|
|
| 蓄熱式燃燒技術在工業爐上的應用與分析 |
|
摘要：對蓄熱式燃燒技術在不同工業爐上的應用進行了分析，介紹了蓄熱式軋鋼加熱爐的幾種應用形式及其優缺點，指出了目前應用中存在的一些問題，同時提供了優化設計的一些建議。
關鍵詞：蓄熱式,高溫空氣燃燒,工業爐,應用
1 引言
20世紀90年代初始，蓄熱式余熱回收技術得到了快速發展：在蓄熱體材質、構造、蓄熱性能等方面都得到了許多改進；單位體積的傳熱面積由過去的10-40m2/m3提高到200-1300 m2/m3，因而體積顯著減��；換向閥和控制系統可靠性也得到改善，換向時間由過去的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，接近煙氣的露點溫度。
由于助燃空氣預熱溫度高達1000℃,遠高于傳統的500 --- 6001C，從而改變了傳統的燃料燃燒方式，出現了一項全新的燃燒技術—高溫空氣燃燒(HTAC)技術。該技術的關鍵在于通過高效的蓄熱式余熱回收可實現高溫低氧的燃燒過程，形成與傳統燃燒迥然不同的火焰特性，從而達到節能與環保的雙重效益。
隨著90年代末期該技術的逐步推廣應用，近兩年迅速成為一項炙手可熱的節能環保新技術，在不同工業爐上得到快速應用。至2002年已投產各種蓄熱式工業爐50多臺。本文通過對目前應用情況的分析，為使用者提供一些參考。
2 在不同爐型工業爐上的應用分析
目前該技術已應用于推鋼式連續軋鋼加熱爐、步進式連續加熱爐、室式加熱爐、臺車爐、鋼管連續退火爐、鋼包烘烤器、罩式爐以及倒焰窯等�，F在以連續軋鋼加熱爐為主，其產生的經濟效益也最明顯，投資回收期最短，尤其是“以氣代油”的企業，基本在半年內就可收回全部投資。
2.1推鋼式連續加熱爐
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，也有優質碳素鋼和高合金鋼。3種蓄熱實現形式都有，各有其優缺點。
2.1.1普線廠
普線廠由于加熱無特殊要求，故采用集中蓄熱、集中換向的方式較多，優點是設備簡單，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］。其主要特點是：
(1)取消了在普通加熱爐上用來回收煙氣余熱的預熱段，使被加熱鋼坯在最大可能的輻射溫壓下進行快速加熱，縮短鋼坯在爐內的加熱時間，減少鋼坯的氧化燒損。
(2)在砌體結構的設計上，針對爐墻有內通道、溫度高且變化頻繁的特點，為確保砌體的嚴密和壽命、減少散熱損失和保證施工質量，采用了內襯整體澆注的復合爐體結構。
(3)根據蓄熱式換向燃燒的特點，使煤氣噴口緊貼鋼坯表面布置，讓鋼坯表面形成相對穩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
中板廠由于有調節鋼溫的需要，目前主要是采用蓄熱燒嘴式，有集中換向和分散換向兩種。分散換向的優點是調節手段靈活，能滿足中板加熱需要，缺點是設備復雜，操作和維護難度大。
2.1.3合金鋼加熱
合金鋼加熱主要采用蓄熱燒嘴加常規燒嘴結合的形式，優點是能解決合金鋼熱裂等問題，但蓄熱系統和常規系統之間的工況相互干擾，影響系統運行。
2. 2 步進式加熱爐
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。從使用情況來看這3座加熱爐的效果都不錯，均達到國內先進水平。其中唐鋼高線加熱爐采用轉爐煤氣雙預熱，單位能耗僅為0.81GJ/t,氧化燒損低于0.7%，熱效率在70％以上。其主要特點是：采用最先進的組合換向技術，不但減少了換向煤氣損失，而且確保了換向過程的安全。采用優化后的相對分散蓄熱和噴口布置，保證實現空間燃燒，爐內沒有局部高溫，也沒有火焰盲區。
