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1、低NOx调焰烧嘴技术的转化与研发设计逼讯2007No.1低NOx调焰烧嘴技术的转化与研发苗为人陈迪安蹇军强戚开民李春生刘文田摘要阐述了首钢迁钢2160mm热轧项目步进式加热炉3炉用低NOx调焰烧嘴的技术转化及研发工作.重点介绍了低NOx调焰烧嘴的技术特点,如何利用二级燃烧机理实现NOx排放,烧嘴转化的改进与工业热试验.关键词低NOx排放调焰烧嘴二级燃烧0引言环境与发展,是当今社会普遍关注的重大问题,保护环境是全人类的共同任务.中国也一直把环境保护作为一项基本国策,正日益受到各方面的重视,指出大气中的NOx的含量过高,造成酸雨,破坏臭氧层等危害.因此有效地降低NOx的排放,将大大改善我国的空气质
2、量.燃烧器是工业炉窑的心脏设备,也是工业NOx排放的主要生产者,该文结合首钢迁钢2160m/n热轧项目步进式加热炉1,2炉引进的日本中外炉SDF系列低NOx调焰烧嘴的特点,重点介绍对3炉用SGL系列低NOx调焰烧嘴技术的转化及研发工作.1研制SGL型低NOx烧嘴的必要性首钢迁钢热轧加热炉炉型结构新颖简单,工程造价低,操作维护方便,是国内继上钢一厂1780mm热轧加热炉以后加热炉不设纵向烧嘴供热的又一成功实例,该炉型决定了其必须采用火焰长度达到5.5m燃烧装置.目前国内烧嘴厂生产制造的FHC型烧嘴火焰最长只达到5m左右,满足不了设计要求.经过市场调研,日本中外炉公司给上钢一厂1780rain热轧
3、加热炉供货的SDF型烧嘴使用效果良好,因此我们在首钢迁钢2160mm热轧项目步进式加热炉采用日本中外炉的SDF型烧嘴._22在引进SDF型烧嘴过程中,我们多次与日本中外炉专家进行技术交流,详细了解了烧嘴的使用性能和结构,并对1,2加热炉运行维护过程中存在的问题进行详细记录和研究,例如:烧嘴结焦油后难以清理焦油;烧嘴接口执行日本标准,烧嘴备件难备;烧嘴造价高,花费大量外汇等.由于引进中外炉SDF型烧嘴存在上述问题,在首钢迁钢2160m/n热轧项目3加热炉建设时,我们决定转化及研发该调焰烧嘴,利用首钢自身的技术储备和研发拥有自己知识产权的SGL型烧嘴,以实现首钢迁钢2160mln热轧项目3加热炉的
4、节能减排.2SDF烧嘴介绍日本中外炉公司是世界上着名的工业炉公司,设计,制造各种工业炉,技术,制造,研发实力很强.该公司研制,生产各种工业炉使用的烧嘴和燃烧系统,具有很好的业绩.采用日本中外炉公司最新研制的SDF型低NOx烧嘴,从加热炉燃烧,加热角度讲,可以保证首钢迁钢热轧项目加热炉达到国际一流水平.2.1SDF烧嘴结构SDF烧嘴是由主喷嘴组合和二次空气喷管组成.如图1所示,主喷嘴组合包括中心空气喷嘴,一次空气喷嘴和燃料喷嘴三部分,它们三者通过两对同心法兰A,B连接;一次空气喷嘴和燃料喷嘴之间设有旋流片a,端头安装有由螺纹连接的耐热钢喷头e;二次助燃空气喷管与主喷管分离,2007No.1设计通
5、讯置于主喷管旁;主喷嘴组合和二次空气喷管由法兰板C与炉墙钢板相连接;烧嘴砖与炉墙构成一体;一次空气喷嘴,燃料喷嘴和二次助燃空气喷管设有压力测量管b;二次助燃空气喷管端头设有火焰观测孔c.这种燃烧装置结构体积小,结构简单,功能性强,安装方便,且使用寿命长.中心空气喷嘴;一次空气喷嘴;燃料喷嘴;二次空气喷管炉墙烧嘴喷口通道;a旋流片;b压力测量管;C火焰观测孔;d点火孔;e耐热钢喷头;A,B同心法兰;C法兰板图lSDF烧嘴结构示意图2.2SDF烧嘴性能参数SDF型低NOx型调焰烧嘴按分段燃烧法原理进行设计,是为了延长燃烧过程,降低火焰温度的高峰,以便减少NOx的生成量.其中心风约占3%5%,一次风
