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| 蓄熱式燃燒技術(shù)在工業(yè)爐上的應(yīng)用與分析 |
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摘要：對(duì)蓄熱式燃燒技術(shù)在不同工業(yè)爐上的應(yīng)用進(jìn)行了分析，介紹了蓄熱式軋鋼加熱爐的幾種應(yīng)用形式及其優(yōu)缺點(diǎn)，指出了目前應(yīng)用中存在的一些問(wèn)題，同時(shí)提供了優(yōu)化設(shè)計(jì)的一些建議。
關(guān)鍵詞：蓄熱式,高溫空氣燃燒,工業(yè)爐,應(yīng)用
1 引言
20世紀(jì)90年代初始，蓄熱式余熱回收技術(shù)得到了快速發(fā)展：在蓄熱體材質(zhì)、構(gòu)造、蓄熱性能等方面都得到了許多改進(jìn)；單位體積的傳熱面積由過(guò)去的10-40m2/m3提高到200-1300 m2/m3，因而體積顯著減小；換向閥和控制系統(tǒng)可靠性也得到改善，換向時(shí)間由過(guò)去的30min左右縮短至幾分或幾十秒鐘，熱效率大幅提高至80％一90％左右，助燃空氣預(yù)熱溫度大幅提高至1000℃以上，而排出的煙氣溫度可降低至200℃以下，接近煙氣的露點(diǎn)溫度。
由于助燃空氣預(yù)熱溫度高達(dá)1000℃,遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的500 --- 6001C，從而改變了傳統(tǒng)的燃料燃燒方式，出現(xiàn)了一項(xiàng)全新的燃燒技術(shù)—高溫空氣燃燒(HTAC)技術(shù)。該技術(shù)的關(guān)鍵在于通過(guò)高效的蓄熱式余熱回收可實(shí)現(xiàn)高溫低氧的燃燒過(guò)程，形成與傳統(tǒng)燃燒迥然不同的火焰特性，從而達(dá)到節(jié)能與環(huán)保的雙重效益。
隨著90年代末期該技術(shù)的逐步推廣應(yīng)用，近兩年迅速成為一項(xiàng)炙手可熱的節(jié)能環(huán)保新技術(shù)，在不同工業(yè)爐上得到快速應(yīng)用。至2002年已投產(chǎn)各種蓄熱式工業(yè)爐50多臺(tái)。本文通過(guò)對(duì)目前應(yīng)用情況的分析，為使用者提供一些參考。
2 在不同爐型工業(yè)爐上的應(yīng)用分析
目前該技術(shù)已應(yīng)用于推鋼式連續(xù)軋鋼加熱爐、步進(jìn)式連續(xù)加熱爐、室式加熱爐、臺(tái)車爐、鋼管連續(xù)退火爐、鋼包烘烤器、罩式爐以及倒焰窯等。現(xiàn)在以連續(xù)軋鋼加熱爐為主，其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也最明顯，投資回收期最短，尤其是“以氣代油”的企業(yè)，基本在半年內(nèi)就可收回全部投資。
2.1推鋼式連續(xù)加熱爐
該爐型主要用于普線廠、部分中板廠和中型廠，加熱鋼種以普鋼和低合金鋼為主，也有優(yōu)質(zhì)碳素鋼和高合金鋼。3種蓄熱實(shí)現(xiàn)形式都有，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。
2.1.1普線廠
普線廠由于加熱無(wú)特殊要求，故采用集中蓄熱、集中換向的方式較多，優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，可靠性好，操作方便。最有代表性的有韶鋼三軋廠2＃加熱爐［1］。其主要特點(diǎn)是：
(1)取消了在普通加熱爐上用來(lái)回收煙氣余熱的預(yù)熱段，使被加熱鋼坯在最大可能的輻射溫壓下進(jìn)行快速加熱，縮短鋼坯在爐內(nèi)的加熱時(shí)間，減少鋼坯的氧化燒損。
(2)在砌體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，針對(duì)爐墻有內(nèi)通道、溫度高且變化頻繁的特點(diǎn)，為確保砌體的嚴(yán)密和壽命、減少散熱損失和保證施工質(zhì)量，采用了內(nèi)襯整體澆注的復(fù)合爐體結(jié)構(gòu)。
(3)根據(jù)蓄熱式換向燃燒的特點(diǎn)，使煤氣噴口緊貼鋼坯表面布置，讓鋼坯表面形成相對(duì)穩(wěn)定的還原氣氛附面層，從而減少鋼坯的氧化燒損，提高金屬收得率。
2.1.2中板廠
