一、  前言

　　火焰穩定器在燃燒器中具有重要作用，因而被當前世界上最先進的回轉窯用四風道煤粉燃燒器廣泛采用。如法國皮拉得公司的Rotaflam型、丹麥史密斯公司的Duoflex型、奧地利尤尼茲姆公司的M.A.S型、國內天津市博納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、武漢理工大學的OCUS型等都采用了這一技術。也有極少數現在還沒有采用的，如德國洪堡公司的PYRO-JET型、河南幾家的HJGX型和EF型等。

　　眾所周知，只有火焰穩定，才能保證回轉窯的熱工制度穩定，進而使回轉窯達到高產、優質、低耗的技術經濟指標。因此凡是研究火焰的工作者都把火焰穩定列為關鍵課題來研究。

　　可是從目前來看，國內外對這一問題的重要性認識還沒有統一，甚至還有人提出沒有必要。針對這種情況，作者通過多年對燃燒器的研究、設計制造和對現場實踐的分析總結，積累了一些經驗，現提出與大家探討，供參考。

　　二、  火焰穩定器的作用

　　在回轉窯的操作中總是希望火焰能夠穩定，但是由于窯內氣流的變化，喂煤喂料的波動過大，煤粉質量（細度、熱值、水分、灰分、揮發分等）的變化、二次風的速度和溫度的變化、窯皮形狀的變化和燃燒器結構等，都會導致火焰的不穩定。表現在火焰時長時短、時粗時細、溫度時高時低，前焰面有時規矩有時紛亂，火焰有時振動有時發聲，嚴重時會產生回流和回火，甚至熄滅。這樣的火焰不可能保證回轉窯內的溫度分布合理，當然更談不上能夠穩定運轉，勢必造成煤耗高，產量和質量低，火磚壽命減短，工藝事故增多等。由此可見，對回轉窯煤粉燃燒器來說，能夠形成穩定的火焰至關重要。為此，將火焰穩定器技術引進了回轉窯燃燒器中，使其火焰更加穩定。

　　三、  火焰穩定器的形式

　　就火焰穩定器而言多種多樣，有一元穩定器、二元穩定器和多元穩定器。但當前引入回轉窯煤粉燃燒器中的火焰穩定器基本上有以下幾種。

　　1、鈍體式火焰穩定器

　　鈍體式火焰穩定器是把一個圓錐體置于回轉窯單風道和雙風道煤粉燃燒器噴燃管的頭部中心，如圖1所示。圖1a所示是河南叉河水泥廠為解決煤質波動大、窯熱工制度不穩定而采取的措施[1]。據報導，采用這種火焰穩定器后，射流的流態由層流變為湍流，改善了風煤混合，使黑火頭減短，高溫部分集中有力而穩定，看火視場好；對煤質的適應性強，可燒灰分36.18%、揮發分26.21%，低位發熱量4703×4.18 KJ/㎏.co的煤粉；當將煤粉細度放粗到R0.08=20%時,窯內也不結前后圈。圖16是吉林松江水泥廠曾為解決煤粉質量差和煤磨產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%，熟值過低，在4202×4.18～4777×4.18 KJ/㎏.co,造成煤磨能力不足。為此煤粉細度放粗到R0.08=30%～40%，水分放寬到5%左右。這時火焰極不穩定，黑火頭很長，調節困難，兩臺φ3.3×52.36 m立波爾窯和一臺φ3.3×52.36 m預分解窯經常結圈。采用鈍體式火焰穩定器后,不僅可燒這種煤粉,而且立波爾窯的產量提高37%,熟料強度提高了0.5 MPa,煤耗下降了4 kg/t.cl

