对压强Pout，因为罗茨风机从进口吸入的空气已有一定的压强Pin。显然，罗茨风机的升压ΔP等于出口空气的压强Pout与进口空气压强Pin之差，即：

凡是罗茨风机样本都给出一条说明，当罗茨风机输送的介质为空气时，其风量系指在标准吸入状态（进气温度20℃、压力101.325kPa、相对湿度50%～60%）下的进口容积流量[11[。101.325kPa=1atm，是标准大气压，即进口空气的压强Pin不是工程大气压at，这是平原地区的情况。如果在高原地区，则罗茨风机进口的空气压力Pin就要＜101.325kPa。罗茨风机出口空气的真实压强Pout就可按下式计算：

由（10）式可知，升压ΔP高表示罗茨风机出口空气的压强Pout高，但罗茨风机的升压绝不等于压力，这是需要注意的。在罗茨风机样本上给出的都是升压，即升压的压强ΔP，而不是罗茨风机出口空气的绝对压力Pout，详见表4。如转数为1 450r/min的L42WD型罗茨风机，在平原地区使用，当出口空气的升压达到ΔP=49kPa时，空气的绝对压力应为Pout=Pin+ΔP=101.325+49.0=150.325kPa=1.5atm（标准大气压）；而不是49kPa。由此可以看出，升压是空气的相对压强，压力表所指示的压强都是相对压强或者说是相对静压，而不是绝对压强或者绝对静压。

4.2.2 罗茨风机升压的正确确定

首先应该明确的是，空气压强的作用是克服系统阻力，易言之，系统阻力越大，就应选择升压越高的罗茨风机；其次应该清楚的是，升压不是选多大，实际就能达到多大，升压的大小主要是由系统阻力决定的。其三，更应该明白，在风量基本一定时，升压选择的越高则罗茨风机所配套的电动机功率就越大，参见表4。

现举两个极端例子来说明这个问题：一是将罗茨风机的出口堵死并安装一块压力表，这就相当于出口系统的阻力无限大，随着罗茨风机的转动，表压会逐渐升高，表明升压也在逐渐升高。电动机的实际运行电流就会逐渐增大，直至超过额定电流。如果继续运转，电动机如果有保护就会跳闸，如果没有保护就会发热甚至烧毁；二是罗茨风机的出口不接任何设备和管路，即出口敞开，表压会基本为零，而且永远也不会升高。电动机的实际运行电流也不会增大。这就充分证明，罗茨风机输送空气的升压是由出口系统阻力所决定的。

笔者考察了130多个厂为三风道和四风道煤粉燃烧器配风的罗茨风机，选型基本上都不合理。不但风量基本上都过大，而且许多升压选择也过高。尤其是煤风的罗茨风机更为突出，大部分电动机的实际运行电流还不到额定电流的一半，造成大马拉小车，浪费了大量电能的后果。对于煤风罗茨风机的系统，一般都由计量设备、管路和燃烧器组成。这些设备都有阻力，将这些阻力相加就是系统阻力。按理这是应该计算的，但由于计算复杂，又需要时间，因此好多设计者都不计算，而是凭自己的认识来确定。并且认为越大越可靠，出自这种想法有的将升压选为68.6kPa、78.4kPa，个别有选为88.2kPa的。实际上，如果煤磨在窑头，管路又合理，煤风罗茨风机的升压选为49.0kPa就足够。煤磨在窑尾，因为管路较长，阻力增大，选为58.8kPa也富富有余。由表4可以看出，对于转数1 450r/min的L42 WD型同一台罗茨风机，因为转数相同，所以风量也基本相同。实际风量或说实际流量所以随着升压的增高而稍有降低，是因为罗茨风机的内外泄漏流量与转数无关而随压力的升高而增大的缘故。但是，由于升压不同，电动机的功率也就明显增大。当升压选为49kPa时，电动机功率为22kW。当升压选高为78.4kPa时，电动机功率就需增大到37kW。对净风罗茨风机，一般都安装在燃烧器附近，没有过长的管路，也没有计量设备，但有调节风量的阀门，会产生一定的阻力。另外，在燃烧器中的喷出速度较高，还有螺旋体产生旋流也使阻力增大。即使如此，系统的总阻力也不会大于煤风罗茨风机的升压，升压一般选为29.4kPa或者34.3kPa就足够了，燃烧器自身阻力大的选后者。煤风和净风罗茨风机的升压，不论对于1 200t/d、2 500t/d、5 000t/d甚至12 000t/d熟料的水泥生产线按上述数据来选择升压都是够用的，没有必要选择过大[12]。

