蓄熱式加熱爐燃燒氛圍及其優(yōu)缺點(diǎn)

蓄熱式加熱爐燃燒氛圍及其優(yōu)缺點(diǎn)第34卷第1期河北聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2012年1月JournalofI-IebeiUnitedUniversity(NaturalScienceEdition)Vo1.34No.1Jan.2012文章編號(hào):2095-2716(2012)01-0014-04蓄熱式加熱爐燃燒氛圍及其優(yōu)缺點(diǎn)王濤,高源,陳連生,王永強(qiáng),宋進(jìn)英(河北聯(lián)合大學(xué)河北省現(xiàn)代冶金技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北唐山063009)關(guān)鍵詞:蓄熱式加熱爐;曉氛圍;優(yōu)缺點(diǎn)摘要:介紹了蓄熱式加熱爐及其燃燒技術(shù),較全面的分析了蓄熱式軋鋼加熱爐的優(yōu)缺點(diǎn)及其燃燒氛圍,工作原理等方面.中圖分類號(hào):TG155.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A蓄熱式燃燒技術(shù)被譽(yù)為21世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一,此技術(shù)應(yīng)用在軋鋼加熱爐上稱為蓄熱式軋鋼加熱爐,通稱蓄熱式加熱爐.蓄熱式燃燒技術(shù)經(jīng)歷了兩個(gè)重要的發(fā)展階段而趨向成熟.早期開發(fā)的蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)存在預(yù)熱能力不足,不能實(shí)現(xiàn)所謂的”極限余熱回收”,NO排放量較大等缺陷.經(jīng)過十多年的發(fā)展,直到2O世紀(jì)90年代此技術(shù)形成了真正意義上的”蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)”.蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)(HighTemperatureAirCombustion,HTAC),亦稱無焰燃燒技術(shù)(FlamelessOxidationCombustion,FLOX)或貧氧稀釋燃燒技術(shù)(LowOxygenDilutionCombustion,LOD)或低氮氧化物燃燒技術(shù)(LowNOInjectionCombustion,LNIC),它把回收煙氣余熱和高效燃燒及降低NO排放等技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來,從而實(shí)現(xiàn)了極限節(jié)能和極限降低NO排放量的雙重目的.而且,這種技術(shù)開創(chuàng)了針對(duì)燃用清潔或較清潔的氣體和液體燃料的工業(yè)爐開發(fā)應(yīng)用蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)的新時(shí)代.l蓄熱式加熱爐的燃燒氛圍蓄熱式加熱爐的工作原理和傳統(tǒng)的軋鋼加熱爐不同,由于采用了全新的燃燒技術(shù),這種加熱爐的工作原理有其特殊之處.這種特殊的工作原理決定了蓄熱式加熱爐中的加熱氛圍不再是傳統(tǒng)加熱爐中的氧化狀態(tài)而是氧化一還原的交替狀態(tài).1.1蓄熱式加熱爐工作原理蓄熱式加熱爐可用高爐煤氣作為燃料,它的工作原理不同于傳統(tǒng)加熱爐.空氣一煤氣雙預(yù)熱蓄熱式加熱爐是蓄熱式加熱爐的一種普遍形式,主要由換向系統(tǒng),蓄熱體,控制系統(tǒng),供風(fēng)及排煙系統(tǒng)組成,工作原理如圖1所示.