熱軋加熱爐摻燒天然氣后燒嘴流量特性熱態(tài)試驗(yàn)研究

劉剛鋒 丁翠嬌

(武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院 湖北 武漢：430080)

隨著鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)工序的不斷延伸與深加工產(chǎn)品比例的提高，煤氣消耗量不斷增大，尤其是后工序需要高質(zhì)量焦?fàn)t煤氣，引入外部煤氣資源是彌補(bǔ)企業(yè)內(nèi)部高熱值焦?fàn)t煤氣缺口的重要手段。燒嘴作為工業(yè)爐窯的關(guān)鍵性設(shè)備，它的性能對(duì)工業(yè)爐窯的產(chǎn)量、質(zhì)量、能耗、環(huán)保等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)影響很大。由于不同種類(lèi)煤氣成份物理性能的差異，不同種類(lèi)、不同比例混合燃燒特性也不同，燒嘴的煤氣與空氣流量特性也不同。因而，在加熱爐摻燒天然氣后燒嘴煤氣流量、空氣流量特性發(fā)生變化，不僅影響天然氣的摻燒比例，同時(shí)對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低能耗和保護(hù)環(huán)境等均具有重要意義。因此，加熱爐摻燒天然氣后不僅需進(jìn)行兩種燃?xì)饣Q性等方面的理論研究，分析不同比例摻燒后煤氣的基本燃燒特性，指導(dǎo)煤氣混合方案的制定，同時(shí)必須通過(guò)燒嘴的流量特性等一系列熱態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行綜合判斷，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)燒嘴調(diào)節(jié)，以確保煤氣置換后生產(chǎn)運(yùn)行的安全、穩(wěn)定。

1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)爐內(nèi)腔高2m，寬2m，長(zhǎng)6m，采用爐尾下強(qiáng)制排煙方式；試驗(yàn)采用HDN-4TG型調(diào)焰燒嘴，煤氣接口管徑為DN125，主空氣接口管徑為DN250，通道上安裝調(diào)節(jié)翻板，控制旋流風(fēng)與直流風(fēng)的供風(fēng)比例，調(diào)節(jié)燃燒火焰長(zhǎng)度。燒嘴設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)如表1示,結(jié)構(gòu)圖如圖1所示；試驗(yàn)用儀器儀表如表2所示；試驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖如圖2所示，測(cè)試熱電偶布置圖如圖3所示。

表1 試驗(yàn)燒嘴設(shè)計(jì)參數(shù)表

表2 試驗(yàn)用儀器儀表

2 試驗(yàn)方案

(1)試驗(yàn)用燒嘴HDN-4TG型調(diào)焰燒嘴，使用熱值為2400-2600kcal/m3(約10MJ/m3)高焦混合煤氣為基準(zhǔn)燃?xì)?，試?yàn)中混合煤氣由高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣和天然氣三種單一煤氣按一定比例配制，配制原則遵循：(a)煤氣熱值和華白指數(shù)控制在±10%以內(nèi)；(b)同等條件下盡可能少用焦?fàn)t煤氣；(c)高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣中盡可能少用轉(zhuǎn)爐煤氣。按上述配氣原則計(jì)算后，天然氣摻混比例以高天混合狀態(tài)時(shí)為最高，達(dá)22%。各單一試驗(yàn)煤氣成分如表3、4，試驗(yàn)混合煤氣配比方案如表5示。

(2)調(diào)焰燒嘴安裝于試驗(yàn)爐端頭，溫度測(cè)試熱電偶布置試驗(yàn)爐兩側(cè)，具體見(jiàn)圖2、圖3所示。

圖1 HDN-4調(diào)焰燒嘴結(jié)構(gòu)圖

圖2 調(diào)焰燒嘴試驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意圖

圖3 調(diào)焰燒嘴火焰溫度測(cè)試熱電偶布置圖

表3 天然氣成份(%)

表4 單一煤氣成份(%)

表5 試驗(yàn)用煤氣配比方案

氣體燃料燃燒是理論空氣量和氣體密度如：

(1)

∑(12m+n)CmHn+34H2S+44CO2+

32O2+28N2+18H2O]

(2)

根據(jù)公式(1)和(2)可以計(jì)算不同摻混比例下煤氣成份、密度和理論空氣量變化見(jiàn)表6.

