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1 概述
用蓄熱室來預熱空氣和燃料是一項較早的技術, 早在19 世紀中期就開始應用于高爐、熱風爐、焦爐等規模大且溫度高的爐子, 但傳統的蓄熱室采用格子磚為蓄熱體、傳熱效率低、蓄熱室體積龐大, 其換向閥結構復雜、效率比較低, 換向周期長, 因此沒有得到重視。由于20 世紀70 年代的能源危機后, 節能工作得到各個國家的重視, 加之科學技術的不斷進步出現了結構簡單、控制方便、可靠性強的換向系統。1982 年英國Hot Work Development 公司和Brit2ish Gas 研究院合作, 成功開發出第一座使用陶瓷小球作為蓄熱體的新型蓄熱式加熱爐, 節能效果顯著。近10 年來蓄熱式燃燒技術得到長足發展, 很多國家都在研究各種蓄熱式燒嘴和高效蓄熱式燃燒技術以及高風溫燃燒技術。 / l, q$ W( d+ ?; d$ f8 ?
2 蓄熱式燃燒技術
1998 年大連北島能源技術有限公司率先在萍鋼棒材公司軋鋼加熱爐上采用蓄熱式燃燒技術燃燒純高爐煤氣, 在國內首次實現了蓄熱式技術燃燒高爐煤氣在連續式軋鋼加熱爐上的應用。此后, 國內有多家公司開展蓄熱式燃燒技術的研究和在國內的推廣應用, 蓄熱式燃燒技術逐漸成熟。在蓄熱式燃燒技術方面形成了一套較完善的設計思想和方法,蓄熱式技術在工業爐上的應用實現了高產、低耗、少污染和高自動化水平, 達到了燃燒工業爐“三高一低”(高爐溫、高煙溫、高余熱回收、低惰性) 的發展方向要求。從20 世紀90 年代開始, 國內蓄熱式燃燒技術發展到現在, 基本分為以下兩大系列:
5 b) o) V3 O+ y \. }6 n' h" V(1) 以北京北島為代表的內置通道式加熱爐, 其特點是: ①把蓄熱室和爐體有機結合為一體, 結構緊湊, 占地面積小, 爐子外觀整潔。②蓄熱體采用陶瓷小球, 價格低廉, 集中換向, 換向時間約180 s , 運行費用低。③爐體熱損失小, 熱效率高, 很容易做到空氣、煤氣雙預熱,燃燒噴口密布, 爐溫均勻性好, 鋼坯氧化燒損低。④爐型結構較復雜, 爐墻厚達l m , 對耐火材料的理化指標性能要求高, 對設計、施工的技術水平和經驗要求高。⑤若爐墻出現問題, 維修時間長。
; x& ` d! }3 }! B6 j(2) 以北京神霧為代表的蓄熱式燒嘴式加熱爐。把蓄熱室和燒嘴有機結合為一體, 并有可靠換向系統的高效蓄熱式燃燒技術。北京神霧熱能技術有限公司于2000 年成功地研制開發出適應國內工業爐窯的蓄熱式燃燒器系列, 形成了北京神霧蓄熱式燒嘴技術體系, 國內第一次應用該技術的企業是2000 年邯鄲鋼鐵公司中板廠改造的中板加熱爐, 取得了顯著的經濟效益和社會效益。此后該公司又開發了多種蓄熱式燒嘴, 分別應用不同的燃料及行業。通過上述分析可以看出, 兩種蓄熱式加熱爐雖然各有優、缺點, 且在國內冶金行業都有實際應用的實例, 但總的發展趨勢是朝著燒嘴式蓄熱式加熱爐方向發展, 具體表現有以下幾個方面 1) 蓄熱式燒嘴加熱爐和原普通加熱爐相比,都是通過調整燒嘴熱負荷來調節爐內溫度, 對于操作人員易于接受。(2) 每個燒嘴都可單獨調節, 上下加熱燒嘴能
力搭配合理, 加熱爐各段上下加熱溫度的調節非常方便。(3) 爐墻兩側留有便于檢修的人孔門和扒渣門, 這是采用燒嘴結構形式的最大優點。(4) 對于高熱值氣體燃料, 可直接冷爐點火升溫, 不需要單獨的點火燒嘴。(5) 燒嘴式結構可以采用集中換向和分散換向方式, 分散換向則由于換向閥靠近燒嘴, 換向閥與燒嘴之間的連接管道短而小, 燃燒間斷時間短, 因此換向時管道內殘留煤氣損失較少, 更有利于節能。(6) 維護工作量稍大, 但檢修時間短, 停爐時間短。 8 F/ }- f/ Y2 Z+ Y
