高爐煤氣直流燃燒器的試驗研究

趙振興, 曹子棟, 常勇強

(西安交通大學能源與動力工程學院,西安710049)

在能源動力飛速發展的今天,能源的節約與合理利用已成為時代的主題.然而,在現有的技術條件下,化石能源的大量不合理利用給環境造成了嚴重的危害,能源利用與環境保護的協調發展已成為當今備受關注的重大課題,以可持續發展為背景的能源高效清潔利用成為主要的研究方向.在石油化工業和鋼鐵工業的生產過程中均會產生一些可燃廢氣,可燃氣體的熱值越低,其燃燒越難以組織.高爐氣體的燃燒特性阻礙了其高效利用.雖然在實際應用中高爐煤氣主要采用旋流式燃燒器,但是很多企業正致力于研究直流式燃燒器.造成高爐煤氣燃燒不穩定的原因主要有2種：脫火和回火[1-2].筆者主要研究了直流高爐煤氣燃燒器的穩定燃燒條件,并通過改變直流式燃燒器的結構來改善高爐煤氣的穩燃特性[3],為工程上優化高爐煤氣的燃燒提供了一種新的思路.

1 多管式平流燃燒器

在工程實際中,擴散式燃燒器多采用多管式平流燃燒器[4-5],其結構見圖1.燃料氣由周向布置的6～8根管子送入,管子端部做成楔形并開有直徑為8～15 mm左右的噴孔,燃料氣噴出的方向相交成90°.為適應油氣通用鍋爐的需要,并調節火焰發光特性,可以轉動噴管的方向使各射流的P方向組成一個切圓,從而使燃料氣產生旋轉運動;也可以使兩噴管的P方向相對噴射.前者混合較強,一般產生很短的不發光火焰,且火焰只存在于燃燒器附近;后者燃燒過程較為緩慢,形成很長的發光火焰.燃料氣從噴孔噴出的速度達150～230 m/s,空氣速度為50～65m/s,兩者的速度比為3～3.5,動壓比為10～16.

圖1 多管式平流燃燒器的結構Fig.1 The stru cture of themu ltitubular parallel flow bu rner

由于高爐煤氣是一種高著火點燃料,其燃燒組織困難,且火焰傳播速度慢,所以應采用多管式燃燒器.當燃氣速度達到150～230 m/s時,燃氣流速遠大于火焰的傳播速度,此時高爐煤氣早已脫火,無法正常燃燒.此外,燃燒器的設計壓力值大約為2 500 Pa,由于壓力較低無法使燃氣流速達到多管式平流燃燒器的額定值,故無法采用此燃燒器.

2 直流燃燒器穩燃原理及試驗安排

2.1 點火環理論

由于無法采用多管式平流燃燒器橫向射流送氣,筆者設計了一種平行射流送氣的多管式直流燃燒器(圖2(a)).為研究方便,本文取單一直流燃燒器進行研究,稱為常規直流燃燒器(圖2(b)).

圖2 直流燃燒器Fig.2 The impellerless bu rner

本設計參考了火焰穩定存在的基礎——點火環理論.點火環存在于火焰傳播速度與燃氣流速相等的地方,在該處形成固定的火焰鋒面.當燃料流速很大時,理論上火焰傳播速度要在很遠的地方才能與之平衡,但此時燃料濃度和放熱量將不能維持燃料的燃燒,即在出口燃燒范圍內沒有速度平衡點,此時點火環無從錨泊,從而形成脫火.

2.2 淬熄作用

低濃度高爐煤氣燃燒時,在臨近容器壁僅數毫米的地方,壁面的散熱作用十分強烈,以致火焰不能傳播,此時火焰熄滅,該現象稱為淬熄.淬熄是影響煤氣穩定燃燒的一個重要因素.目前對淬熄現象的研究大多停留在試驗階段,其影響因素主要為管徑、材料的導熱系數以及火焰的傳播速度,其中管徑是最重要的因素.因此,筆者對不同管徑的燃燒器進行了試驗,具體的直流燃燒器管徑及燃燒試驗結果見表1.