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。國內蓄熱式技術應用于這幾種室式加熱爐都取得了不錯的效果。這些室式加熱爐不是單臺長期連續使用，比較適合蓄熱式燃燒這項燃燒技術的開發應用。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。但由于公共設備（如換向閥和控制系統）是必備的，所以投資回收期較長。若要進一步推廣應用，需研究實用可靠、價格更便宜的設備。
2．4 鋼包烘烤器
將蓄熱式熱回收裝置、換向閥、鼓風機、排煙和燃料引入裝置安裝在鋼包蓋上，取代常規烤包燒嘴（套管式燒嘴和旋流式燒嘴等）用于鋼包烘烤，目前已成功應用于武鋼、萊鋼、寶鋼、唐鋼等鋼廠。其優點是能大幅節能50％以上，提高烤包溫度和烤包均勻性，減少排煙污染。目前應解決如何降低設備造價，提高換向設備的可靠性等問題。
2.5鋼管熱處理爐
由于溫度不高，供熱量小，主要采用繭青石質陶瓷蜂窩體小型蓄熱燒嘴，但這對溫度控制提出了更高的要求。
2. 6 應用分析
蓄熱式高溫空氣燃燒技術在不同爐型工業爐上的應用也走過了一個不斷討論—懷疑—再討論—推廣的過程。最初在室式加熱爐的應用由于局部設備的不成熟，曾引起過懷疑，沒有受到應有的重視。1997年在軋鋼加熱爐上應用時也曾出現過討論，后來在推鋼式加熱爐上獲得成功后，能否在步進式加熱爐上應用又受到懷疑。現在此項技術已得到廣泛應用，并且有進一步拓展應用領域的試驗研究，包括燃煤倒焰窯（利用蓄熱室實現高溫煙氣除塵和二次風的預熱）、輻射管熱處理爐、垃圾焚燒爐、燃料氣化爐、熱風爐及有色冶煉反射爐等等。
能否在所有火焰爐內高效地利用蓄熱式高溫空氣燃燒技術，這需要進一步加強應用研究，尤其是要結合不同的爐型、不同的燃料、不同的加熱鋼種作最優化設計。另外還有待進一步提高高溫空氣燃燒中實現低氧，以降低NOx產生的應用水平。
3 蓄熱式軋鋼加熱爐的幾種應用形式
近幾年，蓄熱式軋鋼加熱爐在國內得到快速推廣應用，在應用中出現了幾種不同的結構形式，取得的效果也不盡相同。下面對幾種不同結構的蓄熱式加熱爐進行介紹。
3. 1 蓄熱燒嘴式加熱爐
蓄熱式燒嘴在國外應用較早，20世紀80年代初英國的Hot Work公司和英國煤氣公司合作開發了稱為RCB(Regeneratice Ceramics Burner）型的燒嘴。隨后美國也開發了類似的蓄熱式燒嘴，又叫雙蓄熱床燒嘴系統。日本很快也研制出這種蓄熱式燒嘴技術，并大力推廣。中國的研究進展雖然與國外同步，但應用較晚。蓄熱式燒嘴的主要特點是將燃燒器與蓄熱室余熱回收裝置集成一體配成一對類似常規燒嘴的燃燒系統，每個蓄熱式燒嘴周期性使用。1座爐子往往由多對蓄熱式燒嘴供熱。
據有關資料介紹，國外普遍采用蓄熱燒嘴式加熱爐，就蓄熱技術而言，其應用水平已相當成熟。但國外使用蓄熱式燒嘴燒低熱值煤氣（如高爐煤氣）的工業爐較少。從蓄熱體使用的材料來看，國外使用陶瓷球、陶瓷蜂窩體、瓦礫等，特別是陶瓷蜂窩體蓄熱式燒嘴以其結構小巧得到重視。國內蓄熱體則主要使用陶瓷球和陶瓷蜂窩體這2種。國內在大型加熱爐上使用蓄熱式燒嘴是近兩年才開始的，在燒嘴的結構布置上做了一些改進，主要是將蓄熱體部分埋進了爐墻，克服了原結構“皮厚囊小”的弊病。
蓄熱式燒嘴以其調節靈活性，爐型選擇的多樣性，對不同工藝要求的適應性等優點成為蓄熱式高溫空氣燃燒技術未來發展的一種很重要的方式。尤其是結構簡單、體積小的單體自身蓄熱燒嘴（國內已有專利）更具競爭力，對于舊爐子改造有投資省的優點。
3. 2 集成式蓄熱加熱爐
