高炉煤气直流燃烧器的试验研究

赵振兴, 曹子栋, 常勇强

(西安交通大学能源与动力工程学院,西安710049)

在能源动力飞速发展的今天,能源的节约与合理利用已成为时代的主题.然而,在现有的技术条件下,化石能源的大量不合理利用给环境造成了严重的危害,能源利用与环境保护的协调发展已成为当今备受关注的重大课题,以可持续发展为背景的能源高效清洁利用成为主要的研究方向.在石油化工业和钢铁工业的生产过程中均会产生一些可燃废气,可燃气体的热值越低,其燃烧越难以组织.高炉气体的燃烧特性阻碍了其高效利用.虽然在实际应用中高炉煤气主要采用旋流式燃烧器,但是很多企业正致力于研究直流式燃烧器.造成高炉煤气燃烧不稳定的原因主要有2种：脱火和回火[1-2].笔者主要研究了直流高炉煤气燃烧器的稳定燃烧条件,并通过改变直流式燃烧器的结构来改善高炉煤气的稳燃特性[3],为工程上优化高炉煤气的燃烧提供了一种新的思路.

1 多管式平流燃烧器

在工程实际中,扩散式燃烧器多采用多管式平流燃烧器[4-5],其结构见图1.燃料气由周向布置的6～8根管子送入,管子端部做成楔形并开有直径为8～15 mm左右的喷孔,燃料气喷出的方向相交成90°.为适应油气通用锅炉的需要,并调节火焰发光特性,可以转动喷管的方向使各射流的P方向组成一个切圆,从而使燃料气产生旋转运动;也可以使两喷管的P方向相对喷射.前者混合较强,一般产生很短的不发光火焰,且火焰只存在于燃烧器附近;后者燃烧过程较为缓慢,形成很长的发光火焰.燃料气从喷孔喷出的速度达150～230 m/s,空气速度为50～65m/s,两者的速度比为3～3.5,动压比为10～16.

图1 多管式平流燃烧器的结构Fig.1 The stru cture of themu ltitubular parallel flow bu rner

由于高炉煤气是一种高着火点燃料,其燃烧组织困难,且火焰传播速度慢,所以应采用多管式燃烧器.当燃气速度达到150～230 m/s时,燃气流速远大于火焰的传播速度,此时高炉煤气早已脱火,无法正常燃烧.此外,燃烧器的设计压力值大约为2 500 Pa,由于压力较低无法使燃气流速达到多管式平流燃烧器的额定值,故无法采用此燃烧器.

2 直流燃烧器稳燃原理及试验安排

2.1 点火环理论

由于无法采用多管式平流燃烧器横向射流送气,笔者设计了一种平行射流送气的多管式直流燃烧器(图2(a)).为研究方便,本文取单一直流燃烧器进行研究,称为常规直流燃烧器(图2(b)).

图2 直流燃烧器Fig.2 The impellerless bu rner

本设计参考了火焰稳定存在的基础——点火环理论.点火环存在于火焰传播速度与燃气流速相等的地方,在该处形成固定的火焰锋面.当燃料流速很大时,理论上火焰传播速度要在很远的地方才能与之平衡,但此时燃料浓度和放热量将不能维持燃料的燃烧,即在出口燃烧范围内没有速度平衡点,此时点火环无从锚泊,从而形成脱火.

2.2 淬熄作用

低浓度高炉煤气燃烧时,在临近容器壁仅数毫米的地方,壁面的散热作用十分强烈,以致火焰不能传播,此时火焰熄灭,该现象称为淬熄.淬熄是影响煤气稳定燃烧的一个重要因素.目前对淬熄现象的研究大多停留在试验阶段,其影响因素主要为管径、材料的导热系数以及火焰的传播速度,其中管径是最重要的因素.因此,笔者对不同管径的燃烧器进行了试验,具体的直流燃烧器管径及燃烧试验结果见表1.

表1 直流燃烧器管径对燃烧试验的影响Tab.1 Effectso f pipe diameter of the impellerless burners on combustion experiments

由表1可知,在某些管径下形成的全扩散燃烧火焰很不稳定,并且外围不能加入空气射流,否则就会熄灭.笔者认为这主要是受淬熄的影响,即在很细的管子内部和靠近管口处,由于壁面散热十分强烈,火焰将不能连续传播.由以上试验可以得出高炉煤气的大致淬熄直径,并且认为一旦燃烧器的直径大于此直径,则淬熄作用不会造成燃烧终止.因此,在后续试验设计中采用的燃烧器直径均大于8 mm.

