工業(yè)燃燒器開發(fā)測試及相關(guān)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(xué),北京 100191)

碳達(dá)峰和碳中和已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略,重工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)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(yè)領(lǐng)域都在積極尋求技術(shù)突破和技術(shù)升級,通過技術(shù)大步伐發(fā)展,滿足政策層面的要求。工業(yè)燃燒領(lǐng)域是主要耗能的工藝環(huán)節(jié),同時也是技術(shù)提升空間最大的領(lǐng)域。目前,燃燒最先進(jìn)的技術(shù)集中在航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域,代表了一個國家最先進(jìn)的工業(yè)水平。另一方面,在冶金,石化和電力等民用工業(yè)領(lǐng)域,燃燒技術(shù)發(fā)展較為緩慢,某些工藝生產(chǎn)采用的燃燒技術(shù)仍是幾十年前的技術(shù),落差明顯。將航發(fā)和燃?xì)廨啓C(jī)先進(jìn)燃燒技術(shù)引入傳統(tǒng)工業(yè)燃燒設(shè)備,是一個可行且有效的技術(shù)升級手段,軸向燃料分級燃燒組織技術(shù)便是其中最有潛力的技術(shù)之一。

李蘇輝[1]總結(jié)了10種燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域最有潛力的先進(jìn)燃燒技術(shù),其中軸向燃料分級是最基礎(chǔ)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(yàn)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(dāng)量比和射流速度對煙氣成分影響進(jìn)行了分析和研究。燃料軸向分級技術(shù)已經(jīng)在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用了,包括NASA,普惠和通用等知名公司均在其相應(yīng)型號航空發(fā)動機(jī)燃燒室采用了該燃燒組織形式[3-6]。錢文凱[7]等應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)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(jié)果表明,在設(shè)計(jì)燃燒室時,優(yōu)先確定第二級噴嘴位置,優(yōu)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(yè)熱軋步進(jìn)加熱爐工藝特點(diǎn),借鑒航發(fā)和航改燃領(lǐng)域的燃料分級燃燒組織技術(shù),開發(fā)了一種冶金步進(jìn)加熱爐專用燃料分級高速低氮燃燒器。并對其建立專用實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試,同時對工業(yè)燃燒器測試方法和相關(guān)問題進(jìn)行了探討,提出了冶金步進(jìn)加熱爐用工業(yè)燃燒器開發(fā)測試一般方法,為工業(yè)燃燒器開發(fā)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

基于燃燒器燃料軸向分級原理,在工業(yè)用擴(kuò)散式燃燒器的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種矩形高速低NOx燃燒器,根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行物理建模仿真并制造樣機(jī)燃燒器用于實(shí)驗(yàn)測試。圖1為矩形燃燒器三維模型示意圖,燃燒器由三個進(jìn)口組成:零級燃?xì)膺M(jìn)口,位于燃燒器最外沿位置,主要用于燃燒器點(diǎn)火,以及保持持續(xù)火焰;一級空氣進(jìn)口為面積最大的進(jìn)口,位于零級燃料進(jìn)口的上方,整個燃燒過程所需的空氣均由此進(jìn)口進(jìn)入,空氣進(jìn)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?xì)?另一部分與主要燃?xì)饣旌先紵?一級燃料進(jìn)口位于一級空氣進(jìn)口內(nèi)側(cè),為混合煤氣進(jìn)口,混合燃?xì)膺M(jìn)入后通過2組噴槍分級進(jìn)入爐膛燃燒,每組噴槍均有8個噴槍口組成。零級燃?xì)膺M(jìn)口旁存在點(diǎn)火槍套筒,用于點(diǎn)火槍在爐膛內(nèi)點(diǎn)火。以4 m×3 m×12 m的正六面體爐膛作為燃燒實(shí)驗(yàn)測試爐,旁側(cè)底部為2個半徑為254 mm的圓形出口。工業(yè)燃燒器實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 工業(yè)燃燒器實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)流程圖

圖2 工業(yè)燃燒器實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)實(shí)物圖

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

圖3 實(shí)驗(yàn)測試爐內(nèi)溫度測點(diǎn)布置圖

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

表1 實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)

