趙振興, 曹子棟, 常勇強(qiáng)

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,西安710049)

在能源動(dòng)力飛速發(fā)展的今天,能源的節(jié)約與合理利用已成為時(shí)代的主題.然而,在現(xiàn)有的技術(shù)條件下,化石能源的大量不合理利用給環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害,能源利用與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展已成為當(dāng)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(huì)產(chǎn)生一些可燃廢氣,可燃?xì)怏w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(shí)際應(yīng)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[1-2].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(shí)際中,擴(kuò)散式燃燒器多采用多管式平流燃燒器[4-5],其結(jié)構(gòu)見圖1.燃料氣由周向布置的6～8根管子送入,管子端部做成楔形并開有直徑為8～15 mm左右的噴孔,燃料氣噴出的方向相交成90°.為適應(yīng)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(dòng)噴管的方向使各射流的P方向組成一個(gè)切圓,從而使燃料氣產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);也可以使兩噴管的P方向相對噴射.前者混合較強(qiáng),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(dá)150～230 m/s,空氣速度為50～65m/s,兩者的速度比為3～3.5,動(dòng)壓比為10～16.

圖1 多管式平流燃燒器的結(jié)構(gòu)Fig.1 The stru cture of themu ltitubular parallel flow bu rner

由于高爐煤氣是一種高著火點(diǎn)燃料,其燃燒組織困難,且火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?所以應(yīng)采用多管式燃燒器.當(dāng)燃?xì)馑俣冗_(dá)到150～230 m/s時(shí),燃?xì)饬魉龠h(yuǎn)大于火焰的傳播速度,此時(shí)高爐煤氣早已脫火,無法正常燃燒.此外,燃燒器的設(shè)計(jì)壓力值大約為2 500 Pa,由于壓力較低無法使燃?xì)饬魉龠_(dá)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(yàn)安排

2.1 點(diǎn)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(shè)計(jì)了一種平行射流送氣的多管式直流燃燒器(圖2(a)).為研究方便,本文取單一直流燃燒器進(jìn)行研究,稱為常規(guī)直流燃燒器(圖2(b)).

圖2 直流燃燒器Fig.2 The impellerless bu rner

本設(shè)計(jì)參考了火焰穩(wěn)定存在的基礎(chǔ)——點(diǎn)火環(huán)理論.點(diǎn)火環(huán)存在于火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c燃?xì)饬魉傧嗟鹊牡胤?在該處形成固定的火焰鋒面.當(dāng)燃料流速很大時(shí),理論上火焰?zhèn)鞑ニ俣纫诤苓h(yuǎn)的地方才能與之平衡,但此時(shí)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(diǎn),此時(shí)點(diǎn)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(shí),在臨近容器壁僅數(shù)毫米的地方,壁面的散熱作用十分強(qiáng)烈,以致火焰不能傳播,此時(shí)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(gè)重要因素.目前對淬熄現(xiàn)象的研究大多停留在試驗(yàn)階段,其影響因素主要為管徑、材料的導(dǎo)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(jìn)行了試驗(yàn),具體的直流燃燒器管徑及燃燒試驗(yàn)結(jié)果見表1.

表1 直流燃燒器管徑對燃燒試驗(yàn)的影響Tab.1 Effectso f pipe diameter of the impellerless burners on combustion experiments

由表1可知,在某些管徑下形成的全擴(kuò)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(huì)熄滅.筆者認(rèn)為這主要是受淬熄的影響,即在很細(xì)的管子內(nèi)部和靠近管口處,由于壁面散熱十分強(qiáng)烈,火焰將不能連續(xù)傳播.由以上試驗(yàn)可以得出高爐煤氣的大致淬熄直徑,并且認(rèn)為一旦燃燒器的直徑大于此直徑,則淬熄作用不會(huì)造成燃燒終止.因此,在后續(xù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)中采用的燃燒器直徑均大于8 mm.

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N2來模擬高爐煤氣 ,并通過改變CO和H2的濃度來模擬不同組分的高爐煤氣.圖3為試驗(yàn)系統(tǒng)圖.

