鋼渣處理間熱風爐燃燒器脫火原因的分析及處理

蔡汝林

1　熱風爐脫火問題現象

陽春新鋼鐵鋼渣處理間配置了一臺南方某廠生產的熱風爐，輸出熱量100×104KCA/H，設備尺寸￠1500×4000mm，整體呈圓筒形臥式布置。燃燒器配置在圓筒進氣端中部，筒體近燃燒器端中部設置了一個DN300的觀火孔。據運行人員反映熱風爐經常出現脫火的情況。前期檢修人員已經將燃燒器拆卸進行過清理，也對進燃燒器前的煤氣管道、送風管道進行過檢查清理，不存在管路堵塞的情況；觀察其燃燒器口也沒有發現明顯的燒損現象。

運行人員現場做了幾次試驗，在不開送風機和引風機的情況下，打開火焰觀察孔進行點火，火能點著，小火情況下還算穩定。然后嘗試將煤氣的量慢慢開大，火焰擾動很厲害，閥門才開了一點點，就發生脫火了。再次嘗試將火點著后，開啟送風機，然后慢慢調節送風機帆板開度，調節帆板剛開到15度左右，火就被吹滅了。連續試驗過幾次，情況類似，印證了運行人員所反饋的脫火現象。

2　問題分析

引起脫火的因素比較多，我們先從簡單的能夠引起火焰燃燒不穩定的幾個因素進行驗證性排除。

（1）煤氣熱值不穩定或者熱值較低

假如煤氣熱值不穩定，會引起火焰燃燒擾動；熱值較低，可能點不著，或者點著了容易熄滅。熱風爐使用的煤氣是我們公司自產的高爐煤氣，按照經驗熱值比較穩定且基本在3000 kJ/m3以上。為了進一步驗證，我們兩小時一次，連續在進燃燒器前的煤氣管道取樣口進行煤氣取樣化驗，結果見表1。

表1　高爐煤氣熱值取樣分析結果

從煤氣化驗結果看，煤氣熱值很穩定，熱值也較高，均大于3300 kJ/m3，屬于容易著火的燃料介質，熱值方面的影響因素已排除。

（2）煤氣壓力不穩

若煤氣壓力不穩定，將直接導致火焰燃燒狀況不穩定。我們在煤氣入口閥前裝了一塊量程為0～20 kPa的膜盒壓力表，煤氣點火后進行測量，表計顯示煤氣壓力基本在10 kPa保持不動，相當穩定，此項懷疑因素也已排除。

（3）煤氣含水量較大

若煤氣含水量較大，容易出現點火困難的情況，若煤氣管道積水較多，容易將已點著的火澆滅。我們公司的高爐煤氣采用干法除塵，其煤氣含水量比一般的濕法除塵系統含水量低。為進一步確認，我們沿線檢查了煤氣管道的排水裝置，確認了管道排水裝置良好；將煤氣管道進燃燒器前的煤氣閥前后的底部排水閥打開，也沒有水流出，此項懷疑因素也已排除。

（4）燃燒器結構缺陷

在上述幾項能夠引起火焰燃燒不穩定的因素被排除后，我們分析的重點回到了脫火的成因上。理論上，脫火現象發生的條件是：燃燒器出口處可燃混合物的法向速度大于火焰的燃燒速度，使得火焰遠離燃燒器而被吹滅。即，火焰傳播速度Sn和可燃混合物出口速度Vp之間的關系：當Vp＞Sn時，燃燒器出現離焰、脫火現象。剔除了測試過程中，調整煤氣流量和送風量兩個方面的影響因素后，就只剩最后一個因素：燃燒器結構缺陷。

仔細觀察其燃燒器結構，整體設計為同心套筒式結構，中心管道采用DN100的碳鋼管，可獨立拆卸；外圈是DN125的碳鋼管，與爐膛內壁焊接一體并延伸至內部耐火材料端面變徑至DN150,端面耐火材料呈喇叭狀向爐膛鋪設。生產時中心管道進煤氣，外圈接助燃風機送入空氣，煤氣直噴出來在端面與一圈的空氣混合后著火燃燒。這種套筒式的燃燒器優點是：結構簡單、燃燒阻力小；但缺點也很突出：燃料、空氣均平行流動，混合慢、混合不充分、火焰長。正是由于燃燒器結構上存在的缺點突出，幾次試驗過程中觀測，燃燒器點著火后，火焰都很長，火焰根部發黑，擾動也很大；煤氣直噴進入與空氣混合后的速度大于了火焰的燃燒速度，使得火焰遠離燃燒器而容易被吹滅，這是造成頻繁脫火的根源。