2.3 直流燃烧器

笔者采用的直流燃烧器为多管式直流燃烧器(图2(a)).采用CO、H 2和N2来模拟高炉煤气 ,并通过改变CO和H2的浓度来模拟不同组分的高炉煤气.图3为试验系统图.

图3 试验系统图Fig.3 Schematic of the experimental system

试验时,首先选定燃烧器和高炉煤气各成分的比例,然后每给定一个燃气速度,寻找在此速度下达到脱火时的空气速度,燃气速度增加到其自身不能形成稳定火焰(即不加空气就脱火)为止.

2.3.1 常规直流燃烧器

采用常规直流燃烧器时,在试验中发现仅在燃气与空气的交界面上产生了点火环,并且点火环不太稳定.不同燃气组分下高炉煤气的稳燃特性见图4.当外侧空气流速增加至15 m/s时,点火环完全被吹离,形成脱火.由于燃气流速与空气流速均无法提高,导致热功率无法满足实际生产的要求.并且当空气流速一定时,燃气稳燃流速由于散热系数的增大而降低,使得燃烧稳定性更差,因此不宜采用常规直流燃烧器.

图4 采用常规直流燃烧器时,不同燃气组分下高炉煤气的稳燃特性Fig.4 The stable combustion characteristics of the blast-furnace gas with different com positions when the conven tional impellerless bu rner is used

2.3.2 扩口直流燃烧器

笔者设计出一种带有回流区的扩口直流燃烧器[6](图5).采用这种燃烧器的理论依据为：改善着火稳定性的关键在于点火环的稳定存在.采用扩口直流燃烧器时,当锥形半角大于一定值时,燃气射流不能闭合,理论上可以存在内外圈2个点火环.当外圈空气流速不大时,内外圈点火环同时存在.但在一般情况下,外圈空气流速远大于火焰传播速度,容易造成外圈点火环吹离,即外圈脱火,但是内圈由于卷吸回流的空气流速不大,不易造成脱火,故内圈点火环相对外圈点火环容易稳定存在,这对改善高炉煤气的火焰稳定性有很大帮助.下面通过试验来验证内圈点火环机理.

图5 扩口直流燃烧器Fig.5 The bellmou th impellerless bu rner

从射流的扩展角理论可知,平面自由射流外边界的扩展角大约为10°,即当锥形半角大于10°时,环形射流内边界不会闭合.

当射流的内边界无法闭合时,由于回流卷吸作用,燃烧器中心会回卷空气,则在燃气的内外两边都会形成点火环.因此,本试验分别设计了锥形半角为8°、12°和 35°的扩口直流燃烧器,并进行了燃烧试验.扩口直流燃烧器的尺寸见表2.

表2 扩口直流燃烧器的尺寸Tab.2 The sizes of thebellmouth impellerless burners

3 扩口直流燃烧器分析

3.1 锥形半角为8°的扩口直流燃烧器

基于上述关于射流扩展角影响的分析,本次试验中采用的燃烧器锥形半角为8°,小于10°,因此射流应该是闭合的.

图6给出了采用不同燃烧器时,不同组分高炉煤气的稳燃特性.由图6可以看出,在同一CO浓度下,随着燃气流速的提高,扩口直流燃烧器和常规直流燃烧器对应的空气流速逐渐提高,只是在相同的条件下,不同燃烧器对应的空气流速的增长量并不相同.

与常规直流燃烧器相比,锥形半角为8°的扩口直流燃烧器在提高脱火极限方面更具优势.这是由于锥形半角为8°的扩口直流燃烧器可以使燃气与空气的混合增强,流体的湍动加强,从而改善了燃烧反应的条件[7].

在本次试验中可以观察到,当燃气流速低于2 m/s时,火焰有明显的分层现象,但并没有成型的双点火环或者内圈点火环.由于射流的速度不高,使得空气被卷吸到中央的钝体处,从而在一定程度上改善了燃烧,提高了脱火极限.但是由于只存在外圈点火环,外圈空气速度无法提高至实际工程应用的要求(大于20m/s).

3.2 锥形半角为12°和35°的扩口直流燃烧器

在锥形半角为8°的扩口直流燃烧器试验中,可以看出锥形半角对火焰的稳定性有影响,但是由射流理论可知,8°的锥形半角所射出的射流最终还是闭合的.通过对锥形半角为12°和35°的扩口直流燃烧器进行试验,来分析锥形半角增大到射流不闭合时高炉煤气的稳燃特性.

