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蓄热式燃烧技术在非轧钢加热炉上的应用 

 1 、概述

　　20世纪80年代,随着新型蓄热体——陶瓷小球和陶瓷蜂窝体的出现,使原本古老的蓄热式燃烧技术焕发出无限强大的生命力,继而发展成为一种被称为"高温空气燃烧技术(HTAC)"的全新概念燃烧技术,它把高效燃烧与极大限度的回收烟气余热及降低NOr(r下标)排放等技术有机地结合起来,实现了极限节能和极限降低NO(r下标)排放量的双重目的.

　　轧钢加热炉是用能大户,其连续式的炉型比较适合采用蓄热式燃烧技术,尤其是高温空气燃烧技术使原本无法作为轧钢加热炉燃料的高炉煤气一跃成为"优质燃料",所以说"蓄热式燃烧技术给轧钢加热炉带来了一场革命".

　　然而,除轧钢加热炉外,还有哪些工业炉可以采用蓄热式燃烧技术来进行改造呢我们在以下几种炉型上使用,并取得了成功.

　　2 、采用蓄热式燃烧技术改造非轧钢炉的实例

　　2.1 大型台车式加热炉

　　重机,军工行业有许多与水压机及大型锻压设备配套的台车式加热炉,它们的最高炉温一般要求达到1 300℃以上,如果使用发热值只有1 200×4.18 kJ/m(3上标)的发生炉煤气作燃料(建国初期所建厂一般如此,近年来该种燃料的使用又多了起来),炉子在高温段升温困难,于是便要求空气与煤气双双经预热后燃烧.传统的做法是在炉后装设空气换热器与煤气换热器,而实际情况则因煤气质量问题,煤气换热器的寿命往往很短,许多厂家在尝够苦头之后,最后舍弃不用.在煤气不能预热的情况下,即便空气换热器将助燃空气预热到500℃也解决不了炉温问题.也有的工厂为了将空气能预热到600℃以上,在炉子两侧的地下建设庞大的以格子砖为蓄热体的老式蓄热室.

　　新型蓄热式烧嘴的出现无疑给上述工厂带来福音.公司在邢台轧辊厂3 000 t水压机车间的一台29.7m2(2上标)台车式加热炉上进行了蓄热式燃烧技术的改造.该炉两侧共装设8对空气单预热的蓄热式烧嘴,炉子分前后两区控制,设立两个供空气/烟气换向用的两位四通换向阀和两个煤气快速切断阀,并采用可编程序控制器对炉子的热工参数和换向程序进行自动控制.因为蓄热式烧嘴能将空气预热到只比当时炉温低50-100℃的高温,也就是在炉温升用手也搓不出氧化皮来(该厂工艺只要求"可视少氧化",并没有具体的化验指标,所以没做氧化烧嘴减少量的数据测试).

　　敞焰少氧化加热一直是热处理行业关注和潜心研究的重要课题,然而利用蓄热式烧嘴来实现却是公司独自辟出的一条蹊径.洪都钢厂辊底式炉的剖面图见图1.从图中可见,被处理的钢管搁在位于炉膛中部的辊道上,辊道上下都安装蓄热式烧嘴,每个烧嘴由煤气蓄热室,空气蓄热室和点火小烧嘴组成.上加热烧嘴的煤气蓄热室置于空气蓄热室下方,下加热烧嘴则与之相反.这样一来,从烧嘴喷出的火焰都是以贫氧的气氛接近工件,自然钢材的氧化烧损会减少.如果安装常规烧嘴的炉子也这样来组织火焰,势必会造成燃料的不完全燃烧和炉内积炭等问题.而蓄热式燃烧技术的基本思想就是让燃料在高温低氧体积浓度气氛中燃烧,火焰在刚刚离开烧嘴喷向工件表面时是贫氧的还原性气氛,但是在随后的延缓状燃烧过程中能通过分级燃烧和高速气流卷进燃烧产物等措施将可燃成分燃烧干净,不但不会积炭,而且还会收到均匀炉膛温度,减少NO.排放的效果.

　　东钢的链条式球墨铸铁管材热处理炉分加热段,急冷段和缓冷段.所用燃料为高垆煤气,加热段炉温900℃,原设计使用普通烧嘴,用装设在加热段烟道中的换热器将空气和煤气预热后燃烧.因高炉煤气热值只有740×4.18KJ/m3(3上标),用换热器预热的介质温度也有限,恐难满足加热段温度的要求.公司至1 100℃后,助燃空气的人炉温度超过1 000℃,自然炉子高温段的温升问题迎刃而解,同时也达到了降低燃耗的目的.

