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超低NO_x平焰烧嘴在加热炉上的应用

林立恒

全球钢企在钢坯加热方面面临两大竞争任务：一是要降低价格不断上涨的燃料消耗，二是要满足日益严格的排放法规。虽然目前普遍用同流换热器降低燃料消耗，但钢坯加热炉所用传统烧嘴结构产生的火焰温度极高，致使排放大量氮氧化物(NO_x)。而较新的低NO_x排放烧嘴，却因加热炉的结构原因，其应用经常受到限制。比利时两座先进的推钢式加热炉(120t／h)同时装用两种侧烧及炉烧超低NO_x烧嘴，为解决上述两大难题提供了参考。

1  讨论

对钢坯加热炉的传统要求是按要求的生产速度将钢坯均匀地加热至规定温度，而且要保证效率。所用烧嘴规格及加热方式必须符合对炉子的各项生产要求(其中包括空载时的要求)。此外，钢坯的均匀加热还要求格外注意烧嘴布置方式，既能符合炉子各项生产要求，同时又保证加热均匀及超低量NO_x排放，这已成为当今先进烧嘴设计的推动力。

比利时在上述加热炉上部均热段配用3排(每排4个)6寸WHI平焰烧嘴，下部均热段配用4个12寸TriO_x侧烧烧嘴；而加热段共装用20个12寸TriO_x侧烧烧嘴(具有高级控制及控制算法CMI Thernfline(专利)。

炉子均热段所装WHI平焰烧嘴的突出特点是采用三级空气分级喷射制，可将NO_x及CO排放减至最低。按需要可配备的烧嘴火焰类型有两种：一种是传统火焰型，此时炉子冷态起动，空气喷射级次少，产生的CO最少；另一种是Invisiflame^®型，空气喷射级次较多，炉子高温产生的NOx最少。WHI平焰烧嘴还有一个特点，就是多层次精细控制空气分级喷射时在各喷射级周围取适当角度集中喷射燃料，最有效地减少NO_x及CO排放，并使火焰具有最佳几何形状。此烧嘴的前两级空气喷射级保证低温运作时，稳定火焰，维持固定温度，而最后一级即第三级是气流旋转级，其气流旋转系数定义如下：

S=G_Φ／(G_x·R)    (1)

式中：G_Φ—角动量轴向通量；G_x—轴向推力；R—烧嘴出口半径。

对叶片式轴流旋转器作进一步简化，得：

S=2／3{[1－(R_h／R)³]／[1－(R_h／R)²]}·tanα    (2)

式中：R_h—叶片式轴流旋转器轮毂半径或内半径；α—旋转叶片相对中心轴的角度。

上述气流旋转系数是通过一系列试验得出的。试验证明，当S=0．7时所形成的火焰几何形状最好，旋转力强，加之多个角度喷射燃料及有导流气腔配合，使形成的平焰虽然与传统状态相同，但NO_x及CO排放量极少。即实现超低排放。

具体运作情况是：一旦燃烧室内的温度超过燃料自行点火温度，马上由烧嘴内的旁通阀及伺服装置调整空气分级喷射比率，以最快速度改变火焰稳态温度，更大程度地减少NO_x排放，而同时仍保持平焰或Invisiflame^®火焰形式。采用Invisiflame^®燃烧方式时，烧嘴加热能力达820kW，温度也分布最佳。原因有三：一是燃料及空气入口具有最佳几何形状；二是空气分级喷射可以精细控制；三是有强力旋转的配合。这些条件使火焰区得以随机收缩机伸展，使炉内气体进入烧嘴中轴内，进一步降低火焰峰值温度。值得一提的是，烧嘴附近区域温度非常低。虽然炉温达1250℃及助燃空气预热至482℃，但此时火焰峰值温度仍保持在最高1760℃的水平上。虽然炉顶近处存在不利因素，但烧嘴内形成的原生混合燃烧物，即天然气／空气—燃料混合气体仍能平稳进行燃烧。此燃烧过程是在可燃性的下限附近发生，因而无论是快速型NO_x还是热力型NO_x的产生量都大幅降低。在炉温1250℃及助燃空气预热至482℃的条件下，典型NO_x排放量约为117mg／Nm³，O₂为3％(57ppm)。火焰总长度限定在100mm以内。此外，由于平焰形状能在炉顶纵向均匀“布热”，使钢坯受到反向热辐射，因而炉床或炉内钢坯加热覆盖率极高。