6、约占20%30%,二次风约占80%70%,通过调节调焰烧嘴火焰调节阀改变一次风与二次风比例来调节火焰长度.由于中心风技术的应用,烧嘴在低负荷工作时,即可以保证火焰长度和刚度,也可以得到最低的NOx产生量.此次步进加热炉设计的侧部供热采用上面介绍的带中心风的低氧化氮调焰烧嘴.这在炉宽加大的情况下有利于板坯在加热过程中沿炉宽方向上的温度均匀性.其性能参数如表1所示.表1SDF低NOx调焰烧嘴基本参数23设计通讯2007No.12.3燃烧机理及烟气中低NOx的实现2.3.1燃烧机理SDF低NOx调焰烧嘴采用二级燃烧机理,所谓二级燃烧机理,就是通过控制二次风的供给,使燃料经过一缺氧燃烧和二次完全燃烧,
7、延长燃料燃烧过程,增长火焰长度,避免火焰产生局部高温.SDF烧嘴的一次助燃空气和二次助燃空气从嘴前两个独立支管进入烧嘴,二次助燃空气在炉内与煤气边混合边燃烧,火焰长度增长,同时二次助燃空气高速喷入炉内时发生卷吸作用,一部分炉内烟气被卷吸到煤气燃烧区域,这样有效增长了火焰长度,能提高沿炉宽方向炉气温度均匀性,由于二次风与主火炬平行供入形成弥散燃烧,使炉内各处温度差小,提高加热炉的加热效果.2.3.2烟气中低NOx的实现NOx的生成必须具备两个条件,一是足够高的温度,二是燃烧区域O:的浓度.SDF低NOx调焰烧嘴采用二级燃烧方式,一次风与煤气在炉内混合燃烧时,由于风量在030%范围调节,燃烧所需要
8、的O:不够;同时一次风旋转包裹着煤气高速喷人炉内,卷吸一部分烟气进入一次燃烧区域,因此燃料在一级燃烧区域内产生不完全燃烧,火焰中心温度得到有效降低,一般低于传统火焰中心温度150左右,在此区域可以有效抑止NOx的生成.在沿火焰长度方向上,二次风与主火炬在一起前进的同时发生卷吸作用,不断给一次燃烧区域供给空气,同时发生二次燃烧,这样不仅保证了燃料的完全燃烧,避免燃烧区域氧气过剩,而且在延长火焰长度的同时使火焰的形状发生改变形成弥散燃烧,既实现了火焰温度均匀控制,破坏了NOx的产生条件,增强了炉气的扰动,使炉内温度更加均匀.3转化及研发中的几项工作3.1结构国产化由于SDF低NOx调焰烧嘴为日本制
9、造,其所用的管件,法兰等均为日本标准,国内制造很不方便,为了能够在不影响烧嘴性能的前提下,实现SDF低NOx调焰烧嘴的完全国产化,即能在国内设计,制作,并形成系列产品.我们在完全掌握了烧嘴的基本燃烧原理的同时对SDF低NOx调焰烧嘴进行了大量研究;并根据SDF烧嘴的结构和材料,对烧嘴的各个部件进行了专业测绘;在得到第一手数据后,我们选用国内标准管件对SDF烧嘴的各个部件进行了替换,然后经过对流通面积,管道内空,煤气流速,流量,喷口流速等数据进行了仔细计算,并与SDF烧嘴的各项参数进行了对比,当两者差别较大时,我们就对替换的关键部件进行更换,再计算,再对比,最终确定了一个最佳替换方案.实现了SD
10、F烧嘴材料的完全国产化.我们将国产化后的烧嘴命名为SGL型低NOx调焰烧嘴,形成系列后名称格式为:SGLxxx.3.2国产化后烧嘴性能由于中日标准不同,烧嘴完全国产化后,不能保证SGL烧嘴所有参数与SDF烧嘴完全一样,这样我们对SGL系列烧嘴的基本参数进行了重新计算,计算结果如表2所示.表2SGL系列低NOx调焰烧嘴基本参数2oo7N.1设计通讯3.3烧嘴转化与改进在转化过程中,我们根据现场的实际状况,结合以往烧嘴的操作经验,为了达到维修方便,安装简单,经济耐用等目的,我们对烧嘴的结构进行了改进和优化,具体工作如下:(1)由于现场使用的燃料为高,焦混合煤气,煤气成份复杂,经常会出现喷口结焦,结
11、垢等现象,严重时会影响流通面积,影响火焰形状,所以要定期对烧嘴的喷口进行清理.为了便于清理工作的进行,尽可能缩短维修时间,我们将中心风喷管与燃料喷管的连接由原来的焊接改为法兰连接,这样在清理喷头时只需将其拆下抽出即可,不需将烧嘴整体拆下.(2)另一方面,为了便于烧嘴喷头的清理与更换,我们将煤气喷头与喷管的连接形式由原来的焊接改为螺纹连接,这样一旦出现喷头堵塞,烧损变形等状况,只需将其拆下更换即可,不用整体更换烧嘴.这样不但可以减少备件投资,也缩短了检修时间.(3)烧嘴砖在烧嘴安装时与炉墙一起浇注而成,其中烧嘴砖上二次空气喷口可以根据燃料及燃烧机理需要设计成不同形状,如月牙形,圆型,长方形等.3
