高爐煤氣直流燃燒器的試驗研究_圖文

1、第30卷第2期2010年2月動力工程學報Journal of Chinese Society of Power EngineeringVol.30No.2Feb.2010收稿日期:2009210226修訂日期:2009211217作者簡介:趙振興(19862,男,河北衡水人,碩士研究生,主要從事煤的清潔燃燒及多相流動方面的研究.電話(Tel.:135*;E 2mail :zzxxjtu .文章編號:167427607(2010022*中圖分類號:T K223.23文獻標識碼:A 學科分類號:470.30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71

2、0049摘要:對常規(guī)直流燃燒器和不同錐形半角的擴口直流燃燒器進行了高爐煤氣穩(wěn)燃試驗,分析了高爐煤氣的穩(wěn)定著火原理、淬熄現(xiàn)象及脫火特性.結(jié)果表明:小內(nèi)徑直流燃燒器對燃燒具有強烈的淬熄作用;燃燒器類型對高爐煤氣的脫火極限有較大影響,擴口直流燃燒器的脫火極限高于常規(guī)直流燃燒器.關(guān)鍵詞:直流燃燒器;穩(wěn)燃特性;淬熄;脫火;同軸射流;高爐煤氣Experimental Re search on the Impellerless Burner for Blast 2furnace GasZ H A O Zhen 2x i ng ,CA O Zi 2don g ,C H A N G Yong 2qi ang(S

3、chool of Energy and Power Engineering ,Xi an Jiaotong University ,Xi an 710049,China Abstract :Test s for stable combustion of blast 2f urnace gas were carried out for t he conventional impeller 2less burner and t he bellmout h impellerless burners wit h different semi 2conical angles.The principle

4、of sta 2ble inginition ,quenching p henomenon and flame 2out characteristic of blast 2f urnace gas were analyzed.Re 2sult s show t hat t he impellerless burner wit h small inner diameter has strong quenching effect ,and t he type of burner has great effect on t he flame 2out limit of t he blast 2f u

5、rnace gas.The flame 2out limit of bellmout h impellerless burner is higher t han t hat of t he conventional impellerless burner.Key words :impellerless burner ;stable combustion characteristic ;queching ;flame 2out ;coaxial jet ;blast 2f urnace gas在能源動力飛速發(fā)展的今天,能源的節(jié)約與合理利用已成為時代的主題.然而,在現(xiàn)有的技術(shù)條件下,化石能源的大量

6、不合理利用給環(huán)境造成了嚴重的危害,能源利用與環(huán)境保護的協(xié)調(diào)發(fā)展已成為當今備受關(guān)注的重大課題,以可持續(xù)發(fā)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(yè)和鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)過程中均會產(chǎn)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(yè)正致力于研究直流式燃燒器.造成高爐煤氣燃燒不穩(wěn)定的原因主要有2種:脫火和回火122.筆者主要研究了直流高爐煤氣燃燒器的穩(wěn)定燃燒條件,并通過改變直流式燃燒器的結(jié)構(gòu)來改善高爐煤氣的穩(wěn)燃特性3,為工程上優(yōu)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

7、,擴散式燃燒器多采用多管式平流燃燒器425,其結(jié)構(gòu)見圖1.燃料氣由周向布置的68根管子送入,管子端部做成楔形并開有直徑為815mm 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(diào)節(jié)火焰發(fā)光特性,可以轉(zhuǎn)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(chǎn)生旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生很短的不發(fā)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(fā)光火焰.燃料氣從噴孔噴出的速度達150230m/s ,空氣速度為5065m/s , 兩者的速度比為 33. 5,動壓比為1016.(a 整體結(jié)構(gòu)圖(b 噴嘴結(jié)構(gòu)

8、(c 單個噴頭結(jié)構(gòu)圖1多管式平流燃燒器的結(jié)構(gòu)Fig.1The struct ure of t he multitubular parallel flow burner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?zhèn)鞑ニ俣嚷?所以應采用多管式燃燒器.當燃氣速度達到150230m/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2500Pa ,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(wěn)燃原理及試驗安排2.1點火環(huán)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

