一、前言
在各種應(yīng)用回轉(zhuǎn)窯的工業(yè)部門(mén)中，水泥工業(yè)應(yīng)用回轉(zhuǎn)窯最多。從所用燃料來(lái)看，當(dāng)前基本上都是以各種煤粉為燃料，從所用的燃燒器來(lái)看，絕大多數(shù)都是使用最先進(jìn)的四風(fēng)道煤粉燃燒器。在回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器的技術(shù)理論領(lǐng)域中，都涉及到一個(gè)“推力”的名詞術(shù)語(yǔ)。有的燃燒器生產(chǎn)廠家為了說(shuō)明自己的產(chǎn)品性能好，將其冠以“大推力”。幾乎所有在討論降低回轉(zhuǎn)窯NOx排放方法時(shí)，都將采用小風(fēng)量大推力的煤粉燃燒器作為第二大類(lèi)燃料燃燒中的控制首項(xiàng)技術(shù)加以論述。究竟多大推力的燃燒器是大推力燃燒器?燃燒器的推力是其固有的呢?還是在使用操作時(shí)隨時(shí)都在變化的呢?燃燒器的推力是不是越大越好呢?要準(zhǔn)確搞清楚這些問(wèn)題，就必須對(duì)“推力”這個(gè)名詞術(shù)語(yǔ)的由來(lái)、基本概念和推力大小進(jìn)行深入的解讀，供大家參考。
二、兩個(gè)名詞術(shù)語(yǔ)的由來(lái)及其基本概念
在討論回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器的推力時(shí)，首先必須搞清楚“一次風(fēng)”和“推力”這兩個(gè)名詞術(shù)語(yǔ)的由來(lái)，進(jìn)而對(duì)準(zhǔn)確理解其基本含義就明晰得多。否則，很容易產(chǎn)生混淆和誤解。
1.“一次風(fēng)”術(shù)語(yǔ)的由來(lái)及其基本概念的變化
當(dāng)今水泥回轉(zhuǎn)窯所用的燃燒器，基本上都是三風(fēng)道和四風(fēng)道等多風(fēng)道煤粉燃燒器。為其配風(fēng)都需要兩種風(fēng)：一種是為輸送煤粉等固體燃料所用的風(fēng)，通常稱(chēng)為“煤風(fēng)”;另一種是使煤粉等固體燃料噴入到窯內(nèi)燃燒并形成所需要的火焰形狀所用的風(fēng)，這部分風(fēng)中不含煤粉而是潔凈空氣，所以應(yīng)稱(chēng)為“凈風(fēng)”。現(xiàn)在有人將這部分凈風(fēng)稱(chēng)為“助燃空氣”，實(shí)際上這部分凈風(fēng)并不是為助燃而采用的，而是為提供足夠推力、形成所需要的火焰形狀，以保證風(fēng)煤混合充分均勻而設(shè)置的。所以，格瑞柯——茵菲爾公司將這部分凈風(fēng)稱(chēng)為“成形風(fēng)”。但是，國(guó)外原來(lái)都將這部分凈風(fēng)稱(chēng)為“一次風(fēng) (Primary air) ”，國(guó)內(nèi)有人受?chē)?guó)外的影響也如此稱(chēng)謂[1]。可能大家會(huì)覺(jué)得奇怪，為什么只將這部分凈風(fēng)稱(chēng)為“一次風(fēng)”而不包括煤風(fēng)呢?這就需要了解“一次風(fēng)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)的由來(lái)。
回轉(zhuǎn)窯最早是不能燒煤的，即使是優(yōu)質(zhì)煙煤也不能應(yīng)用，都必須以燃油和燃?xì)鉃槿剂蟍2]。燃油和燃?xì)獾攘黧w燃料的輸送及通過(guò)燃燒器噴出都不需要空氣，即通常所說(shuō)的“風(fēng)”，只需要提供為燃料燃燒并形成所需良好火焰形狀的空氣。這部分空氣是通過(guò)燃燒器噴射入窯的，對(duì)于傳統(tǒng)的水泥窯型，為與由冷卻機(jī)入窯的高溫二次風(fēng)相區(qū)別，故將這部分冷風(fēng)或稱(chēng)“常溫空氣”稱(chēng)為“一次風(fēng)”。這是一種潔凈空氣，其中不含有任何燃料等介質(zhì)，即是“凈風(fēng)”。顯然，這時(shí)將這種風(fēng)稱(chēng)為“一次風(fēng)”是合理而科學(xué)的，這就是“一次風(fēng)”術(shù)語(yǔ)的由來(lái)。