12、.4转化后烧嘴的工业热试为了检验国产化后烧嘴的实际使用性能,决定在2加热炉均热下第二个烧嘴(SDF一150)和二加上第二个烧嘴(SDF一200)的位置,安装上自行研制的(SGL一150和SGL一200)烧嘴,进行实际工况的试验.结合2加热炉实际烘炉进度情况,2007年2月1日进行了烧嘴(SGL)实际工况的运行试验3.4.1试验方案(1)由于本次烧嘴试验配合2加热炉烘炉同步进行,因此试验烧嘴阀门的初始开度按如下设定.一次空气:开30.;二次空气:开90.;中心空气:开90.;混合煤气:开15.(2)先开均热下西侧第2个烧嘴(试验烧嘴(SGL型)和均热下东侧第2个烧嘴(日本中外炉烧嘴(SDF型),
13、嘴前阀门开度大小按照步骤A设定.(3)各个供热段空,煤气流量设定值按照加热炉烘炉细则设定.(4)万一出现烧嘴燃烧不稳定的情况,可以将中心空气手动阀门关闭.(5)在确认调焰烧嘴稳定燃烧以后,开始进行试验烧嘴嘴前阀门调节,观察火焰长度,刚度以及外形的参数.3.4.2试验结果通过试验,可以得出如下试验结果;(1)SGL型烧嘴实现了两级燃烧法的技术,能够有效降低燃烧产物中NOx的含量.(2)SGL型烧嘴具有良好的火焰紊流度和刚度.(3)SGL型烧嘴具备大调节比性能.(4)在小流量燃烧状态小火焰长度长,刚性好.在烧嘴前阀门开度为15.时,火焰长度达到4.6m;在嘴前煤气阀门开度为90.时,炉内火焰长度达
14、到5.3m.(5)SGL型烧嘴火焰平,直,长,炉宽方向上温度均匀.图2是嘴前煤气阀门开度为15.时,SGL型烧嘴炉内火焰状况照片,图3为日本中外炉SDF型烧嘴的火焰状况照片.25设计通讯2007No.1图2SGL烧嘴炉内火焰状况图3SDF烧嘴炉内火焰状况通过试验观察和初步检测:SGL型烧嘴最大特点就是具有大调节比性能,在小流量燃烧状态下火焰长度长,刚性好,可以满足超宽板坯加热炉的加热要求.它采用特殊的供风技术,以保证炉膛宽度方向上的温度均匀.并且采用空气,混合煤气二次燃烧技术,减少NOx生成,满足环保要求.通过现场反复测量数据,不断分析摸索,得出火焰长度和刚度与嘴前空,煤气压力以及一次风,二次
15、风开启度有很大关系.一次风的开启度与火焰长度成反比,在烘炉或低温(<800C)点火时一次风一定要打开,确保与二次风的比例关系(30%:70%),使混合煤气充分燃烧,烧嘴前中心风压力要保持稳定,一般保持在4000kPa左右.图4为火焰长度与助燃风机压力变化趋势的关系.在此基础上侧烧嘴火焰调节控制要点.50夕,夕一一4经济,社会效益4.1直接经济效益通过SDF烧嘴技术的国产化我们可以大大节约成本.日本中外炉公司的SDF烧嘴优点突出,但价格比国产烧嘴价格要高2倍.迁钢2160IllfI1热轧项目步进式3加热炉炉采用我们研发的SGL型烧嘴,国内生产制造,烧嘴总投资降低一倍,节约资金120万元.4
16、.2间接经济效益通过此次烧嘴转化,2160IllfI1热轧项目厂的备件费也将大幅度降低,仅迁钢2160mm热轧项目加热炉侧部烧嘴的备品备件费就可降低2倍.并为曹妃甸工程和未来的市场奠定良好的基础,市场远景非常好.4.3社会效益通过SDF烧嘴技术的转化,我们形成了自主知识产权,有利于低NOx技术在我国的更快更广泛地应用,为有效地降低我国工业NOx的排放量,改善空气质量做出贡献.目前,我们已打算将转化后的烧嘴制成系列产品,准备在首钢各厂及国内各大钢厂加热炉上进行推广和应用.,一.5结语图4火焰长度与烧嘴嘴前压力关系SGL型烧嘴在首钢迁钢2160mm热轧项目步通过试验和对比表明,首钢自主研发的SGL型烧进式加热炉2炉试验成功,标志着首钢集团在工嘴具有与日本中外炉SDF型烧嘴相同的燃烧机理和业燃烧器研发能力方面上升了一个新的台阶,提火焰特生.高首钢集团在同行业的竞争力和影响力,具有良好的经济效益和社会效益.26m砸芑三噱一阡00S7G54_