CN112285158A - 一种冶金煤气燃烧特性的测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种冶金煤气燃烧特性的测试装置及方法，装置包括连接的混气装置(13)、混合煤气管道(16)、烧嘴(1)、燃烧炉(2)、均风室(6)、烟气管路(7)，供风管道(9)的一端部与烧嘴(1)连接；还包括取气孔(3)、流量检测调节装置(15)和温度检测装置(14)，气体分析系统(8)通过切换阀组(17)分别与取气孔(3)连接。方法通过装置设计和配套测试，快速单独调节煤气配比获得不同组分和流量的混合煤气，也能调节空气流量，将煤气燃烧与烟气排放实现动态对应，得到煤气成分与温度、烟气的对应关系。解决燃气炉窑煤气燃烧存在空煤比不合理、煤气成分与烟气成分对应关系不明确，导致不节能和尾气超标等问题。

Description

一种冶金煤气燃烧特性的测试装置及方法
技术领域
本发明涉及一种冶金煤气燃烧特性的测试装置及方法，属于钢铁企业煤气燃烧研究装备与测试技术领域。
背景技术
钢铁企业生产过程中，各类大型工业炉窑加热炉、热风炉、锅炉和焦炉等、钢包烘烤等以燃烧的方式消耗和平衡企业内部自产的大量冶金煤气，在煤气燃烧—热量回收—热量损耗—烟气外排过程中，煤气燃烧参数均比照设备厂家提供的设计参数运行，当煤气量及成分波动时，可能导致操作调整盲目性增大，缺乏精准的指导以及造成操作适应性较差，由此导致企业对燃烧及控制能耗水平、烟气排放及NOx浓度是否处于合理可控状态情况不清楚。具体表现在：1、从燃料角度看，基于钒钛矿冶炼副产的三种类型煤气成分和低位发热值差异较大，燃烧特性各不相同，理论最佳空煤比与烟气成分的对应关系不清楚，煤气燃烧供热不能保证控制在最佳配比区间；2、从生产操作角度看，各炉窑与工艺、管网结合紧密，小时煤气耗量多在几万立方米级，受漏风、漏损等综合因素的影响，很难做到高效供热影响因素的权重分析，无法从单因素角度进行技术研究和调控；3、国家和地方政府的节能环保监管法律法规，对炉窑效率、烟气NOx排放浓度监管要求越来越高，从燃质和高温燃烧源头开展低氮燃烧研究不具备试验平台基础，完全依赖末端脱硝压力大、成本高；4、富氧燃烧技术等在燃气炉窑领域工业应用很少，主要原因为缺乏中间试验平台验证，直接工业化应用资金投入大并存在较高的技术风险。
此外，实际生产及研究中，钢铁企业燃气炉窑单位时间煤气消耗量较大，同时受到上述制约因素和被加热产品质量要求等综合影响，几乎不可能直接在生产炉窑上开展系统的煤气燃烧特性等专项试验。即便创造条件开展，也很难辨别和研究各因素的影响权重，无法从操控上加以区分导致难以实现精准控制。因此，工业炉窑的生产操控大多依赖经验调整，已经不适应现代化钢铁企业生产精准操控和国家政策节能环保政策监管的需要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是钢铁企业中燃气炉窑的煤气燃烧存在空煤比不合理、煤气成分与燃烧后烟气成分对应关系不明确，导致煤气燃烧供热不在最佳节能技术参数点，或烟气中NOx、SO2排放与煤气供热需求不统一。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种冶金煤气燃烧特性的测试装置，包括混气装置、混合煤气管道、烧嘴、燃烧炉、均风室、烟气管路、供风管道、气体分析系统和切换阀组，所述混气装置、混合煤气管道、烧嘴、燃烧炉、均风室、烟气管路依次连接，供风管道的一端部与烧嘴连接，所述混气装置侧壁上间隔设置有高炉煤气管道、转炉煤气管道和焦炉煤气管道；还包括取气孔、流量检测调节装置和温度检测装置，所述取气孔和温度检测装置设置在燃烧炉、供风管道、混合煤气管道和烟气管路上，且燃烧炉上的取气孔和温度检测装置至少为3个，流量检测调节装置设置在供风管道、混合煤气管道和烟气管路上，气体分析系统通过切换阀组分别与取气孔连接。
