鋼渣處理間熱風(fēng)爐燃燒器脫火原因的分析及處理

蔡汝林

1　熱風(fēng)爐脫火問(wèn)題現(xiàn)象

陽(yáng)春新鋼鐵鋼渣處理間配置了一臺(tái)南方某廠生產(chǎn)的熱風(fēng)爐，輸出熱量100×104KCA/H，設(shè)備尺寸￠1500×4000mm，整體呈圓筒形臥式布置。燃燒器配置在圓筒進(jìn)氣端中部，筒體近燃燒器端中部設(shè)置了一個(gè)DN300的觀火孔。據(jù)運(yùn)行人員反映熱風(fēng)爐經(jīng)常出現(xiàn)脫火的情況。前期檢修人員已經(jīng)將燃燒器拆卸進(jìn)行過(guò)清理，也對(duì)進(jìn)燃燒器前的煤氣管道、送風(fēng)管道進(jìn)行過(guò)檢查清理，不存在管路堵塞的情況；觀察其燃燒器口也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的燒損現(xiàn)象。

運(yùn)行人員現(xiàn)場(chǎng)做了幾次試驗(yàn)，在不開(kāi)送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的情況下，打開(kāi)火焰觀察孔進(jìn)行點(diǎn)火，火能點(diǎn)著，小火情況下還算穩(wěn)定。然后嘗試將煤氣的量慢慢開(kāi)大，火焰擾動(dòng)很厲害，閥門才開(kāi)了一點(diǎn)點(diǎn)，就發(fā)生脫火了。再次嘗試將火點(diǎn)著后，開(kāi)啟送風(fēng)機(jī)，然后慢慢調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)帆板開(kāi)度，調(diào)節(jié)帆板剛開(kāi)到15度左右，火就被吹滅了。連續(xù)試驗(yàn)過(guò)幾次，情況類似，印證了運(yùn)行人員所反饋的脫火現(xiàn)象。

2　問(wèn)題分析

引起脫火的因素比較多，我們先從簡(jiǎn)單的能夠引起火焰燃燒不穩(wěn)定的幾個(gè)因素進(jìn)行驗(yàn)證性排除。

（1）煤氣熱值不穩(wěn)定或者熱值較低

假如煤氣熱值不穩(wěn)定，會(huì)引起火焰燃燒擾動(dòng)；熱值較低，可能點(diǎn)不著，或者點(diǎn)著了容易熄滅。熱風(fēng)爐使用的煤氣是我們公司自產(chǎn)的高爐煤氣，按照經(jīng)驗(yàn)熱值比較穩(wěn)定且基本在3000 kJ/m3以上。為了進(jìn)一步驗(yàn)證，我們兩小時(shí)一次，連續(xù)在進(jìn)燃燒器前的煤氣管道取樣口進(jìn)行煤氣取樣化驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　高爐煤氣熱值取樣分析結(jié)果

從煤氣化驗(yàn)結(jié)果看，煤氣熱值很穩(wěn)定，熱值也較高，均大于3300 kJ/m3，屬于容易著火的燃料介質(zhì)，熱值方面的影響因素已排除。

（2）煤氣壓力不穩(wěn)

若煤氣壓力不穩(wěn)定，將直接導(dǎo)致火焰燃燒狀況不穩(wěn)定。我們?cè)诿簹馊肟陂y前裝了一塊量程為0～20 kPa的膜盒壓力表，煤氣點(diǎn)火后進(jìn)行測(cè)量，表計(jì)顯示煤氣壓力基本在10 kPa保持不動(dòng)，相當(dāng)穩(wěn)定，此項(xiàng)懷疑因素也已排除。

（3）煤氣含水量較大

若煤氣含水量較大，容易出現(xiàn)點(diǎn)火困難的情況，若煤氣管道積水較多，容易將已點(diǎn)著的火澆滅。我們公司的高爐煤氣采用干法除塵，其煤氣含水量比一般的濕法除塵系統(tǒng)含水量低。為進(jìn)一步確認(rèn)，我們沿線檢查了煤氣管道的排水裝置，確認(rèn)了管道排水裝置良好；將煤氣管道進(jìn)燃燒器前的煤氣閥前后的底部排水閥打開(kāi)，也沒(méi)有水流出，此項(xiàng)懷疑因素也已排除。