1.2 燃料分級高速低氮燃燒器

本文針對冶金行業(yè)步進(jìn)加熱爐技術(shù)工藝,借鑒航發(fā)和航改燃關(guān)于燃料軸向分級的燃燒組織技術(shù)理念,研發(fā)了一種新型用于加熱鋼坯的工業(yè)用燃燒器。不同工業(yè)領(lǐng)域具體工藝技術(shù)要求,對于燃燒設(shè)備的需求也不盡相同。以本文研究開發(fā)背景為例,冶金煉鋼工藝過程中,再對鋼坯進(jìn)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(jié)奏。另外,氮氧化物排放與其他工業(yè)行業(yè)一樣,環(huán)保要求越來越嚴(yán)格。以上是燃燒器開發(fā)一般的技術(shù)要求。而對于熱軋工藝步進(jìn)加熱爐,還需要燃燒器能夠?qū)崿F(xiàn)熱負(fù)荷大范圍的調(diào)節(jié)比,滿足不同規(guī)格型號鋼坯的加熱需求。進(jìn)一步,加熱過程還需要數(shù)十臺燃燒器可以協(xié)同工作,控制100多米長的加熱爐局部的爐內(nèi)氣氛,以便精確控制爐內(nèi)氧化燒損程度。

基于此,本文借鑒航發(fā)和航改燃燃料分級技術(shù)原理,開發(fā)了一種專用于冶金步進(jìn)加熱爐的軸向燃料分級高速低氮燃燒器,具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 燃料分級高速低氮燃燒器模型與實(shí)物圖

燃料分級作為航發(fā)燃燒降氮有效的策略,解決氮氧化物排放可以達(dá)到50 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))以下,主要是分為兩個燃燒區(qū)域,主燃燒區(qū)采用貧燃料燃燒,二級燃燒區(qū)采用富燃料燃燒,兩級燃燒區(qū)控制燃燒偏離化學(xué)當(dāng)量。另外,燃料分級組織燃燒方式可以實(shí)現(xiàn)燃燒器較大的負(fù)荷調(diào)節(jié)比,本文開發(fā)的燃燒器設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)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(nèi)不同位置的氣氛調(diào)節(jié)。

2 實(shí)驗(yàn)測試方法

本文針對冶金行業(yè)熱軋步進(jìn)加熱爐工藝需求而開發(fā)的專用工業(yè)燃燒器,在實(shí)驗(yàn)測試方法上需要考慮應(yīng)用場景需求以及開發(fā)的燃燒器技術(shù)性能特點(diǎn)而進(jìn)行針對性的實(shí)驗(yàn)測試方法設(shè)計(jì)。

2.1 實(shí)驗(yàn)測試工況

本文研發(fā)的燃料分級燃燒器較冶金行業(yè)目前普遍應(yīng)用的常規(guī)工業(yè)燃燒器技術(shù)性能提升主要體現(xiàn)在氮氧化物排放更低,爐膛內(nèi)溫度分布更均勻,1∶10的熱負(fù)荷大調(diào)節(jié)比等。因此,在工業(yè)實(shí)驗(yàn)測試工況設(shè)計(jì)需要能考察上述性能指標(biāo),本文實(shí)驗(yàn)測試工況見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)測試工況 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))

2.2 燃燒工況穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

工業(yè)燃燒器在工況穩(wěn)定的條件下所反映的各項(xiàng)燃燒性能指標(biāo)才是客觀準(zhǔn)確的,因此對于燃燒工況穩(wěn)定性的要求直接影響了實(shí)驗(yàn)測試的準(zhǔn)確性,本文確定實(shí)驗(yàn)工況穩(wěn)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(zhì)的成分穩(wěn)定,其熱值偏差≤1%。

(2)燃燒介質(zhì)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(wěn)定,且能夠保持管道壓力為正壓,當(dāng)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(wěn)態(tài),在1 min內(nèi)爐溫波動小于5 ℃。當(dāng)燃燒器功率大于3MW時,在1 min內(nèi)爐溫波動小于10 ℃。