9、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(guī)直流燃燒器 (圖2(b .(a 多管式直流燃燒器(b 常規(guī)直流燃燒器圖2直流燃燒器Fig.2The impellerless burner本設計參考了火焰穩(wěn)定存在的基礎點火環(huán)理論.點火環(huán)存在于火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c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?zhèn)鞑ニ俣纫诤苓h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(nèi)沒有速度平衡點,此時點火環(huán)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(shù)毫米的地方,壁面的散熱作用十分強烈,以致

10、火焰不能傳播,此時火焰熄滅,該現(xiàn)象稱為淬熄.淬熄是影響煤氣穩(wěn)定燃燒的一個重要因素.目前對淬熄現(xiàn)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(shù)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(jié)果見表1.表1直流燃燒器管徑對燃燒試驗的影響T ab.1E ffects of pipe diameter of the impellerless burners oncombustion experiments 直管內(nèi)徑/mm燃氣速度/(m s -1試驗結(jié)果42、4、6滅62、4、6滅82、4、6著102、4、6著由表1可

11、知,在某些管徑下形成的全擴散燃燒火焰很不穩(wěn)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(nèi)部和靠近管口處,由于壁面散熱十分強烈,火焰將不能連續(xù)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(xù)試驗設計中采用的燃燒器直徑均大于8mm.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N 2來模擬高爐煤氣, 并通過改變CO 和H 2的濃度來模擬不同組分的高爐煤氣.圖3為試驗系統(tǒng)圖.圖3試驗系統(tǒng)圖Fig.3Schematic of t he exp

12、erimental 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(wěn)定火焰(即不加空氣就脫火為止.911第2期趙振興,等:高爐煤氣直流燃燒器的試驗研究 2.3.1常規(guī)直流燃燒器采用常規(guī)直流燃燒器時,在試驗中發(fā)現(xiàn)僅在燃氣與空氣的交界面上產(chǎn)生了點火環(huán),并且點火環(huán)不太穩(wěn)定.不同燃氣組分下高爐煤氣的穩(wěn)燃特性見圖4.當外側(cè)空氣流速增加至15m/s 時,點火環(huán)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(chǎn)的要求.并且當空氣流速一定時,燃氣穩(wěn)燃流速由于散熱系數(shù)的增大而降低

13、,使得燃燒穩(wěn)定性更差,因此不宜采用常規(guī)直流燃燒器.圖4采用常規(guī)直流燃燒器時,不同燃氣組分下高爐煤氣的穩(wěn)燃特性Fig.4The stable combustion characteristics of t he blast 2furnacegas wit h different compositions when t he conventional im 2pellerless burner is used2.3.2擴口直流燃燒器筆者設計出一種帶有回流區(qū)的擴口直流燃燒器6(圖5.采用這種燃燒器的理論依據(jù)為:改善著火穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于點火環(huán)的穩(wěn)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

14、氣射流不能閉合,理論上可以存在內(nèi)外圈2個點火環(huán).當外圈空氣流速不大時,內(nèi)外圈點火環(huán)同時存在.但在一般情況下,外圈空氣流速遠大于火焰?zhèn)鞑ニ俣?容易造成外圈點火環(huán)吹離,即外圈脫火,但是內(nèi)圈由于卷吸回流的空氣流速不大,不易造成脫火,故內(nèi)圈點火環(huán)相對外圈點火環(huán)容易穩(wěn)定存在,這對改善高爐煤氣的火焰穩(wěn)定性有很大幫助.下面通過試驗來驗證內(nèi)圈點火環(huán)機理.圖5擴口直流燃燒器Fig.5The bellmout h impellerless burner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(huán)形射流內(nèi)邊界不會閉合.當射流的內(nèi)邊界無法閉合時,由于

15、回流卷吸作用,燃燒器中心會回卷空氣,則在燃氣的內(nèi)外兩邊都會形成點火環(huán).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T ab.2The sizes of the bellmouth impellerless burners 錐形半角錐頭直徑/mm 內(nèi)管內(nèi)徑/mm 燃氣通流面積/mm 2內(nèi)管外徑/mm 外管內(nèi)徑/mm 空氣通流面積/mm 28°9.011.031.4013.015.043.9612°10.012.034.5414.016.047.1035