　　2.2 敞焰加热的连续式热处理炉

　　小型成批的工件热处理一般采用连续式炉,炉内无特殊气氛要求,燃料在炉膛内燃烧,燃烧产物可直接接触工件的炉型称为敞焰加热式炉(相对隔焰加热而言).根据工件在炉内传动方式的不同有辊底式炉,链条式炉,铸造链板式炉,隧道式炉等,它们的共同点是根据热处理工艺曲线的要求,沿炉子长度方向设立若干个区段,如预热段,加热段,保温段,冷却段等,每区段使工件的升温速度与保温温度衡定,即每区段炉温基本不变,炉子连续工作.从热工制度来看,连续式热处理炉与轧钢加热炉有相同之处,但是连续热处理炉的温度制度一般更加严格,同一断面炉内的温度均匀性要求更高.

　　公司设计改造了两台连续式热处理炉:洪都钢厂的辊底式钢管热处理炉和东钢的链条式球墨铸铁管材热处理炉.

　　洪都钢厂的辊底式钢管热处理炉用于钢管退火,燃料为冷发生炉煤气.采用空气,煤气双预热的组合蓄热式烧嘴和小型三通换向阀等公司专利技术,取得了节能20%和减少钢管表面氧化烧损的明显效果.以前的炉子烧出的钢管表面附着一层氧化皮,现在出炉钢管表面光亮,看不见氧化皮,冷却后接触到这个项目后,提出使用蓄热式燃烧系统来替换原设计的供热系统.公司采用空气,煤气双预热的高炉煤气蓄热式烧嘴已经在多座轧钢加热炉上使用,得到了巨大的经济效益和社会效益,现在将此技术移植到热处理炉上是完全有把握的.预计会收到保证炉温,降低燃耗和减少氧化烧损等多方面的效果.

　　综上所述,在敞焰加热的连续式热处理炉上使用蓄热式燃烧技术是很有发展前途的,它所收到的减少氧化烧损的效益恐怕比节约燃料所得到的经济效益还要大得多.

　　2.3 安装蓄热式辐射管的工业炉

　　有些工业炉为了炉内气氛或工件洁净的需要,要将燃烧产物与工作气氛分开,通常的做法是让燃料在单独的管子空间内燃烧,然后靠管于表面的高温辐射对炉内供热,此种管子称为"辐射管".安装辐射管的工业炉有各种保护气氛的热处理炉,真空热处理炉,搪瓷行业的搪烧炉等.

　　燃气辐射管一般使用优质气体燃料,最早的燃气辐射管没有余热回收装置,由于炉内温度水平和炉温均匀性的要求,沿管子长度上的温差不能过大(一般不能超过150～200℃),所以辐射管排烟温度只能比管壁温度低150～200 ℃.

　　对于燃用热值口Qd=4 130×4.18KJ/m3(3上标)的焦炉煤气,管壁温度为1 100 ℃的辐射管,排烟温度以900℃计,此时排烟热损失Qy(y下标)为
　　在忽略冷态介质显热和散热等其他热损失的前提下(这部分热量很少),辐射管的热效率为
辐射管技术进一步发展,在排烟端装设间壁式的空气换热器,因安装地点受限和换热效率低,空气预热温度一般只有200℃左右,此时排烟温度也只能降至650℃左右,相应排烟热损失口Qy(y下标)为此时辐射管的热效率为可见,辐射管的节能潜力很大,但要进一步降低排烟温度,则非蓄热式燃烧技术莫属.蓄热式辐射管同蓄热式烧嘴一样能近乎极限地回收烟气余热,以排烟温度200℃计,此时的排烟热损失Qy(y下标)为相应辐射管的热效率升至蓄热式辐射管除节能外,还有能使沿管子长度方向上的温度均匀性得以改善和因消除燃烧局部高温而带来的其它效益:延长管子寿命和减少NOr(r下标)排放等.

　　公司2002年即着手蓄热式辐射管的开发研制工作.在取得实验室阶段的成功后,马上转入成批制造并投入现场使用.2003年底,批量安装了神雾蓄热式辐射管的一台用于钢板热处理的塔式辊底炉,一次投产成功.为保护气氛热处理炉的节能高效发展开拓了一条新路,目前这一项新技术正在迅速推广使用.

