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蓄热式燃烧技术在工业炉上的应用与分析
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蓄热式燃烧技术在工业炉上的应用与分析

文章出处:雷力小编 浏览次数: 发表时间:2016-10-24 17:56 【

20世纪90年代初始,蓄热式余热回收技术得到了快速发展:在蓄热体材质、构造、蓄热性能等方面都得到了许多改进;单位体积的传热面积由过去的10-40m2/m3提高到200-1300 m2/m3,因而体积显著减小;换向阀和控制系统可靠性也得到改善,换向时间由过去的30min左右缩短至几分或几十秒钟,热效率大幅提高至80%一90%左右,助燃空气预热温度大幅提高至1000℃以上,而排出的烟气温度可降低至200℃以下,接近烟气的露点温度。

由于助燃空气预热温度高达1000℃,远高于传统的500 --- 6001C,从而改变了传统的燃料燃烧方式,出现了一项全新的燃烧技术—高温空气燃烧(HTAC)技术。该技术的关键在于通过高效的蓄热式余热回收可实现高温低氧的燃烧过程,形成与传统燃烧迥然不同的火焰特性,从而达到节能与环保的双重效益。

随着90年代末期该技术的逐步推广应用,近两年迅速成为一项炙手可热的节能环保新技术,在不同工业炉上得到快速应用。

在不同炉型工业炉上的应用分析

目前该技术已应用于推钢式连续轧钢加热炉、步进式连续加热炉、室式加热炉、台车炉、钢管连续退火炉、钢包烘烤器、罩式炉以及倒焰窑等。现在以连续轧钢加热炉为主,其产生的经济效益也最明显,投资回收期最短,尤其是“以气代油”的企业,基本在半年内就可收回全部投资。

推钢式连续加热炉

该炉型主要用于普线厂、部分中板厂和中型厂,加热钢种以普钢和低合金钢为主,也有优质碳素钢和高合金钢。3种蓄热实现形式都有,各有其优缺点。

1.1.1普线厂

普线厂由于加热无特殊要求,故采用集中蓄热、集中换向的方式较多,优点是设备简单,可靠性好,操作方便。最有代表性的有韶钢三轧厂2#加热炉[1]。其主要特点是:

(1)取消了在普通加热炉上用来回收烟气余热的预热段,使被加热钢坯在最大可能的辐射温压下进行快速加热,缩短钢坯在炉内的加热时间,减少钢坯的氧化烧损。

(2)在砌体结构的设计上,针对炉墙有内通道、温度高且变化频繁的特点,为确保砌体的严密和寿命、减少散热损失和保证施工质量,采用了内衬整体浇注的复合炉体结构。

(3)根据蓄热式换向燃烧的特点,使煤气喷口紧贴钢坯表面布置,让钢坯表面形成相对稳定的还原气氛附面层,从而减少钢坯的氧化烧损,提高金属收得率。

1.1.2中板厂

中板厂由于有调节钢温的需要,目前主要是采用蓄热烧嘴式,有集中换向和分散换向两种。分散换向的优点是调节手段灵活,能满足中板加热需要,缺点是设备复杂,操作和维护难度大。

1.1.3合金钢加热

合金钢加热主要采用蓄热烧嘴加常规烧嘴结合的形式,优点是能解决合金钢热裂等问题,但蓄热系统和常规系统之间的工况相互干扰,影响系统运行。

1. 2 步进式加热炉

主要用于高线厂、小型连轧厂。大多采用外置蓄热装置式,有集中蓄热集中换向和分散蓄热分散换向两种。集中蓄热集中换向的有广钢高线加热炉和合钢小型连轧厂加热炉。分散蓄热分散换向有唐钢高线加热炉。从使用情况来看这3座加热炉的效果都不错,均达到国内先进水平。其中唐钢高线加热炉采用转炉煤气双预热,单位能耗仅为0.81GJ/t,氧化烧损低于0.7%,热效率在70%以上。其主要特点是:采用最先进的组合换向技术,不但减少了换向煤气损失,而且确保了换向过程的安全。采用优化后的相对分散蓄热和喷口布置,保证实现空间燃烧,炉内没有局部高温,也没有火焰盲区。

