CN113063616A - 一种顶燃式热风炉燃烧器喷嘴角度测试装置及其测试方法 - Google Patents

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潘玉华
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Abstract

本发明属于高炉冶金热风炉技术领域，具体涉及一种顶燃式热风炉燃烧器喷嘴角度测试装置及其测试方法，其特征在于，其为仿形窑体，喷嘴在水平径向上通过调节机构的控制实现转动，改变相邻喷嘴之间的夹角，燃气与空气在预燃室内混合后进入燃烧室内燃烧，通过火焰摄像头采集火焰的颜色、长度与形状，检测火焰的最高温度及尾气排放管中烟气的成分，揭示燃烧器的燃烧效率及喷嘴角度之间关系，最终为某种顶燃式热风炉的燃烧器提供设计依据。本发明的优点是：可用于不同夹角布置的燃烧喷嘴检测中，具备客观评价与判断喷嘴夹角布置对燃烧效率的影响，并设置最佳空燃比，且操作安全方便，数据记录完整可靠，并具有一定的自动化水平。

Description

一种顶燃式热风炉燃烧器喷嘴角度测试装置及其测试方法
技术领域
本发明属于高炉冶金热风炉技术领域，具体涉及一种顶燃式热风炉燃烧器喷嘴角度测试装置及其测试方法。
背景技术
燃烧器是高炉热风的重要组成部分，随着炼铁工业技术的不断发展，高炉风温已经有了很大提高，在风温提高的同时，也给环境带来了巨大的压力。研究表明，热风炉拱顶温度达到1400℃以上时，氮氧化物NOx大量生成，燃烧产物中的氮氧化物含量急剧升高。氮氧化物的升高不仅对热风炉炉壳造成晶间应力腐蚀，而且污染大气环境。因此通过研究燃气的燃烧过程在保证风温提高的同时，如何改善炉煤气清洁燃烧成为了主要课题。
公开号为CN110687245A的中国专利申请公开了“阴燃测试设备及阴燃测试方法”，现有技术中阴燃测试设备只能测量阴燃材料一个方向上的温度，这样的测试方法相对单导致对阴燃材料的阴燃测试不全面。针对这个问题该阴燃测试设备包括温度监测系统、燃烧室和用于对燃烧室内材料加热的加热系统，温度监测系统包括竖向温度监测装置和水平温度监测装置，竖向温度监测装置能够测量燃烧室内竖直方向上的温度，水平温度监测装置能够测量燃烧室内水平方向上的温度。以实现对固体阴燃时四周温度的全面检测，为更好的了解阴燃过程提供一种阴燃测试设备及阴燃测试方法，以缓解现有技术中存在的阴燃测试设备对阴燃材料的阴燃测试不全面的技术问题。
公开号为CN103323230B的中国专利申请公开了“气体燃烧喷嘴测试方法及装置”，在倡导发展节能减排产品的发展环境下，可燃气体充分燃烧占有极为重要的位置，燃气的充分燃烧能使现有能源得到最大化利用，同时也可减少各种有害气体对环境的污染。然而以不同燃料为燃烧介质和不同结构的燃烧喷嘴且对评价喷嘴设计优劣的检测装置和寻找该喷嘴最佳空燃比的设备在目前较为鲜见，该测试装置采用由燃烧室、控制系统、脉冲点火器和用于安装被测试喷嘴的移行机构组成的喷嘴测试设备，并在燃烧室内设置温度传感器、一氧化碳测试仪和火焰观察窗，可在以不同燃料为燃烧介质和不同结构的燃烧喷嘴检测中，具备客观评价与判断喷嘴结构设计的优劣，并可找寻各类喷嘴或某单个喷嘴的最佳空燃比，这在现今技术中属于首创，操作安全方便，数据记录完整可靠，具有良好的推广应用价值。
