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MEng

Metallurgical Engineering

2373-1478

Scientific Research Publishing

10.12677/MEng.2019.64027

MEng-33129

MEng20190400000_33803211.pdf

工程技术

脉冲调焰烧嘴不同功率下NO _x排放研究 Study on NO _xEmission from Pulse Flame-Adjusting Burner at Different Power

沈

权

² ¹ 邓

美玲

² ¹ 李

国杰

² ¹

宝钢工程技术集团有限公司，上海

null

30 09 2019

06 04 196 203

2014

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

本文针对脉冲调焰烧嘴在不同功率下的NO_x排放进行了研究，发现了NO_x排放在不同运行功率下的变化规律，为降低NO_x排放提供了一定的理论依据。 In this paper, the NO_xemission of pulse flame-regulated burner under different power is studied, and the variation rule of NO_xemission under different power is found. It provides a theoretical basis for reducing the emission of NO_x.

脉冲调焰烧嘴，NO _x排放，长火焰，短火焰, Pulse Flame-Regulated Burner NO _xEmissions Long Flame Short Flame

脉冲调焰烧嘴不同功率下NO<sub>x</sub>排放研究<sup> </sup>

沈权，邓美玲，李国杰

宝钢工程技术集团有限公司，上海

收稿日期：2019年11月5日；录用日期：2019年11月18日；发布日期：2019年11月25日

摘要

本文针对脉冲调焰烧嘴在不同功率下的NO_x排放进行了研究，发现了NO_x排放在不同运行功率下的变化规律，为降低NO_x排放提供了一定的理论依据。

关键词 :脉冲调焰烧嘴，NO_x排放，长火焰，短火焰

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 概述

脉冲烧嘴是冶金行业加热炉普遍采用的一种加热工具，NO_x是燃气燃烧后产生的一系列危害环境的气体(NO_x是NO，NO₂等几种氮氧化合物的总称)。随着人类环保意识的加强和国家相关法律法规的就进一步要求，对NO_x排放的关注已经提高到了前所未有的高度。脉冲烧嘴具备不同燃烧模式(长、短火焰)及不同功率燃烧的功能，本文研究了脉冲烧嘴在实验室模拟现场不同工艺需求，在不同功率燃烧模式和不同功率下的NO_x排放规律，为降低NO_x排放提供了参考。

2. 产品概述

该烧嘴主要是由烧嘴砖、壳体、长短火焰切换阀等附属部分组成。应用在大型板坯加热炉上。烧嘴结构图见图1：

图1. 烧嘴装配剖面图(示意)

烧嘴基本参数见表1：

Table 1 Basic parameters of burner

项目	参数	单位	项目	参数	单位
烧嘴名称	脉冲调焰烧嘴		烧嘴型号	WFMB-G7 (样品)
烧嘴能介	混合煤气		点火能介	焦炉煤气
能介低位热值	8100	KJ/Nm³	火焰检测方式	电离
额定功率	1840	kW	工艺炉温	1200	℃
设计额定空燃比	1.05

表1. 烧嘴基本参数

3. 实验条件概述 3.1. 介质条件

实验用混合煤气采用高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气三种煤气进行混合 [ 1 ]，与现场的混合煤气配比方式一致，热值8000~8100 KJ/Nm³，成分见表2：

Table 2 Composition and calorific value of mixed ga

H₂	O₂	N₂	CH₄	CO	CO₂	C₂H₄	C₂H₆	C₃H₆	热值
%	%	%	%	%	%	%	%	%	KJ/Nm³
17.3	0.175	29.23	6.28	29.08	17.21	0.45	0.125	0	8100

表2. 混合煤气成分及热值

不同烧嘴功率下的混合煤气配比及空气量 [ 2 ]，按照空燃比1:1.05计算空气量，详见表3：

Table 3 Mixed gas volume corresponding to different powe

烧嘴型号	烧嘴功率	实验用气	热值	混合比例	不同烧嘴功率对应的气体量(Nm³)
	KW.h		KJ/m³	混合比例	30%	50%	80%	100%
WFMB-G7	1840	高炉煤气	3277	45%	112	187	300	375
		焦炉煤气	17,098	25%	62	104	167	208
		转炉煤气	7894	30%	75	125	200	250
		总流量		100%	250	416	666	833
		空气量	1:1.05	1.88	470	783	1252	1566