其中，上述装置中所述均风室的进、出口处均设置有均风器。
其中，上述装置中所述燃烧炉远离烧嘴端部设置有可密闭检修门。
其中，上述装置中所述燃烧炉上的温度检测装置为3至5个，且沿轴线间隔设置。
其中，上述装置中所述取气孔为六个，且三个取气孔均匀间隔设置在同一圆周上，六个取气孔分为两组分别设置在燃烧炉炉中和炉尾外壁上。
其中，上述装置中所述温度检测装置设置在取气孔处的燃烧炉侧壁上。
其中，上述装置中气体分析系统还包括取气孔各管路的自动切换、设定流量的自动调节、检测和分析数据的集中显示功能的模块。
其中，上述装置中所述气体分析系统包含煤气成分分析仪、烟气成分分析仪以及集中控制和数据采集集成系统。
一种冶金煤气燃烧特性的测试方法，包括上述测试装置，其步骤如下：
a、提前调试并记录煤气成分分析仪包含气体采集和分析相应时间的总分析测定时间为t1，烟气气体采集和分析相应时间的总分析测定时间为t2，切换阀组的操作切换时间为t3，根据煤气流速计算的从煤气取气点至烟气取气点的气体流动时间为t4；设定烟气取气操作的提前量时间为t5；
b、当燃烧炉开始煤气稳定燃烧具备测试条件后，进行轮询测试分析：供风管道提前预设并且提供稳定的空气，其精准成分测试时间点基准为t0；混合煤气采集和分析相应时间的总分析测定完成时间为t0+t1；从炉身至烟气管道的各点烟气成分从对应取气孔采集后轮流分析，各点烟气及时成分测试完成时间分别为t0+t2+t3；煤气和烟气及时性成分对应的时间关系为煤气t1+t4＝t2+t3-t5或t5＝t2+t3-t1-t4；
c、调整供风流量或调整煤气流量条件下，进一步保持混合煤气成分、调整混合煤气成分以及燃烧逐步升温过程中，重复步骤b，即可在预先设定的空气过剩系数条件下实现煤气成分与烟气成分的及时性组分对应关系测定；
d、并记录燃烧炉炉身取气孔处对应的气体及时成分分析时间点的温度T，依据该时间点得到的取气孔气体成分可获得煤气成分、空气成分对应燃烧时间温度得到的烟气成分中SO2、NOx的变化情况，从而得到时间系列的精准煤气燃烧特性参数。
其中，上述方法中所述供风管道可在温度检测前配入氧气或对进行预热处理。
本发明的有益效果是：本装置和方法在自由调整混合煤气组分和空煤比条件下，创新性的实现混合煤气与燃烧烟气成分实时对应关系测试，搞清了煤气成分与燃烧烟气排放的本质特征，从燃烧控制源头上解决了高效燃烧供热，或者合理燃烧供热与烟气排放满足相关要求的空煤比最佳参数统一问题，具有良好的推广应用前景。实际通过装置设计和配套的测试方法，创新性的采用小型实验装置，快速单独调节煤气配比获得不同组分和流量的混合煤气，亦能够快速调节空气流量，将煤气燃烧与烟气排放成分关系实现动态连续匹配对应，测试可按定温度下不同混合煤气组分、同组分混合煤气燃烧温度逐步升高等条件下形成煤气成分与温度、烟气组分的对应关系。本方法一方面能够找到不同类型和组分的冶金煤气最佳空煤比燃烧参数，实现煤气的最高效供热；另一方面能够建立冶金煤气燃烧供热过程中煤气组分与烟气排放的实时对应关系，从而实现合理燃烧供热与烟气排放满足相关技术要求的最佳统一。