表1 直流燃燒器管徑對燃燒試驗的影響Tab.1 Effectso f pipe diameter of the impellerless burners on combustion experiments

由表1可知,在某些管徑下形成的全擴散燃燒火焰很不穩定,并且外圍不能加入空氣射流,否則就會熄滅.筆者認為這主要是受淬熄的影響,即在很細的管子內部和靠近管口處,由于壁面散熱十分強烈,火焰將不能連續傳播.由以上試驗可以得出高爐煤氣的大致淬熄直徑,并且認為一旦燃燒器的直徑大于此直徑,則淬熄作用不會造成燃燒終止.因此,在后續試驗設計中采用的燃燒器直徑均大于8 mm.

2.3 直流燃燒器

筆者采用的直流燃燒器為多管式直流燃燒器(圖2(a)).采用CO、H 2和N2來模擬高爐煤氣 ,并通過改變CO和H2的濃度來模擬不同組分的高爐煤氣.圖3為試驗系統圖.

圖3 試驗系統圖Fig.3 Schematic of the experimental system

試驗時,首先選定燃燒器和高爐煤氣各成分的比例,然后每給定一個燃氣速度,尋找在此速度下達到脫火時的空氣速度,燃氣速度增加到其自身不能形成穩定火焰(即不加空氣就脫火)為止.

2.3.1 常規直流燃燒器

采用常規直流燃燒器時,在試驗中發現僅在燃氣與空氣的交界面上產生了點火環,并且點火環不太穩定.不同燃氣組分下高爐煤氣的穩燃特性見圖4.當外側空氣流速增加至15 m/s時,點火環完全被吹離,形成脫火.由于燃氣流速與空氣流速均無法提高,導致熱功率無法滿足實際生產的要求.并且當空氣流速一定時,燃氣穩燃流速由于散熱系數的增大而降低,使得燃燒穩定性更差,因此不宜采用常規直流燃燒器.

圖4 采用常規直流燃燒器時,不同燃氣組分下高爐煤氣的穩燃特性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 擴口直流燃燒器

筆者設計出一種帶有回流區的擴口直流燃燒器[6](圖5).采用這種燃燒器的理論依據為：改善著火穩定性的關鍵在于點火環的穩定存在.采用擴口直流燃燒器時,當錐形半角大于一定值時,燃氣射流不能閉合,理論上可以存在內外圈2個點火環.當外圈空氣流速不大時,內外圈點火環同時存在.但在一般情況下,外圈空氣流速遠大于火焰傳播速度,容易造成外圈點火環吹離,即外圈脫火,但是內圈由于卷吸回流的空氣流速不大,不易造成脫火,故內圈點火環相對外圈點火環容易穩定存在,這對改善高爐煤氣的火焰穩定性有很大幫助.下面通過試驗來驗證內圈點火環機理.

圖5 擴口直流燃燒器Fig.5 The bellmou th impellerless bu rner

從射流的擴展角理論可知,平面自由射流外邊界的擴展角大約為10°,即當錐形半角大于10°時,環形射流內邊界不會閉合.

當射流的內邊界無法閉合時,由于回流卷吸作用,燃燒器中心會回卷空氣,則在燃氣的內外兩邊都會形成點火環.因此,本試驗分別設計了錐形半角為8°、12°和 35°的擴口直流燃燒器,并進行了燃燒試驗.擴口直流燃燒器的尺寸見表2.

表2 擴口直流燃燒器的尺寸Tab.2 The sizes of thebellmouth impellerless burners

3 擴口直流燃燒器分析

3.1 錐形半角為8°的擴口直流燃燒器

基于上述關于射流擴展角影響的分析,本次試驗中采用的燃燒器錐形半角為8°,小于10°,因此射流應該是閉合的.

圖6給出了采用不同燃燒器時,不同組分高爐煤氣的穩燃特性.由圖6可以看出,在同一CO濃度下,隨著燃氣流速的提高,擴口直流燃燒器和常規直流燃燒器對應的空氣流速逐漸提高,只是在相同的條件下,不同燃燒器對應的空氣流速的增長量并不相同.

與常規直流燃燒器相比,錐形半角為8°的擴口直流燃燒器在提高脫火極限方面更具優勢.這是由于錐形半角為8°的擴口直流燃燒器可以使燃氣與空氣的混合增強,流體的湍動加強,從而改善了燃燒反應的條件[7].