這是國內應用較早的一種形式，是我國的北島能源技術發展有限公司90年代初開發的高效蓄熱式余熱自回收系統專利技術的應用。其特點是把蓄熱室安裝在爐子底部，同時在爐墻澆注出通道和噴口，并與高效余熱回收裝置結合成一體，形成集供熱、排煙和余熱回收于一體的集成式加熱爐。
其優點是把蓄熱室、介質通道和噴口都集中在爐體內，減少了外部高溫管道，占地少，系統布置簡單，加熱能力不受設備體積和布置方式的限制，供熱能力設計余地大。由于噴口的簡化為噴口的設計提供了多種選擇以滿足加熱質量的需要。如通過噴口的設計可以在加熱物料表面形成相對還原氣氛，減少氧化燒損。其缺點是爐墻較厚，基礎基建量大，對舊爐改造受到場地和土建基礎限制。另外由于較集中的換向控制和蓄熱，使供熱調節受到一定程度限制，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，可采用雙預熱、分段集中蓄熱和換向。該結構的加熱爐由于爐墻內有煤氣、助燃空氣通道，因而內模結構復雜，澆注料施工難度大。故爐體采用復合爐體，整體澆注，選用莫來石自流澆注料可確保爐體質量。利用自流料漿體具有高觸變性，施工時不需振動，可自行流動、脫氣、密實，減少了因施工帶來的孔洞和裂縫。另外通過提高材料理化指標性能，確保爐體熱震穩定性好，重燒線變化小，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構形式。其特點是把集成式加熱爐的蓄熱室和高溫通道放在爐體外，通過與爐內噴口的直接連接形成外置蓄熱系統，采用分段換向和相對集中的蓄熱室。
這種結構形式給系統設計帶來許多有益的變化，比前面兩種更具靈活性。首先是蓄熱室的設計可以根據現場需要靈活設計，同時可以增加上下蓄熱室的調節手段。其次噴口的設計更靈活，同時帶來噴口換向燃燒方式的靈活，既可異側換向，也可同側換向。噴口燃燒組合也更具多樣性。另外，對蓄熱系統設備的選擇適應性也廣。
3. 4 三種結構的對比分析
以上三種結構形式是按該技術的核心部分一蓄熱室的布置來分類的。蓄熱室因集供熱、排煙和余
熱回收于一體而成為該技術的中樞。其他設備和工藝的變化都必須以此為基礎。國內三種應用形式都有應用，各有其優缺點，其本身無優劣之分。用戶在選用結構形式時要綜合考慮燃料種類、場地大小、投資額度等因素，選擇適合自己的爐型結構。因為其基本原理都一樣，只是部分設備形式、材料與結構布置的變化不同而已。
通過對國內蓄熱式加熱爐幾種不同結構形式的分析，可知該技術要進一步推廣應用，必須針對具體的爐型結構、燃料條件、加熱工藝作相應的優化設計，提高設備的可靠性，才能真正發揮該技術節能環保的作用。
4 蓄熱式加熱爐在設計中應考慮的幾個問題
(1) 蓄熱室結構參數優化
蓄熱室結構參數（主要是蓄熱室固定床的蓄熱體堆積參數）的熱力特性和阻力特性與介質壓力、流量和換向時間有密切關系，應需定量計算。
(2)爐體結構優化
對于采用墻內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鍵，直接影響到能否正常生產和燃燒效果。對于蓄熱式燒嘴，設計對蓄熱室結構提出了更嚴格的要求，根據具體生產單位加熱爐的爐膛尺寸，選擇合適的蓄熱箱結構和蓄熱體材質與形狀至關重要。
(3)以上優化設計措施是針對蓄熱式加熱爐的，但并不影響傳統加熱爐的一些先進設計方法在蓄熱式加熱爐上的應用。
5 結論
本文通過對蓄熱式高溫空氣燃燒技術在不同爐型的工業爐上的應用分析認為應用可進一步的拓展。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缺點。選擇何種形式最優化要根據不同的爐型，不同的燃料條件，不同的加熱工藝作相應的設計，作為其核心設備之一的換向閥和蓄熱體結構及材料也有多種選擇。
| |
|
