本发明涉及轧钢加热炉富氧燃烧，尤其涉及一种抑制富氧燃烧工况下nox生成的高速氧枪及使用方法。
背景技术：
1、轧钢加热炉是钢铁工业流程中承前启后的关键设备，也是耗能和排污的主要设备，富氧燃烧技术由于其自身独特的技术优势，对以燃烧煤气为主的加热炉，是最容易实现大规模节能减排的技术。但在富氧燃烧工况时nox生成浓度会比常规空气助燃工况时显著增高，因此加强富氧燃烧工况下抑制nox生成的过程研究，对于促进绿色低碳、节能减排具有重要的意义。
2、为了抑制富氧燃烧工况下nox生成，现有技术采用高速氧枪富氧燃烧技术、助燃空气中预混氧气富氧燃烧技术和基于mild(moderate and intense low oxygen dilution)富氧燃烧的余热回收燃烧技术，即低氧稀释条件下的一种温和燃烧模式，炉内高温回流烟气对氧气和燃料进行快速地预热及稀释，使燃烧反应能够弥散到更广阔的区域进行，温度分布均匀，火焰峰值温度得到抑制，nox生成量明显减少。
3、如中国专利申请号为cn201910940430.4,名为《一种加热炉富氧燃烧系统及其控制方法》的专利，其内容涉及一种加热炉富氧燃烧系统及其控制方法,加热炉设预热段、一加热段、二加热段及均热段,其中一加热段设燃烧系统一、二加热段设燃烧系统二,燃烧系统一、燃烧系统二分别由设于炉膛两侧的多个烧嘴及氧枪组成,加热炉富氧燃烧系统还包括用于控制燃烧系统一或同时控制燃烧系统一及燃烧系统二的富氧浓度控制系统；富氧浓度控制系统由炉膛温度检测模块、烧嘴负荷计算模块、煤气量控制模块及氧浓度控制模块组成。该发明专利的优点是：将加热炉原有燃烧系统与富氧燃烧技术有机结合,通过氧枪喷入高速氧气,在炉内形成无焰燃烧,能够有效提高加热炉的燃烧效率,降低燃料消耗,优化炉内温度场分布及钢坯温度均匀性,降低nox的排放。但该现有技术的不足之处是所述加热炉富氧燃烧控制系统没有对氧枪富氧燃烧技术如何减少nox生成量的技术方案进行阐述，即不是所有氧枪均能实现降低nox排放的效果，减排效果和氧枪的选型、安装间距及入射角度等因素均有密切联系。例如，试验结果表明：氧枪入射角度由105°减小到45°，排烟出口nox排放浓度从2.92mg/m3陡增到438.59mg/m3；氧枪与烧嘴的安装间距从100mm增大到175mm，排烟出口nox排放浓度从308.36mg/m3迅速降低到62.43mg/m3，即现有技术存在nox排放浓度超标的风险。
4、又如中国专利申请号为cn202010772008.5，名为《一种轧钢加热炉预混富氧燃烧系统及方法》的专利，其内容涉及一种加热炉预混富氧燃烧系统,包括加热炉、燃料系统、助燃系统,加热炉包括预热段、加热段、均热段,加热段设有加热段平焰烧嘴、加热段底部直焰烧嘴,均热段设有均热段平焰烧嘴、均热段底部直焰烧嘴；助燃系统包括氧气管道、氧气阀组、预混富氧燃烧系统一、预混富氧燃烧系统二，氧气管道的氧气经氧气阀组分别供应预混富氧燃烧系统一和预混富氧燃烧系统二。该发明专利将轧钢加热炉原有燃烧系统与预混富氧燃烧技术结合,通过预混富氧燃烧系统不同烧嘴采用不同氧浓度的控制实现全炉富氧燃烧,提高加热炉燃烧效率和传热效率,达到提高产能、节约燃料及降低投资成本。该现有技术的不足之处是对于传统的轧钢加热炉烧嘴来说，直接在助燃空气中预混氧气实现富氧燃烧，会造成燃烧速率加快，火焰缩短，燃烧高温区域更加集中等问题。研究表明：由于富氧浓度的增加，使燃烧过程进行的更加充分并且减少了排烟热损失，燃烧温度的提高，促进了nox尤其是热力型nox的生成，从而导致nox生成量的快速增加，即nox生成浓度随着富氧浓度的升高而增大，即助燃空气中预混氧气富氧燃烧技术不但不能抑制nox生成，反而会促进nox生成量的快速增加。
5、再如中国专利申请号为cn202210390795.6，名为《基于mild富氧燃烧的余热回收轧钢加热炉及其加热方法》的专利，该发明是基于mild富氧燃烧的余热回收轧钢加热炉及其加热方法，属于冶金热能工程技术领域。轧钢加热炉包括预热段、加热段、均热段，氧气主管，烟气主管，燃料主管，水蒸气调节装置，加热段设置若干段，包括加热一段，加热二段，……和加热n段，氧气主管，烟气主管和燃料主管分别与预热段、加热段和均热段相连，水蒸气调节装置设置于烟气主管上，该发明的优点是通过加热炉改造实现mild富氧燃烧，并采用侧烧吹氧分级燃烧方式，灵活调节氧气配比量，将富氧燃烧技术与柔和燃烧相结合，应用于轧钢加热炉，既能充分发挥富氧燃烧技术节能减排的优点，又能克服富氧燃烧技术存在的不足，大幅降低钢坯加热过程中氮氧化物的生成浓度及加热后钢坯的氧化烧损率。但该现有技术的不足之处是：(1)该余热回收技术是借助风机将烟气的一部分混入到助燃空气中，使助燃空气中的o2分压降低，用控制火焰温度的方法抑制nox生成。由于烟气的输送需采用耐热风机和流量控制装置，投资成本高，维护费用大，因此从经济成本角度考虑不适宜推广实施；(2)研究表明：nox生成量随着氧枪与炉墙夹角增加而减少，该技术氧气入射角度为30°～45°的锐角，氧气射流将会很快与燃气射流交汇，没有被烟气充分稀释，进而在喷口处形成了较大的局部高温区，促进了nox尤其是热力型nox的生成，不利于抑制nox生成，研究结果如表1所示；(3)该技术氧气入射最大速度160m/s，经换算，炉膛一侧卷吸距离为6.5m，适用于炉宽13m以内的加热炉，当炉宽超过13m时，中间区域会出现“盲区”，即氧枪射流达不到的区域，该区域无法形成mild富氧燃烧效果，温度分布不均，nox生成量高。