公开号为CN10629070A的中国专利申请公开了“一种金属燃料燃烧效率测试方法”，考虑到现有的金属燃料的燃速检测由于受传感器响应时的间影响，对金属燃料的瞬间响应很难获取，影响金属燃料的瞬间燃速测试和燃料燃烧过程的了解。该发明设计了一种金属燃料燃烧效率测试方法及设备，其设备主要由燃烧室和控制单元，燃烧室安装有温控单元、配气单元和视频采集单元，控制单元通过温控单元实现对燃烧室的温度控制，控制单元通过配气单元实现对燃烧室的压力控制，温控单元、配气单元共同完成调节燃烧室内的温度与压强，为金属燃料提供需要的温度和压力燃烧环境，控制单元通过视频采集单元将金属燃料的整个视频燃烧过程中燃烧室的温度与燃烧时间变化关系处理得到金属燃料燃烧速度，通过金属燃料产生的热量与金属燃料的重量比值获得金属燃料的燃烧效率。可用于测试包括金属燃料在内的富燃料固体推进剂在密闭燃烧室中的燃烧效率，研究温度、压强、水燃比等反应条件对燃烧效率的影响作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种顶燃式热风炉燃烧器喷嘴角度测试装置及其测试方法，克服现有技术的不足，在原有的模拟原理上而提出了一种结构相对简单，操作安全方便，能实时记录完整可靠的数据，且实现了喷嘴夹角调节、火焰温度及烟气排放记录的自动化，可实时录下气体燃烧过程的喷嘴夹角测试方法。在已有文献以燃烧器喷嘴径向夹角为影响因素，对热风炉燃烧器的冷态和热态进行数值模拟并总结规律的基础上，构想通过设计一种装置，该装置是以燃烧器为模型制成的同时具有可以改变预燃室中助燃空气和燃气喷嘴的经向夹角，达到既可以测试已定夹角的燃烧器的燃烧效率同时也可以测试不同的夹角结构布置对燃烧器燃烧效率的影响，且操作安全方便，能实时记录完整可靠的数据，喷嘴夹角调节、火焰温度及烟气排放记录的自动化。这对燃烧器结构改造提供了实际数据和机构模板，也对提高风温以及高炉煤气绿色燃烧具有很好的参考价值和指导意义。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
技术方案之一：一种顶燃式热风炉燃烧器喷嘴角度测试装置，其特征在于，其为仿形窑体，窑体内由上至下依次设有预燃室和燃烧室，燃烧室底部设有尾气排放管，预燃室内配有多排喷嘴且每排喷嘴为环形布置，其中上部分为燃气喷嘴，下部分为空气喷嘴；每一排的喷嘴外侧设有一个弧形供气管路，弧形供气管路与各喷嘴的供气口相连通；燃气喷嘴所在弧形供气管路上设置有一个燃气进气口，燃气进气口与燃气管道相连接，空气喷嘴所在弧形供气管路上设置有一个空气进气口，空气进气口与压缩空气管道相连接；燃烧室的侧壁上分布配置有多个温度传感器和火焰摄像头，工业计算机分别与温度传感器、火焰摄像头、燃烧分析仪、气相摄谱仪电连接，气相摄谱仪的进样口与尾气排放管相连通；燃烧分析仪的采样口与尾气排放管之间设有烟气冷却装置。
所述火焰摄像头沿燃烧室轴线由上至下均匀设置，每个火焰摄像头等高的窑体中心处设有一个温度传感器，火焰摄像头观察并录下火焰的颜色、长度与形状，通过设置在火焰中心的温度传感器可检测到火焰的最高温度。
所述预燃室的喷嘴为四排，上两排为燃气喷嘴，下两排为空气喷嘴。
所述燃气进气口和空气进气口处分别设置有节流阀和流量传感器。
所述火焰摄像头为防爆红外网络一体化摄像头，温度传感器为光学高温计。
所述压缩空气管道内的空气压力不低于0.011Mpa，燃气管道内的燃气压力不低于0.015Mpa。
所述喷嘴的轴线在水平和垂直两个方向上的角度可以调节，喷嘴设于一个与半球形安装座铰接的芯轴上，安装座的底部设有水平旋转电机，芯轴的一端连接有垂直旋转电机，所述喷嘴位于安装座上的纵向槽口中，水平旋转电机和垂直旋转电机均与工业计算机电性相连，水平旋转电机和垂直旋转电机均外罩隔热保护层。
所述水平旋转电机和垂直旋转电机均为伺服电机。
技术方案之二：一种顶燃式热风炉燃烧器喷嘴角度测试方法，其特征在于，所述喷嘴在水平和垂直方向上通过工业计算机的控制实现精确转动，改变相邻喷嘴之间的夹角，燃气与空气在预燃室内混合后进入燃烧室内燃烧，并在燃烧室内形成火炬，通过火焰摄像头采集火焰的颜色、长度与形状，检测火焰的最高温度及尾气排放管中烟气的成分，揭示燃烧器的燃烧效率及喷嘴角度之间关系，最终为某种顶燃式热风炉的燃烧器提供设计依据。
