一、前言
在各種應(yīng)用回轉(zhuǎn)窯的工業(yè)部門中，水泥工業(yè)應(yīng)用回轉(zhuǎn)窯最多。從所用燃料來看，當(dāng)前基本上都是以各種煤粉為燃料，從所用的燃燒器來看，絕大多數(shù)都是使用最先進的四風(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“推力”的名詞術(shù)語。有的燃燒器生產(chǎn)廠家為了說明自己的產(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，都將采用小風(fēng)量大推力的煤粉燃燒器作為第二大類燃料燃燒中的控制首項技術(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?還是在使用操作時隨時都在變化的呢?燃燒器的推力是不是越大越好呢?要準(zhǔn)確搞清楚這些問題，就必須對“推力”這個名詞術(shù)語的由來、基本概念和推力大小進行深入的解讀，供大家參考。
二、兩個名詞術(shù)語的由來及其基本概念
在討論回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器的推力時，首先必須搞清楚“一次風(fēng)”和“推力”這兩個名詞術(shù)語的由來，進而對準(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)語的由來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)稱為“凈風(fēng)”。現(xiàn)在有人將這部分凈風(fēng)稱為“助燃空氣”，實際上這部分凈風(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)稱為“成形風(fēng)”。但是，國外原來都將這部分凈風(fēng)稱為“一次風(fēng) (Primary air) ”，國內(nèi)有人受國外的影響也如此稱謂[1]。可能大家會覺得奇怪，為什么只將這部分凈風(fēng)稱為“一次風(fēng)”而不包括煤風(fēng)呢?這就需要了解“一次風(fēng)”這個術(shù)語的由來。
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燃料的輸送及通過燃燒器噴出都不需要空氣，即通常所說的“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。這部分空氣是通過燃燒器噴射入窯的，對于傳統(tǒng)的水泥窯型，為與由冷卻機入窯的高溫二次風(fēng)相區(qū)別，故將這部分冷風(fēng)或稱“常溫空氣”稱為“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，這時將這種風(fēng)稱為“一次風(fēng)”是合理而科學(xué)的，這就是“一次風(fēng)”術(shù)語的由來。
在1900～1910年間，美國人率先將優(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。尤其是在上世紀(jì)70年代石油危機以后，沒有特殊情況，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。對這種習(xí)稱“噴煤管”的燃燒器來說，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還提供了一定的推力。對于傳統(tǒng)窯型，仍然為與冷卻機入窯的高溫二次風(fēng)相區(qū)別，將燃燒器所用的這部分空氣也稱為“一次風(fēng)”。可是，這里的“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)格地說應(yīng)稱為“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)機供風(fēng)。為了減少管路長度和工藝布置方便，都將這臺風(fēng)機安裝在窯頭。所以，有人將其稱為“窯頭一次風(fēng)機“，簡稱”窯頭風(fēng)機“，以與其他風(fēng)機相區(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，原來國外都把為多風(fēng)道煤粉燃燒器提供的這部分凈風(fēng)仍習(xí)慣地稱為“一次風(fēng)”。國內(nèi)有人也人云亦云，將這部分凈風(fēng)稱為“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)稱為“一次風(fēng)”的由來。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)稱謂和新型干法窯用風(fēng)的特點認(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)用帶來許多麻煩，在談到一次風(fēng)時必須特殊注明是不是含煤風(fēng)。
時代在前進，技術(shù)在發(fā)展。一個新事物或者新技術(shù)的出現(xiàn)，名詞術(shù)語也必須隨之變化，跟上時代的步伐，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或者窯頭罩抽取到窯尾分解爐中的次高溫三次風(fēng)。對現(xiàn)在使用最多的預(yù)分解窯燒成系統(tǒng)來說，涉及到用風(fēng)的問題，概括起來共有四種風(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);二是由冷卻機入窯的高溫二次風(fēng);三是由冷卻機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)都是通過窯尾高溫風(fēng)機抽吸并排到后續(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，因為會增大漏風(fēng)量。由此可見，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)別開來，而且一次、二次和三次風(fēng)的概念也特別清晰。因為輸送煤粉這部分風(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)在國外有的也改變了稱謂，如法國皮拉得公司(Pillard)和法國拉法基水泥公司(Lafarge)現(xiàn)在就將煤風(fēng)和凈風(fēng)之和稱為“一次風(fēng)”。筆者認(rèn)為，將煤風(fēng)與凈風(fēng)之和稱為“一次風(fēng)”更合理和科學(xué)。
2.推力術(shù)語的由來及其基本概念
物理學(xué)在研究物體運動量和運動狀態(tài)時，都采用動量、功和能量等的理論。在具體舉例中，常會采用“推力”這個術(shù)語。如人推車就是人給車一個作用力使車運動，那么這個力就稱為“推力”，即人給予車一個“推動力”。又如子彈頭在槍膛中受火藥爆炸力作用而在槍膛中運動，火藥的爆炸力就稱為“爆炸推力”[4]。飛機發(fā)動機推動飛機運動或飛行的推動力，在航空專業(yè)也稱為推力……。可見，推力是一種力，即作用在一個物體上的外力，可使物體運動，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風(fēng)道中能夠流動，也是因為受到一種力的推動作用，因而有人將這種力稱為“推動力”，并按下式進行計算[5]。
由(1)式可以看出，這是動量的表達式。對于固體，(1)式中的m1是固體的質(zhì)量，單位為kg，V1是固體的運動速度，單位為m/s。由此可見，P的單位應(yīng)為kg.m/s。顯然這不是力的單位，而是國際單位制的動量單位。但是，對于流體，其質(zhì)量m1應(yīng)用質(zhì)量流量表達，其單位為kg/s，流體的流動速度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。因為1kg.m/s2=1N，這就是力的單位了，而不是動量單位。對空氣在噴燃管各風(fēng)道內(nèi)所以能夠流動，就是因為有這個推動力的作用，所以國內(nèi)外都將這個力簡稱為“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。也有人將其稱為“動量”或“沖量”都不夠準(zhǔn)確，因沖量或稱沖力的單位是力與時間的乘積，在國際單位制中的單位是“N·S”。可見既不是力的單位也不是動量的單位。雖然實質(zhì)都是一種能量的表達，但是在這里都不及稱為“推力”準(zhǔn)確。
對于多風(fēng)道煤粉燃燒器，(1)式應(yīng)寫成下式更準(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)的各個風(fēng)道推力之和。因為煤風(fēng)也是一股風(fēng)，也要產(chǎn)生一定的推力。