且单侧烧嘴或纵向烧嘴将钢坯升温到接近均热温度的作法较为普遍。而这一加热过程所用热量占炉内所需热量的大部分，因此达到均匀加热中的燃料高利用率及NO_x和CO的超低量排放，关键取决于炉子加热段所采用的烧嘴技术及炉子结构。鉴于此，采用另一种超低NO_x排放烧嘴。这种烧嘴也能低温点火并在一般加热段操作温度下高效加热，同时NO_x及CO排放量极低。

这种TriO_x烧嘴也是用三级空气喷射结构对加热段进行加热，生产效率最高，NO_x排放量最少，而空气预热温度极高。与WHI烧嘴不同的是，其三级喷射中的第三级是将空气向前直射而非使气流旋转，这样火焰就变得较长，可完全覆盖炉子横向空间。这种烧嘴可配置开闭阀，为一、二级喷气输送更多空气，以降低起动温度，并在一达到燃料自行点火条件时，马上向空气喷射的第三级气腔里送入更多空气，从而最大限度减少排放及降低火焰峰值温度。

采用Invisiflame^®方式加热时，TriO_x烧嘴轴线纵向温度分布更佳。此时分级喷射的空气到达高温炉段，无传统常见的火焰介入；由于炉内烟气流进，故火焰峰值温度被降至最高不超过1600℃。

2  加热炉模拟结果

利用ANSYS^®Fluent^®软件，采用质量、动量、能量守恒方程及湍流量迁移方程的数值解建立了燃烧产物的流动模型。运用了湍流的标准k-ε模型及计算燃烧反应速率的涡流制动模型。此外还用离散坐标辐射模型及灰气体加权模拟了辐射换热。

在炉子上部均热段总共装用16个6寸WHI烧嘴，烧嘴加热能力超过350kW。模拟是在典型烧嘴加热速率150kW及助燃空气

温度为500℃下进行的。均热段横向及纵向温度分布计算结果表明，即使降低加热速率时，在上部均热段纵横两个方向上炉顶有效受热范围内，温度仍分布均匀。

从加热炉内加热钢坯上方127mm处水平断面上的温度分布状况来看，虽然因受人为施加的边界条件不对称影响，模型未能预测出温度偏低的“冷边”状况，但最高温度仅略高于均热段平均温度的设定值，即与1255℃只相差±4．5℃。不考虑未预测到的四周冷边温度，模型预测的加热炉出钢温度平均温差仅为±2．5℃。

此外，还用简易稳态模型进行了上部加热段模拟。此段装用TriO_x2012型烧嘴共10个，在一个平面左右侧交错排列(每列5个)。这种布置只是为了进行Invisiflame^®式加热。每个烧嘴加热速率设定为2050kW，助燃空气预热温度也是500℃。预热速率及温度分布结果表明，采用很高的空气预热速度，虽然能将火焰峰值温度降至最低并将高温区缩至最小，从而将NO_x排放减至最少，但此时火焰变得过长，会造成钢坯有效加热范围很不均匀。模型预测峰值温度仅为1650℃，典型NO_x排放量约为98mg／Nm³，O₂为3％(48ppm)，此时的炉温为1250℃，助燃空气预热温度为500℃。

3  结语

两种独特超低NO_x排放烧嘴的应用能使加热炉制造企业及钢铁企业符合降低燃料消耗及满足日益严格排放法规的竞争需要。炉子均热段上炉顶所装WHI平焰烧嘴及加热段炉侧所装TriO_x烧嘴，不但能使加热炉符合各项生产要求，而且还能满足钢铁行业面临的经济及环境要求。通过烧嘴规格、布置形式及火焰几何形状的合理选配，可以更有效地保持温度均匀及产品加热质量的稳定性。所作的加热炉模拟试验证实，上述两种最先进的烧嘴产品能使加热炉结构全面满足钢厂对加热炉性能的要求。