1 概述
用蓄热室来预热空气和燃料是一项较早的技术, 早在19 世纪中期就开始应用于高炉、热风炉、焦炉等规模大且温度高的炉子, 但传统的蓄热室采用格子砖为蓄热体、传热效率低、蓄热室体积庞大, 其换向阀结构复杂、效率比较低, 换向周期长, 因此没有得到重视。由于20 世纪70 年代的能源危机后, 节能工作得到各个国家的重视, 加之科学技术的不断进步出现了结构简单、控制方便、可靠性强的换向系统。1982 年英国Hot Work Development 公司和Brit2ish Gas 研究院合作, 成功开发出第一座使用陶瓷小球作为蓄热体的新型蓄热式加热炉, 节能效果显着。近10 年来蓄热式燃烧技术得到长足发展, 很多国家都在研究各种蓄热式烧嘴和高效蓄热式燃烧技术以及高风温燃烧技术。
2 蓄热式燃烧技术
1998 年大连北岛能源技术有限公司率先在萍钢棒材公司轧钢加热炉上采用蓄热式燃烧技术燃烧纯高炉煤气, 在国内首次实现了蓄热式技术燃烧高炉煤气在连续式轧钢加热炉上的应用。此后, 国内有多家公司开展蓄热式燃烧技术的研究和在国内的推广应用, 蓄热式燃烧技术逐渐成熟。窑炉在蓄热式燃烧技术方面形成了一套较完善的设计思想和方法,蓄热式技术在工业炉上的应用实现了高产、低耗、少污染和高自动化水平, 达到了燃烧工业炉“三高一低”(高炉温、高烟温、高余热回收、低惰性) 的发展方向要求。从20 世纪90 年代开始, 国内蓄热式燃烧技术发展到现在, 基本分为以下两大系列:
(1) 以北京北岛为代表的内置通道式加热炉, 其特点是: ①把蓄热室和炉体有机结合为一体, 结构紧凑, 占地面积小, 炉子外观整洁。②蓄热体采用陶瓷小球, 价格低廉, 集中换向, 换向时间约180 s , 运行费用低。③炉体热损失小, 热效率高, 很容易做到空气、煤气双预热,燃烧喷口密布, 炉温均匀性好, 钢坯氧化烧损低。④炉型结构较复杂, 炉墙厚达l m , 对耐火材料的理化指标性能要求高, 对设计、施工的技术水平和经验要求高。⑤若炉墙出现问题, 维修时间长。
(2) 以北京神雾为代表的蓄热式烧嘴式加热炉。把蓄热室和烧嘴有机结合为一体, 并有可靠换向系统的高效蓄热式燃烧技术。北京神雾热能技术有限公司于2000 年成功地研制开发出适应国内工业炉窑的蓄热式燃烧器系列, 形成了北京神雾蓄热式烧嘴技术体系, 国内第一次应用该技术的企业是2000 年邯郸钢铁公司中板厂改造的中板加热炉, 取得了显着的经济效益和社会效益。此后该公司又开发了多种蓄热式烧嘴, 分别应用不同的燃料及行业。
通过上述分析可以看出, 两种蓄热式加热炉虽然各有优、缺点, 且在国内冶金行业都有实际应用的实例, 但总的发展趋势是朝着烧嘴式蓄热式加热炉方向发展, 具体表现有以下几个方面1) 蓄热式烧嘴加热炉和原普通加热炉相比,都是通过调整烧嘴热负荷来调节炉内温度, 对于操作人员易于接受。(2) 每个烧嘴都可单独调节, 上下加热烧嘴能力搭配合理, 各段上下加热温度的调节非常方便。(3) 炉墙两侧留有便于检修的人孔门和扒渣门, 这是采用烧嘴结构形式的最大优点。(4) 对于高热值气体燃料, 可直接冷炉点火升温, 不需要单独的点火烧嘴。(5) 烧嘴式结构可以采用集中换向和分散换向方式, 分散换向则由于换向阀靠近烧嘴, 换向阀与烧嘴之间的连接管道短而小, 燃烧间断时间短, 因此换向时管道内残留煤气损失较少, 更有利于节能。(6) 维护工作量稍大, 但检修时间短, 停炉时间短。