采用本发明装置及方法的测试数据，能够快速的移植到工业燃烧炉窑生产中，对推动钢铁企业冶金煤气燃烧的节能技术进步，实现生产过程烟气达标排放具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中标记为：1是烧嘴，2是燃烧炉，3是取气孔，4是检修门，5是均风器，6是均风室，7是烟气管路，8是气体分析系统，9是供风管道，10是高炉煤气管道，11是转炉煤气管道，12是焦炉煤气管道，13是混气装置，14是温度检测装置，15是流量检测调节装置，16是混合煤气管道，17是切换阀组。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明的一种冶金煤气燃烧特性的测试装置，包括混气装置13、混合煤气管道16、烧嘴1、燃烧炉2、均风室6、烟气管路7、供风管道9、气体分析系统8和切换阀组17，所述混气装置13、混合煤气管道16、烧嘴1、燃烧炉2、均风室6、烟气管路7依次连接，供风管道9的一端部与烧嘴1连接，所述混气装置13侧壁上间隔设置有高炉煤气管道10、转炉煤气管道11和焦炉煤气管道12；还包括取气孔3、流量检测调节装置15和温度检测装置14，所述取气孔3和温度检测装置14设置在燃烧炉2、供风管道9、混合煤气管道16和烟气管路7上，且燃烧炉2上的取气孔3和温度检测装置14至少为3个，流量检测调节装置15设置在供风管道9、混合煤气管道16和烟气管路7上，气体分析系统8通过切换阀组17分别与取气孔3连接。本领域技术人员能够理解的是，取气孔3数量为多个且分别设置在燃烧炉2、供风管道9、混合煤气管道16和烟气管路7上，而气体分析系统8用于检测不同取气孔3处的气体，故取气孔3应通过取样管到与气体分析系统8连接，为了方便控制取样气体，本装置优选气体分析系统8通过切换阀组17分别与取气孔3连接。
优选的，上述装置中所述均风室6的进、出口处均设置有均风器5。本领域技术人员能够理解的是，为了保证燃烧炉2至均分室的气体中组分均匀混合，本装置优选均风室6的进、出口处均设置有均风器5，均分器为现有技术，这种设置可使得烟气管路7内的气体均匀混合，测出的数据更准确。
优选的，上述装置中所述燃烧炉2远离烧嘴1端部设置有可密闭检修门4。本领域技术人员能够理解的是，为了方便燃烧炉2检修，本装置优选在燃烧炉2远离烧嘴1端部设置有可密闭检修门4，通过检修门4可快速实现燃烧炉2的检修工作。
优选的，上述装置中所述燃烧炉2上的温度检测装置14为3至5个，且沿轴线间隔设置。本领域技术人员能够理解的是，为了保证测温准确，本装置优选燃烧炉2上的温度检测装置14为3至5个，且沿轴线均匀间隔设置。
优选的，上述装置中所述取气孔3为六个，且三个取气孔3均匀间隔设置在同一圆周上，六个取气孔3分为两组分别设置在燃烧炉2炉中和炉尾外壁上。本领域技术人员能够理解的是，本装置为了转却测出混合气体进入燃烧炉2和在燃烧炉2反应后的烟气组分，本装置优选在燃烧炉2炉中和炉尾外壁上均设置3个取气孔3，且上述3个取气孔3沿炉壁圆周均匀间隔设置，且两个取气孔3的夹角为120°。
优选的，上述装置中所述温度检测装置14设置在取气孔3处的燃烧炉2侧壁上。本领域技术人员能够理解的是，为了保证测温准确，本装置优选将温度检测装置14设置在取气孔3处的燃烧炉2侧壁上。
优选的，上述装置中气体分析系统8还包括取气孔3各管路的自动切换、设定流量的自动调节、检测和分析数据的集中显示功能的模块。本领域技术人员能够理解的是，为了便于实际操作和简单读数，本装置优选气体分析系统8还包括取气孔3各管路的自动切换、设定流量的自动调节、检测和分析数据的集中显示功能的模块。
优选的，上述装置中所述气体分析系统8包含煤气成分分析仪、烟气成分分析仪以及集中控制和数据采集集成系统。本领域技术人员能够理解的是，为了满足本装置的测试数据要求，本装置优选气体分析系统8包含煤气成分分析仪、烟气成分分析仪以及集中控制和数据采集集成系统。