3　解決辦法

鑒于上述對脫火問題的排查及分析，要解決本項目研究的問題，重點在于改善火焰燃燒速度Sn和煤氣混合物出口速度Vp之間的關系，將煤氣混合物的出口速度降到火焰燃燒速度之下，遠離脫火極限。一種直觀的方法，就是在煤氣流量不變的情況下，通過擴大燃燒器的燒嘴橫截面來降低煤氣流速。但是由于熱風爐整體設備尺寸不大，燃燒器外圈的助燃空氣流道又是固定的，需要同時擴大煤氣和空氣的內、外筒直徑，動作面積大、效果也不確定，此方案不可取。另一種方法是，保留燃燒器助燃空氣流道的外筒，只對DN100的煤氣流道內筒進行改造，目的還是將煤氣流速降低。

在具體方案上，前期我們考慮在燃燒器上DN100的煤氣管出口端面加一個旋流葉片組，用于改變煤氣流向從直噴改為向四周進行擴散。但是在制作模型的時候，碰到了加工及組裝焊接方面的困難：由于管徑較小，按照與管筒軸線45°角設計葉片，內壁空間上安裝四片葉片就已經很困難了。另外從煤氣、空氣混合效果來看，基本還是平行流動，很難實現充分混合，此方案不予考慮。

經過仔細研究、核算，尋找了另一種方案。煤氣管道的直徑為100 mm，其截面積為7850 mm2；助燃空氣流道變徑后端面直徑為150 mm，其截面積17662.5 mm2；環狀流通面積為9812.5 mm2大于煤氣管道截面積。可以選擇將原直噴出的煤氣在出口端擋住，改變煤氣流動方向讓煤氣從四周的環狀面流出。這種改造方式利用了原助燃空氣流道出口端面的富余空間，可起到兩方面的效果：一是改變了原煤氣流動方向，將煤氣流速降低；二是煤氣轉彎朝四周環向通道流出時與助燃空氣能夠實現充分混合，既可提高燃燒效率又能保障燃燒穩定。

改造實施前，經查閱相關資料進行了方案的復核，確定了最終的改造方案：將原燃燒器的煤氣直噴管末端平行截斷約80 mm，然后用四個螺栓平行焊接一塊100 mm的圓形鋼板，保障圓形鋼板與原端面平行。在螺栓之間按照與軸心線45°角同向焊接4塊80×30mm的小鋼板，形成渦形導流葉片。這樣改造的效果是，將原燃燒器從直噴式改為了環縫渦流式。使用過程中煤氣先呈筒狀進入，在直噴的正前方被圓形擋板阻擋后，通過向擋板四周的空間擴散，經過導流葉片與助燃空氣混合，最終呈渦流狀流出。

2017年9月11號制定了改造方案后，9月13號完成了熱風爐燃燒器的改造，改造實施完立即進行了20 min的試驗，煤氣點火一次成功。在不開助燃風機的情況下，加大煤氣量至最大，火焰不脫火；開助燃風機后，火焰燃燒更加旺盛。通過目測對比，火焰長度比改造前短了大約1/3，火焰橫截面比改造前大了約2/3，火焰明亮、燃燒穩定、效果良好。連續經過兩周的生產運行， 運行人員反映效果很好，火焰大、燃燒旺，點一次火就能燒一次爐，再沒發生過一次脫火現象。

4　結語

對于小型爐窯燃燒器的設計，部分制造廠商出于成本方面的考慮都不太重視，選用了最簡單的直噴式結構，由于直噴式結構上存在的缺陷，導致火焰燃燒過程中很接近脫火極限，容易發生脫火現象。從節能燃燒方面考慮，直噴式結構煤氣和空氣平行流動，混合不充分，燃燒效果差，也不節能。而燃燒器發生脫火，除了浪費能源，更大的危險在于容易引發煤氣中毒等安全事故。因此，公司在后期新上項目設備或者類似項目改造中，應盡量少選直噴式的燃燒器，可多些考慮環縫渦流式的燃燒器。

[參 考 文 獻]

[1]吳勁,施浩勛，楊永春.分流式駐渦煤粉燃燒器的試驗研究.動力工程.Vol.14 No.6 Dec.1994·49·