所述喷嘴的燃气流量和空气流量分别通过各自管道的节流阀调节，直至气体燃烧最完全，有害气体排放最少时，此时各自管道的流量传感器显示的进入燃烧室的空/燃比，即为喷嘴的空/燃比规格常数。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：1)仿形窑体可根据顶燃式热风炉的规格制作，实现不同规格情况下燃烧室喷嘴的配置数量、角度、分布位置等相关参数的确定；2)采用由预燃室、燃烧室和外接的计算机完成喷嘴夹角的测试，燃烧室内设置的温度传感器、燃烧分析仪、烟气冷却装置、气相摄谱仪和多个火焰摄像头，可用于不同夹角布置的燃烧喷嘴检测中，具备客观评价与判断喷嘴夹角布置对燃烧效率的影响，并设置最佳空燃比，且操作安全方便，数据记录完整可靠，并具有一定的自动化水平。
附图说明
图1是本发明顶燃式热风炉燃烧器喷嘴角度测试装置实施例结构示意图；
图2是本发明实施例中预燃室的喷嘴在水平方向上的布局示意图；
图3是本发明实施例中预燃室的各排喷嘴在轴向上的排布示意图；
图4是本发明实施例中安装座和电机配置结构示意图。
图中：1-预燃室、2-燃烧室、3-工业计算机、4-燃气喷嘴、5-空气喷嘴、6-燃气管道、7-压缩空气管道、8-高压风机、9-温度传感器、10-燃烧分析仪、11-烟气冷却装置、12-气相摄谱仪、13-火焰摄像头、14-节流阀、15-流量传感器、16-安装座、17-芯轴、18-水平旋转电机、19-垂直旋转电机、20-尾气排放管。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
见图1－图4，是本发明一种顶燃式热风炉燃烧器喷嘴角度测试装置实施例结构示意图，其为仿形窑体，窑体内由上至下依次设有预燃室1和燃烧室2，燃烧室2底部设有尾气排放管20，预燃室1内配有四排喷嘴且每排喷嘴为环形布置，每排各有12个喷嘴，其中上两排为燃气喷嘴4，下两排为空气喷嘴5；每一排的喷嘴外侧设有一个弧形供气管路，弧形供气管路与各喷嘴的供气口相连通；燃气喷嘴4所在弧形供气管路上设置有一个燃气进气口，燃气进气口与燃气管道6相连接，空气喷嘴5所在弧形供气管路上设置有一个空气进气口，空气进气口与压缩空气管道7相连接，压缩空气管道7与高压风机8相连接；燃烧室2的侧壁上分布配置有多个温度传感器9和火焰摄像头13，工业计算机3分别与温度传感器9、火焰摄像头13、燃烧分析仪10、气相摄谱仪12电连接，通过工业计算机3分析数据并实时记录和动态显示，气相摄谱仪12的进样口与尾气排放管20相连通；燃烧分析仪10的采样口与尾气排放管20之间设有烟气冷却装置11。燃气进气口和空气进气口处分别设置有节流阀14和流量传感器15，可实现燃气和压缩空气流量的调节。压缩空气管道7内的空气压力为0.011Mpa，燃气管道6内的燃气压力为0.015Mpa。燃烧分析仪10和气相摄谱仪12可以检测到气体燃烧的完全程度与烟气中气体的浓度。
四个温度传感器9沿燃烧室的轴线布置，用于测试轴线上不同段位的火焰的温度，燃烧分析仪可在高温环境下实时检测烟气中各气体的含量(O2、CO、CO2)，烟气冷却装置11用于冷却排气口的烟气，气相摄谱仪12用于分析被烟气冷却装置冷却后的烟气中各气体的含量(如O2、CO、CO2等)
火焰摄像头13沿燃烧室2轴线由上至下均匀设置，每个火焰摄像头13等高的窑体中心处设有一个温度传感器9，火焰摄像头13观察并录下火焰的颜色、长度与形状，通过设置在火焰中心的温度传感器9可检测到火焰的最高温度。实施例中，火焰摄像头13为防爆红外网络一体化摄像头，温度传感器9为可实现非接触式测量的光学高温计。
本发明实施例中，喷嘴的轴线在水平和垂直两个方向上的角度可以调节，喷嘴设于一个与半球形安装座16铰接的芯轴17上，安装座16的底部设有水平旋转电机18，芯轴的一端连接有垂直旋转电机19，喷嘴位于安装座上的纵向槽口中，水平旋转电机和垂直旋转电机均与工业计算机3电性相连，为保护电机免受高温影响，水平旋转电机和垂直旋转电机均外罩隔热保护层。水平旋转电机和垂直旋转电机均为伺服电机，能保证调节精度。
