工業燃燒器開發測試及相關問題探討

郝兆龍,邢玉明

(1.北京瑞晨航宇能源科技有限公司,北京 100083; 2.北京航空航天大學,北京 100191)

碳達峰和碳中和已經成為國家戰略,重工業經濟發展前提必須滿足降碳降氮的政策要求。在這樣的大背景下,各個工業領域都在積極尋求技術突破和技術升級,通過技術大步伐發展,滿足政策層面的要求。工業燃燒領域是主要耗能的工藝環節,同時也是技術提升空間最大的領域。目前,燃燒最先進的技術集中在航空發動機和燃氣輪機領域,代表了一個國家最先進的工業水平。另一方面,在冶金,石化和電力等民用工業領域,燃燒技術發展較為緩慢,某些工藝生產采用的燃燒技術仍是幾十年前的技術,落差明顯。將航發和燃氣輪機先進燃燒技術引入傳統工業燃燒設備,是一個可行且有效的技術升級手段,軸向燃料分級燃燒組織技術便是其中最有潛力的技術之一。

李蘇輝[1]總結了10種燃氣輪機領域最有潛力的先進燃燒技術,其中軸向燃料分級是最基礎的一種燃燒組織形式,可以大幅減小熱力型氮氧化物的生成。鄭祥龍[2]模型驗證了燃料軸向分級燃燒降低氮氧化物排放的可行性,并對燃料分配和一級、二級當量比和射流速度對煙氣成分影響進行了分析和研究。燃料軸向分級技術已經在航空發動機領域廣泛的應用了,包括NASA,普惠和通用等知名公司均在其相應型號航空發動機燃燒室采用了該燃燒組織形式[3-6]。錢文凱[7]等應用化學反應器網絡模型研究了第一級和第二級燃燒段之間的燃料分配、流量分配和停留時間對于氮氧化物排放的影響。結果表明,在設計燃燒室時,優先確定第二級噴嘴位置,優化停留時間分配可以獲得較低的氮氧化物排放。

本文針對冶金行業熱軋步進加熱爐工藝特點,借鑒航發和航改燃領域的燃料分級燃燒組織技術,開發了一種冶金步進加熱爐專用燃料分級高速低氮燃燒器。并對其建立專用實驗測試系統進行實驗測試,同時對工業燃燒器測試方法和相關問題進行了探討,提出了冶金步進加熱爐用工業燃燒器開發測試一般方法,為工業燃燒器開發提供參考。

1 實驗測試系統

1.1 實驗測試系統

基于燃燒器燃料軸向分級原理,在工業用擴散式燃燒器的基礎上,設計了一種矩形高速低NOx燃燒器,根據實際設計尺寸進行物理建模仿真并制造樣機燃燒器用于實驗測試。圖1為矩形燃燒器三維模型示意圖,燃燒器由三個進口組成:零級燃氣進口,位于燃燒器最外沿位置,主要用于燃燒器點火,以及保持持續火焰;一級空氣進口為面積最大的進口,位于零級燃料進口的上方,整個燃燒過程所需的空氣均由此進口進入,空氣進入燃燒器后,一部分通過零級通道壁上的空氣孔道助燃零級燃氣,另一部分與主要燃氣混合燃燒;一級燃料進口位于一級空氣進口內側,為混合煤氣進口,混合燃氣進入后通過2組噴槍分級進入爐膛燃燒,每組噴槍均有8個噴槍口組成。零級燃氣進口旁存在點火槍套筒,用于點火槍在爐膛內點火。以4 m×3 m×12 m的正六面體爐膛作為燃燒實驗測試爐,旁側底部為2個半徑為254 mm的圓形出口。工業燃燒器實驗測試系統實物圖如圖2所示。

圖1 工業燃燒器實驗測試系統流程圖

圖2 工業燃燒器實驗測試系統實物圖

實驗測試爐按照空間分布布置了溫度測試網,測量不同位置的爐溫。爐溫對于步進加熱爐來說是一個重要表征生產工藝過程的一個參數,它是介于爐氣溫度和爐內壁面溫度之間,其中火焰區域測溫點又一定程度反映了火焰內溫度。如圖3所示,爐內一共布置了55個測溫點,較為全面地反映燃燒器燃燒過程中爐膛內部的溫度分布。

