蔡汝林

1　熱風(fēng)爐脫火問題現(xiàn)象

陽春新鋼鐵鋼渣處理間配置了一臺南方某廠生產(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DN300的觀火孔。據(jù)運行人員反映熱風(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)行過清理，也對進(jìn)燃燒器前的煤氣管道、送風(fēng)管道進(jìn)行過檢查清理，不存在管路堵塞的情況；觀察其燃燒器口也沒有發(fā)現(xiàn)明顯的燒損現(xiàn)象。

運行人員現(xiàn)場做了幾次試驗，在不開送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的情況下，打開火焰觀察孔進(jìn)行點火，火能點著，小火情況下還算穩(wěn)定。然后嘗試將煤氣的量慢慢開大，火焰擾動很厲害，閥門才開了一點點，就發(fā)生脫火了。再次嘗試將火點著后，開啟送風(fēng)機(jī)，然后慢慢調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)帆板開度，調(diào)節(jié)帆板剛開到15度左右，火就被吹滅了。連續(xù)試驗過幾次，情況類似，印證了運行人員所反饋的脫火現(xiàn)象。

2　問題分析

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

（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，會引起火焰燃燒擾動；熱值較低，可能點不著，或者點著了容易熄滅。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)驗熱值比較穩(wěn)定且基本在3000 kJ/m3以上。為了進(jìn)一步驗證，我們兩小時一次，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，結(jié)果見表1。

表1　高爐煤氣熱值取樣分析結(jié)果

從煤氣化驗結(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。我們在煤氣入口閥前裝了一塊量程為0～20 kPa的膜盒壓力表，煤氣點火后進(jìn)行測量，表計顯示煤氣壓力基本在10 kPa保持不動，相當(dāng)穩(wěn)定，此項懷疑因素也已排除。

（3）煤氣含水量較大

若煤氣含水量較大，容易出現(xiàn)點火困難的情況，若煤氣管道積水較多，容易將已點著的火澆滅。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，也沒有水流出，此項懷疑因素也已排除。

（4）燃燒器結(jié)構(gòu)缺陷

在上述幾項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，燃燒器出現(xiàn)離焰、脫火現(xiàn)象。剔除了測試過程中，調(diào)整煤氣流量和送風(fēng)量兩個方面的影響因素后，就只剩最后一個因素：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)計為同心套筒式結(jié)構(gòu)，中心管道采用DN100的碳鋼管，可獨立拆卸；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)點是：結(jié)構(gòu)簡單、燃燒阻力??；但缺點也很突出：燃料、空氣均平行流動，混合慢、混合不充分、火焰長。正是由于燃燒器結(jié)構(gòu)上存在的缺點突出，幾次試驗過程中觀測，燃燒器點著火后，火焰都很長，火焰根部發(fā)黑，擾動也很大；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

鑒于上述對脫火問題的排查及分析，要解決本項目研究的問題，重點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，通過擴(kuò)大燃燒器的燒嘴橫截面來降低煤氣流速。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，需要同時擴(kuò)大煤氣和空氣的內(nèi)、外筒直徑，動作面積大、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、空氣混合效果來看，基本還是平行流動，很難實現(xiàn)充分混合，此方案不予考慮。

經(jīng)過仔細(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?？梢赃x擇將原直噴出的煤氣在出口端擋住，改變煤氣流動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斷約80 mm，然后用四個螺栓平行焊接一塊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，通過向擋板四周的空間擴(kuò)散，經(jīng)過導(dǎo)流葉片與助燃空氣混合，最終呈渦流狀流出。

2017年9月11號制定了改造方案后，9月13號完成了熱風(fēng)爐燃燒器的改造，改造實施完立即進(jìn)行了20 min的試驗，煤氣點火一次成功。在不開助燃風(fēng)機(jī)的情況下，加大煤氣量至最大，火焰不脫火；開助燃風(fēng)機(jī)后，火焰燃燒更加旺盛。通過目測對比，火焰長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)過兩周的生產(chǎn)運行， 運行人員反映效果很好，火焰大、燃燒旺，點一次火就能燒一次爐，再沒發(fā)生過一次脫火現(xiàn)象。

4　結(jié)語

對于小型爐窯燃燒器的設(shè)計，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，混合不充分，燃燒效果差，也不節(jié)能。而燃燒器發(fā)生脫火，除了浪費能源，更大的危險在于容易引發(fā)煤氣中毒等安全事故。因此，公司在后期新上項目設(shè)備或者類似項目改造中，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研究.動力工程.Vol.14 No.6 Dec.1994·49·