16、°13.616.671.1219.221.366.763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(guān)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(wěn)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(guī)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(guī)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(yōu)勢.這是由于錐形半角為8

17、76;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2m/s 時,火焰有明顯的分層現(xiàn)象,但并沒有成型的雙點火環(huán)或者內(nèi)圈點火環(huán).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(huán),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(wěn)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

18、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(wěn)燃特性.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(wěn)燃特性.由圖7可知,不同錐形半021動力工程學報第30卷 (a 常規(guī)直流燃燒器(b8° 擴口直流燃燒器(c12° 擴口直流燃燒器(d35°擴口直流燃燒器圖6采用不同燃燒器時,不同組分高爐煤氣的穩(wěn)燃特性Fig.6The stable combustion characteristics of t he blast2furnace gas wit h different c

19、ompositions when different burners are used角擴口直流燃燒器對火焰穩(wěn)定性的影響類似,但從數(shù)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(yōu)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(huán),具有內(nèi)外2個火焰面.當空氣流速增大到外圈點火環(huán)被吹離時,內(nèi)圈點火環(huán)依然穩(wěn)定存在,從而極大地改善了高爐煤氣的燃燒穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定性最好.擴口對氣流起一定程度

20、的導流作用,增大錐形半角可以使回流區(qū)加寬,增大了回流區(qū)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(jīng)過后產(chǎn)生“脫流”,在錐體后面出現(xiàn)一個回流區(qū),有助于煤氣的著火.錐體的位置可以伸縮,從而調(diào)節(jié)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(guī)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(wěn)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(chǎn)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(qū)增加,從而增大燃料與高溫煙氣的接觸面積.更重要的

21、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(nèi)環(huán)形成穩(wěn)定的點(aCO濃度為16 %(bCO濃度為20%圖7采用不同燃燒器時,相同CO濃度下高爐煤氣的穩(wěn)燃特性Fig.7The stable combustion characteristics of t he blast2furnacegas wit h t he same CO concentration when different burnersare used火環(huán),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.4結(jié)論(1擴口直流燃燒器由于中心回流區(qū)的存在,其火焰的穩(wěn)定性比常規(guī)直流燃燒器好.(2錐形半角的大

22、小對火焰的穩(wěn)定性起著重要121第2期趙振興,等:高爐煤氣直流燃燒器的試驗研究作用.當錐形半角小到一定程度時,由于中心回流區(qū)過早地閉合,火焰不穩(wěn)定;隨著錐形半角的增大,火焰的穩(wěn)定性增強.(3提出了“雙環(huán)”點火環(huán)機理:對于帶擴口的同軸環(huán)形射流,當錐形半角大于氣流內(nèi)圈擴展角度時,氣流內(nèi)圈回流區(qū)不閉合,可以形成內(nèi)外雙圈點火環(huán).當外圈空氣以較大速度吹過點火環(huán)時,盡管外圈點火環(huán)被吹離,但是內(nèi)圈點火環(huán)依然可以穩(wěn)定存在,起到穩(wěn)定點火作用.(4對于高爐煤氣燃燒器而言,回流區(qū)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(nèi)圈點火環(huán)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

23、新的思路.筆者設計的擴口直流燃燒器對于高爐煤氣的穩(wěn)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.參考文獻:1朱宇翔,秦曉東,陸方.全燃高爐煤氣鍋爐燃燒穩(wěn)定性影響因素分析J .工業(yè)鍋爐,2007(5:15217.2匡國權(quán),房國鳳.低熱值高爐煤氣應用實踐SHL2022.45/4002A 型燃煤鍋爐改燃高爐煤氣改造J .工業(yè)鍋爐,2004(2:44246.3楊慶泉,王晟,楊涌泉.大氣式火焰脫火因素的分析J .煤氣與熱力,2000,20(4:2622263.4SABIN E S ,DIETMAR A ,FRANZ W ,et al .Reduc 2ing ability of CO and H 2of gases formed