中板廠由于有調(diào)節(jié)鋼溫的需要，目前主要是采用蓄熱燒嘴式，有集中換向和分散換向兩種。分散換向的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)手段靈活，能滿足中板加熱需要，缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜，操作和維護(hù)難度大。
2.1.3合金鋼加熱
合金鋼加熱主要采用蓄熱燒嘴加常規(guī)燒嘴結(jié)合的形式，優(yōu)點(diǎn)是能解決合金鋼熱裂等問(wèn)題，但蓄熱系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)之間的工況相互干擾，影響系統(tǒng)運(yùn)行。
2. 2 步進(jìn)式加熱爐
主要用于高線廠、小型連軋廠。大多采用外置蓄熱裝置式，有集中蓄熱集中換向和分散蓄熱分散換向兩種。集中蓄熱集中換向的有廣鋼高線加熱爐和合鋼小型連軋廠加熱爐。分散蓄熱分散換向有唐鋼高線加熱爐。從使用情況來(lái)看這3座加熱爐的效果都不錯(cuò)，均達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。其中唐鋼高線加熱爐采用轉(zhuǎn)爐煤氣雙預(yù)熱，單位能耗僅為0.81GJ/t,氧化燒損低于0.7%，熱效率在70％以上。其主要特點(diǎn)是：采用最先進(jìn)的組合換向技術(shù)，不但減少了換向煤氣損失，而且確保了換向過(guò)程的安全。采用優(yōu)化后的相對(duì)分散蓄熱和噴口布置，保證實(shí)現(xiàn)空間燃燒，爐內(nèi)沒(méi)有局部高溫，也沒(méi)有火焰盲區(qū)。
2. 3 室式加熱爐
主要是指室式鍛造用加熱爐、室式均熱爐、室式熱處理爐等。國(guó)內(nèi)蓄熱式技術(shù)應(yīng)用于這幾種室式加熱爐都取得了不錯(cuò)的效果。這些室式加熱爐不是單臺(tái)長(zhǎng)期連續(xù)使用，比較適合蓄熱式燃燒這項(xiàng)燃燒技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。另外由于加熱量小，既可用集中孔洞式，又可用蓄熱燒嘴式，還可變化其他布置形式。但由于公共設(shè)備（如換向閥和控制系統(tǒng)）是必備的，所以投資回收期較長(zhǎng)。若要進(jìn)一步推廣應(yīng)用，需研究實(shí)用可靠、價(jià)格更便宜的設(shè)備。
2．4 鋼包烘烤器
將蓄熱式熱回收裝置、換向閥、鼓風(fēng)機(jī)、排煙和燃料引入裝置安裝在鋼包蓋上，取代常規(guī)烤包燒嘴（套管式燒嘴和旋流式燒嘴等）用于鋼包烘烤，目前已成功應(yīng)用于武鋼、萊鋼、寶鋼、唐鋼等鋼廠。其優(yōu)點(diǎn)是能大幅節(jié)能50％以上，提高烤包溫度和烤包均勻性，減少排煙污染。目前應(yīng)解決如何降低設(shè)備造價(jià)，提高換向設(shè)備的可靠性等問(wèn)題。
2.5鋼管熱處理爐
由于溫度不高，供熱量小，主要采用繭青石質(zhì)陶瓷蜂窩體小型蓄熱燒嘴，但這對(duì)溫度控制提出了更高的要求。
2. 6 應(yīng)用分析
蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)在不同爐型工業(yè)爐上的應(yīng)用也走過(guò)了一個(gè)不斷討論—懷疑—再討論—推廣的過(guò)程。最初在室式加熱爐的應(yīng)用由于局部設(shè)備的不成熟，曾引起過(guò)懷疑，沒(méi)有受到應(yīng)有的重視。1997年在軋鋼加熱爐上應(yīng)用時(shí)也曾出現(xiàn)過(guò)討論，后來(lái)在推鋼式加熱爐上獲得成功后，能否在步進(jìn)式加熱爐上應(yīng)用又受到懷疑。現(xiàn)在此項(xiàng)技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，并且有進(jìn)一步拓展應(yīng)用領(lǐng)域的試驗(yàn)研究，包括燃煤倒焰窯（利用蓄熱室實(shí)現(xiàn)高溫?zé)煔獬龎m和二次風(fēng)的預(yù)熱）、輻射管熱處理爐、垃圾焚燒爐、燃料氣化爐、熱風(fēng)爐及有色冶煉反射爐等等。
能否在所有火焰爐內(nèi)高效地利用蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)，這需要進(jìn)一步加強(qiáng)應(yīng)用研究，尤其是要結(jié)合不同的爐型、不同的燃料、不同的加熱鋼種作最優(yōu)化設(shè)計(jì)。另外還有待進(jìn)一步提高高溫空氣燃燒中實(shí)現(xiàn)低氧，以降低NOx產(chǎn)生的應(yīng)用水平。
3 蓄熱式軋鋼加熱爐的幾種應(yīng)用形式