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.3 Schematic of the experimental system

試驗(yàn)時(shí),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(gè)燃?xì)馑俣?尋找在此速度下達(dá)到脫火時(shí)的空氣速度,燃?xì)馑俣仍黾拥狡渥陨聿荒苄纬煞€(wěn)定火焰(即不加空氣就脫火)為止.

2.3.1 常規(guī)直流燃燒器

采用常規(guī)直流燃燒器時(shí),在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)僅在燃?xì)馀c空氣的交界面上產(chǎn)生了點(diǎn)火環(huán),并且點(diǎn)火環(huán)不太穩(wěn)定.不同燃?xì)饨M分下高爐煤氣的穩(wěn)燃特性見圖4.當(dāng)外側(cè)空氣流速增加至15 m/s時(shí),點(diǎn)火環(huán)完全被吹離,形成脫火.由于燃?xì)饬魉倥c空氣流速均無法提高,導(dǎo)致熱功率無法滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求.并且當(dāng)空氣流速一定時(shí),燃?xì)夥€(wěn)燃流速由于散熱系數(shù)的增大而降低,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(shí),不同燃?xì)饨M分下高爐煤氣的穩(wěn)燃特性Fig.4 The stable combustion characteristics of the blast-furnace gas with different com positions when the conven tional impellerless bu rner is used

2.3.2 擴(kuò)口直流燃燒器

筆者設(shè)計(jì)出一種帶有回流區(qū)的擴(kuò)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(diǎn)火環(huán)的穩(wěn)定存在.采用擴(kuò)口直流燃燒器時(shí),當(dāng)錐形半角大于一定值時(shí),燃?xì)馍淞鞑荒荛]合,理論上可以存在內(nèi)外圈2個(gè)點(diǎn)火環(huán).當(dāng)外圈空氣流速不大時(shí),內(nèi)外圈點(diǎn)火環(huán)同時(shí)存在.但在一般情況下,外圈空氣流速遠(yuǎn)大于火焰?zhèn)鞑ニ俣?容易造成外圈點(diǎn)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(diǎn)火環(huán)相對外圈點(diǎn)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(yàn)來驗(yàn)證內(nèi)圈點(diǎn)火環(huán)機(jī)理.

圖5 擴(kuò)口直流燃燒器Fig.5 The bellmou th impellerless bu rner

從射流的擴(kuò)展角理論可知,平面自由射流外邊界的擴(kuò)展角大約為10°,即當(dāng)錐形半角大于10°時(shí),環(huán)形射流內(nèi)邊界不會(huì)閉合.

當(dāng)射流的內(nèi)邊界無法閉合時(shí),由于回流卷吸作用,燃燒器中心會(huì)回卷空氣,則在燃?xì)獾膬?nèi)外兩邊都會(huì)形成點(diǎn)火環(huán).因此,本試驗(yàn)分別設(shè)計(jì)了錐形半角為8°、12°和 35°的擴(kuò)口直流燃燒器,并進(jìn)行了燃燒試驗(yàn).擴(kuò)口直流燃燒器的尺寸見表2.

表2 擴(kuò)口直流燃燒器的尺寸Tab.2 The sizes of thebellmouth impellerless burners

3 擴(kuò)口直流燃燒器分析

3.1 錐形半角為8°的擴(kuò)口直流燃燒器

基于上述關(guān)于射流擴(kuò)展角影響的分析,本次試驗(yàn)中采用的燃燒器錐形半角為8°,小于10°,因此射流應(yīng)該是閉合的.

圖6給出了采用不同燃燒器時(shí),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?xì)饬魉俚奶岣?擴(kuò)口直流燃燒器和常規(guī)直流燃燒器對應(yīng)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(yīng)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(kuò)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°的擴(kuò)口直流燃燒器可以使燃?xì)馀c空氣的混合增強(qiáng),流體的湍動(dòng)加強(qiáng),從而改善了燃燒反應(yīng)的條件[7].