　　3 非轧钢炉上采用蓄热式燃烧技术一些值得探讨的问题

　　对于轧钢加热炉上采用蓄热式燃烧技术已经没有什么疑义.本文前述非轧钢炉上使用蓄热式燃烧技术也已获得成功,在同类炉子上应该推广.但并不是所有工业炉都适合蓄热式燃烧技术.笔者根据以往遇到的情况和自己的经验发表如下看法.

　　3.1 周期式中温热处理炉不适合采用蓄热式燃烧技术

　　周期式中温热处理炉的最高炉温为900℃左右,而采用蓄热式燃烧的炉子在升温期间的低温段是不启动蓄热换向系统的,只有炉温升至燃料的着火温度,一般700℃以上才开始换向而进入正常的蓄热式燃烧状态.也就是说,中温炉只在700～900℃期间才可发挥蓄热式燃烧的节能效益.另一方面,周期热处理炉必须严格执行热处理工艺曲线,常规的炉于在降温阶段靠调节烟道闸门来控制降温速度,而蓄热式炉采用引风机强制排烟,不但费电还给降温阶段的温度控制带来麻烦.

　　周期式中温热处理炉最合理的炉型是全纤维炉衬与高速烧嘴相结合.因为用重质耐火材料砌筑的炉子,其炉体蓄热损失在炉子热平衡中占很大比例,改为纤维炉衬后能减少90%的蓄热损失,而这点蓄热式炉不易做到,因为蓄热式烧嘴的烧嘴砖不好与纤维炉衬相配合.高速烧嘴的气流喷出速度高达100m/s以上,高速气流的强烈扰动使工件得到均匀的加热,而蓄热式烧嘴喷口因为要同时兼顾排烟的原故,喷出速度不能太大.

　　3.2 排烟余热可以用来预热物料或工件的炉于

　　有些工业炉,高温段的烟气余热可以用来预热进炉物料或工件,使其直接变为工艺有效热,这样比预热助燃空气或燃料本身的节能效果来得更直接,更有效:因此,用烟气余热去预热炉料只要能将排烟温度降到一定程度,哪怕达不到排烟极限温度(比如说300,400℃排烟)也是可取的,因为最后烟气留有一定的热量排人烟囱会加大烟囱抽力,这时可以不装设引风机.不过,由于预热空气,煤气后,可以提高燃烧温度,从而提高炉温,当炉温不够高时还是要考虑预热空气或燃料.

　　建材,化工等行业这类型炉子很多,如各种焙烧炉,回转窑,隧道窑等.

　　3.3 采用蓄热式燃烧系统时要注重全面经济效益分析

　　机械行业的室式锻造加热炉的热效率很低,甚至小于5%.从理论上讲,用蓄热式燃烧技术对其进行改造最为合适.但为数不少的锻造加热炉的工作状况是这样的:早上上班时用儿左右烧出"一炉活",然后锻打几个h;下午再烧一炉就完事.如果花不少的财力物力对这些炉子进行了蓄热式改造,当时测试的热效率指标也会令人满意,但长期下来,算起设备的维修,电能的消耗等就不一定合算了

　　4 有些热效率已经很高的炉子用蓄热式燃烧技术进行改造是为了简化炉子结构和节省钢材

　　以加热热水或蒸汽为目的的炉子称为"锅炉",以加热空气而得到热风的炉子称为"热风炉"(多用于干燥行业),以加热油为目的的炉子称为"油介质锅炉"或"导热油炉";这类炉子的特点是,它们用各种方法将热量一级一级地利用,例如:锅炉的主炉膛周围布满水冷管壁,称之为"辐射受热面",随后安排了"对流受热面",再后面还有空气预热器,省煤器,直到排烟温度降到200 ℃以下.从热能利用的程度来看,这些炉于已到达极限,它们的热效率已达85%～90%.但如果用蓄热式燃烧技术来完成这些工艺,其炉子结构就简单多了:日本早几年就出现了蓄热式锅炉,其钢材用量只是传统锅炉的一半,当然还可得到蓄热式燃烧技术所特有的环保效益等.

　　图2为一台以煤气为燃料的蓄热式热风炉示意图.产生热风的部分是一台常规的"钢管式空气换热器",它们置于一个两头装有蓄热式烧嘴的炉膛内.蓄热式烧嘴能轻而易举地将排烟温度降到200℃以下,也就是这台简单的热风炉的热效率可达85%以上.而传统的热风炉,要用几级换热的办法,耗费大量的钢材才能得到较高的热效率.