(6)爐壓控制在正壓0～30 Pa的合理區(qū)間。對于間接燃燒器,輻射管內(nèi)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(nèi)。

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

(9)以上全部滿足要求后,穩(wěn)定時間不小于3 min。

2.3 實(shí)驗(yàn)測試步驟

(1)點(diǎn)火燒嘴及點(diǎn)火槍的點(diǎn)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(diǎn)火情況,依次提供不同的供風(fēng)量,進(jìn)行點(diǎn)火測試。

(2)在敞開爐膛的狀態(tài)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(diào)節(jié)供風(fēng)量、煤氣量,穩(wěn)定工況后,記錄燃燒器入口空煤氣壓力,對火焰形狀進(jìn)行攝像等。

(3)關(guān)閉爐門,從10%功率開始至100%功率,依次調(diào)節(jié)供風(fēng)量、煤氣量,穩(wěn)定工況后,記錄燃燒器入口空煤氣壓力、爐內(nèi)溫度場和煙氣成分等參數(shù)。

3 結(jié)果與討論

工業(yè)燃燒器根據(jù)具體應(yīng)用背景和技術(shù)研發(fā)路線對于實(shí)驗(yàn)測試的方法和分析考察的重點(diǎn)都不盡相同。以本文研究背景冶金熱軋步進(jìn)加熱爐為例,不同的燃燒器技術(shù)廠家各自的實(shí)驗(yàn)測試方法也不一致,行業(yè)也沒有一個統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)定,制約了該行業(yè)燃燒技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。本文針對冶金加熱爐應(yīng)用場景,開發(fā)了一種全新的軸向燃料分級高速低氮燃燒器,同時探討實(shí)驗(yàn)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(fù)荷。火焰外形特性考察一方面考察燃燒器熱負(fù)荷調(diào)節(jié)比范圍,以及不同熱負(fù)荷火焰性狀特性,以便指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過程中不同負(fù)荷下,燃燒器加熱和節(jié)能能力。由圖5可知,該燃燒器可以實(shí)現(xiàn)1∶10調(diào)節(jié)比的燃燒,且在大于40%負(fù)荷時,火焰性狀基本穩(wěn)定;而在40%熱負(fù)荷以下,火焰性狀剛性較差,不適于提供高強(qiáng)度熱量,適用于待料或者小負(fù)荷生產(chǎn)工藝。

圖5 不同功率火焰形態(tài)

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?；鹧嫱庑翁卣魇亲罨镜墓I(yè)燃燒器燃燒性能測試考察項(xiàng)。

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(guān)系(P-V曲線)。由于工業(yè)用燃燒器燃料氣一般通過管道運(yùn)輸,助燃空氣由風(fēng)機(jī)提供動能,因此燃燒器燃料管路和空氣管路燃燒器內(nèi)部壓損對于燃燒器的性能影響非常大,包括內(nèi)部氣流流動摻混情況都與壓損有關(guān)。因此,工業(yè)燃燒器實(shí)驗(yàn)測試中,P-V曲線是非常重要。另外,對于一般工業(yè)生產(chǎn)工藝,從設(shè)備可靠性和節(jié)省成本考慮,流量計(jì)一般在主管路,而每個燃燒器分管路一般無流量計(jì),如果想實(shí)現(xiàn)對燃燒精確控制,需要P-V圖進(jìn)行控制參數(shù)的轉(zhuǎn)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(nèi)部壓損較大,而空氣管路壓損較小,這是燃料分級燃燒器內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)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(jī)理過程中根據(jù)研究的目的不同,一般研究不同燃燒區(qū)域溫度對其性能的影響等。但是,對于工業(yè)應(yīng)用來說,以本文研究的步進(jìn)加熱爐為例,工業(yè)燃燒器主要是給爐內(nèi)產(chǎn)生高溫?zé)崃?用于加熱鋼坯達(dá)到目標(biāo)溫度。因此,工業(yè)加熱爐對燃燒器考察溫度分布,重點(diǎn)不是燃燒器內(nèi)部燃燒過程溫度分布情況,更關(guān)注的是整個加熱爐內(nèi)的溫度分布和傳熱強(qiáng)度等指標(biāo)。