近幾年，蓄熱式軋鋼加熱爐在國(guó)內(nèi)得到快速推廣應(yīng)用，在應(yīng)用中出現(xiàn)了幾種不同的結(jié)構(gòu)形式，取得的效果也不盡相同。下面對(duì)幾種不同結(jié)構(gòu)的蓄熱式加熱爐進(jìn)行介紹。
3. 1 蓄熱燒嘴式加熱爐
蓄熱式燒嘴在國(guó)外應(yīng)用較早，20世紀(jì)80年代初英國(guó)的Hot Work公司和英國(guó)煤氣公司合作開(kāi)發(fā)了稱為RCB(Regeneratice Ceramics Burner）型的燒嘴。隨后美國(guó)也開(kāi)發(fā)了類似的蓄熱式燒嘴，又叫雙蓄熱床燒嘴系統(tǒng)。日本很快也研制出這種蓄熱式燒嘴技術(shù)，并大力推廣。中國(guó)的研究進(jìn)展雖然與國(guó)外同步，但應(yīng)用較晚。蓄熱式燒嘴的主要特點(diǎn)是將燃燒器與蓄熱室余熱回收裝置集成一體配成一對(duì)類似常規(guī)燒嘴的燃燒系統(tǒng)，每個(gè)蓄熱式燒嘴周期性使用。1座爐子往往由多對(duì)蓄熱式燒嘴供熱。
據(jù)有關(guān)資料介紹，國(guó)外普遍采用蓄熱燒嘴式加熱爐，就蓄熱技術(shù)而言，其應(yīng)用水平已相當(dāng)成熟。但國(guó)外使用蓄熱式燒嘴燒低熱值煤氣（如高爐煤氣）的工業(yè)爐較少。從蓄熱體使用的材料來(lái)看，國(guó)外使用陶瓷球、陶瓷蜂窩體、瓦礫等，特別是陶瓷蜂窩體蓄熱式燒嘴以其結(jié)構(gòu)小巧得到重視。國(guó)內(nèi)蓄熱體則主要使用陶瓷球和陶瓷蜂窩體這2種。國(guó)內(nèi)在大型加熱爐上使用蓄熱式燒嘴是近兩年才開(kāi)始的，在燒嘴的結(jié)構(gòu)布置上做了一些改進(jìn)，主要是將蓄熱體部分埋進(jìn)了爐墻，克服了原結(jié)構(gòu)“皮厚囊小”的弊病。
蓄熱式燒嘴以其調(diào)節(jié)靈活性，爐型選擇的多樣性，對(duì)不同工藝要求的適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)成為蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)未來(lái)發(fā)展的一種很重要的方式。尤其是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小的單體自身蓄熱燒嘴（國(guó)內(nèi)已有專利）更具競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)于舊爐子改造有投資省的優(yōu)點(diǎn)。
3. 2 集成式蓄熱加熱爐
這是國(guó)內(nèi)應(yīng)用較早的一種形式，是我國(guó)的北島能源技術(shù)發(fā)展有限公司90年代初開(kāi)發(fā)的高效蓄熱式余熱自回收系統(tǒng)專利技術(shù)的應(yīng)用。其特點(diǎn)是把蓄熱室安裝在爐子底部，同時(shí)在爐墻澆注出通道和噴口，并與高效余熱回收裝置結(jié)合成一體，形成集供熱、排煙和余熱回收于一體的集成式加熱爐。
其優(yōu)點(diǎn)是把蓄熱室、介質(zhì)通道和噴口都集中在爐體內(nèi)，減少了外部高溫管道，占地少，系統(tǒng)布置簡(jiǎn)單，加熱能力不受設(shè)備體積和布置方式的限制，供熱能力設(shè)計(jì)余地大。由于噴口的簡(jiǎn)化為噴口的設(shè)計(jì)提供了多種選擇以滿足加熱質(zhì)量的需要。如通過(guò)噴口的設(shè)計(jì)可以在加熱物料表面形成相對(duì)還原氣氛，減少氧化燒損。其缺點(diǎn)是爐墻較厚，基礎(chǔ)基建量大，對(duì)舊爐改造受到場(chǎng)地和土建基礎(chǔ)限制。另外由于較集中的換向控制和蓄熱，使供熱調(diào)節(jié)受到一定程度限制，加熱能力受燃料供入壓力的影響較大。
集成式加熱爐特別適合燃用低熱值煤氣，可采用雙預(yù)熱、分段集中蓄熱和換向。該結(jié)構(gòu)的加熱爐由于爐墻內(nèi)有煤氣、助燃空氣通道，因而內(nèi)模結(jié)構(gòu)復(fù)雜，澆注料施工難度大。故爐體采用復(fù)合爐體，整體澆注，選用莫來(lái)石自流澆注料可確保爐體質(zhì)量。利用自流料漿體具有高觸變性，施工時(shí)不需振動(dòng)，可自行流動(dòng)、脫氣、密實(shí)，減少了因施工帶來(lái)的孔洞和裂縫。另外通過(guò)提高材料理化指標(biāo)性能，確保爐體熱震穩(wěn)定性好，重?zé)�變化小，從而保證了通道之間的密封性好，爐體的整體性好，消除了產(chǎn)生煤氣泄漏的安全隱患。
3. 3 外王蓄熱器式加熱爐