1. 3 室式加热炉

主要是指室式锻造用加热炉、室式均热炉、室式热处理炉等。国内蓄热式技术应用于这几种室式加热炉都取得了不错的效果。这些室式加热炉不是单台长期连续使用,比较适合蓄热式燃烧这项燃烧技术的开发应用。另外由于加热量小,既可用集中孔洞式,又可用蓄热烧嘴式,还可变化其他布置形式。但由于公共设备(如换向阀和控制系统)是必备的,所以投资回收期较长。若要进一步推广应用,需研究实用可靠、价格更便宜的设备。

1.4 钢包烘烤器

将蓄热式热回收装置、换向阀、鼓风机、排烟和燃料引入装置安装在钢包盖上,取代常规烤包烧嘴(套管式烧嘴和旋流式烧嘴等)用于钢包烘烤,目前已成功应用于武钢、莱钢、宝钢、唐钢等钢厂。其优点是能大幅节能50%以上,提高烤包温度和烤包均匀性,减少排烟污染。目前应解决如何降低设备造价,提高换向设备的可靠性等问题。

1.5钢管热处理炉

由于温度不高,供热量小,主要采用茧青石质陶瓷蜂窝体小型蓄热烧嘴,但这对温度控制提出了更高的要求。

1. 6 应用分析

蓄热式高温空气燃烧技术在不同炉型工业炉上的应用也走过了一个不断讨论—怀疑—再讨论—推广的过程。最初在室式加热炉的应用由于局部设备的不成熟,曾引起过怀疑,没有受到应有的重视。1997年在轧钢加热炉上应用时也曾出现过讨论,后来在推钢式加热炉上获得成功后,能否在步进式加热炉上应用又受到怀疑。现在此项技术已得到广泛应用,并且有进一步拓展应用领域的试验研究,包括燃煤倒焰窑(利用蓄热室实现高温烟气除尘和二次风的预热)、辐射管热处理炉、垃圾焚烧炉、燃料气化炉、热风炉及有色冶炼反射炉等等。

能否在所有火焰炉内高效地利用蓄热式高温空气燃烧技术,这需要进一步加强应用研究,尤其是要结合不同的炉型、不同的燃料、不同的加热钢种作最优化设计。另外还有待进一步提高高温空气燃烧中实现低氧,以降低NOx产生的应用水平。

2 蓄热式轧钢加热炉的几种应用形式

近几年,蓄热式轧钢加热炉在国内得到快速推广应用,在应用中出现了几种不同的结构形式,取得的效果也不尽相同。下面对几种不同结构的蓄热式加热炉进行介绍。

2. 1 蓄热烧嘴式加热炉

蓄热式烧嘴在国外应用较早,20世纪80年代初英国的Hot Work公司和英国煤气公司合作开发了称为RCB(Regeneratice Ceramics Burner)型的烧嘴。随后美国也开发了类似的蓄热式烧嘴,又叫双蓄热床烧嘴系统。日本很快也研制出这种蓄热式烧嘴技术,并大力推广。中国的研究进展虽然与国外同步,但应用较晚。蓄热式烧嘴的主要特点是将燃烧器与蓄热室余热回收装置集成一体配成一对类似常规烧嘴的燃烧系统,每个蓄热式烧嘴周期性使用。1座炉子往往由多对蓄热式烧嘴供热。

据有关资料介绍,国外普遍采用蓄热烧嘴式加热炉,就蓄热技术而言,其应用水平已相当成熟。但国外使用蓄热式烧嘴烧低热值煤气(如高炉煤气)的工业炉较少。从蓄热体使用的材料来看,国外使用陶瓷球、陶瓷蜂窝体、瓦砾等,特别是陶瓷蜂窝体蓄热式烧嘴以其结构小巧得到重视。国内蓄热体则主要使用陶瓷球和陶瓷蜂窝体这2种。国内在大型加热炉上使用蓄热式烧嘴是近两年才开始的,在烧嘴的结构布置上做了一些改进,主要是将蓄热体部分埋进了炉墙,克服了原结构“皮厚囊小”的弊病。