3 燒嘴式蓄熱式加熱爐
3. 1 蓄熱燒嘴的結構
燒嘴采用空氣、煤氣組合式, 由空氣蓄熱燒嘴、煤氣蓄熱燒嘴組合而成, 上加熱煤氣噴口在下, 空氣噴口在上, 下加熱燒嘴則反之; 盡量在鋼坯的上下表面形成還原性氣氛, 降低氧化燒損和表面脫碳。蓄熱式燒嘴的設計既要考慮低熱值燃氣的燃燒混合問題, 又要保證煤氣的完全燃盡, 同時實現爐膛溫度的均勻性, 因此采用雙流股蓄熱式燒嘴形式。
燃燒噴口是燃燒系統的關鍵部位, 合理的燃燒組織有賴于此, 在燃燒組織上既要確保燃氣在爐內充分燃燒, 不會在對面的蓄熱體內繼續燃燒而對其造成損壞, 同時又要合理促成低氧燃燒的實現, 避免出現局部的高溫過熱; 既強化爐溫的均勻性, 減少NO x 等有害氣體的生成, 又減小高溫下脫碳的發生。因此, 在噴口設計上要選擇最優的氣體出口速度和混合噴射角度。燃料在噴口處邊混合邊燃燒, 空氣、煤氣在噴出過程中卷入周圍的爐氣, 稀釋空煤氣濃度, 低氧燃燒, 使煙氣中NO x 的產生大大降低, 減少了有害氣體的排放量。由于采用集中點火烘爐方式, 只要爐氣溫度高于700 ℃, 高爐煤氣噴入爐內就會燃燒, 且連續式加熱爐并不會頻繁地冷爐啟動, 因此將高溫段蓄熱式燒嘴配帶自動點火及火焰檢測系統是沒有必要的, 這樣既簡化了燒嘴結構、降低了投資, 也減少了高溫段存在的點火燒嘴經常燒損的情況。
3. 2 蓄熱體
蓄熱體有陶瓷小球和陶瓷蜂窩體, 發展趨勢是采用陶瓷蜂窩體。其高溫段材質為高純鋁質材料,有較高的耐火度和良好的抗渣性; 中部采用莫來石材料; 低溫段材質為堇青石, 其特點是在低于1000 ℃的工況下具有較好的抗腐蝕和耐急冷急熱性。蜂窩體的前端增加剛玉擋磚, 減少高溫爐膛對蜂窩體的輻射, 同時可增加蜂窩體的堆放穩定性。與顆粒狀蓄熱體(球形蓄熱體) 比較, 蜂窩狀蓄熱體有如下優點:單位體積換熱面積大, 100 孔/平方英寸的蜂窩體是Φ15 mm 球比表面積的5. 5 倍, Φ20 mm 球的7 倍。在相同條件下, 將等質量氣體換熱到同一溫度時的蜂窩體體積僅為球狀蓄熱體的1/3～1/4 , 重量僅為球的1/10 左右, 這就意味著蜂窩體蓄熱燃燒器構造更輕便、結構更緊湊。蜂窩體壁很薄僅0. 5 ～1 mm , 透熱深度小, 因而蓄熱、放熱速度快, 溫度效率高, 換向時間僅為30 ～45 s , 這比球狀蓄熱體的換向時間3 min 大大縮短, 更利于均勻爐內溫度場, 保證鋼坯均勻加熱, 這一點對加熱合金鋼、高碳鋼尤為有利。按照蜂窩體內氣流通道規則, 阻力損失僅為球狀的1/3～1/4。球形蓄熱體氣流阻力損失隨空氣流速增大而增大, 其變化規律為冪函數關系, 球徑大則阻力變小, 但蓄熱室結構也要相應增大。蜂窩體
由于有較高壓力的氣體頻繁換向, 起到了吹刷通道作用, 故不易產生灰塵沉積堵塞。對于爐膛較寬的爐子, 相對應爐長較短, 爐兩側可供布置燒嘴的空間較小, 采用比表面積小的小球時常常由于空間的限制使得蓄熱能力不足。因此, 在采用蓄熱式燒嘴形式的加熱爐當中, 應用比表面積大于小球幾倍的蜂窩體是必然的選擇。采用陶瓷小球不方便在線更換, 而陶瓷蜂窩體則有利于蓄熱體的在線更換, 這可以保證非常好的生產連續性。
3. 3 換向系統
高爐煤氣換向系統、空氣/煙氣換向系統均采用全分散換向方式, 換向閥門全部為氣動, 以潔凈的壓縮空氣作為動力源, 氣源壓力≥0. 3 MPa 。高爐煤氣/煙氣采用快速切斷換向閥, 即一只煤氣蓄熱式燒嘴采用兩臺快速切斷閥, 快切閥采用三偏心結構, 動作靈活、可靠, 更換簡單。空氣/煙氣采用三通換向閥切換, 閥門驅動可采用液動,運行穩定, 但投入成本、運行成本高。