這是介于集成式加熱爐和蓄熱燒嘴式加熱爐之間的一種結(jié)構(gòu)形式。其特點(diǎn)是把集成式加熱爐的蓄熱室和高溫通道放在爐體外，通過(guò)與爐內(nèi)噴口的直接連接形成外置蓄熱系統(tǒng)，采用分段換向和相對(duì)集中的蓄熱室。
這種結(jié)構(gòu)形式給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)許多有益的變化，比前面兩種更具靈活性。首先是蓄熱室的設(shè)計(jì)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要靈活設(shè)計(jì)，同時(shí)可以增加上下蓄熱室的調(diào)節(jié)手段。其次噴口的設(shè)計(jì)更靈活，同時(shí)帶來(lái)噴口換向燃燒方式的靈活，既可異側(cè)換向，也可同側(cè)換向。噴口燃燒組合也更具多樣性。另外，對(duì)蓄熱系統(tǒng)設(shè)備的選擇適應(yīng)性也廣。
3. 4 三種結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析
以上三種結(jié)構(gòu)形式是按該技術(shù)的核心部分一蓄熱室的布置來(lái)分類的。蓄熱室因集供熱、排煙和余
熱回收于一體而成為該技術(shù)的中樞。其他設(shè)備和工藝的變化都必須以此為基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)三種應(yīng)用形式都有應(yīng)用，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，其本身無(wú)優(yōu)劣之分。用戶在選用結(jié)構(gòu)形式時(shí)要綜合考慮燃料種類、場(chǎng)地大小、投資額度等因素，選擇適合自己的爐型結(jié)構(gòu)。因?yàn)槠浠驹矶家粯樱皇遣糠衷O(shè)備形式、材料與結(jié)構(gòu)布置的變化不同而已。
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)蓄熱式加熱爐幾種不同結(jié)構(gòu)形式的分析，可知該技術(shù)要進(jìn)一步推廣應(yīng)用，必須針對(duì)具體的爐型結(jié)構(gòu)、燃料條件、加熱工藝作相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)備的可靠性，才能真正發(fā)揮該技術(shù)節(jié)能環(huán)保的作用。
4 蓄熱式加熱爐在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題
(1) 蓄熱室結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化
蓄熱室結(jié)構(gòu)參數(shù)（主要是蓄熱室固定床的蓄熱體堆積參數(shù)）的熱力特性和阻力特性與介質(zhì)壓力、流量和換向時(shí)間有密切關(guān)系，應(yīng)需定量計(jì)算。
(2)爐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化
對(duì)于采用墻內(nèi)通道集中蓄熱方式的加熱爐，爐體的整體性、氣密性及噴口的布置很關(guān)鍵，直接影響到能否正常生產(chǎn)和燃燒效果。對(duì)于蓄熱式燒嘴，設(shè)計(jì)對(duì)蓄熱室結(jié)構(gòu)提出了更嚴(yán)格的要求，根據(jù)具體生產(chǎn)單位加熱爐的爐膛尺寸，選擇合適的蓄熱箱結(jié)構(gòu)和蓄熱體材質(zhì)與形狀至關(guān)重要。
(3)以上優(yōu)化設(shè)計(jì)措施是針對(duì)蓄熱式加熱爐的，但并不影響傳統(tǒng)加熱爐的一些先進(jìn)設(shè)計(jì)方法在蓄熱式加熱爐上的應(yīng)用。
5 結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)在不同爐型的工業(yè)爐上的應(yīng)用分析認(rèn)為應(yīng)用可進(jìn)一步的拓展。分析了蓄熱式燒嘴加熱爐、集成式蓄熱加熱爐和外置蓄熱器式加熱爐的優(yōu)缺點(diǎn)。選擇何種形式最優(yōu)化要根據(jù)不同的爐型，不同的燃料條件，不同的加熱工藝作相應(yīng)的設(shè)計(jì)，作為其核心設(shè)備之一的換向閥和蓄熱體結(jié)構(gòu)及材料也有多種選擇。
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