在A狀態(tài)時(shí),煤氣和助燃空氣經(jīng)換向閥進(jìn)入左側(cè)蓄熱室,分別被空氣蓄熱體A和煤氣蓄熱收稿日期:2011-05-09圖1空氣一煤氣雙預(yù)熱蓄熱式加熱爐工作原理示意圖第1期王濤,等:蓄熱式加熱爐燃燒氛圍及其優(yōu)缺點(diǎn)l5體A加熱,預(yù)熱后的高溫空氣和煤氣分別從各自的噴嘴噴人爐膛,并在爐膛內(nèi)進(jìn)行燃燒,燃燒產(chǎn)物對(duì)坯料進(jìn)行加熱后,煙氣通過右側(cè)噴嘴進(jìn)入右側(cè)蓄熱室,高溫?zé)煔庵械臐摕岽蟛糠轴尫沤o右側(cè)蓄熱室內(nèi)的蓄熱體B從而將蓄熱體加熱,然后以150的低溫經(jīng)過換向閥,由排煙機(jī)排人大氣.幾分鐘后,控制系統(tǒng)發(fā)出換向命令,換向閥動(dòng)作,空氣與煤氣流動(dòng)同時(shí)換向,系統(tǒng)變?yōu)锽狀態(tài),空氣和煤氣分別經(jīng)過右側(cè)蓄熱室的空氣蓄熱體B和煤氣蓄熱體B,被預(yù)熱后從右側(cè)噴嘴噴人并混合燃燒,高溫?zé)煔饨?jīng)過蓄熱體A后大部分潛熱釋放,蓄熱體A被加熱,煙氣以150的低溫經(jīng)過換向閥,由排煙機(jī)排人大氣中,完成一個(gè)換向周期.通過工作溫度不高的換向閥以一定的頻率進(jìn)行切換,使得左右兩側(cè)的蓄熱室處于蓄熱與放熱的交替工作狀態(tài),完成對(duì)爐內(nèi)坯料加熱的目的.1.2蓄熱式加熱爐內(nèi)的加熱氛圍蓄熱式燒嘴成對(duì)安裝在爐墻內(nèi),每個(gè)燒嘴由煤氣蓄熱體,空氣蓄熱體和點(diǎn)火小燒嘴組成,如圖2所示.上加熱燒嘴的煤氣蓄熱體置于空氣蓄熱體下方,下加熱燒嘴則與:之相反.分析燃燒過程可以發(fā)現(xiàn),從燒嘴噴出的火焰都是以貧氧的氣氛接近工件,火焰在剛剛離開燒嘴噴向工件表面時(shí)是含有CO的貧氧的還原性氣氛,但是在隨后的延緩狀燃燒過程中能通過分級(jí)燃燒和高速氣流卷進(jìn)燃燒產(chǎn)物等措施將可燃成分燃燒干凈,此時(shí)為氧化狀態(tài),蓄熱式加熱爐換向后,重復(fù)這個(gè)過程.因此蓄熱式加熱爐內(nèi)的加熱氛圍實(shí)際上是”氧化一還原”交替變化的特殊狀態(tài).蓄熱式加熱爐這種特殊的燃燒環(huán)境也可以從其實(shí)際工況下爐內(nèi)截面的氧氣濃度場(chǎng)分布證實(shí),如圖3所示.由圖3可以看出,由于高速空氣流的抽引,煤氣流(圖中深色流股)迅速向空氣流股擴(kuò)散,同時(shí)由于高溫空氣的卷混,空氣射流的氧氣濃度迅速降低,此時(shí)在爐內(nèi)形成貧氧或還原性氣氛,而燃料完全燃燒后會(huì)形成氧化氣氛引.a蓄熱式燃燒b傳統(tǒng)燃燒圖2蓄熱式加熱爐與傳統(tǒng)加熱爐燃燒的基本原理圖3某工況下加熱爐內(nèi)某截面的氧氣濃度場(chǎng)分布云圖蓄熱式加熱爐這種燃燒氛圍與傳統(tǒng)的加熱爐有很大的區(qū)別,傳統(tǒng)加熱爐燃燒時(shí),燃料和空氣先混合再燃燒圖如2b所示,這樣火焰的外層為助燃空氣,內(nèi)層為燃料,所以形成氧化性的加熱氛圍.2蓄熱式加熱爐的主要優(yōu)點(diǎn)蓄熱式軋鋼加熱爐采用的是高溫空氣燃燒技術(shù),這種全新燃燒技術(shù)把高效燃燒與極大限度的回收煙氣16河北聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第34卷余熱及降低NO排放等技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)了極限節(jié)能和極限降低NO排放量的雙重目的.它的主要優(yōu)點(diǎn)如下:(1)在節(jié)能減排方面.