圖3 實驗測試爐內溫度測點布置圖

其他測試儀表包括空氣、燃料氣和冷卻水等流量計,測量管道壓力的壓力計和煙氣和煤氣成分測量儀器等,詳細規格參數見表1。

表1 實驗測量系統

1.2 燃料分級高速低氮燃燒器

本文針對冶金行業步進加熱爐技術工藝,借鑒航發和航改燃關于燃料軸向分級的燃燒組織技術理念,研發了一種新型用于加熱鋼坯的工業用燃燒器。不同工業領域具體工藝技術要求,對于燃燒設備的需求也不盡相同。以本文研究開發背景為例,冶金煉鋼工藝過程中,再對鋼坯進行軋制前需要將鋼坯加熱到1 200 ℃以上,在加熱過程中需要考慮燃燒燃料提供熱量快速傳遞到鋼坯,且鋼坯被均勻加熱,盡可能的減少煤氣消耗。由于煉鋼是一個多工序工作,還要確保加熱速度符合整個工藝流程的節奏。另外,氮氧化物排放與其他工業行業一樣,環保要求越來越嚴格。以上是燃燒器開發一般的技術要求。而對于熱軋工藝步進加熱爐,還需要燃燒器能夠實現熱負荷大范圍的調節比,滿足不同規格型號鋼坯的加熱需求。進一步,加熱過程還需要數十臺燃燒器可以協同工作,控制100多米長的加熱爐局部的爐內氣氛,以便精確控制爐內氧化燒損程度。

基于此,本文借鑒航發和航改燃燃料分級技術原理,開發了一種專用于冶金步進加熱爐的軸向燃料分級高速低氮燃燒器,具體結構如圖4所示。

圖4 燃料分級高速低氮燃燒器模型與實物圖

燃料分級作為航發燃燒降氮有效的策略,解決氮氧化物排放可以達到50 mg/m3(標準)以下,主要是分為兩個燃燒區域,主燃燒區采用貧燃料燃燒,二級燃燒區采用富燃料燃燒,兩級燃燒區控制燃燒偏離化學當量。另外,燃料分級組織燃燒方式可以實現燃燒器較大的負荷調節比,本文開發的燃燒器設計調節比1∶10。同時,燃料分級可以控制助燃空氣中的氧氣與鋼坯表面接觸,以及可以精確控制加熱爐內不同位置的氣氛調節。

2 實驗測試方法

本文針對冶金行業熱軋步進加熱爐工藝需求而開發的專用工業燃燒器,在實驗測試方法上需要考慮應用場景需求以及開發的燃燒器技術性能特點而進行針對性的實驗測試方法設計。

2.1 實驗測試工況

本文研發的燃料分級燃燒器較冶金行業目前普遍應用的常規工業燃燒器技術性能提升主要體現在氮氧化物排放更低,爐膛內溫度分布更均勻,1∶10的熱負荷大調節比等。因此,在工業實驗測試工況設計需要能考察上述性能指標,本文實驗測試工況見表2。

表2 實驗測試工況 m3/h(標準)

2.2 燃燒工況穩定標準

工業燃燒器在工況穩定的條件下所反映的各項燃燒性能指標才是客觀準確的,因此對于燃燒工況穩定性的要求直接影響了實驗測試的準確性,本文確定實驗工況穩定包括:煤氣成分、空氣和煤氣流量、燃燒器入口空氣和煤氣壓力、爐溫、爐壓和煙氣成分等,具體如下:

(1)燃燒介質的成分穩定,其熱值偏差≤1%。

(2)燃燒介質的流量波動小,其偏差≤±2%。

(3)空氣的流量波動小,其偏差≤±2%。

(4)燃燒器入口空煤氣壓力穩定,且能夠保持管道壓力為正壓,當燃燒器前管道有孔板時,保持孔板上游壓力為正壓。

(5)爐溫處于相對穩態,在1 min內爐溫波動小于5 ℃。當燃燒器功率大于3MW時,在1 min內爐溫波動小于10 ℃。

(6)爐壓控制在正壓0～30 Pa的合理區間。對于間接燃燒器,輻射管內壓力控制滿足工藝需求。

(7)煙氣成分中的氧含量波動在10%以內。

(8)空氣流量、煤氣流量、煙氣中氧含量三者之間的測試數據與理論燃燒計算數據的偏差小于10%。

(9)以上全部滿足要求后,穩定時間不小于3 min。

2.3 實驗測試步驟

(1)點火燒嘴及點火槍的點火性能測試。先測試打火性能,然后按照10%功率供空氣,測試點火情況,依次提供不同的供風量,進行點火測試。

(2)在敞開爐膛的狀態下測試燃燒器在不同功率下的火焰燃燒情況。從10%功率開始至100%功率,依次調節供風量、煤氣量,穩定工況后,記錄燃燒器入口空煤氣壓力,對火焰形狀進行攝像等。

(3)關閉爐門,從10%功率開始至100%功率,依次調節供風量、煤氣量,穩定工況后,記錄燃燒器入口空煤氣壓力、爐內溫度場和煙氣成分等參數。

3 結果與討論

工業燃燒器根據具體應用背景和技術研發路線對于實驗測試的方法和分析考察的重點都不盡相同。以本文研究背景冶金熱軋步進加熱爐為例,不同的燃燒器技術廠家各自的實驗測試方法也不一致,行業也沒有一個統一的測試標準和認定,制約了該行業燃燒技術的進步和發展。本文針對冶金加熱爐應用場景,開發了一種全新的軸向燃料分級高速低氮燃燒器,同時探討實驗測試及分析方法。

3.1 火焰外形特性

圖5是不同功率下燃燒器燃燒火焰情況,功率從10%～100%熱負荷。火焰外形特性考察一方面考察燃燒器熱負荷調節比范圍,以及不同熱負荷火焰性狀特性,以便指導實際生產過程中不同負荷下,燃燒器加熱和節能能力。由圖5可知,該燃燒器可以實現1∶10調節比的燃燒,且在大于40%負荷時,火焰性狀基本穩定;而在40%熱負荷以下,火焰性狀剛性較差,不適于提供高強度熱量,適用于待料或者小負荷生產工藝。

圖5 不同功率火焰形態

另外,通過明爐觀察火焰長度,可以跟火焰外形特征確定加熱爐燃燒器布置方案,包括正對布置,交錯布置或者成一定角度,均影響加熱爐整體加熱效率和氮氧化物排放等。火焰外形特征是最基本的工業燃燒器燃燒性能測試考察項。

3.2 燃燒器入口空氣和煤氣P-V特性

圖6和圖7是燃料氣和空氣在燃燒器入口壓力和流量的關系(P-V曲線)。由于工業用燃燒器燃料氣一般通過管道運輸,助燃空氣由風機提供動能,因此燃燒器燃料管路和空氣管路燃燒器內部壓損對于燃燒器的性能影響非常大,包括內部氣流流動摻混情況都與壓損有關。因此,工業燃燒器實驗測試中,P-V曲線是非常重要。另外,對于一般工業生產工藝,從設備可靠性和節省成本考慮,流量計一般在主管路,而每個燃燒器分管路一般無流量計,如果想實現對燃燒精確控制,需要P-V圖進行控制參數的轉換。由圖6～圖7可知,對于燃料分級,一般燃料氣管路在燃燒器內部壓損較大,而空氣管路壓損較小,這是燃料分級燃燒器內部結構所決定的。

圖6 燃料氣P-V曲線

圖7 空氣P-V曲線

3.3 爐內溫度場分布特性

燃燒器燃燒過程溫度分布特性是燃燒核心表征量,在研究燃燒機理過程中根據研究的目的不同,一般研究不同燃燒區域溫度對其性能的影響等。但是,對于工業應用來說,以本文研究的步進加熱爐為例,工業燃燒器主要是給爐內產生高溫熱量,用于加熱鋼坯達到目標溫度。因此,工業加熱爐對燃燒器考察溫度分布,重點不是燃燒器內部燃燒過程溫度分布情況,更關注的是整個加熱爐內的溫度分布和傳熱強度等指標。