通过工业计算机3可对每个喷嘴的角度进行调整，以实现最优的燃烧性能，即气体燃烧最完全，有害气体排放最少的状态。
本发明一种顶燃式热风炉燃烧器喷嘴角度的测试方法，它是通过喷嘴在水平和垂直两个方向上可以通过工业计算机的控制系统实现转动即可以改变相邻喷嘴的夹角，燃气与空气先在预燃室1内混合，混合后的混合气体在燃烧室2里燃烧，并在燃烧室2内形成火炬，通过火焰摄像头13采集火焰的颜色、长度与形状，利用温度传感器9检测火焰的最高温度，利用燃烧分析仪、气相摄谱仪检测尾气排放管中烟气的成分，最终为某种顶燃式热风炉的燃烧器提供设计依据。喷嘴的燃气流量和空气流量分别通过各自管道的节流阀调节，直至气体燃烧最完全，有害气体排放最少时，此时各自管道的流量传感器显示的进入燃烧室的空/燃比，即为喷嘴的空/燃比规格常数。喷嘴的调节机构可实现喷嘴转角的调整，达到测试喷嘴各种夹角对燃烧效率的影响，揭示燃烧器的燃烧效率及喷嘴角度之间关系。
实施例1
利用本发明测试燃烧器喷嘴夹角(包括燃气喷嘴、高压空气喷嘴)在15°～35°的情况下，通过测得的烟气中O2、CO的浓度以此分析燃烧室在不同喷嘴夹角条件下的燃烧效率。
从测试的结果可知夹角在α＝15°～35°时，顶燃式热风炉燃烧器喷嘴径向夹角越大，燃烧室出口CO和O2浓度越低，燃烧室内火焰温度越高，由此可知在一定范围内夹角越大燃烧器内燃气燃烧的为充分，燃烧效率有所提高，具体结果可看表1-表5，其中α为喷嘴在预燃室内的径向夹角，β为喷嘴在预燃室内竖直方向(仰角)的夹角。
表1预燃室喷嘴夹角
喷嘴层数 α β
1 15°/20°/25°/30°/35° 0°
2 15°/20°/25°/30°/35° 0°
3 0° 18°
4 15°/20°/25°/30°/35° 0°
表2煤气成分
CO CH<sub>4</sub> H<sub>2</sub> N<sub>2</sub> CO<sub>2</sub>
23.23％ 0.4％ 2.85％ 53.93％ 19.59％
表3空气和煤气参数
项目 进口流速m/s 预热温度℃
空气 29 200
煤气 21.4 600
表4不同夹角α条件下CO浓度(％)
15° 20° 25° 30° 35°
0.12 0.067 0.055 0.053 0.051
表5不同夹角α条件下O2浓度(％)
15° 20° 25° 30° 35°
0.515 0.450 0.405 0.350 0.32
实施例2
利用本发明测试燃烧器内燃气喷嘴夹角与高压空气喷嘴夹角采用不同夹角设置，组合在一起后对燃烧器燃烧效率的影响，实施例2中采用两种组合方式(组合1“三旋一直”：上两排燃气喷嘴有夹角，下两排空气喷嘴中第一排没有设置径向夹角，第二排有；组合2“两旋两直”：上两排燃气喷嘴中只有第二排设置夹角，下两排空气喷嘴中只有第二排设置夹角。)，分别测试各自燃烧室内温度、烟气中O2、CO的浓度，通过对比分析燃烧器在不同的组合条件下的燃烧效率。
从测试的结果可知与“三旋一直”相比，燃烧器采用“两旋两直”结构时，由于设置有夹角的喷嘴排数减少导致混合气流旋流强度减弱，从燃烧室各段温度分布可知，高温区域不再远离燃烧器底部而是下移，排气口测得的烟气中O2、CO的浓度相对较大，燃烧器燃烧效率较低，可以推断在实际的热风炉中采用该组合方式燃烧效率不是特别高，但蓄热室入口处的烟气温度明显升高，一定程度上提高风温，总体上还是满足热风炉的燃烧要求，具体结果可看表6-表10，其中α为喷嘴在预燃室内的径向夹角，β为喷嘴在预燃室内竖直方向的夹角，燃烧室中的温度传感器从上至下分别称为1号、2号、3号、4号。
表6预燃室喷嘴夹角
Figure BDA0002999052920000061
表7煤气成分
CO CH<sub>4</sub> H<sub>2</sub> N<sub>2</sub> CO<sub>2</sub>
23.23％ 0.4％ 2.85％ 53.93％ 19.59％