大幅度降低了燃料消耗,由于空氣煤氣雙預(yù)熱到1000以上,排煙溫度不高于150,因此爐子的燃料消耗大幅度降低,燃料利用率提高30%;與傳統(tǒng)的加熱爐相比,蓄熱式軋鋼加熱爐能夠真正實(shí)現(xiàn)超低NO排放,并且能最大限度的降低(20:的排放,極大限度的減少了環(huán)境污染.(2)在鋼坯的加熱質(zhì)量方面.蓄熱式燃燒是一種先進(jìn)的彌散式燃燒方式,擴(kuò)展火焰燃燒區(qū)域,火焰的邊界幾乎擴(kuò)展到爐膛的邊界,從而使得爐膛內(nèi)溫度分布均勻,不易形成局部高溫,提高了鋼坯加熱質(zhì)量;由于空氣預(yù)熱溫度很高,幾乎接近煙氣溫度,空氣與燃料在爐膛內(nèi)邊混合邊燃燒,燃燒速度快,燃燒完全,通過優(yōu)化設(shè)計(jì)可在爐膛內(nèi)實(shí)現(xiàn)貧氧燃燒.而且爐子沒有預(yù)熱段,爐膛溫度均勻,鋼坯加熱速度快,在爐時(shí)間短.因此鑄坯氧化燒損要比傳統(tǒng)燃燒方式小,提高了產(chǎn)品的成材率墻J.3蓄熱式加熱爐存在的不足蓄熱式軋鋼加熱爐在使用過程中存在一些缺點(diǎn),歸納起來主要為以下幾方面:(1)爐膛壓力不穩(wěn)定爐膛壓力和煤氣管網(wǎng)壓力的波動(dòng)是由于頻繁換向引起的.爐子每次換向都是一個(gè)切斷煤氣一換向一重新輸人煤氣的過程,爐內(nèi)的煤氣燃燒瞬間消失,又迅速恢復(fù),帶來的爐膛壓力波動(dòng)是相當(dāng)大的.而且,煤氣流量越大,爐壓波動(dòng)也越嚴(yán)重.如果在加熱段和均熱段煤氣流量都超過15000m3/h,即使采用加熱段和均熱段分別不同時(shí)換向(分段換向),換向前后爐壓也會(huì)有大約一2050Pa的波動(dòng).爐壓的不穩(wěn)定會(huì)對(duì)加熱爐的運(yùn)行造成負(fù)面影響,輕則造成爐頭爐尾冒火,吸冷風(fēng)現(xiàn)象,重則造成設(shè)備的損壞.值得注意的是在換向過程中,排煙調(diào)節(jié)閥的開啟度是不變的.(2)高爐煤氣粉塵對(duì)蓄熱體的不良影響大量的高爐煤氣粉塵黏附在蓄熱體表面,形成額外的熱阻,降低了熱交換效率和煤氣,空氣的預(yù)熱溫度.嚴(yán)重時(shí)粉塵堵塞蓄熱室,阻礙煤氣,空氣人爐和煙氣的排出,出現(xiàn)爐溫降低,爐膛壓力升高的異常現(xiàn)象.蓄熱室堵塞后爐子出現(xiàn)如下特征:煤氣流量偏低,而且爐子兩側(cè)的煤氣流量有差別,這是兩側(cè)的蓄熱體堵塞程度不同而導(dǎo)致的;爐壓高,即使排煙調(diào)節(jié)閥全開,保溫期的爐膛壓力仍然很高;蓄熱室溫度和排煙溫度偏低.相比而言,空氣蓄熱室的堵塞程度沒有煤氣蓄熱室嚴(yán)重,粉塵顆粒主要積聚在煤氣蓄熱室底部的部分蓄熱小球表面.(3)爐膛上下存在溫差在忽略阻力和施工影響的情況下,爐膛上下的供氣量基本相等,就是說上加熱和下加熱的供熱比是1:1.基于熱氣體的上升特性,加上水冷梁的吸熱,下爐膛的溫度就會(huì)低于上爐膛,這會(huì)影響鋼坯加熱質(zhì)量.實(shí)際生產(chǎn)中爐膛下部要比上部低50100,軋制節(jié)奏越快,鋼坯加熱時(shí)間越短,這種溫差就越大.(4)燃燒氛圍對(duì)加熱某些鋼種生成的氧化層的不利影響由于蓄熱式加熱爐中燃燒的氣體需要換向,這樣就會(huì)形成氧化一還原交替變化的特殊加熱氛圍,這種加熱環(huán)境對(duì)于某些鋼種的氧化層的形成有不利的影響(如含cr,Mo的鋼種),所形成的氧化層難于除干凈,使熱軋產(chǎn)品的表面質(zhì)量受到很大影響.(5)存在安全隱患加熱爐使用過程中由于密封不好或爐體存在裂縫以及操作不當(dāng)可能造成煤氣燃料的泄露,威脅工作人員的人身安全;由于煙氣排放溫度較低(150oC),所以煙氣的露點(diǎn)腐蝕也可能造成生產(chǎn)事故9.4結(jié)論(1)蓄熱式加熱爐中煤氣燒嘴布置在鋼坯附近,空氣燒嘴遠(yuǎn)離鋼坯表面.