本文考察步進加熱爐用燃燒器燃燒過程中加熱爐溫度分布情況,為了更好地體現燃燒器性能,在設計測試用加熱爐考慮了實際工藝生產過程中,加熱爐寬度和長度,以及目前燃燒器布置情況。而實際生產過程中,加熱爐爐內溫度與待加熱鋼坯情況有關,是一個受外界環境影響較大。由于在測試燃燒器過程中,沒有鋼坯帶走爐內燃燒器產生的熱量,實驗系統采用冷卻水系統模擬鋼坯帶走熱量。

在實驗測試過程中,通過條件冷卻水流量(冷卻負荷)來條件爐內溫度控制在實際步進加熱爐工作溫度段1 200 ℃左右。在此爐溫下,考察整個測試爐內溫度分布情況,也在這個溫度范圍內考察氮氧化物排放情況。

如圖8和圖9所示,沿著燃燒器燃燒方向(軸向)和垂直燃燒器燃燒方向(徑向),考察爐內溫度分布特性。在長度方向,從0～9 m較大尺寸空間反映了燃燒器工作過程爐內溫度分布情況,可以看出溫度分布較為均勻,9 m內爐內溫度差異小于100 ℃,軸向和徑向溫度分布非常均勻,有利于鋼坯均熱受熱,避免產生局部高溫,造成氧化燒損嚴重。

圖8 100%功率軸向中心溫度分布(不同空氣過剩系數)

圖9 100%功率徑向方向中心溫度分布(不同軸向距離)

圖10和圖11是不同功率下,爐內溫度分布,實驗測試得到相關數據,有益于指導實際生產過程中不同負荷下,燃燒器的精確調節。

圖10 不同功率軸向中心溫度分布(空氣過剩系數1.2)

圖11 不同功率徑向溫度分布(軸向2 m處,空氣過剩系數1.2)

3.4 燃燒過程氮氧化物生成特性

氮氧化物排放現在是工業各個行業應用燃燒器的一個重要考核指標,也是工業燃燒器技術進步的一個主要的方向。本文針對冶金步進加熱爐開發的燃料分級燃燒器核心也是為了大幅降低氮氧化物排放。冶金行業一般對加熱爐氮氧化物排放在150 mg/m3(8%O2)(標準),而本文開發的工業燃燒器由于采用軸向燃料分級組織燃燒形式,目標是將氮氧化物排放降低到50 mg/m3(8%O2)(標準)以下,實現超凈排放。

由于加熱爐燃燒器燃燒形式產生的氮氧化物主要是熱力型產生,爐內溫度對氮氧化物影響非常明細,因此,實驗測試要求必須爐內溫度達到實際生產所需的溫度所測定的氮氧化物排放才是與實際生產一致,對于步進加熱爐一般是1 200 ℃左右。圖12和13是在該溫度范圍內爐溫條件下測量的氮氧化物值,可以從圖12中看出無論是滿負荷各個過剩系數,還是不同功率下各個過剩系數工況條件,氮氧化物排放都小于50 mg/m3(8%O2)(標準),且很穩定,實現了設計目標。

圖12 功率100%工況不同過剩空氣系數對應的NOx曲線

圖13 不同功率NOx曲線(8%基準氧含量)

4 結 論

本文對冶金步進加熱爐工藝需求,借鑒航發和航改燃燃料分級燃燒組織形式,開發了一種工業燃料分級高速低氮燃燒器。建立了冶金步進加熱爐燃燒器專用的實驗測試爐,并根據步進加熱爐具體工藝提出了實驗測試方法和結果分析方法。對該型號工業燃燒器進行了工程實驗測試,結果表明,該型號燃燒器燃燒性能在火焰性狀特性、壓力損失特性、溫度場分布特性和氮氧化物排放特性等方面均達到了設計要求,對該行業工業燃燒器性能水平大幅提升。另外,本文探討了冶金步進加熱爐用工業燃燒器實驗測試過程中的問題及測試方法,為本行業和其他行業先進燃燒器技術開發提供了參考。