一种冶金煤气燃烧特性的测试方法，包括上述测试装置，其步骤如下：
a、提前调试并记录煤气成分分析仪包含气体采集和分析相应时间的总分析测定时间为t1，烟气气体采集和分析相应时间的总分析测定时间为t2，切换阀组17的操作切换时间为t3，根据煤气流速计算的从煤气取气点至烟气取气点的气体流动时间为t4；设定烟气取气操作的提前量时间为t5；
b、当燃烧炉2开始煤气稳定燃烧具备测试条件后，进行轮询测试分析：供风管道9提前预设并且提供稳定的空气，其精准成分测试时间点基准为t0；混合煤气采集和分析相应时间的总分析测定完成时间为t0+t1；从炉身至烟气管道的各点烟气成分从对应取气孔3采集后轮流分析，各点烟气及时成分测试完成时间分别为t0+t2+t3；煤气和烟气及时性成分对应的时间关系为煤气t1+t4＝t2+t3-t5或t5＝t2+t3-t1-t4；
c、调整供风流量或调整煤气流量条件下，进一步保持混合煤气成分、调整混合煤气成分以及燃烧逐步升温过程中，重复步骤b，即可在预先设定的空气过剩系数条件下实现煤气成分与烟气成分的及时性组分对应关系测定；
d、并记录燃烧炉2炉身取气孔3处对应的气体及时成分分析时间点的温度T，依据该时间点得到的取气孔3气体成分可获得煤气成分、空气成分对应燃烧时间温度得到的烟气成分中SO2、NOx的变化情况，从而得到时间系列的精准煤气燃烧特性参数。
优选的，上述方法中所述供风管道9可在温度检测前配入氧气或对进行预热处理。本领域技术人员能够理解的是，为了减小供风管道9的气体输入造成燃烧炉2炉内降温造成煤气不完全燃烧，影响测试烟气数据。本方法优选供风管道9可在温度检测前配入氧气或对进行预热处理。
实施例1
一种冶金煤气燃烧特性的测试装置及方法，包括附图所示的烧嘴1、燃烧炉2等各组成部件。测试准备阶段，供风管道9的空气流量和混合煤气管道16的煤气流量已设定，打通阀门开关通过烧嘴1在燃烧炉2内燃烧稳定后开始测试分析，同时根据管径和气体流量计算得到煤气燃烧生成烟气到达炉身取气孔3时间为1.5秒(t4)，烟气切换阀组17的相应时间为1.1秒(t3)，气体分析系统8对烟气气体采集和分析相应时间的总分析测定时间为95秒(t2)。测试开始时，气体分析系统8首先完成空气成分分析的基准时间点为t0,t0后65秒t1完成煤气的采集与分析获得煤气组分结果，对炉身的烟气取气操作的提前量时间t5＝t2+t3-t1-t4＝95+1.1-65-1.5＝29.6秒，即设定煤气测试分析开始后29.6秒设定燃烧炉2炉身上的取气孔3烟气测试分析自动开始。完成一组测试后，按上述方法设置不同位置取气孔3的烟气达到时间t4，可完成同时间基准的空气组分、煤气组分和燃烧过程烟气组分的精准对应关系测试，亦可根据流量检测计算出不同空煤比条件下的过程精准烟气组分情况。
实施例2
一种冶金煤气燃烧特性的测试装置及方法，包括附图所示的烧嘴1、燃烧炉2等各组成部件。测试准备阶段，供风管道9的空气流量和混合煤气管道16的煤气流量已分别设定为320Nm3/h和100Nm3/h，其中混合煤气由30％高炉煤气和70％焦炉煤气混合而成。开启煤气和空气阀门开关通过烧嘴1在燃烧炉2内燃烧稳定后开始测试分析，同时根据管径和气体流量计算得到煤气燃烧生成烟气到达烟气管道取气孔3时间为1.4秒(t4)，烟气切换阀组17的相应时间为1.1秒(t3)，气体分析系统8对烟气气体采集和分析相应时间的总分析测定时间为95秒(t2)。