[发明专利]一种基于拉乌尔喷管的超音速氢气喷吹系统及控制方法

说明书

一种基于拉乌尔喷管的超音速氢气喷吹系统及控制方法，利用拉乌尔喷管将氢气以超音速形式喷吹至高炉中，氢气在富氧热风环境中以湍流火焰形式发生弥散燃烧，反应速率低、局部释热少、热流分布均匀、燃烧峰值温度低，与传统直管氢气喷吹局部高温燃烧相比，反应在大区域、甚至整个直吹管进行，火焰锋面消失，可有效避免氢气燃烧局部放热对喷枪出口的热态烧损；同时在拉乌尔喷管外部辅以保护气管道，通入氮气等惰性气体，进一步避免氢气在喷枪出口局部区域快速燃烧。本发明适用于高炉喷吹氢气炼铁过程，可有效提高氢气喷枪的使用寿命，降低高炉喷氢过程中喷枪更换次数，促进高炉富氢冶炼技术的推广应用。

技术领域

本发明属于高炉炼铁喷吹氢气技术领域，特别涉及一种基于拉乌尔喷管的超音速氢气喷吹系统及控制方法。

背景技术

在应对气候变化和能源转型的背景下，各国都高度重视无碳和低碳能源的开发与利用，以减少碳足迹、降低碳排放为中心的冶金工艺技术变革日益受到钢铁工业的关注。氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，利用氢气代替部分碳质原料(焦炭、煤粉)作为高炉冶炼熔融生铁过程的燃料及金属氧化物的还原剂，与传统的碳冶金相比，反应产物由温室气体CO₂转变为水，从根本上减少钢铁生产流程碳排放量，是钢铁产业优化能源结构和工艺流程，实现绿色低碳可持续发展的有效途径之一。

目前钢铁冶炼工序中氢冶金技术主要是高炉喷吹氢气，即将氢气或富氢气体通过风口喷氢装置或炉身下部喷氢装置吹入高炉内部的炼铁方法，但氢气作为一种极易燃烧的气体，在热风直吹管高氧化性气氛环境下，喷枪出口位置氢气快速燃烧并放出大量的热，导致氢气喷枪喷头区域极易烧损；同时传统高炉氢气喷枪采用直管形式，喷枪出口局部区域氢气浓度较高，导致该区域易发生氢气爆燃，严重影响高炉喷氢系统安全稳定运行。

因此如何改进现有高炉氢气喷吹系统，并结合相应喷氢控制方法，保证氢气喷枪在高温高氧化性的风口直吹管及回旋区域不易烧损并保持较长使用寿命，是目前高炉富氢冶炼急需解决的关键技术难题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种基于拉乌尔喷管的超音速氢气喷吹系统及控制方法，基于拉乌尔喷管将氢气以超音速形式从喷枪出口输入至高炉中，氢气在热风环境中以湍流火焰形式发生容积燃烧或弥散燃烧，其特征是反应速率低、局部释热少、热流分布均匀、燃烧峰值温度低且噪音极小，该燃烧与传统直管喷吹的小区域局部高温燃烧相比，反应在大区域、甚至整个直吹管进行，火焰锋面消失，可有效避免氢气在局部区域浓度过高形成火焰锋面产生较大的辐射热和对流换热，导致氢气喷枪烧损；而根据高炉实际冶炼工况，而根据实际冶炼工况需要，当氢气设定喷吹流量较小不足以达到超音速时，则在主吹射流中补充以氮气维持足够的拉乌尔喷管前端气体压力；同时在拉乌尔喷管外部辅以保护气喷管，通入氮气等惰性气体，一方面降低喷枪出口区域氧气浓度，达到氢气射流脱火效果，同时保护气可以延长超音速射流核心区长度，进一步扩大氢气的燃烧范围。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于拉乌尔喷管的超音速氢气喷吹系统，其特征在于，包括拉乌尔喷管管体和套接其上的保护气喷管管体，所述拉乌尔喷管管体的外表面与所述保护气喷管管体的内表面之间留有环形缝隙以形成保护气通道，所述拉乌尔喷管管体的喷吹端口与所述保护气喷管管体的喷吹环缝端口具有同轴关系，所述拉乌尔喷管管体的入口端通过三通管道分别连接氢气控制阀组输出端和主吹惰性气体控制阀组输出端，所述保护气喷管管体的入口端连接保护气控制阀组输出端，保护气控制阀组输入端和主吹惰性气体控制阀组输入端均连接惰性气体气源，氢气控制阀组输入端连接氢气气源，所述拉乌尔喷管管体的入口端设置有管道气体压力传感器以控制所述喷吹端口所形成超音速射流的流速。

所述惰性气体采用氮气和/或氩气，所述惰性气体中氧气体积分数＜5％。

所述喷吹环缝端口的保护气射流一方面降低喷吹端口区域氧气浓度，达到氢气射流脱火效果，另一方面延长超音速射流核心区长度以扩大氢气在炼铁高炉炉膛中的燃烧范围。