表8空气和煤气参数
项目 进口流速m/s 预热温度℃
空气 29 200
煤气 21.4 600
表9不同组合条件下燃烧室内各段温度分布
Figure BDA0002999052920000071
表10不同组合条件下排气口处烟气浓度
Figure BDA0002999052920000072
以上实施例仅是为详细说明本发明的目的、技术方案和有益效果而选取的具体实例，但不应该限制发明的保护范围，凡在不违背本发明的精神和原则的前提下，所作的种种修改、等同替换以及改进，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种顶燃式热风炉燃烧器喷嘴角度测试装置，其特征在于，其为仿形窑体，窑体内由上至下依次设有预燃室和燃烧室，燃烧室底部设有尾气排放管，预燃室内配有多排喷嘴且每排喷嘴为环形布置，其中上部分为燃气喷嘴，下部分为空气喷嘴；每一排的喷嘴外侧设有一个弧形供气管路，弧形供气管路与各喷嘴的供气口相连通；燃气喷嘴所在弧形供气管路上设置有一个燃气进气口，燃气进气口与燃气管道相连接，空气喷嘴所在弧形供气管路上设置有一个空气进气口，空气进气口与压缩空气管道相连接；燃烧室的侧壁上分布配置有多个温度传感器和火焰摄像头，工业计算机分别与温度传感器、火焰摄像头、燃烧分析仪、气相摄谱仪电连接，气相摄谱仪的进样口与尾气排放管相连通；燃烧分析仪的采样口与尾气排放管之间设有烟气冷却装置。
2.根据权利要求1所述的一种顶燃式热风炉燃烧器喷嘴角度测试装置，其特征在于，所述火焰摄像头沿燃烧室轴线由上至下均匀设置，每个火焰摄像头等高的窑体中心处设有一个温度传感器，火焰摄像头观察并录下火焰的颜色、长度与形状，通过设置在火焰中心的温度传感器可检测到火焰的最高温度。
3.根据权利要求1所述的一种顶燃式热风炉燃烧器喷嘴角度测试装置，其特征在于，所述预燃室的喷嘴为四排，上两排为燃气喷嘴，下两排为空气喷嘴。
4.根据权利要求1所述的一种顶燃式热风炉燃烧器喷嘴角度测试装置，其特征在于，所述燃气进气口和空气进气口处分别设置有节流阀和流量传感器。
5.根据权利要求2所述的一种顶燃式热风炉燃烧器喷嘴角度测试装置，其特征在于，所述火焰摄像头为防爆红外网络一体化摄像头，温度传感器为光学高温计。
6.根据权利要求3所述的一种顶燃式热风炉燃烧器喷嘴角度测试装置，其特征在于，所述压缩空气管道内的空气压力不低于0.011Mpa，燃气管道内的燃气压力不低于0.015Mpa。
7.根据权利要求1所述的一种顶燃式热风炉燃烧器喷嘴角度测试装置，其特征在于，所述喷嘴的轴线在水平和垂直两个方向上的角度可以调节，喷嘴设于一个与半球形安装座铰接的芯轴上，安装座的底部设有水平旋转电机，芯轴的一端连接有垂直旋转电机，所述喷嘴位于安装座上的纵向槽口中，水平旋转电机和垂直旋转电机均与工业计算机电性相连，水平旋转电机和垂直旋转电机均外罩隔热保护层。
8.根据权利要求7所述的一种顶燃式热风炉燃烧器喷嘴角度测试装置，其特征在于，所述水平旋转电机和垂直旋转电机均为伺服电机。
9.一种顶燃式热风炉燃烧器喷嘴角度测试方法，其特征在于，所述喷嘴在水平和垂直方向上通过工业计算机的控制实现精确转动，改变相邻喷嘴之间的夹角，燃气与空气在预燃室内混合后进入燃烧室内燃烧，并在燃烧室内形成火炬，通过火焰摄像头采集火焰的颜色、长度与形状，检测火焰的最高温度及尾气排放管中烟气的成分，揭示燃烧器的燃烧效率及喷嘴角度之间关系，最终为某种顶燃式热风炉的燃烧器提供设计依据。
10.根据权利要求9所述的一种顶燃式热风炉燃烧器喷嘴角度测试方法，其特征在于，所述喷嘴的燃气流量和空气流量分别通过各自管道的节流阀调节，直至气体燃烧最完全，有害气体排放最少时，此时各自管道的流量传感器显示的进入燃烧室的空/燃比，即为喷嘴的空/燃比规格常数。
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