测试开始时，气体分析系统8首先完成空气成分分析的基准时间点为t0,t0后65秒t1完成煤气的采集与分析获得煤气组分结果，对炉身的烟气取气操作的提前量时间t5＝t2+t3-t1-t4＝95+1.1-65-1.4＝29.7秒，即设定煤气测试分析开始后29.7秒设定烟气管道的取气孔3烟气测试分析自动开始。完成一组测试并根据测试分析结果，计算可得到空煤比为3.2、空气过剩系数为1.05，烟气中残O2含量1.01％，烟气中SO2浓度为193.53mg/Nm3，NOx浓度为41.5mg/Nm3。由此可以判定，在该混合煤气成分条件下，空煤比设置非常合理，但燃烧烟气中SO2浓度明显偏高，NOx浓度以50mg/Nm3为考核标准处于可接受范围。据此，对应放大的工业炉窑的工艺参数调整为降低混合煤气中的焦炉煤气的比例至25％，可确保烟气中SO2浓度低于100mg/Nm3。
实施例3
一种冶金煤气燃烧特性的测试装置及方法，包括附图所示的烧嘴1、燃烧炉2等各组成部件。测试准备阶段，供风管道9的空气流量和混合煤气管道16的煤气流量已分别设定为200Nm3/h和100Nm3/h，其中混合煤气由70％转炉煤气和30％焦炉煤气混合而成，空气中配入一定比例的氧气，保证空气中氧气含量为25％。开启煤气和空气阀门开关通过烧嘴1在燃烧炉2内燃烧稳定后开始测试分析，同时根据管径和气体流量计算得到煤气燃烧生成烟气到达烟气管道取气孔3时间为1.7秒(t4)，烟气切换阀组17的相应时间为1.1秒(t3)，气体分析系统8对烟气气体采集和分析相应时间的总分析测定时间为95秒(t2)。测试开始时，气体分析系统8首先完成空气成分分析的基准时间点为t0,t0后65秒t1完成煤气的采集与分析获得煤气组分结果，对炉身的烟气取气操作的提前量时间t5＝t2+t3-t1-t4＝95+1.1-65-1.7＝29.4秒，即设定煤气测试分析开始后29.4秒设定烟气管道的取气孔3烟气测试分析自动开始。完成一组测试并根据测试分析结果，计算可得到空煤比为2.0、空气过剩系数为1.31，烟气中残O2含量4.9％，烟气中SO2浓度为133.36mg/Nm3，NOx浓度为58.6mg/Nm3。由此可以判定，在该混合煤气成分条件和空煤比条件下，燃烧烟气中SO2浓度和NOx浓度均超过排放标准。据此，对应放大的工业炉窑的工艺参数调整为降低混合煤气中的焦炉煤气的比例至21％，同时空煤比适当优化降低至1.1左右，可确保烟气中SO2浓度小于100mg/Nm3，NOx浓度低于50mg/Nm3。
实施例4
一种冶金煤气燃烧特性的测试装置及方法，包括附图所示的烧嘴1、燃烧炉2等各组成部件。测试准备阶段，供风管道9的空气流量和混合煤气管道16的煤气流量已分别设定为320Nm3/h和100Nm3/h，其中混合煤气由30％高炉煤气和70％焦炉煤气混合而成。待燃烧完全稳定后，同时开始煤气成分和烟气管道取气孔3处烟气的成分连续在线测试，并设定100s时间内维持煤气总流量不变，将混合煤气中的高炉煤气比例由30％提高至75％、焦炉煤气比例由70％降低至25％，同时记录炉身内的炉膛温度变化。根据本测试方法，连续测试获得定风量条件下的煤气组分变化和烟气变化时间—气体组分/燃烧温度关系曲线，依据该连续变化关系，能够从中找到一组最接近生产中燃气炉窑燃烧控制所需的煤气混合比例和空煤比参数。

Claims (10)