a河南叉河水泥廠的結構

b松江水泥廠的結構

圖1  帶鈍體火焰穩定器的單風道噴煤管

　　圖2所示為采用鈍體式火焰穩定器的雙風道煤粉燃燒器噴煤管的頭部結構，這是我國清華大學力學系吳學曾和李榮先兩位教授研制的。1988年通過了省級鑒定，使雙風道煤粉燃燒器的性能得到很大改善[3][4]。一方面強化了風煤混合，黑火頭可縮短到單風道的1/2～1/3;另一方面火焰穩定,溫度提高,火焰形狀容易控制；可燒灰分達30%～40%的劣質煤和揮發分低于13%的貧煤；結構簡單,造價低廉,適合于中小型回轉窯使用。當時推廣較快,到1992年就有11家水泥廠20臺回轉窯由單風道改成了這種雙風道煤粉燃燒器,詳細情況列在表1中。

圖2　帶鈍體火焰穩定器的雙風道噴煤管

圖3    有無圓板式火焰穩定器對燃油燃燒器火焰的影響

圖4    國內采用圓板式火焰穩定器的四風道煤粉燃燒器

　　3、孔板式火焰穩定器

　　前述的Rotaflam型、Duoflex型、M.A.S型、TJB型、TC型、NC型等旋流式四風道煤粉燃燒器，其中心風都是通過板孔式火焰穩定器上若干個小圓孔噴射的。圖5所式為各種板孔式火焰穩定器的端面照片。

不同廠家使用帶火焰穩定器的雙風道燃燒器所取得的效果  表1

　　當代所采用的三風道和四風道煤粉燃燒器，都采用螺旋體以產生旋轉射流。旋轉射流的中心形成一個負壓區，便引起回流。這就好像大家熟見的旋風一樣，旋轉速度愈高，中心所形成的孔洞愈大愈深。這個空洞就是負壓區，噴燃管的端面區域形成，對火焰的穩定也起一定的作用。這個回流區愈大，火焰就愈穩定。孔板式火焰穩定器的一個功能，就是頂住因旋轉流產生的回流，避免回流和回火。它的原理極類似于梅克爾噴嘴中所采用的網罩式火焰穩定器，使火焰更加穩定[7]。大家熟知的防風打火機就是利用這一原理制成的，在大風條件下使用也不會熄滅，火焰相當穩定。

　　火焰穩定器的評析 

　　1、火焰穩定器的基本概念

　　火焰理論中的重要問題之一是火焰傳播，也就是燃燒區域燃燒波通過可燃混合物的傳播。在燃燒器的火焰中，火焰向與反應劑流動相反傳播，且其位置是固定不動的。但當進口或環境條件變化時，如燃料流量、空氣與燃料比、預熱情況和燃燒室形狀及溫度變化，對回轉窯來說還有物料和氣流的變化，都會引起火焰變得不是固定不動的或者說變得不穩定。如果這些參數在一定的范圍內變動不會引起火焰被吹滅、向燃燒器中回流或回火、火焰不發生較大的波動和抖動、火焰的形狀和溫度不發生較大的變化，便認為燃燒器火焰在這些參數范圍內是穩定的[8]

　　顯然，火焰穩定器的問題與火焰傳播理論信息相關。火焰傳播的定量理論實際上是基于從反應區向未燃燒混合物的熱量和質量的傳輸，這是一個相當復雜的問題，在此不作更多的闡述，有興趣者可參閱文獻[9]。

　　2、火焰穩定器的工作機理

　　任何一種火焰穩定器均可視為一個不良流線體。射流在其尾跡中的流動會產生一個回流區并在該區中形成一個環形旋渦，如圖6所示。

　　射流受不良流線體的尺寸、形狀和周圍流動體系的影響，所形成的回流區是不同的。回流區的邊界由徑向點確定，在這些點上，向前流動的質量流量等于該軸向位置處的反向流量。反流區的零速度線為邊界，反流區和回流區的邊界在不良流線體的分離點處和下游駐點處互相重合。環形旋渦的中心或稱“眼點”處在反流區的邊界上，這是靜壓最小之點。