表3. 不同功率对应的混合气体量

3.2. 实验炉条件与生产符合性

实验炉按照生产现场模拟生产现场加热炉的模式设计，试验炉设有燃气供配气系统、助燃风系统、排烟系统、冷却水系统等配套设施。试验炉能模拟烧嘴不同功率条件下燃烧的工况。

3.3. 实验系统

明火炉实验系统由供气系统(空气 + 煤气)、烧嘴及控制系统(含BCU)、辐射管试验炉及温度检测系统和烟气排放及检测系统组成。煤气系统取自××钢铁厂煤气主管道(含高炉、焦炉、转炉煤气)、经减压阀减压后到实验室混合管混合。进入实验室的煤气管道布设压力、流量检测装置。空气系统由离心式助燃风机(含变频器)、压力、流量检测装置及相关管道阀门组成。煤气、空气管道将实验所需气体送到烧嘴附件，按照实验要求采用软管连接到烧嘴接口。烧嘴燃烧(点火 + 信号)由一台BCU控制及采集。辐射管炉内按照等距离布置热电偶检测烧嘴工作时的温度场分布。烟气排放及检测系统由排烟风机、温度、压力、流量检测及相关管道(阀门)组成。烟气排放系统根据辐射管炉压力需求、排烟压力、排烟温度实时控制。详见图2：

图2. 明火炉烧嘴测试系统原理图

4. 实验过程简述 4.1. 实验过程

在封闭炉膛的状态下测试烧嘴在不同功率下的烟气成分 [ 3 ]。从10%功率开始至100%功率，依次调节供风量、煤气量，能介流量稳定在要求的范围内及火焰稳定后，记录烟气成分。

4.2. 实验注意事项

➢ 当CO含量小于50 ppm，O₂含量在0.3%范围内波动时，记录烟气成分。

5. 测定数据 5.1. 嘴前空煤气参数

在短火焰模式时测得烧嘴的各燃烧功率下的空气和煤气流量、嘴前压力，数据见表4：

Table 4 Measurements of mixing flow rate and burner pressure under different working conditions in short flame mod

序号	工况说明	介质流量					烧嘴部位压力
	烧嘴功率、火焰模式	高炉	焦炉	转炉	混合煤气	空气	一次风	二次风	煤气
	烧嘴功率、火焰模式	Nm³/h	Nm³/h	Nm³/h	Nm³/h	Nm³/h	Pa	Pa	Pa
1	10%功率，短火焰	77	45	52	174	333	30		18
2	30%功率，短火焰	237	130	162	529	1087	194		91
3	50%功率，短火焰	377	218	252	847	1663	1621		195
4	80%功率，短火焰	597	346	403	1346	2966	1590		440
5	100%功率，短火焰	731	427	508	1666	3187	2390		680

表4. 实测短火焰模式时不同工况下混合流量和烧嘴前压力

在长火焰模式时烧嘴不同功率的空气和煤气流量、嘴前压力数据见表5：

Table 5 Measurements of mixed gas flow and pre-burner pressure under different working conditions in long flame mod

序号	工况说明	介质流量					烧嘴部位压力
	烧嘴功率、火焰模式	高炉	焦炉	转炉	混合煤气	空气	一次风	二次风	煤气
	烧嘴功率、火焰模式	Nm³/h	Nm³/h	Nm³/h	Nm³/h	Nm³/h	Pa	Pa	Pa
1	10%功率，长火焰	76	45	51	172	333		26	18
2	30%功率，长火焰	238	130	160	528	1007		178	93
3	50%功率，长火焰	390	220	252	862	1700		1560	205
4	80%功率，长火焰	620	345	404	1369	2913		1290	490
5	100%功率，长火焰	731	427	509	1667	3200		2003	713

表5. 实测长火焰模式时不同工况下混合煤气流量和烧嘴前压力

5.2. 烟气排放指标

烟气排放指标主要是指烟气成分的测量，包括O₂、CO、CO₂、NO、NO_x、SO₂等成分 [ 4 ]。在烧嘴标定中，记录额定功率下的排烟成分和不同烧嘴功率时的排烟成分。不同工况下烟气成分见表6 (烟气成分测量时，需保证实验炉为微正压，在0~20 Pa之间，以防止空气吸入对烟气成分测量的影响)：

Table 6 Flue gas composition under different operating condition

工况说明	介质流量		烟气成分
	燃气	空气	O₂	CO₂	CO	NO	NO_x	NO₂	H₂
	Nm³/h	Nm³/h	%	%	ppm	ppm	ppm	ppm	%
30%功率，短火焰	253	400	2.79	18.8	1	32	32	0	0
50%功率，短火焰	415	808	7	15	3	35	35	0	0
80%功率，短火焰	686	1281	1.14	20.8	3	31	31	0	0
100%功率，短火焰	784	1530	0.04	21.3	29	24	30	0	0
30%功率，长火焰	247	400	0.76	21.7	1	17	17	0	0
50%功率，长火焰	410	783	6.81	14.9	4	33	33	0	0
80%功率，长火焰	677	1236	3.33	17.7	1	36	36	0	0
100%功率，长火焰	774	1618	0.7	20.4	15	40	40	0	0