1.一种冶金煤气燃烧特性的测试装置，其特征在于：包括混气装置(13)、混合煤气管道(16)、烧嘴(1)、燃烧炉(2)、均风室(6)、烟气管路(7)、供风管道(9)、气体分析系统(8)和切换阀组(17)，所述混气装置(13)、混合煤气管道(16)、烧嘴(1)、燃烧炉(2)、均风室(6)、烟气管路(7)依次连接，供风管道(9)的一端部与烧嘴(1)连接，所述混气装置(13)侧壁上间隔设置有高炉煤气管道(10)、转炉煤气管道(11)和焦炉煤气管道(12)；还包括取气孔(3)、流量检测调节装置(15)和温度检测装置(14)，所述取气孔(3)和温度检测装置(14)设置在燃烧炉(2)、供风管道(9)、混合煤气管道(16)和烟气管路(7)上，且燃烧炉(2)上的取气孔(3)和温度检测装置(14)至少为3个，流量检测调节装置(15)设置在供风管道(9)、混合煤气管道(16)和烟气管路(7)上，气体分析系统(8)通过切换阀组(17)分别与取气孔(3)连接。
2.根据权利要求1所述的一种冶金煤气燃烧特性的测试装置，其特征在于：所述均风室(6)的进、出口处均设置有均风器(5)。
3.根据权利要求1所述的一种冶金煤气燃烧特性的测试装置，其特征在于：所述燃烧炉(2)远离烧嘴(1)端部设置有可密闭检修门(4)。
4.根据权利要求1所述的一种冶金煤气燃烧特性的测试装置，其特征在于：所述燃烧炉(2)上的温度检测装置(14)为3至5个，且沿轴线间隔设置。
5.根据权利要求1所述的权利要求所述的一种冶金煤气燃烧特性的测试装置，其特征在于：所述取气孔(3)为六个，且三个取气孔(3)均匀间隔设置在同一圆周上，六个取气孔(3)分为两组分别设置在燃烧炉(2)炉中和炉尾外壁上。
6.根据权利要求1所述的权利要求所述的一种冶金煤气燃烧特性的测试装置，其特征在于：所述温度检测装置(14)设置在取气孔(3)处的燃烧炉(2)侧壁上。
7.根据权利要求1所述的一种冶金煤气燃烧特性的测试装置，其特征在于：气体分析系统(8)还包括取气孔(3)各管路的自动切换、设定流量的自动调节、检测和分析数据的集中显示功能的模块。
8.根据权利要求1至7任一权利要求所述的一种冶金煤气燃烧特性的测试装置，其特征在于：所述气体分析系统(8)包含煤气成分分析仪、烟气成分分析仪以及集中控制和数据采集集成系统。
9.一种冶金煤气燃烧特性的测试方法，其特征在于：包括权利要求8所述的测试装置，其步骤如下：
a、提前调试并记录煤气成分分析仪包含气体采集和分析相应时间的总分析测定时间为t1，烟气气体采集和分析相应时间的总分析测定时间为t2，切换阀组(17)的操作切换时间为t3，根据煤气流速计算的从煤气取气点至烟气取气点的气体流动时间为t4；设定烟气取气操作的提前量时间为t5；
b、当燃烧炉(2)开始煤气稳定燃烧具备测试条件后，进行轮询测试分析：供风管道(9)提前预设并且提供稳定的空气，其精准成分测试时间点基准为t0；混合煤气采集和分析相应时间的总分析测定完成时间为t0+t1；从炉身至烟气管道的各点烟气成分从对应取气孔(3)采集后轮流分析，各点烟气及时成分测试完成时间分别为t0+t2+t3；煤气和烟气及时性成分对应的时间关系为煤气t1+t4＝t2+t3-t5或t5＝t2+t3-t1-t4；
c、调整供风流量或调整煤气流量条件下，进一步保持混合煤气成分、调整混合煤气成分以及燃烧逐步升温过程中，重复步骤b，即可在预先设定的空气过剩系数条件下实现煤气成分与烟气成分的及时性组分对应关系测定；
d、并记录燃烧炉(2)炉身取气孔(3)处对应的气体及时成分分析时间点的温度T，依据该时间点得到的取气孔(3)气体成分可获得煤气成分、空气成分对应燃烧时间温度得到的烟气成分中SO2、NOx的变化情况，从而得到时间系列的精准煤气燃烧特性参数。
10.根据权利要求9所述的一种冶金煤气燃烧特性的测试方法，其特征在于：所述供风管道(9)可在温度检测前配入氧气或对进行预热处理。
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