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天然氣高速燒嘴點火性能的探討

 

天然氣高速燒嘴點火性能的探討
        摘要:在不同的條件卜對天然氣高速燒嘴的點火性能進行了實驗研究，探討了氣源種類、助燃空氣壓力、燃氣壓力、空氣與燃氣的比例、氣體流量、點火電極等因素對天然氣高速燒嘴的點火性能的影響。這對于確保天然氣高速燒嘴的順利點火與正確使用具有重要意義。
關鍵詞:燒嘴;點火;實驗研究
1  前言
    高速燒嘴的點火是影響燒嘴使用性能的主要因素之一，在大規模自動化生產線上這一點尤為重要。本文通過對某大型連續式全自動推板窯上使用的3種型號的天然氣高速燒嘴進行的實驗研究，探討了氣源種類、助燃空氣壓力、燃氣壓力、過剩空氣系數、點火電極、環境溫度等因素對天然氣高速燒嘴的點火性能的影響，并對天然氣高速燒嘴的順利點火、正確使用提出指導性意見。
2研究條件
2.1燒嘴
    針對某大型連續式全自動推板窯上所使用的3種型號的天然氣高速燒嘴進行實驗研究。用于實驗的3種型號的燒嘴主要區別在于燃燒功率不同，功率分別為35 kW(簡稱“燒嘴A"> >  30 kW(簡稱“燒嘴B "> >  15 1}W(簡稱“燒嘴C "}，它們的調節比均為10 :1。這些燒嘴都是為適應天然氣燃燒而設計制造的，燒嘴的燃燒方式均為開放式燃燒。為了檢驗在不同狀態下的點火性能，在實驗時除按正常使用工況將其水平安裝于窯爐上考察使用天然氣時的點火狀況外，還特意選用了液化石油氣進行實驗，為此專門設計了一套工裝用于模擬正常工況。
圖1為燒嘴的簡圖及其工作原理。 
2.2燃氣
    天然氣的有關指標參數(天然氣公司提供)如表1。液化石油氣為家用15 kg裝液化石油氣，具體指標參見國家有關標準。
 

    圖1中，Z為點火電極，點火時提供高達5 000V的高壓，I為監測電極，一旦點火成功正常燃燒時它就能輸出電流到控制單元，如熄火則電流中斷。

3實驗研究
3.1氣源種類的影響
    當使用液化石油氣作為研究對象時，助燃空氣的最大壓力為4 000 Pa，最大流量為600 m;/h，石油氣經減壓閥減壓后最大壓力為3 000 Pa。液化石油氣與助燃空氣均為常溫。實驗情況見表20當上述燒嘴使用液化石油氣點火燃燒時，在燃氣、助燃空氣的壓力和流量均處于較低值時，能夠順利實現點火;處于表2中最小值時，火焰不穩定。液化石油氣的燃燒速度較低，在實驗過程中沒有發現有回火現象。脫火現象容易出現，特別是在助燃空氣和燃氣的壓力相差較大更易發生脫火。上述燒嘴使用液化石油氣燃燒時，短時間內在燒嘴頭處就積聚了較多的炭黑，說明燃燒不充分，長期使用液化石油氣對燒嘴燃燒不利。以下均為燒嘴安裝于窯爐正常工作位置后使用天然氣時的點火實驗情況。在正常使用、外界條件均穩定的情況下，從3種類型的燒嘴中隨機各抽取了9只燒嘴進行點火實驗，發現9只燒嘴在相同的實驗條件下點火性能類似，綜合統計點火狀況相似率在95%以上。限于篇幅，以下記錄均以燒嘴B為準，其余燒嘴基本可以認定相同。
3.2壓力、流量對點火的影響
    全窯燒嘴由一臺助燃風機集中供風，風機最大壓力為6 5006 800 Pa，最大流量為1 500 m;/h。燃氣總管的壓力為4 500 Pa，最大流量為40 m;/h。表3為當燃氣與空氣均為25℃時燒嘴B的點火狀況。從表3可以看出，當助燃空氣、燃氣的壓力在100 Pa以下、燃氣流量在0.6 m;/h以下時，燒嘴的點火比較順利。特別是在二者壓力相似的情況下，點火最為順利。當助燃空氣、燃氣的壓力高于100Pa時，如二者的壓力近似則勉強可以實現點火，但火焰短時間內就會爆滅、脫火。如二者的壓力、流量相差較大則不能順利點火。3.3過剩空氣系數的影響表4所示為常溫下對應于不同空氣系數、壓力時燒嘴B的點火狀況。表4中空氣系數為計算而得，

