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(guó)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(gè)工業(yè)領(lǐng)域都在積極尋求技術(shù)突破和技術(shù)升級(jí),通過(guò)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(shí)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(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域,代表了一個(gè)國(guó)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(gè)可行且有效的技術(shù)升級(jí)手段,軸向燃料分級(jí)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(jí)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(jí)燃燒降低氮氧化物排放的可行性,并對(duì)燃料分配和一級(jí)、二級(jí)當(dāng)量比和射流速度對(duì)煙氣成分影響進(jìn)行了分析和研究。燃料軸向分級(jí)技術(shù)已經(jīng)在航空發(fā)動(dòng)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(hào)航空發(fā)動(dòng)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(jí)和第二級(jí)燃燒段之間的燃料分配、流量分配和停留時(shí)間對(duì)于氮氧化物排放的影響。結(jié)果表明,在設(shè)計(jì)燃燒室時(shí),優(yōu)先確定第二級(jí)噴嘴位置,優(yōu)化停留時(shí)間分配可以獲得較低的氮氧化物排放。

本文針對(duì)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(jí)燃燒組織技術(shù),開(kāi)發(fā)了一種冶金步進(jìn)加熱爐專用燃料分級(jí)高速低氮燃燒器。并對(duì)其建立專用實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,同時(shí)對(duì)工業(yè)燃燒器測(cè)試方法和相關(guān)問(wèn)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(kāi)發(fā)測(cè)試一般方法,為工業(yè)燃燒器開(kāi)發(fā)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

基于燃燒器燃料軸向分級(jí)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(cè)試。圖1為矩形燃燒器三維模型示意圖,燃燒器由三個(gè)進(jìn)口組成:零級(jí)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(jí)空氣進(jìn)口為面積最大的進(jìn)口,位于零級(jí)燃料進(jìn)口的上方,整個(gè)燃燒過(guò)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(guò)零級(jí)通道壁上的空氣孔道助燃零級(jí)燃?xì)?另一部分與主要燃?xì)饣旌先紵?一級(jí)燃料進(jìn)口位于一級(jí)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(guò)2組噴槍分級(jí)進(jìn)入爐膛燃燒,每組噴槍均有8個(gè)噴槍口組成。零級(jí)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(cè)試爐,旁側(cè)底部為2個(gè)半徑為254 mm的圓形出口。工業(yè)燃燒器實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)試系統(tǒng)流程圖

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

實(shí)驗(yàn)測(cè)試爐按照空間分布布置了溫度測(cè)試網(wǎng),測(cè)量不同位置的爐溫。爐溫對(duì)于步進(jìn)加熱爐來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要表征生產(chǎn)工藝過(guò)程的一個(gè)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(cè)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(gè)測(cè)溫點(diǎn),較為全面地反映燃燒器燃燒過(guò)程中爐膛內(nèi)部的溫度分布。

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試爐內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)布置圖

其他測(cè)試儀表包括空氣、燃料氣和冷卻水等流量計(jì),測(cè)量管道壓力的壓力計(jì)和煙氣和煤氣成分測(cè)量?jī)x器等,詳細(xì)規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)

1.2 燃料分級(jí)高速低氮燃燒器

本文針對(duì)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(jí)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(duì)于燃燒設(shè)備的需求也不盡相同。以本文研究開(kāi)發(fā)背景為例,冶金煉鋼工藝過(guò)程中,再對(duì)鋼坯進(jìn)行軋制前需要將鋼坯加熱到1 200 ℃以上,在加熱過(guò)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(gè)多工序工作,還要確保加熱速度符合整個(gè)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(lái)越嚴(yán)格。以上是燃燒器開(kāi)發(fā)一般的技術(shù)要求。而對(duì)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(hào)鋼坯的加熱需求。進(jìn)一步,加熱過(guò)程還需要數(shù)十臺(tái)燃燒器可以協(xié)同工作,控制100多米長(zhǎng)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(jí)技術(shù)原理,開(kāi)發(fā)了一種專用于冶金步進(jìn)加熱爐的軸向燃料分級(jí)高速低氮燃燒器,具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 燃料分級(jí)高速低氮燃燒器模型與實(shí)物圖

燃料分級(jí)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(gè)燃燒區(qū)域,主燃燒區(qū)采用貧燃料燃燒,二級(jí)燃燒區(qū)采用富燃料燃燒,兩級(jí)燃燒區(qū)控制燃燒偏離化學(xué)當(dāng)量。另外,燃料分級(jí)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(kāi)發(fā)的燃燒器設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)比1∶10。同時(shí),燃料分級(jí)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(cè)試方法

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

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況

本文研發(fā)的燃料分級(jí)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(cè)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(cè)試工況見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)于燃燒工況穩(wěn)定性的要求直接影響了實(shí)驗(yàn)測(cè)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(dòng)小,其偏差≤±2%。

(3)空氣的流量波動(dòng)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(shí),保持孔板上游壓力為正壓。

(5)爐溫處于相對(duì)穩(wěn)態(tài),在1 min內(nèi)爐溫波動(dòng)小于5 ℃。當(dāng)燃燒器功率大于3MW時(shí),在1 min內(nèi)爐溫波動(dòng)小于10 ℃。