　　空氣以環狀射流的形式從噴燃管噴出，由于從環境引射和壓力減小的結果，促使射流逐漸膨脹而形成一個錐形。環壯射流最大速度的徑向位置向軸線收縮，如圖中的du/dr=0的虛線所示。不良流線體的前段傾角α使流動方向偏斜出去，這個角度對于圓柱體火焰穩定器α=0，對于圓板式火焰穩定器α=180°，

　　戴維斯和比埃爾對不良流線體的不同幾何參數和阻塞比Br（d/D2）進行了仔細測量，發現平均速度、靜壓和湍流應力都有變化[9]，如圖7所示。阻塞比Br加大使回流區長度減小，見圖7a，不良流線體的錐角α減小，使回流區尺寸減小，見圖7b。

圖7 回流區隨阻塞比Br和錐角α的變化

　　不良流線體的阻塞比Br和幾何形狀對反向質量流量的影響示于圖8。在回流區中回流的流體占主流的比例，可視為旋渦強度的量度，對火焰的穩定程度起重要作用。回流區越大，火焰越穩定。這里所說的不良流線體就是各種不同形狀和尺寸的火焰穩定器。可見現在在四風道煤粉燃燒器中所采用的不同火焰穩定器并不是新東西，而是在很早以前就有的，只是近代把這項技術引用到回轉窯煤粉燃燒器中。各種火焰穩定器對火焰穩定效果都是可以分析計算的，因篇幅所限，不便闡述。

　　3、對幾種火焰穩定器

　　當前最先進的旋流式四風道煤粉燃燒器，從空氣動力學的角度來說是一個多環含塵旋轉燃燒射流，存在質量和熱量交換，是一個相當復雜的系統。為了獲得更加穩定的火焰，不僅采用一環的旋轉射流，而且還采用火焰穩定器。從結構的適應性考慮，孔板式火焰穩定器不僅性能好而且簡單，所以多用。

　　但從目前看，對孔板式火焰穩定器的研究還不夠充分，所以出現了如圖9所示少孔板孔板式火焰穩定器。由前述的分析可見，絕對不是隨便增加一股風道就是四風道煤粉燃燒器，也絕對不是在四風道噴燃管中隨便采用一塊圓板并鉆制一些小圓孔就能使火焰穩定。而是需要進行理論分析和計算，確定出恰當的尺寸和適宜數量的小圓孔，保證一定的噴出速度和壓力，才能達到有效穩定火焰的目的。

　　鈍體式火焰穩定器因噴燃管結構的限制，不適應于旋流式四風道煤粉燃燒器，不能采用，在單風道和雙風道中可以采用。

　　五、  結論

　　1、通過文中的實例表明，不論什么形式的火焰穩定器對火焰的穩定均具有舉足輕重的作用，這一點是勿庸置疑的。

　　2、合理板孔式火焰穩定器的采用，使旋流式四風道煤粉燃燒器的性能錦上添花，成為當前最先進的旋流式四風道煤粉燃燒器的一個非常主要的技術特征。

　　3、理論分析和生產實踐都證明，火焰穩定器的作用是不可小視的。不是可有可無，而是一項非常重要的技術。但絕對不是隨便采用一個不良流線體都可以使火焰達到最佳的穩定程度。

　　4、在某種意義上說，火焰穩定器設計的是否恰當和合理，是鑒別旋流式四風道煤粉燃燒器真品和贗品的一個分水嶺。

　　5、火焰穩定器的作用不僅是使火焰更加穩定、風煤混合更加充分和均勻、噴燃管的壽命更長，而且通過它的調節還可以改變火焰的形狀和強度。

　　6、中心風通過板孔式火焰穩定器噴射，不僅結構巧妙，將中心風與火焰穩定器有機地結合起來，而且是旋流式四風道煤粉燃燒器成為當代最先進燃燒器一項不可缺少的先進技術措施，在法國已獲得了專利權。