在本次試驗中可以觀察到,當燃氣流速低于2 m/s時,火焰有明顯的分層現象,但并沒有成型的雙點火環或者內圈點火環.由于射流的速度不高,使得空氣被卷吸到中央的鈍體處,從而在一定程度上改善了燃燒,提高了脫火極限.但是由于只存在外圈點火環,外圈空氣速度無法提高至實際工程應用的要求(大于20m/s).

3.2 錐形半角為12°和35°的擴口直流燃燒器

在錐形半角為8°的擴口直流燃燒器試驗中,可以看出錐形半角對火焰的穩定性有影響,但是由射流理論可知,8°的錐形半角所射出的射流最終還是閉合的.通過對錐形半角為12°和35°的擴口直流燃燒器進行試驗,來分析錐形半角增大到射流不閉合時高爐煤氣的穩燃特性.

圖6 采用不同燃燒器時,不同組分高爐煤氣的穩燃特性Fig.6 The stable combustion characteristics of the blast-furnace gasw ith differen t compositions when differen t burners are used

圖7給出了采用不同燃燒器時,在相同CO濃度下高爐煤氣的穩燃特性.由圖7可知,不同錐形半角擴口直流燃燒器對火焰穩定性的影響類似,但從數值上來講,錐形半角為 12°和 35°的擴口直流燃燒器對火焰脫火極限的提高優于錐形半角為8°的擴口直流燃燒器.在高爐煤氣燃燒過程中,當外圈空氣流速不高時,可以看到明顯的雙點火環,具有內外2個火焰面.當空氣流速增大到外圈點火環被吹離時,內圈點火環依然穩定存在,從而極大地改善了高爐煤氣的燃燒穩定性.

由圖7還可以看出,隨著錐形半角的增大,高爐煤氣的穩燃特性有所改善,錐形半角為35°的擴口直流燃燒器的火焰穩定性最好.擴口對氣流起一定程度的導流作用,增大錐形半角可以使回流區加寬,增大了回流區與高溫煙氣的接觸面積.本試驗中采用的燃燒器出口錐體類似于鈍體,氣流經過后產生“脫流”,在錐體后面出現一個回流區,有助于煤氣的著火.錐體的位置可以伸縮,從而調節燃氣的出口速度和氣流出口角度的大小,在燃用高爐煤氣時,可將錐形半角增大,以增加高溫煙氣的回流.

通過對常規直流燃燒器及不同錐形半角的擴口直流燃燒器進行比較可知：錐形半角越大越有利于穩定燃燒.這是由于擴口直流燃燒器的錐形半角增大時,尤其是角度遠大于 10°時,射流不能產生封閉,使擴口對氣流的導流作用增大,同時增大錐形半角還可以使回流區增加,從而增大燃料與高溫煙氣的接觸面積.更重要的是,回流過程中更多的空氣被卷吸到燃氣出口處,使燃燒器的內環形成穩定的點火環,增強了燃氣與空氣的混合,從而改善了反應的進行,更好地提高了脫火極限.

圖7 采用不同燃燒器時,相同CO濃度下高爐煤氣的穩燃特性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 結 論

(1)擴口直流燃燒器由于中心回流區的存在,其火焰的穩定性比常規直流燃燒器好.

(2)錐形半角的大小對火焰的穩定性起著重要作用.當錐形半角小到一定程度時,由于中心回流區過早地閉合,火焰不穩定;隨著錐形半角的增大,火焰的穩定性增強.

(3)提出了“雙環”點火環機理：對于帶擴口的同軸環形射流,當錐形半角大于氣流內圈擴展角度時,氣流內圈回流區不閉合,可以形成內外雙圈點火環.當外圈空氣以較大速度吹過點火環時,盡管外圈點火環被吹離,但是內圈點火環依然可以穩定存在,起到穩定點火作用.

(4)對于高爐煤氣燃燒器而言,回流區的主要作用不僅是卷吸高溫煙氣,而且卷吸作為氧化劑的新鮮空氣,這些空氣為內圈點火環的存在提供了保障.這為工程上改善高爐煤氣的燃燒特性提供了一種新的思路.筆者設計的擴口直流燃燒器對于高爐煤氣的穩定燃燒具有很好的改善作用,且完全滿足實際工程應用的要求.

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