計算過程略。
    從表4可以看出，空氣系數為1.0,1.2,1.4時對點火最為有利，但加大燃氣流量至1.0 m;/h以上時，點火已經十分困難。當空氣系數為0.8,1.6時，即使燃氣流量較小也難以實現點火。
3.4溫度的影響
表5為助燃空氣預熱至70℃時燒嘴的點火狀況。對比表3所列，可以認為助燃空氣預熱溫度不高時對燒嘴的點火影響不大。表6為當燒嘴頭部溫度達到800℃時燒嘴的點火情況。在高溫下，燃氣、空氣均處于低壓力時或者空氣系數較低時也能引起著火，但此時的火焰不穩定，如需要可靠燃燒，點火后必須盡快調整各參數使之脫離不穩定區。查資料可知，甲烷的最低自燃溫度為537 0C。在試驗時發現，盡管燒嘴頭部溫度達到800℃以上，但是點火狀況并不如想象中那么容易，除非各參數也靠近低溫時的著火區域。3.5點火電極對點火的影響表7為當空氣系數為1.2時點火電極對燒嘴點火的影響狀況。點火電極與燃氣管的間距L如圖1所示。在同等條件下，當L=2 mm時，可視火花最大，電火花能量也處于極大值，著火最為容易。而當L<1.5 mm或>2.5 mm時，即使空氣系數達到低溫時的順利點火數值，高壓電火花能量都很難將可燃混合氣點燃著火。


4實驗結果
    通過高速燒嘴的點火實驗研究，可以認為: (1)天然氣中CHQ的體積含量達到96.05%，點火性能對天然氣的點火性能起著決定性的作用。CH、的著火濃度范圍為4.8%-13.46%。因此，要實現對天然氣順利點火，應盡量使天然氣的濃度范圍接近CH、的著火濃度范圍; (2)天然氣的燃燒速度低，燃燒時對缺氧很敏感，一旦缺氧很容易發生脫火，但回火現象不易出現。因此在設計燃燒自動控制系統時，應將脫火作為系統安全防護的重點加以考慮。在燃燒自動控制系統的設計中采取的實際措施是:當出現脫火時，自動控制系統在很短的時間內就能切斷燃氣和助燃空氣的供給;(3)空氣系數、壓力、流量、點火電極對上述天然氣高速燒嘴的點火性能影響最大。只有當空氣系數、壓力、流量、點火電極達到合適值或處于某個適當的點火區間，方能順利實現點火。助燃空氣與燃氣的溫度對點火性能的影響相對來說要小一些。所以點火時應密切關注空氣系數、壓力、流量、點火電極等因素;(4)由于有些數據很難精確得到，例如燃氣的具體熱值不可能確定，計算空氣系數時只能綜合考慮高熱值與低熱值的影響，所以對實驗的最終結果可能會有所影響，但這種影響應可以維持在一個相當低的水平，不影響最終實驗結果的確定。
4結論
    通過引入各預測方法的預測相對誤差、預測對象的變化趨勢和灰色基本權重等概念，建立了軋鋼加熱爐的能耗模糊變權重組合預測模型。結果表明，此組合預測平均誤差和預測平方根誤差均較小。該方法建模數據少，計算簡便，預測結果精度較高，方法簡便，易于實際應用，具有廣泛的適用性，為軋鋼加熱爐的能耗量準確的預測提供了新思路。
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