在本次試驗(yàn)中可以觀察到,當(dāng)燃?xì)饬魉俚陀? m/s時(shí),火焰有明顯的分層現(xiàn)象,但并沒有成型的雙點(diǎn)火環(huán)或者內(nèi)圈點(diǎn)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(diǎn)火環(huán),外圈空氣速度無法提高至實(shí)際工程應(yīng)用的要求(大于20m/s).

3.2 錐形半角為12°和35°的擴(kuò)口直流燃燒器

在錐形半角為8°的擴(kuò)口直流燃燒器試驗(yàn)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還是閉合的.通過對錐形半角為12°和35°的擴(kuò)口直流燃燒器進(jìn)行試驗(yàn),來分析錐形半角增大到射流不閉合時(shí)高爐煤氣的穩(wěn)燃特性.

圖6 采用不同燃燒器時(shí),不同組分高爐煤氣的穩(wěn)燃特性Fig.6 The stable combustion characteristics of the blast-furnace gasw ith differen t compositions when differen t burners are used

圖7給出了采用不同燃燒器時(shí),在相同CO濃度下高爐煤氣的穩(wěn)燃特性.由圖7可知,不同錐形半角擴(kuò)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(kuò)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(kuò)口直流燃燒器.在高爐煤氣燃燒過程中,當(dāng)外圈空氣流速不高時(shí),可以看到明顯的雙點(diǎn)火環(huán),具有內(nèi)外2個(gè)火焰面.當(dāng)空氣流速增大到外圈點(diǎn)火環(huán)被吹離時(shí),內(nèi)圈點(diǎn)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(kuò)口直流燃燒器的火焰穩(wěn)定性最好.擴(kuò)口對氣流起一定程度的導(dǎo)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?zé)煔獾慕佑|面積.本試驗(yàn)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(gè)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?xì)獾某隹谒俣群蜌饬鞒隹诮嵌鹊拇笮?在燃用高爐煤氣時(shí),可將錐形半角增大,以增加高溫?zé)煔獾幕亓?

通過對常規(guī)直流燃燒器及不同錐形半角的擴(kuò)口直流燃燒器進(jìn)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(kuò)口直流燃燒器的錐形半角增大時(shí),尤其是角度遠(yuǎn)大于 10°時(shí),射流不能產(chǎn)生封閉,使擴(kuò)口對氣流的導(dǎo)流作用增大,同時(shí)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?zé)煔獾慕佑|面積.更重要的是,回流過程中更多的空氣被卷吸到燃?xì)獬隹谔?使燃燒器的內(nèi)環(huán)形成穩(wěn)定的點(diǎn)火環(huán),增強(qiáng)了燃?xì)馀c空氣的混合,從而改善了反應(yīng)的進(jìn)行,更好地提高了脫火極限.

圖7 采用不同燃燒器時(shí),相同CO濃度下高爐煤氣的穩(wěn)燃特性Fig.7 The stable combustion characteristics of the b last-furnace gas with the sam e CO con cen tration when differen t bu rners are used

4 結(jié) 論

(1)擴(kuò)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)錐形半角的大小對火焰的穩(wěn)定性起著重要作用.當(dāng)錐形半角小到一定程度時(shí),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(qiáng).

(3)提出了“雙環(huán)”點(diǎn)火環(huán)機(jī)理：對于帶擴(kuò)口的同軸環(huán)形射流,當(dāng)錐形半角大于氣流內(nèi)圈擴(kuò)展角度時(shí),氣流內(nèi)圈回流區(qū)不閉合,可以形成內(nèi)外雙圈點(diǎn)火環(huán).當(dāng)外圈空氣以較大速度吹過點(diǎn)火環(huán)時(shí),盡管外圈點(diǎn)火環(huán)被吹離,但是內(nèi)圈點(diǎn)火環(huán)依然可以穩(wěn)定存在,起到穩(wěn)定點(diǎn)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?zé)煔?而且卷吸作為氧化劑的新鮮空氣,這些空氣為內(nèi)圈點(diǎn)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新的思路.筆者設(shè)計(jì)的擴(kuò)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(shí)際工程應(yīng)用的要求.

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