图6 采用不同燃烧器时,不同组分高炉煤气的稳燃特性Fig.6 The stable combustion characteristics of the blast-furnace gasw ith differen t compositions when differen t burners are used

图7给出了采用不同燃烧器时,在相同CO浓度下高炉煤气的稳燃特性.由图7可知,不同锥形半角扩口直流燃烧器对火焰稳定性的影响类似,但从数值上来讲,锥形半角为 12°和 35°的扩口直流燃烧器对火焰脱火极限的提高优于锥形半角为8°的扩口直流燃烧器.在高炉煤气燃烧过程中,当外圈空气流速不高时,可以看到明显的双点火环,具有内外2个火焰面.当空气流速增大到外圈点火环被吹离时,内圈点火环依然稳定存在,从而极大地改善了高炉煤气的燃烧稳定性.

由图7还可以看出,随着锥形半角的增大,高炉煤气的稳燃特性有所改善,锥形半角为35°的扩口直流燃烧器的火焰稳定性最好.扩口对气流起一定程度的导流作用,增大锥形半角可以使回流区加宽,增大了回流区与高温烟气的接触面积.本试验中采用的燃烧器出口锥体类似于钝体,气流经过后产生“脱流”,在锥体后面出现一个回流区,有助于煤气的着火.锥体的位置可以伸缩,从而调节燃气的出口速度和气流出口角度的大小,在燃用高炉煤气时,可将锥形半角增大,以增加高温烟气的回流.

通过对常规直流燃烧器及不同锥形半角的扩口直流燃烧器进行比较可知：锥形半角越大越有利于稳定燃烧.这是由于扩口直流燃烧器的锥形半角增大时,尤其是角度远大于 10°时,射流不能产生封闭,使扩口对气流的导流作用增大,同时增大锥形半角还可以使回流区增加,从而增大燃料与高温烟气的接触面积.更重要的是,回流过程中更多的空气被卷吸到燃气出口处,使燃烧器的内环形成稳定的点火环,增强了燃气与空气的混合,从而改善了反应的进行,更好地提高了脱火极限.

图7 采用不同燃烧器时,相同CO浓度下高炉煤气的稳燃特性Fig.7 The stable combustion characteristics of the b last-furnace gas with the sam e CO con cen tration when differen t bu rners are used

4 结 论

(1)扩口直流燃烧器由于中心回流区的存在,其火焰的稳定性比常规直流燃烧器好.

(2)锥形半角的大小对火焰的稳定性起着重要作用.当锥形半角小到一定程度时,由于中心回流区过早地闭合,火焰不稳定;随着锥形半角的增大,火焰的稳定性增强.

(3)提出了“双环”点火环机理：对于带扩口的同轴环形射流,当锥形半角大于气流内圈扩展角度时,气流内圈回流区不闭合,可以形成内外双圈点火环.当外圈空气以较大速度吹过点火环时,尽管外圈点火环被吹离,但是内圈点火环依然可以稳定存在,起到稳定点火作用.

(4)对于高炉煤气燃烧器而言,回流区的主要作用不仅是卷吸高温烟气,而且卷吸作为氧化剂的新鲜空气,这些空气为内圈点火环的存在提供了保障.这为工程上改善高炉煤气的燃烧特性提供了一种新的思路.笔者设计的扩口直流燃烧器对于高炉煤气的稳定燃烧具有很好的改善作用,且完全满足实际工程应用的要求.

[1] 朱宇翔,秦晓东,陆方.全燃高炉煤气锅炉燃烧稳定性影响因素分析[J].工业锅炉,2007(5)：15-17.

[2] 匡国权,房国凤.低热值高炉煤气应用实践SHL20-2.45/400-AⅡ型燃煤锅炉改燃高炉煤气改造[J].工业锅炉,2004(2)：44-46.

[3] 杨庆泉,王晟,杨涌泉.大气式火焰脱火因素的分析[J].煤气与热力,2000,20(4)：262-263.

[4] SABINE S,DIETMAR A,FRANZ W,et a l.Reducing ability o f CO and H2of gases formed in the lower part of the blast furnace by gas and oil injection[J].ISIJ International,2006,46(7)：1006-1013.

[5] 徐通模,金定安,温龙.锅炉燃烧设备[M].西安：西安交通大学出版社,2000.

[6] 徐晓菊.低热值气体燃料燃烧的强化[J].科技资讯,2007(34)：1-3.

[7] 赵伶玲,周强泰.旋流燃烧器的稳燃性能分析[J].动力工程,2005,25(3)：364-368.