3. 4 工作方式
蓄熱燃燒器為成對換向操作, 換向周期可調。正常工作時換向周期30 - 45 s 左右, 采用雙重信號控制: 以時間和煙氣溫度為控制參數。換向系統采用PLC 可編程控制器控制, 可完成自動程序換向控制、手動強制換向控制, 設有功能顯示、工作狀態顯示等, 使操作者對蓄熱燃燒系統工作情況一目了然, 操作和監視十分方便。
3. 5 全分散換向系統技術特點
(1) 每個燒嘴的可單獨調節和上下加熱燒嘴能力的合理搭配, 使加熱爐各段上下加熱溫度的調節非常方便。(2) 在同側同向換向的基礎上, 可以實現每相鄰兩只燒嘴交錯燃燒, 此種方式優化爐膛氣流的組成, 有利于均勻爐溫, 提高加熱質量。(3) 每兩組燒嘴使用一套換向系統, 可以在任何一套系統發生故障時, 在其它燒嘴均正常工作的狀態下排除故障, 保證操作的連續性和生產穩定性, 而不致于象集中式換向那樣要將出現問題的那一段全部停下來。(4) 換向閥可以與燃燒噴口之間就近布置, 減短了換向閥與噴口之間的換向盲區, 最大限度地減少了交叉污染帶來的不安全因素。燃燒間斷時間短, 因此換向時管道內殘留煤氣損失較少, 更有利
于節能。(5) 采用輪序換向方式, 每套換向裝置換向時對爐壓的影響大為減小, 精確控制了各部分爐溫、爐壓, 提高了爐子的控制性能和鋼坯加熱質量。與集中式換向相比管道復雜, 不容易布置。
3. 6 數字化脈沖蓄熱式燃燒技術
在常規分段比例燃燒控制技術的前提下, 可應用數字化脈沖蓄熱式燃燒技術。石鋼棒材廠加熱爐在國內首次采用數字化脈沖蓄熱式燃燒技術, 這一技術不僅使蓄熱式技術本身的特性得以更高的發揮, 同時非常適應于冷熱裝變化較大、產量變化較大以及各鋼種經常變化的加熱要求。由于將原有“段”的概念予以虛擬, 因此可以說此種燃燒方式能夠滿足任何鋼種的加熱需求, 為新鋼種的開發、生產打下堅實的基礎。脈沖技術具有如下特點1) 時序加熱。燒嘴只有兩種工作狀態: 滿負
荷工作和不工作, 只是通過調整兩種狀態的時間比進行溫度調節, 需要低溫控制時仍能保證燒嘴工作在最佳燃燒狀態。采用脈沖燃燒控制方式, 可以將煤氣壓力和空氣壓力一次性調整到合適值, 在系統投入運行后, 只需保持這兩個壓力穩定即可。因此, 燒嘴總是以最大效率、在最小過剩空氣量的條件下運行。(2) 實現加熱區域任意“虛擬”的劃分。虛擬的加熱段及均熱段(每對燒嘴獨立控制) 采用數字化控制技術, 加熱爐能力可以根據產量調整, 同時確保產品獲得良好的均勻性。計算機可以根據一系列已裝爐坯料的熱量數據, 對每對燒嘴進行實時設定, 可以設定開或關一些燒嘴, 精確控制加熱爐加熱能力, 在任何工況條件下, 燃料綜合消耗量在整個軋機生產范圍內降低。
4 結語
從長期的市場角度看, 鋼材多品種、小批量的需求變化日益增加; 從短期的鋼坯加熱角度看, 鋼坯冷熱裝的情況會經常存在。燒嘴式蓄熱式加熱爐方案符合上述鋼材加熱要求。此外, 蓄熱式燒嘴式加熱爐爐墻兩側留有便于檢修的人孔門和扒渣門,這是唯有采用燒嘴結構形式才能做到的; 對于高熱值氣體燃料, 可直接冷爐點火升溫, 不需要單獨的點火燒嘴; 維護工作量稍大, 但檢修時間短, 停爐時間短。國內蓄熱式加熱爐發展很快, 現在還不能講哪一種形式是最先進、最成熟的, 都多少存在一些問題, 蓄熱體的壽命、蓄熱式加熱爐的壽命都有待提高等, 但蓄熱式燒嘴式加熱爐是一種發展方向。
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發表于 2007-2-2 16:46:18
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