在1900～1910年間，美國(guó)人率先將優(yōu)質(zhì)煙煤的煤粉應(yīng)用于水泥回轉(zhuǎn)窯并且取得成功。在燃油、燃?xì)夂腿济喝N燃料中煤是最便宜的，儲(chǔ)量也最大，所以在此以后燒煤的水泥回轉(zhuǎn)窯便迅速地增多起來(lái)。尤其是在上世紀(jì)70年代石油危機(jī)以后，沒(méi)有特殊情況，幾乎所有的水泥回轉(zhuǎn)窯都轉(zhuǎn)為以煤粉為燃料。煤粉的輸送和通過(guò)燃燒器噴射到窯內(nèi)燃燒，最方便的措施就是借助于空氣。在多風(fēng)道煤粉燃燒器未出現(xiàn)以前，都是利用單風(fēng)道煤粉燃燒器。對(duì)這種習(xí)稱(chēng)“噴煤管”的燃燒器來(lái)說(shuō)，這部分空氣既是煤粉輸送所必需，也是形成一定所需火焰形狀所必需，即在輸送煤粉的同時(shí)還提供了一定的推力。對(duì)于傳統(tǒng)窯型，仍然為與冷卻機(jī)入窯的高溫二次風(fēng)相區(qū)別，將燃燒器所用的這部分空氣也稱(chēng)為“一次風(fēng)”?？墒牵@里的“一次風(fēng)”與前述的“一次風(fēng)”基本概念不同。這里的“一次風(fēng)已不是凈風(fēng)，而是風(fēng)中已含有煤粉介質(zhì)，嚴(yán)格地說(shuō)應(yīng)稱(chēng)為“煤風(fēng)”或“成形風(fēng)”。由于單風(fēng)道煤粉燃燒器阻力小，都采用離心風(fēng)機(jī)供風(fēng)。為了減少管路長(zhǎng)度和工藝布置方便，都將這臺(tái)風(fēng)機(jī)安裝在窯頭。所以，有人將其稱(chēng)為“窯頭一次風(fēng)機(jī)“，簡(jiǎn)稱(chēng)”窯頭風(fēng)機(jī)“，以與其他風(fēng)機(jī)相區(qū)別。
多風(fēng)道煤粉燃燒器出現(xiàn)以后，既需要輸送煤粉的“煤風(fēng)”，又需要使煤粉燃燒形成良好火焰的“凈風(fēng)”。由于歷史的原因，原來(lái)國(guó)外都把為多風(fēng)道煤粉燃燒器提供的這部分凈風(fēng)仍習(xí)慣地稱(chēng)為“一次風(fēng)”。國(guó)內(nèi)有人也人云亦云，將這部分凈風(fēng)稱(chēng)為“一次風(fēng)”[1]。這就是將多風(fēng)道煤粉燃燒器所需要的這部分凈風(fēng)稱(chēng)為“一次風(fēng)”的由來(lái)。另有一部分人，根據(jù)單風(fēng)道煤粉燃燒器用風(fēng)的傳統(tǒng)稱(chēng)謂和新型干法窯用風(fēng)的特點(diǎn)認(rèn)為，將由多風(fēng)道煤粉燃燒器噴入到窯內(nèi)的常溫凈風(fēng)和煤風(fēng)合稱(chēng)為“一次風(fēng)”比較合理。這就造成“一次風(fēng)”概念的混亂，給技術(shù)交流和具體應(yīng)用帶來(lái)許多麻煩，在談到一次風(fēng)時(shí)必須特殊注明是不是含煤風(fēng)。
時(shí)代在前進(jìn)，技術(shù)在發(fā)展。一個(gè)新事物或者新技術(shù)的出現(xiàn)，名詞術(shù)語(yǔ)也必須隨之變化，跟上時(shí)代的步伐，以便于技術(shù)交流和溝通。由于預(yù)分解窯的出現(xiàn)，回轉(zhuǎn)窯的用風(fēng)也發(fā)生了變化，這就是增加了一股由冷卻機(jī)或者窯頭罩抽取到窯尾分解爐中的次高溫三次風(fēng)。對(duì)現(xiàn)在使用最多的預(yù)分解窯燒成系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，涉及到用風(fēng)的問(wèn)題，概括起來(lái)共有四種風(fēng)：一是由多風(fēng)道煤粉燃燒器噴入到窯內(nèi)的常溫一次風(fēng);二是由冷卻機(jī)入窯的高溫二次風(fēng);三是由冷卻機(jī)或者窯頭罩抽取到窯尾分解爐內(nèi)的次高溫三次風(fēng);四是由窯頭、窯尾、預(yù)熱器和分解爐密封裝置等的常溫外漏風(fēng)。這些風(fēng)都是通過(guò)窯尾高溫風(fēng)機(jī)抽吸并排到后續(xù)系統(tǒng)中，所以在正常情況下，窯頭應(yīng)保持微負(fù)壓。負(fù)壓大了并不好，因?yàn)闀?huì)增大漏風(fēng)量。由此可見(jiàn)，將由多風(fēng)道煤粉燃燒器噴入到窯內(nèi)的常溫煤風(fēng)和凈風(fēng)之和統(tǒng)稱(chēng)為“一次風(fēng)”比較合理和科學(xué)[3]。