蓄热式烧嘴以其调节灵活性,炉型选择的多样性,对不同工艺要求的适应性等优点成为蓄热式高温空气燃烧技术未来发展的一种很重要的方式。尤其是结构简单、体积小的单体自身蓄热烧嘴(国内已有专利)更具竞争力,对于旧炉子改造有投资省的优点。

2. 2 集成式蓄热加热炉

这是国内应用较早的一种形式,是我国90年代初开发的高效蓄热式余热自回收系统专利技术的应用。其特点是把蓄热室安装在炉子底部,同时在炉墙浇注出通道和喷口,并与高效余热回收装置结合成一体,形成集供热、排烟和余热回收于一体的集成式加热炉。

其优点是把蓄热室、介质通道和喷口都集中在炉体内,减少了外部高温管道,占地少,系统布置简单,加热能力不受设备体积和布置方式的限制,供热能力设计余地大。由于喷口的简化为喷口的设计提供了多种选择以满足加热质量的需要。如通过喷口的设计可以在加热物料表面形成相对还原气氛,减少氧化烧损。其缺点是炉墙较厚,基础基建量大,对旧炉改造受到场地和土建基础限制。另外由于较集中的换向控制和蓄热,使供热调节受到一定程度限制,加热能力受燃料供入压力的影响较大。

集成式加热炉特别适合燃用低热值煤气,可采用双预热、分段集中蓄热和换向。该结构的加热炉由于炉墙内有煤气、助燃空气通道,因而内模结构复杂,浇注料施工难度大。故炉体采用复合炉体,整体浇注,选用莫来石自流浇注料可确保炉体质量。利用自流料浆体具有高触变性,施工时不需振动,可自行流动、脱气、密实,减少了因施工带来的孔洞和裂缝。另外通过提高材料理化指标性能,确保炉体热震稳定性好,重烧线变化小,从而保证了通道之间的密封性好,炉体的整体性好,消除了产生煤气泄漏的安全隐患。

2. 3 外王蓄热器式加热炉

这是介于集成式加热炉和蓄热烧嘴式加热炉之间的一种结构形式。其特点是把集成式加热炉的蓄热室和高温通道放在炉体外,通过与炉内喷口的直接连接形成外置蓄热系统,采用分段换向和相对集中的蓄热室。

这种结构形式给系统设计带来许多有益的变化,比前面两种更具灵活性。首先是蓄热室的设计可以根据现场需要灵活设计,同时可以增加上下蓄热室的调节手段。其次喷口的设计更灵活,同时带来喷口换向燃烧方式的灵活,既可异侧换向,也可同侧换向。喷口燃烧组合也更具多样性。另外,对蓄热系统设备的选择适应性也广。

2. 4 三种结构的对比分析

以上三种结构形式是按该技术的核心部分一蓄热室的布置来分类的。蓄热室因集供热、排烟和余热回收于一体而成为该技术的中枢。其他设备和工艺的变化都必须以此为基础。国内三种应用形式都有应用,各有其优缺点,其本身无优劣之分。用户在选用结构形式时要综合考虑燃料种类、场地大小、投资额度等因素,选择适合自己的炉型结构。因为其基本原理都一样,只是部分设备形式、材料与结构布置的变化不同而已。

通过对国内蓄热式加热炉几种不同结构形式的分析,可知该技术要进一步推广应用,必须针对具体的炉型结构、燃料条件、加热工艺作相应的优化设计,提高设备的可靠性,才能真正发挥该技术节能环保的作用。

3 蓄热式加热炉在设计中应考虑的几个问题

(1) 蓄热室结构参数优化

蓄热室结构参数(主要是蓄热室固定床的蓄热体堆积参数)的热力特性和阻力特性与介质压力、流量和换向时间有密切关系,应需定量计算。

(2)炉体结构优化

对于采用墙内通道集中蓄热方式的加热炉,炉体的整体性、气密性及喷口的布置很关键,直接影响到能否正常生产和燃烧效果。对于蓄热式烧嘴,设计对蓄热室结构提出了更严格的要求,根据具体生产单位加热炉的炉膛尺寸,选择合适的蓄热箱结构和蓄热体材质与形状至关重要。

(3)以上优化设计措施是针对蓄热式加热炉的,但并不影响传统加热炉的一些先进设计方法在蓄热式加热炉上的应用。

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