低NOx调焰烧嘴技术的转化与研发

低NOx调焰烧嘴技术的转化与研发 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, 造价低,操作维护方便,是国内继上钢一厂1780 mm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,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.1 2.3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,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0, 30%范围调节,燃烧所需要的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.实现了SDF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:"SGL—xxx". 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. 3.4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)),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 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(~<800~C)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. 4.2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. 26 m 砸芑三噱一?阡00S7G54~_