本文考察步進(jìn)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(xiàn)燃燒器性能,在設(shè)計(jì)測試用加熱爐考慮了實(shí)際工藝生產(chǎn)過程中,加熱爐寬度和長度,以及目前燃燒器布置情況。而實(shí)際生產(chǎn)過程中,加熱爐爐內(nèi)溫度與待加熱鋼坯情況有關(guān),是一個受外界環(huán)境影響較大。由于在測試燃燒器過程中,沒有鋼坯帶走爐內(nèi)燃燒器產(chǎn)生的熱量,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用冷卻水系統(tǒng)模擬鋼坯帶走熱量。

在實(shí)驗(yàn)測試過程中,通過條件冷卻水流量(冷卻負(fù)荷)來?xiàng)l件爐內(nèi)溫度控制在實(shí)際步進(jìn)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(nèi)溫度分布情況,也在這個溫度范圍內(nèi)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(nèi)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(nèi)溫度分布情況,可以看出溫度分布較為均勻,9 m內(nèi)爐內(nèi)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(chǎn)生局部高溫,造成氧化燒損嚴(yán)重。

圖8 100%功率軸向中心溫度分布(不同空氣過剩系數(shù))

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(nèi)溫度分布,實(shí)驗(yàn)測試得到相關(guān)數(shù)據(jù),有益于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過程中不同負(fù)荷下,燃燒器的精確調(diào)節(jié)。

圖10 不同功率軸向中心溫度分布(空氣過剩系數(shù)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(shù)1.2)

3.4 燃燒過程氮氧化物生成特性

氮氧化物排放現(xiàn)在是工業(yè)各個行業(yè)應(yīng)用燃燒器的一個重要考核指標(biāo),也是工業(yè)燃燒器技術(shù)進(jìn)步的一個主要的方向。本文針對冶金步進(jìn)加熱爐開發(fā)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(yè)一般對加熱爐氮氧化物排放在150 mg/m3(8%O2)(標(biāo)準(zhǔn)),而本文開發(fā)的工業(yè)燃燒器由于采用軸向燃料分級組織燃燒形式,目標(biāo)是將氮氧化物排放降低到50 mg/m3(8%O2)(標(biāo)準(zhǔn))以下,實(shí)現(xiàn)超凈排放。

由于加熱爐燃燒器燃燒形式產(chǎn)生的氮氧化物主要是熱力型產(chǎn)生,爐內(nèi)溫度對氮氧化物影響非常明細(xì),因此,實(shí)驗(yàn)測試要求必須爐內(nèi)溫度達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)所需的溫度所測定的氮氧化物排放才是與實(shí)際生產(chǎn)一致,對于步進(jìn)加熱爐一般是1 200 ℃左右。圖12和13是在該溫度范圍內(nèi)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(fù)荷各個過剩系數(shù),還是不同功率下各個過剩系數(shù)工況條件,氮氧化物排放都小于50 mg/m3(8%O2)(標(biāo)準(zhǔn)),且很穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖12 功率100%工況不同過剩空氣系數(shù)對應(yīng)的NOx曲線

圖13 不同功率NOx曲線(8%基準(zhǔn)氧含量)

4 結(jié) 論

本文對冶金步進(jìn)加熱爐工藝需求,借鑒航發(fā)和航改燃燃料分級燃燒組織形式,開發(fā)了一種工業(yè)燃料分級高速低氮燃燒器。建立了冶金步進(jìn)加熱爐燃燒器專用的實(shí)驗(yàn)測試爐,并根據(jù)步進(jìn)加熱爐具體工藝提出了實(shí)驗(yàn)測試方法和結(jié)果分析方法。對該型號工業(yè)燃燒器進(jìn)行了工程實(shí)驗(yàn)測試,結(jié)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(dá)到了設(shè)計(jì)要求,對該行業(yè)工業(yè)燃燒器性能水平大幅提升。另外,本文探討了冶金步進(jìn)加熱爐用工業(yè)燃燒器實(shí)驗(yàn)測試過程中的問題及測試方法,為本行業(yè)和其他行業(yè)先進(jìn)燃燒器技術(shù)開發(fā)提供了參考。