這樣，不僅與二次風(fēng)、三次風(fēng)和漏風(fēng)嚴(yán)格區(qū)別開(kāi)來(lái)，而且一次、二次和三次風(fēng)的概念也特別清晰。因?yàn)檩斔兔悍圻@部分風(fēng)量并不是可以忽略的小數(shù)，一般約為一次凈風(fēng)的1/3～1/2，為煤粉完全燃燒所需理論空氣量的2.5%～3%左右。由于既有風(fēng)量，又有噴出速度，因而也產(chǎn)生不宜忽略的推力。如果一次風(fēng)不含煤風(fēng)，那么煤風(fēng)又應(yīng)算哪股風(fēng)呢?因此，現(xiàn)在國(guó)外有的也改變了稱(chēng)謂，如法國(guó)皮拉得公司(Pillard)和法國(guó)拉法基水泥公司(Lafarge)現(xiàn)在就將煤風(fēng)和凈風(fēng)之和稱(chēng)為“一次風(fēng)”。筆者認(rèn)為，將煤風(fēng)與凈風(fēng)之和稱(chēng)為“一次風(fēng)”更合理和科學(xué)。
2.推力術(shù)語(yǔ)的由來(lái)及其基本概念
物理學(xué)在研究物體運(yùn)動(dòng)量和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，都采用動(dòng)量、功和能量等的理論。在具體舉例中，常會(huì)采用“推力”這個(gè)術(shù)語(yǔ)。如人推車(chē)就是人給車(chē)一個(gè)作用力使車(chē)運(yùn)動(dòng)，那么這個(gè)力就稱(chēng)為“推力”，即人給予車(chē)一個(gè)“推動(dòng)力”。又如子彈頭在槍膛中受火藥爆炸力作用而在槍膛中運(yùn)動(dòng)，火藥的爆炸力就稱(chēng)為“爆炸推力”[4]。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)或飛行的推動(dòng)力，在航空專(zhuān)業(yè)也稱(chēng)為推力……?？梢?jiàn)，推力是一種力，即作用在一個(gè)物體上的外力，可使物體運(yùn)動(dòng)，其單位是“N”。
含煤粉的空氣和潔凈空氣，即煤風(fēng)和凈風(fēng)在煤粉燃燒器噴燃管各個(gè)風(fēng)道中能夠流動(dòng)，也是因?yàn)槭艿揭环N力的推動(dòng)作用，因而有人將這種力稱(chēng)為“推動(dòng)力”，并按下式進(jìn)行計(jì)算[5]。
由(1)式可以看出，這是動(dòng)量的表達(dá)式。對(duì)于固體，(1)式中的m1是固體的質(zhì)量，單位為kg，V1是固體的運(yùn)動(dòng)速度，單位為m/s。由此可見(jiàn)，P的單位應(yīng)為kg.m/s。顯然這不是力的單位，而是國(guó)際單位制的動(dòng)量單位。但是，對(duì)于流體，其質(zhì)量m1應(yīng)用質(zhì)量流量表達(dá)，其單位為kg/s，流體的流動(dòng)速度V1的單位仍為m/s。這樣，P的單位則變?yōu)閗g/s.m/s=kg.m/s2=N。因?yàn)?kg.m/s2=1N，這就是力的單位了，而不是動(dòng)量單位。對(duì)空氣在噴燃管各風(fēng)道內(nèi)所以能夠流動(dòng)，就是因?yàn)橛羞@個(gè)推動(dòng)力的作用，所以國(guó)內(nèi)外都將這個(gè)力簡(jiǎn)稱(chēng)為“推力”，與物理學(xué)所講的推力概念是完全一致的，仍然符合牛頓第二定律。也有人將其稱(chēng)為“動(dòng)量”或“沖量”都不夠準(zhǔn)確，因沖量或稱(chēng)沖力的單位是力與時(shí)間的乘積，在國(guó)際單位制中的單位是“N·S”?？梢?jiàn)既不是力的單位也不是動(dòng)量的單位。雖然實(shí)質(zhì)都是一種能量的表達(dá)，但是在這里都不及稱(chēng)為“推力”準(zhǔn)確。
對(duì)于多風(fēng)道煤粉燃燒器，(1)式應(yīng)寫(xiě)成下式更準(zhǔn)確：
(2)式中的注腳“i”是風(fēng)道的數(shù)量，煤粉燃燒器的總推力Pz應(yīng)等于包括煤風(fēng)在內(nèi)的各個(gè)風(fēng)道推力之和。因?yàn)槊猴L(fēng)也是一股風(fēng)，也要產(chǎn)生一定的推力。