高煙氣循環W型輻射管燒嘴研究

徐家強 李明明 曾偉龍 高 陽

(1.中冶南方(武漢)熱工有限公司，2.廣西鋼鐵集團有限公司)

隨著科技快速發展，硅鋼、熱鍍鋅等高性能鋼材需求不斷增大，生產質量要求較高的特種鋼材的輻射管加熱爐得到大量應用。其中，W型輻射管因輻射管面積更大等優點被廣泛應用[1-7]。同時，目前正處于雙碳目標攻堅期、窗口期，對輻射管加熱爐的技術進步提出了嚴格且迫切的要求[8]。因此，如何改進燃燒器、提升W型輻射管性能成了亟待解決的問題。

從輻射管問世至今的90余年里，為了提高輻射管燃燒器性能，眾多學者及工程師提出了包括自預熱、提高空燃氣流速、分級燃燒和煙氣再循環等技術[9-11]。文章設計了一款雙行程換熱高煙氣循環W型輻射管燒嘴，并在自行搭建的實驗平臺上，進行了大量實驗研究，量化分析了燒嘴性能。

1 建立實驗平臺

為了系統分析輻射管燃燒器性能搭建了相應實驗平臺系統，該系統主要包括：實驗爐、輻射管燃燒裝置、空氣及燃氣供給系統、點火系統和排煙系統，如圖1所示。

圖1 實驗平臺系統

核心設備為雙行程換熱高煙氣循環W型輻射管燒嘴，由主燒嘴和換熱器組成，中間通過膨脹節及管道相連。冷空氣自換熱器下端空氣入口進入，經過雙行程換熱后從噴射口高速噴出，卷吸周圍大量煙氣經膨脹節、連接管道返回主燒嘴參與燃燒，煙氣循環率達到了35%以上，現有主流燒嘴煙氣循環率為25%左右。

專用W型輻射管實驗爐外殼為鋼結構，貼耐火纖維板，并鋪設陶瓷纖維毯。實驗爐的左側爐墻、右側爐墻和輻射管末端墻處分別設置5個、5個和3個窺視孔，用于觀測爐內W型輻射管的升溫情況，同時兼作熱電偶和紅外測溫儀的測溫孔。爐膛溫度由伸入爐膛內的兩只熱電偶測量，取平均值，測溫點分布如圖2所示。實驗采集系統主要測量項目和所需儀器見表1。

表1 實驗的測量項目和測量儀器

圖2 測溫點分布

2 實驗研究及分析

2.1 燃燒升溫實驗

由于煙氣循環率達到了35%以上，助燃空氣氧含量僅為14%，故當爐溫較低時，火焰穩定性較差，無法在冷態下高負荷運行，應采取緩慢升溫策略。9∶45冷態工況下，以100 kW功率點燃燒嘴，隨后緩慢提高功率，待爐溫升至745 ℃時，關閉預混空氣，隨著爐溫升高，繼續逐步提高功率，直至額定功率運行，如圖3所示。

圖3 升溫實驗曲線

由圖3可知，整個點火升溫過程較為曲折，且火焰穩定性高度依賴爐溫，功率提升過快，會導致火焰熄滅。因此，對于高煙氣循環燒嘴而言，冷態時火焰穩定性不佳，需結合爐溫精準調控燒嘴功率。

2.2 輻射管表面溫度均勻性

升溫過程中，不同爐溫下輻射管表面溫度分布如圖4所示。爐體內部陶瓷纖維毯阻擋了5號及9號測溫孔，因此有效測溫數據為1號、2號、3號、4號、6號、7號、8號、10號、11號、12號、13號測溫點的溫度。1號測溫點溫度最高，13號測溫點溫度最低，8號測溫點溫度變化異常，這是由于輻射管尾端的安裝架結構擋住了測溫孔。隨著升溫時間的推移，爐溫升高，輻射管表面溫度分布曲線愈發平緩，即溫度分布更加均勻，輻射管表面最大溫差ΔTmax由173 ℃降至119 ℃。

圖4 不同爐溫下輻射管表面溫度分布

2.3 污染物排放

為了了解該燒嘴的排放性能，對不同功率下燒嘴出口處的煙氣成分進行了詳細分析，如表2所示。在不同功率下，燒嘴都能夠實現燃燒產物的完全燃燒，煙氣中CO含量均低于30×10-6。隨著功率增大，爐溫升高，排煙溫度從280 ℃逐漸升至580 ℃。煙氣中NOx排放均在53×10-6以下，遠低于國家規定的污染物排放標準。

表2 煙氣成分分析

2.4 空氣預熱能力

為了了解該燒嘴的空氣預熱能力及卷吸煙氣能力，研究了不同功率下助燃空氣成分及溫度變化規律，如表3所示。

表3 助燃空氣成分分析

點火初期，為保證火焰穩定性，需適當降低主空氣流量，減小煙氣卷吸量；當爐溫升高后，加大主空氣供給，煙氣卷吸量增大，助燃空氣中含氧量在13.34%～19.26%之間變化。由于卷吸的煙氣顯著稀釋了助燃空氣，避免了燃燒產生的局部高溫區，進一步降低了NOx排放。此外，煙氣卷吸量增大，空氣預熱溫度大幅度提高，均在500 ℃以上，滿負荷時甚至達到了755 ℃。

3 結論

文章進行了大量實驗，對該雙行程換熱高煙氣循環W型輻射管燒嘴性能進行了系統研究，得到結論如下：

(1)對于煙氣卷吸能力較大的燒嘴，冷態點火時需要考慮通入預混空氣，以獲得較好的點火性能，提高火焰穩定性，待爐溫升高后再切斷預混空氣供應；

(2)煙氣卷吸量增大，助燃空氣中氧含量最低可降至13.34%；

(3)系統穩定運行后，輻射管表面最大溫差能夠控制在120 ℃以內；

(4)在不同功率下，燒嘴都能夠實現燃燒產物的完全燃燒，且污染物排放量較低，煙氣中CO含量低于30×10-6，NOx含量低于53×10-6，空氣預熱溫度均在500 ℃以上。