火焰剛剛離開燒嘴時(shí),鋼坯處于還原性加熱氣氛,之后燃料和空氣充分燃燒,鋼坯處于氧化的加熱氣氛.因此,鋼坯在蓄熱式加熱爐中處于氧化一還原的交替加熱狀態(tài),鋼坯的氧化層生長(zhǎng)處于”生長(zhǎng)一分解一生長(zhǎng)”的間斷式方式;(2)蓄熱式加熱爐采用全新的燃燒技術(shù),大幅度降低了燃料消耗,燃料利用率提高30%;蓄熱式燃燒擴(kuò)第1期王濤,等:蓄熱式加熱爐燃燒氛圍及其優(yōu)缺點(diǎn)17展了火焰燃燒區(qū)域,火焰的邊界幾乎擴(kuò)展到爐膛的邊界,使得爐膛內(nèi)溫度分布均勻,提高了鋼坯加熱質(zhì)量.但蓄熱式加熱爐也存在爐膛壓力不穩(wěn),爐膛上下存在溫差,某些鋼種氧化層難以去除等缺陷.參考文獻(xiàn):吳存寬,吳彬林.高溫空氣燃燒技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用J.工業(yè)爐,2003,25(2):13-:16.楊澤末.蓄熱式燃燒技術(shù)在非軋鋼加熱爐上的應(yīng)用J.工業(yè)爐,2005,27(2):23-25.張繼光.應(yīng)用于陶瓷燒成的高溫空氣燃燒技術(shù)研究D.北京工業(yè)大學(xué),2002.郝海舟.耦合工況下蓄熱式高溫空氣燃燒系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性分析D.北京工業(yè)大學(xué),2006.NABILR.WIODZIMIERZB.HeattransfercharacteristicsofHiTACheatingfurnaceusingregenerativeburnersJ.AppliedThermalEngineering,2006,(26):2027-2034.歐儉平,吳道洪,肖澤強(qiáng).蓄熱式加熱爐內(nèi)流體流動(dòng),燃燒與傳熱的數(shù)值模擬j工業(yè)爐,2003,25(1):4447.郭漢杰.蓄熱式燃燒技術(shù)J.金屬世界,2003,(5):20-21.呂以清.蓄熱式燃燒技術(shù)在軋鋼連續(xù)加熱爐應(yīng)用的合理性與適用性(上)J.工業(yè)爐,2007,29(1):26-27.梁海風(fēng),沈奕光.蓄熱式加熱爐運(yùn)行中的問題及處理方法J.冶金能源,2004,23(4):38-40.TheMeritsandDemeritsandCombustionThermo-AtmosphereofRegenerativeMillFurnaceWANGTao,GAOYuan,CHENLiansheng,WANGYongqiang,SONGJin-ying(HebeiKeyLaboratoryofModemMetallurgyTechnology,HebeiPolytechnicUniversity,TangshanHebei063009,China)Keywords:regenerativemillfurnace;combustionatmosphere;meritsanddemeritsAbstract:Atfirst,thedevelopingsituationofregenerativetypecombustiontechnologyisintroducedinthispaper,andthen,themeritsanddemeritsofregenerativemillfurnaceareanalyzedindetail.TheHighTemperatureAirCombustionworkingprinciplesandtypesofregenerativemillfurnacearespecifiedatlast.1i1i1i