（4）燃燒器結(jié)構(gòu)缺陷

在上述幾項(xiàng)能夠引起火焰燃燒不穩(wěn)定的因素被排除后，我們分析的重點(diǎn)回到了脫火的成因上。理論上，脫火現(xiàn)象發(fā)生的條件是：燃燒器出口處可燃混合物的法向速度大于火焰的燃燒速度，使得火焰遠(yuǎn)離燃燒器而被吹滅。即，火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n和可燃混合物出口速度Vp之間的關(guān)系：當(dāng)Vp＞Sn時(shí)，燃燒器出現(xiàn)離焰、脫火現(xiàn)象。剔除了測(cè)試過(guò)程中，調(diào)整煤氣流量和送風(fēng)量?jī)蓚€(gè)方面的影響因素后，就只剩最后一個(gè)因素：燃燒器結(jié)構(gòu)缺陷。

仔細(xì)觀察其燃燒器結(jié)構(gòu)，整體設(shè)計(jì)為同心套筒式結(jié)構(gòu)，中心管道采用DN100的碳鋼管，可獨(dú)立拆卸；外圈是DN125的碳鋼管，與爐膛內(nèi)壁焊接一體并延伸至內(nèi)部耐火材料端面變徑至DN150,端面耐火材料呈喇叭狀向爐膛鋪設(shè)。生產(chǎn)時(shí)中心管道進(jìn)煤氣，外圈接助燃風(fēng)機(jī)送入空氣，煤氣直噴出來(lái)在端面與一圈的空氣混合后著火燃燒。這種套筒式的燃燒器優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、燃燒阻力小；但缺點(diǎn)也很突出：燃料、空氣均平行流動(dòng)，混合慢、混合不充分、火焰長(zhǎng)。正是由于燃燒器結(jié)構(gòu)上存在的缺點(diǎn)突出，幾次試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)，燃燒器點(diǎn)著火后，火焰都很長(zhǎng)，火焰根部發(fā)黑，擾動(dòng)也很大；煤氣直噴進(jìn)入與空氣混合后的速度大于了火焰的燃燒速度，使得火焰遠(yuǎn)離燃燒器而容易被吹滅，這是造成頻繁脫火的根源。

3　解決辦法

鑒于上述對(duì)脫火問(wèn)題的排查及分析，要解決本項(xiàng)目研究的問(wèn)題，重點(diǎn)在于改善火焰燃燒速度Sn和煤氣混合物出口速度Vp之間的關(guān)系，將煤氣混合物的出口速度降到火焰燃燒速度之下，遠(yuǎn)離脫火極限。一種直觀的方法，就是在煤氣流量不變的情況下，通過(guò)擴(kuò)大燃燒器的燒嘴橫截面來(lái)降低煤氣流速。但是由于熱風(fēng)爐整體設(shè)備尺寸不大，燃燒器外圈的助燃空氣流道又是固定的，需要同時(shí)擴(kuò)大煤氣和空氣的內(nèi)、外筒直徑，動(dòng)作面積大、效果也不確定，此方案不可取。另一種方法是，保留燃燒器助燃空氣流道的外筒，只對(duì)DN100的煤氣流道內(nèi)筒進(jìn)行改造，目的還是將煤氣流速降低。

在具體方案上，前期我們考慮在燃燒器上DN100的煤氣管出口端面加一個(gè)旋流葉片組，用于改變煤氣流向從直噴改為向四周進(jìn)行擴(kuò)散。但是在制作模型的時(shí)候，碰到了加工及組裝焊接方面的困難：由于管徑較小，按照與管筒軸線45°角設(shè)計(jì)葉片，內(nèi)壁空間上安裝四片葉片就已經(jīng)很困難了。另外從煤氣、空氣混合效果來(lái)看，基本還是平行流動(dòng)，很難實(shí)現(xiàn)充分混合，此方案不予考慮。