表6. 不同工况下烟气成分

5.3. 烟气成分分析 5.3.1. 短火焰模式

试验对烧嘴功率在30%，50%，80%和100%的工况下，短火焰模式下的烟气成分进行检测 [ 5 ]，见表7。

Table 7 Flue gas composition under different working conditions in short flame mod

工况说明	介质流量		烟气成分
	燃气	空气	O₂	CO₂	CO	NO	NO_x	NO₂	H₂
	Nm³/h	Nm³/h	%	%	ppm	ppm	ppm	ppm	%
30%功率，短火焰	253	400	2.79	18.8	1	32	32	0	0
50%功率，短火焰	415	808	7	15	3	35	35	0	0
80%功率，短火焰	686	1281	1.14	20.8	3	31	31	0	0
100%功率，短火焰	784	1530	0.04	21.3	29	24	30	0	0

表7. 短火焰模式时不同工况下烟气成分

按照加热炉排放标准转化各成分排放量，以8%的氧含量为基准，同时单位转换为mg/m³，见表8。

Table 8 Flue gas compositions converted in accordance with environmental emission standard

工况说明	介质流量		烟气成分
	燃气	空气	O₂	CO₂	CO	NO	NO_x	NO₂	H₂
	Nm³/h	Nm³/h	%	%	mg/m³	mg/m³	mg/m³	mg/m³	%
30%功率，短火焰	253	400	8	13.42	0.89	30.60	46.91	0	0
50%功率，短火焰	415	808	8	13.93	3.48	43.53	66.74	0	0
80%功率，短火焰	686	1281	8	13.62	2.45	27.18	41.67	0	0
100%功率，短火焰	784	1530	8	13.21	22.48	19.94	38.21	0	0

表8. 按照环保排放标准转换后的烟气成分

按照标准氧含量8%折算后的烟气成分中NO_x的趋势见图3。

图3. 折算后的烟气成分中No_x的趋势

5.3.2. 长火焰模式

试验对烧嘴功率在10%，30%，50%，80%和100%的工况下，长火焰模式下的烟气成分进行检测，见表9。

Table 9 Flue gas composition under different operating conditions in long flame mod

工况说明	介质流量		烟气成分
	燃气	空气	O₂	CO₂	CO	NO	NO_x	NO₂	H₂
	Nm³/h	Nm³/h	%	%	ppm	ppm	ppm	ppm	%
30%功率，长火焰	247	400	0.76	21.7	1	17	17	0	0
50%功率，长火焰	410	783	6.81	14.9	4	33	33	0	0
80%功率，长火焰	677	1236	3.33	17.7	1	36	36	0	0
100%功率，长火焰	774	1618	0.7	20.4	15	40	40	0	0

表9. 长火焰模式时不同工况下烟气成分

按照加热炉排放标准转化各成分排放量，以8%的氧含量为基准，单位转换为mg/m³，见表10：

Table 1 0 Flue gas compositions converted in accordance with environmental emission standard

工况说明	介质流量		烟气成分
	燃气	空气	O²	CO²	CO	NO	NO_x	NO²	H²
	Nm³/h	Nm³/h	%	%	mg/m³	mg/m³	mg/m³	mg/m³	%
30%功率，长火焰	247	400	8	13.94	0.80	14.62	22.42	0	0
50%功率，长火焰	410	783	8	13.65	4.58	40.49	62.08	0	0
80%功率，长火焰	677	1236	8	13.02	0.92	35.47	54.39	0	0
100%功率，长火焰	774	1618	8	13.06	12.01	34.31	52.60	0	0

表10. 按照环保排放标准转换后的烟气成分

按照标准氧含量8%折算后的烟气成分中NO_x的趋势见图4：

图4. 折算后的烟气成分中NO_x的趋势

5.4. 结论

1) 短火焰和长火焰的情况下，均出现随着功率增大，NO_x浓度在功率较小时随着功率的增加先出现较快升高，在50%功率之后NO_x浓度随着功率的增加而减少的情况；

2) 短火焰和长火焰比较，长火焰在烧嘴功率较低时产生的NO_x浓度要比短火焰浓度低很多，但当烧嘴功率达到100%时，长火焰在烧嘴功率较低时产生的NO_x浓度要比短火焰浓度要高。

文章引用

沈权,邓美玲,李国杰. 脉冲调焰烧嘴不同功率下NO_x排放研究Study on NO_xEmission from Pulse Flame-Adjusting Burner at Different Power[J]. 冶金工程, 2019, 06(04): 196-203. https://doi.org/10.12677/MEng.2019.64027

参考文献

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