表6 不同方案配比下煤氣成份、理論空氣量及密度變化

(3)按照表5煤氣配比方案，逐一進(jìn)行熱態(tài)試驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程是：燒嘴中小流量點(diǎn)火，再調(diào)整煤氣流量至最大，待燃燒穩(wěn)定后逐漸降低煤氣流量，記錄不同流量條件下的相關(guān)數(shù)據(jù)并觀察火焰形狀。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在燒嘴調(diào)節(jié)比例范圍內(nèi)，空氣消耗系數(shù)為1.05時(shí)，燃用高焦混合煤氣(BC)和高天混合煤氣(NB)時(shí)，燒嘴前空氣和煤氣壓力數(shù)據(jù)如表7和表8示。

表7 當(dāng)燃燒介質(zhì)為高爐、焦?fàn)t混合煤氣BC時(shí)燒嘴前壓力

表8 當(dāng)燃燒介質(zhì)為高爐煤氣、天燃?xì)饣旌蠚釴B1時(shí)燒嘴前壓力

3.1 煤氣流量特性

燒嘴燃用高爐、焦?fàn)t混合煤氣(BC)與燃用高爐、天燃?xì)饣旌厦簹?NB1)燒嘴煤氣流量特性發(fā)生變化，由表6分析可知，高天混合煤氣(NB)與等熱值的高焦混合煤氣(BC)相比，混合煤氣密度混合煤氣密度由0.83(kg/Nm3)增加到1.07(kg/Nm3)；由于同流量混合煤氣條件下，密度增加燃燒速率加快，燃燒時(shí)所需煤氣量增多，因此相比于摻混前燒嘴煤氣壓力需提高約20%

3.2 空氣流量特性

燒嘴燃用高爐、焦?fàn)t混合煤氣(BC)與燃用高爐、天燃?xì)饣旌厦簹?NB1)燒嘴空氣流量變化較小。 由表8分析可知，由于燒嘴前空氣壓力與流量相對(duì)應(yīng)，摻混天然氣后理論空氣量發(fā)生改變(理論空氣量由2.1Nm3/Nm3增加到2.55Nm3/Nm3)，燒嘴前空氣壓力也會(huì)相應(yīng)增大，因此空氣流量特性受摻燒天然氣影響較小。

4 結(jié)論

(1)在摻混天然氣穩(wěn)定燃燒條件下，隨著摻混比例逐漸增大到22%時(shí)，混合煤氣密度由0.83(kg/Nm3)增加到1.07(kg/Nm3)。

(2)摻混天然氣后理論空氣量發(fā)生改變(理論空氣量由2.1Nm3/Nm3增加到2.55Nm3/Nm3)，相對(duì)應(yīng)燒嘴前空氣壓力也會(huì)隨之增加，因此空氣流量特性受摻燒天然氣影響較小。

(3)同煤氣流量條件下，與高焦混合煤氣的基準(zhǔn)氣相比，高天混合煤氣(等熱值)燒嘴前煤氣壓力提高約20%。

(4)根據(jù)不同比例天然氣摻燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果，燒嘴穩(wěn)定燃燒條件下，天然氣最大摻燒比例為22%。

[1] 陳超，歐陽(yáng)德剛，丁翠嬌，等．熱軋加熱爐摻燒天然氣互換性研究[J]．工業(yè)加熱，2012,(4)．28-30．

[2] 丁翠嬌，蔣揚(yáng)虎,等．幾種燃燒器的試驗(yàn)研究[J]．冶金能源，2004，(4)：41-42．