經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究、核算，尋找了另一種方案。煤氣管道的直徑為100 mm，其截面積為7850 mm2；助燃空氣流道變徑后端面直徑為150 mm，其截面積17662.5 mm2；環(huán)狀流通面積為9812.5 mm2大于煤氣管道截面積。可以選擇將原直噴出的煤氣在出口端擋住，改變煤氣流動(dòng)方向讓煤氣從四周的環(huán)狀面流出。這種改造方式利用了原助燃空氣流道出口端面的富余空間，可起到兩方面的效果：一是改變了原煤氣流動(dòng)方向，將煤氣流速降低；二是煤氣轉(zhuǎn)彎朝四周環(huán)向通道流出時(shí)與助燃空氣能夠?qū)崿F(xiàn)充分混合，既可提高燃燒效率又能保障燃燒穩(wěn)定。

改造實(shí)施前，經(jīng)查閱相關(guān)資料進(jìn)行了方案的復(fù)核，確定了最終的改造方案：將原燃燒器的煤氣直噴管末端平行截?cái)嗉s80 mm，然后用四個(gè)螺栓平行焊接一塊100 mm的圓形鋼板，保障圓形鋼板與原端面平行。在螺栓之間按照與軸心線45°角同向焊接4塊80×30mm的小鋼板，形成渦形導(dǎo)流葉片。這樣改造的效果是，將原燃燒器從直噴式改為了環(huán)縫渦流式。使用過(guò)程中煤氣先呈筒狀進(jìn)入，在直噴的正前方被圓形擋板阻擋后，通過(guò)向擋板四周的空間擴(kuò)散，經(jīng)過(guò)導(dǎo)流葉片與助燃空氣混合，最終呈渦流狀流出。

2017年9月11號(hào)制定了改造方案后，9月13號(hào)完成了熱風(fēng)爐燃燒器的改造，改造實(shí)施完立即進(jìn)行了20 min的試驗(yàn)，煤氣點(diǎn)火一次成功。在不開(kāi)助燃風(fēng)機(jī)的情況下，加大煤氣量至最大，火焰不脫火；開(kāi)助燃風(fēng)機(jī)后，火焰燃燒更加旺盛。通過(guò)目測(cè)對(duì)比，火焰長(zhǎng)度比改造前短了大約1/3，火焰橫截面比改造前大了約2/3，火焰明亮、燃燒穩(wěn)定、效果良好。連續(xù)經(jīng)過(guò)兩周的生產(chǎn)運(yùn)行， 運(yùn)行人員反映效果很好，火焰大、燃燒旺，點(diǎn)一次火就能燒一次爐，再?zèng)]發(fā)生過(guò)一次脫火現(xiàn)象。

4　結(jié)語(yǔ)

對(duì)于小型爐窯燃燒器的設(shè)計(jì)，部分制造廠商出于成本方面的考慮都不太重視，選用了最簡(jiǎn)單的直噴式結(jié)構(gòu)，由于直噴式結(jié)構(gòu)上存在的缺陷，導(dǎo)致火焰燃燒過(guò)程中很接近脫火極限，容易發(fā)生脫火現(xiàn)象。從節(jié)能燃燒方面考慮，直噴式結(jié)構(gòu)煤氣和空氣平行流動(dòng)，混合不充分，燃燒效果差，也不節(jié)能。而燃燒器發(fā)生脫火，除了浪費(fèi)能源，更大的危險(xiǎn)在于容易引發(fā)煤氣中毒等安全事故。因此，公司在后期新上項(xiàng)目設(shè)備或者類似項(xiàng)目改造中，應(yīng)盡量少選直噴式的燃燒器，可多些考慮環(huán)縫渦流式的燃燒器。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]吳勁,施浩勛，楊永春.分流式駐渦煤粉燃燒器的試驗(yàn)研究.動(dòng)力工程.Vol.14 No.6 Dec.1994·49·