表4 L系列罗茨鼓风机性能表

由上述分析可见，法国拉法基水泥公司不管选用什么样的燃烧器，一律要求直流外风必须采用一台升压为70kPa的单独罗茨风机供风是完全没有必要的，这已被实践所证明。北京三力水泥有限公司有一条φ3.6m×70m的余热发电窑，原用某家的三风道煤粉燃烧器，采用三台罗茨风机供风，效果很不好。于是决定改用TJB-KP-6型高效低NOx四风道煤粉燃烧器的喷燃管，同时去掉了一台37kW的罗茨风机，由三台罗茨风机改为两台供风，效果却相当明显，详见表5和表6。由表6可以看出，改后的煤风罗茨风机风量仍偏大50%，净风罗茨风机的风量合适，但升压过高，电动机功率过大。两台罗茨风机如果按改后要求选购，按装机容量计算，每年将节电299 592kWh/a。当电价按0.5元/kWh计，则每年将节省电费约15万元，重新购买两台罗茨风机也富富有余。但该公司考虑重购风机需要另外花钱，所以决定都利用原有。即使在这种情况下，仍然取得了相当可观的效果，详见表7。另一个实例是四川宜宾瑞兴实业有限公司设计能力5 000t/d熟料φ4.8m×74m NSP窑水泥生产线，原使用成都天宇飞翔科技有限公司的TF型四通道煤粉燃烧器，为其配风采用三台罗茨风机供风，详见表8。由此可以看出，不仅风量选择过大，而且升压选择也过高，造成罗茨风机所配电动机的功率过大，都是大马拉小车，浪费大量电能。

表5 三台罗茨风机及所配电动机的主要性能参数

由煤风罗茨风机的实际运行电流I＝120A仅为额定电流IH＝247A的48.6%、净风的外风罗茨风机的实际运行电流I＝190A仅为额定电流IH＝347A的54.8%就完全可以证明。两台罗茨风机的风量没有必要这样大，两个系统也根本没有58.8kPa和68.6kPa如此之大的阻力。如果窑头改用TJB-KP-14型高效低NOx四风道煤粉燃烧器，采用两台恰当的罗茨风机供风，每年起码可以节省（132+185+110-90-132）×24×365×0.9=1 616 220kWh/a的电能。当电价为0.7元/kWh时，则每年企业将节省113.14万元的电费。幸亏这三台罗茨风机都安装了变频调速器，否则企业仅此一项每年就要损失110多万元。另外需要说明，煤风罗茨风机一般是没有必要加装变频器的，因为受管路限制。罗茨风机是容积式风机，其风量与转数基本成正比。转数降低就意味着风量降低，当输送管路确定之后，风量降低就使输送速度降低，风速过低，煤粉就会在管路中沉积。所以，只要在设计时将煤风罗茨风机参数选择合理，输送管路直径与其相匹配、工况风速在24m/s～25m/s的情况下，就不要增设变频器。这无以辩驳地说明；第一，没有特殊情况，没有必要采用三台罗茨风机供风；第二，外风也没有必要选择70kPa的升压。拉法基水泥公司产生这种认识或结论是由当年北京兴发水泥有限公司开始的，在一条φ3m×48m NSP窑上，由分割式三风道燃烧器改为外风由8个小圆孔的三风道燃烧器。小圆孔的直径很小，也就是说阻力很大，于是改用一台70kPa压力的罗茨风机单独供风，实质是加大外风的喷出速度。

5 结 论

综上所述，可以得出以下几个结论：

（1）推力与动量、冲量或冲力的概念不同。

（2）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。

表6 原用风机与应选用罗茨风机性能的比较

表7 改用TJB-KP-6型四风道煤粉燃烧器前后各项指标

表8 宜宾瑞兴5000t/d线采用两种燃烧器的配风比较

（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。

（4）罗茨风机的升压是克服系统阻力的，不宜选择过高，过高导致电动机功率增大，浪费电能。对于任何规模的生产线当煤磨在窑头又管径选用合理时，煤风罗茨风机的升压选为49kPa足够，当煤磨在窑尾时，因增加了管路阻力，所以煤风罗茨风机的升压选为58.8kPa足够。净风罗茨风机均应设计在燃烧器附近，系统没有计量设备和管路的阻力，但受燃烧器阻力大小的影响，升压一般选为29.4kPa～34.3kPa足够。

（5）为燃烧器配风罗茨风机台数的确定，没有特殊情况不宜选用三台。四川宜宾瑞兴实业有限公司5 000t/d熟料水泥生产线，原使用四川天宇飞翔科技有限公司的TF型燃烧器采用三台罗茨风机供风，参见表8。由此可以看出，不仅风量大，而且升压选择过高，不仅增大了基建投资，而且系统主要技术经济指标受到很大影响，熟料产量仅达到5 250t/d。

（续 完）