热轧加热炉掺烧天然气后烧嘴流量特性热态试验研究

2014-06-26刘刚锋丁翠娇

武汉工程职业技术学院学报 2014年3期

刘刚锋丁翠娇

(武汉钢铁(集团)公司研究院湖北武汉：430080)

随着钢铁企业生产工序的不断延伸与深加工产品比例的提高，煤气消耗量不断增大，尤其是后工序需要高质量焦炉煤气，引入外部煤气资源是弥补企业内部高热值焦炉煤气缺口的重要手段。烧嘴作为工业炉窑的关键性设备，它的性能对工业炉窑的产量、质量、能耗、环保等技术经济指标影响很大。由于不同种类煤气成份物理性能的差异，不同种类、不同比例混合燃烧特性也不同，烧嘴的煤气与空气流量特性也不同。因而，在加热炉掺烧天然气后烧嘴煤气流量、空气流量特性发生变化，不仅影响天然气的掺烧比例，同时对提高产品质量、降低能耗和保护环境等均具有重要意义。因此，加热炉掺烧天然气后不仅需进行两种燃气互换性等方面的理论研究，分析不同比例掺烧后煤气的基本燃烧特性，指导煤气混合方案的制定，同时必须通过烧嘴的流量特性等一系列热态试验进行综合判断，指导现场烧嘴调节，以确保煤气置换后生产运行的安全、稳定。

1 试验装置

试验炉内腔高2m，宽2m，长6m，采用炉尾下强制排烟方式；试验采用HDN-4TG型调焰烧嘴，煤气接口管径为DN125，主空气接口管径为DN250，通道上安装调节翻板，控制旋流风与直流风的供风比例，调节燃烧火焰长度。烧嘴设计技术参数如表1示,结构图如图1所示；试验用仪器仪表如表2所示；试验装置系统图如图2所示，测试热电偶布置图如图3所示。

表1 试验烧嘴设计参数表

表2 试验用仪器仪表

2 试验方案

(1)试验用烧嘴HDN-4TG型调焰烧嘴，使用热值为2400-2600kcal/m3(约10MJ/m3)高焦混合煤气为基准燃气，试验中混合煤气由高炉煤气、焦炉煤气和天然气三种单一煤气按一定比例配制，配制原则遵循：(a)煤气热值和华白指数控制在±10%以内；(b)同等条件下尽可能少用焦炉煤气；(c)高炉煤气和转炉煤气中尽可能少用转炉煤气。按上述配气原则计算后，天然气掺混比例以高天混合状态时为最高，达22%。各单一试验煤气成分如表3、4，试验混合煤气配比方案如表5示。

(2)调焰烧嘴安装于试验炉端头，温度测试热电偶布置试验炉两侧，具体见图2、图3所示。

图1 HDN-4调焰烧嘴结构图

图2 调焰烧嘴试验装置系统示意图

图3 调焰烧嘴火焰温度测试热电偶布置图

表3 天然气成份(%)

表4 单一煤气成份(%)

表5 试验用煤气配比方案

气体燃料燃烧是理论空气量和气体密度如：

(1)

∑(12m+n)CmHn+34H2S+44CO2+

32O2+28N2+18H2O]

(2)

根据公式(1)和(2)可以计算不同掺混比例下煤气成份、密度和理论空气量变化见表6.

表6 不同方案配比下煤气成份、理论空气量及密度变化

(3)按照表5煤气配比方案，逐一进行热态试验，具体实验过程是：烧嘴中小流量点火，再调整煤气流量至最大，待燃烧稳定后逐渐降低煤气流量，记录不同流量条件下的相关数据并观察火焰形状。

3 试验结果分析

在烧嘴调节比例范围内，空气消耗系数为1.05时，燃用高焦混合煤气(BC)和高天混合煤气(NB)时，烧嘴前空气和煤气压力数据如表7和表8示。

表7 当燃烧介质为高炉、焦炉混合煤气BC时烧嘴前压力

表8 当燃烧介质为高炉煤气、天燃气混合气NB1时烧嘴前压力

3.1 煤气流量特性

烧嘴燃用高炉、焦炉混合煤气(BC)与燃用高炉、天燃气混合煤气(NB1)烧嘴煤气流量特性发生变化，由表6分析可知，高天混合煤气(NB)与等热值的高焦混合煤气(BC)相比，混合煤气密度混合煤气密度由0.83(kg/Nm3)增加到1.07(kg/Nm3)；由于同流量混合煤气条件下，密度增加燃烧速率加快，燃烧时所需煤气量增多，因此相比于掺混前烧嘴煤气压力需提高约20%

3.2 空气流量特性

烧嘴燃用高炉、焦炉混合煤气(BC)与燃用高炉、天燃气混合煤气(NB1)烧嘴空气流量变化较小。由表8分析可知，由于烧嘴前空气压力与流量相对应，掺混天然气后理论空气量发生改变(理论空气量由2.1Nm3/Nm3增加到2.55Nm3/Nm3)，烧嘴前空气压力也会相应增大，因此空气流量特性受掺烧天然气影响较小。