(6)爐壓控制在正壓0～30 Pa的合理區(qū)間。對(duì)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(dòng)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(cè)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(shí)間不小于3 min。

2.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試步驟

(1)點(diǎn)火燒嘴及點(diǎn)火槍的點(diǎn)火性能測(cè)試。先測(cè)試打火性能,然后按照10%功率供空氣,測(cè)試點(diǎn)火情況,依次提供不同的供風(fēng)量,進(jìn)行點(diǎn)火測(cè)試。

(2)在敞開(kāi)爐膛的狀態(tài)下測(cè)試燃燒器在不同功率下的火焰燃燒情況。從10%功率開(kāi)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(duì)火焰形狀進(jìn)行攝像等。

(3)關(guān)閉爐門,從10%功率開(kāi)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(chǎng)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(duì)于實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)試方法也不一致,行業(yè)也沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的測(cè)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(duì)冶金加熱爐應(yīng)用場(chǎng)景,開(kāi)發(fā)了一種全新的軸向燃料分級(jí)高速低氮燃燒器,同時(shí)探討實(shí)驗(yàn)測(cè)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?；鹧嫱庑翁匦钥疾煲环矫婵疾烊紵鳠嶝?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(guò)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(shí),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(guò)明爐觀察火焰長(zhǎng)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(duì)布置,交錯(cuò)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(cè)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(guò)管道運(yùn)輸,助燃空氣由風(fēng)機(jī)提供動(dòng)能,因此燃燒器燃料管路和空氣管路燃燒器內(nèi)部壓損對(duì)于燃燒器的性能影響非常大,包括內(nèi)部氣流流動(dòng)摻混情況都與壓損有關(guān)。因此,工業(yè)燃燒器實(shí)驗(yàn)測(cè)試中,P-V曲線是非常重要。另外,對(duì)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(gè)燃燒器分管路一般無(wú)流量計(jì),如果想實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)于燃料分級(jí),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(jí)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(chǎng)分布特性

燃燒器燃燒過(guò)程溫度分布特性是燃燒核心表征量,在研究燃燒機(jī)理過(guò)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(duì)其性能的影響等。但是,對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō),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(duì)燃燒器考察溫度分布,重點(diǎn)不是燃燒器內(nèi)部燃燒過(guò)程溫度分布情況,更關(guān)注的是整個(gè)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(guò)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(cè)試用加熱爐考慮了實(shí)際工藝生產(chǎn)過(guò)程中,加熱爐寬度和長(zhǎng)度,以及目前燃燒器布置情況。而實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,加熱爐爐內(nèi)溫度與待加熱鋼坯情況有關(guān),是一個(gè)受外界環(huán)境影響較大。由于在測(cè)試燃燒器過(guò)程中,沒(méi)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(cè)試過(guò)程中,通過(guò)條件冷卻水流量(冷卻負(fù)荷)來(lái)?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(gè)測(cè)試爐內(nèi)溫度分布情況,也在這個(gè)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(zhǎng)度方向,從0～9 m較大尺寸空間反映了燃燒器工作過(guò)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(guò)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(cè)試得到相關(guān)數(shù)據(jù),有益于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(guò)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(guò)剩系數(shù)1.2)

3.4 燃燒過(guò)程氮氧化物生成特性

氮氧化物排放現(xiàn)在是工業(yè)各個(gè)行業(yè)應(yīng)用燃燒器的一個(gè)重要考核指標(biāo),也是工業(yè)燃燒器技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)主要的方向。本文針對(duì)冶金步進(jìn)加熱爐開(kāi)發(fā)的燃料分級(jí)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(duì)加熱爐氮氧化物排放在150 mg/m3(8%O2)(標(biāo)準(zhǔn)),而本文開(kāi)發(fā)的工業(yè)燃燒器由于采用軸向燃料分級(jí)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(duì)氮氧化物影響非常明細(xì),因此,實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)定的氮氧化物排放才是與實(shí)際生產(chǎn)一致,對(duì)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(cè)量的氮氧化物值,可以從圖12中看出無(wú)論是滿負(fù)荷各個(gè)過(guò)剩系數(shù),還是不同功率下各個(gè)過(guò)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(guò)?？諝庀禂?shù)對(duì)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(duì)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(jí)燃燒組織形式,開(kāi)發(fā)了一種工業(yè)燃料分級(jí)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(cè)試爐,并根據(jù)步進(jìn)加熱爐具體工藝提出了實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法和結(jié)果分析方法。對(duì)該型號(hào)工業(yè)燃燒器進(jìn)行了工程實(shí)驗(yàn)測(cè)試,結(jié)果表明,該型號(hào)燃燒器燃燒性能在火焰性狀特性、壓力損失特性、溫度場(chǎng)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(duì)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(cè)試過(guò)程中的問(wèn)題及測(cè)試方法,為本行業(yè)和其他行業(yè)先進(jìn)燃燒器技術(shù)開(kāi)發(fā)提供了參考。