6、表1不同入射角度下nox生成量
7、 氧气入射角度(°) 30 45 60 75 90 <![cdata[no<sub>x</sub>生成量(mg/m<sup>3</sup>)]]> 475.32 438.59 405.12 328.72 58.98
8、综上所述，现有技术存在的不足之处是：
9、1)氧枪的安装没有充分考虑到入射角度、安装间距等结构参数的影响，无法很好地实现mild富氧燃烧效果，宜造成nox排放浓度超标；
10、2)助燃空气中预混氧气富氧燃烧技术不但不能抑制nox生成，反而会促进nox生成量的快速增加；
11、3)基于mild富氧燃烧的余热回收技术由于烟气的输送需采用耐热风机和流量控制装置，投资成本高，维护费用大；
12、4)现有技术中氧枪采用轴向供氧，射流动量受额定流量和喷口截面积等条件约束，最大卷吸距离一般为6.0～6.5m，当炉体宽度超过13m，氧枪射流距离无法覆盖全部炉膛，“盲区”无法形成mild富氧燃烧效果。
技术实现思路
1、本发明提供了一种抑制富氧燃烧工况下nox生成的高速氧枪及使用方法，解决现有技术中轴向供氧的高速氧枪射流动量受额定流量和喷口截面积等条件约束，最大卷吸距离不能覆盖大宽度炉膛空间的问题，提供一种双向供氧的高速氧枪助燃技术，既能在各种宽度规格炉膛内实现稳定mild富氧燃烧，又能降低投资成本和维护费用。
2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
3、一种抑制富氧燃烧工况下nox生成的高速氧枪，包括一次氧气进气管和冷却管，所述一次氧气进气管外部套设有冷却管；所述一次氧气进气管和冷却管之间套设有二次氧气进气管，所述一次氧气进气管外壁和二次氧气进气管内壁通过圆钢点焊固定连接，所述二次氧气进气管外壁和冷却管内壁通过圆钢点焊固定连接，所述冷却管的外壁上设有法兰；所述二次氧气进气管外壁上设有连通二次氧气进气管的进气管a，所述冷却管外壁上设有连通冷却管的进气管b，所述二次氧气进气管和冷却管的上端均密封设置。
4、进一步的，所述一次氧气进气管上端高于二次氧气进气管，所述二次氧气进气管上端高于冷却管，所述二次氧气进气管的上端与一次氧气进气管密封连接，所述冷却管的上端与二次氧气进气管密封连接。
5、进一步的，所述一次氧气进气管、冷却管、二次氧气进气管和圆钢材质均为1cr18ni9。
6、进一步的，所述一次氧气进气管外壁和二次氧气进气管内壁之间沿轴向均匀点焊1～3组圆钢，每组设有3～6个圆钢，所述二次氧气进气管外壁和冷却管内壁之间沿轴向均匀点焊1～3组圆钢，每组设有3～6个圆钢。
7、进一步的，所述一次氧气进气管外径为27mm～40mm，长度为750mm～1000mm，所述二次氧气进气管外径为40mm～53mm，长度为650mm～900mm，所述冷却管外径为55mm～68mm，长度为550mm～800mm。
8、进一步的，所述进气管a和进气管b尺寸规格相同，均为φ(13～26)mm×(0.8～1.2)mm，长度85mm～100mm，材质为304不锈钢。
9、一种抑制富氧燃烧工况下nox生成的高速氧枪使用方法，所述一次氧气进气管内通入一次氧气，沿一次氧气进气管轴向射入，二次氧气从进气管a沿二次氧气进气管径向射入，造成旋转气流，一次氧气与二次氧气无混合过程，一次氧气以圆柱状射入炉内，二次氧气以圆环状射入炉内，所述一次氧气和二次氧气分别从两路氧气阀组供给；首先将冷却空气从进气管b沿冷却空气进气管径向供入，然后通入一次氧气，当一次氧气最大卷吸距离＜1/2炉膛有效宽度时，二次氧气供给阀组开启，向炉内通入二次氧气，且二次氧气流通截面面积小于一次氧气流通截面面积；高速氧枪截面中心与烧嘴边沿安装间距控制在175～225mm，高速氧枪的入射角度采用90～105°，富氧浓度控制在35％～40％。
10、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
11、1)提供一种双向供氧的高速氧枪助燃技术，既能在各种宽度规格炉膛内实现稳定mild富氧燃烧，又能降低投资成本和维护费用；
12、2)解决现有技术中轴向供氧的高速氧枪射流动量受额定流量和喷口截面积等条件约束，最大卷吸距离不能覆盖大宽度炉膛空间的问题；
13、3)通过限定高速氧枪安装间距和入射角度最优结构参数值，实现富氧燃烧工况下抑制nox生成的最佳效果。