3 烧嘴式蓄热式加热炉
3. 1 蓄热烧嘴的结构
烧嘴采用空气、煤气组合式, 由空气蓄热烧嘴、煤气蓄热烧嘴组合而成, 上加热煤气喷口在下, 空气喷口在上, 下加热烧嘴则反之; 尽量在钢坯的上下表面形成还原性气氛, 降低氧化烧损和表面脱碳。蓄热式烧嘴的设计既要考虑低热值燃气的燃烧混合问题, 又要保证煤气的完全燃尽, 同时实现炉膛温度的均匀性, 因此采用双流股蓄热式烧嘴形式。
燃烧喷口是燃烧系统的关键部位, 合理的燃烧组织有赖于此, 在燃烧组织上既要确保燃气在炉内充分燃烧, 不会在对面的蓄热体内继续燃烧而对其造成损坏, 同时又要合理促成低氧燃烧的实现, 避免出现局部的高温过热; 既强化炉温的均匀性, 减少NO x 等有害气体的生成, 又减小高温下脱碳的发生。因此, 在喷口设计上要选择最优的气体出口速度和混合喷射角度。
燃料在喷口处边混合边燃烧, 空气、煤气在喷出过程中卷入周围的炉气, 稀释空煤气浓度, 低氧燃烧, 使烟气中NO x 的产生大大降低, 减少了有害气体的排放量。由于采用集中点火烘炉方式, 只要炉气温度高于700 ℃, 高炉煤气喷入炉内就会燃烧, 且连续式加热炉并不会频繁地冷炉启动, 因此将高温段蓄热式烧嘴配带自动点火及火焰检测系统是没有必要的, 这样既简化了烧嘴结构、降低了投资, 也减少了高温段存在的点火烧嘴经常烧损的情况。
3. 2 蓄热体
蓄热体有陶瓷小球和陶瓷蜂窝体, 发展趋势是采用陶瓷蜂窝体。其高温段材质为高纯铝质材料,有较高的耐火度和良好的抗渣性; 中部采用莫来石材料; 低温段材质为堇青石, 其特点是在低于1000 ℃的工况下具有较好的抗腐蚀和耐急冷急热性。蜂窝体的前端增加刚玉挡砖, 减少高温炉膛对蜂窝体的辐射, 同时可增加蜂窝体的堆放稳定性。与颗粒状蓄热体(球形蓄热体) 比较, 蜂窝状蓄热体有如下优点:单位体积换热面积大, 100 孔/平方英寸的蜂窝体是Φ15 mm 球比表面积的5. 5 倍, Φ20 mm 球的7 倍。在相同条件下, 将等质量气体换热到同一温度时的蜂窝体体积仅为球状蓄热体的1/3～1/4 , 重量仅为球的1/10 左右, 这就意味着蜂窝体蓄热燃烧器构造更轻便、结构更紧凑。蜂窝体壁很薄仅0. 5 ～1 mm , 透热深度小, 因而蓄热、放热速度快, 温度效率高, 换向时间仅为30 ～45 s , 这比球状蓄热体的换向时间3 min 大大缩短, 更利于均匀炉内温度场, 保证钢坯均匀加热, 这一点对加热合金钢、高碳钢尤为有利。按照蜂窝体内气流通道规则, 阻力损失仅为球状的1/3～1/4。球形蓄热体气流阻力损失随空气流速增大而增大, 其变化规律为幂函数关系, 球径大则阻力变小, 但蓄热室结构也要相应增大。
蜂窝体
由于有较高压力的气体频繁换向, 起到了吹刷通道作用, 故不易产生灰尘沉积堵塞。对于炉膛较宽的炉子, 相对应炉长较短, 炉两侧可供布置烧嘴的空间较小, 采用比表面积小的小球时常常由于空间的限制使得蓄热能力不足。因此, 在采用蓄热式烧嘴形式的加热炉当中, 应用比表面积大于小球几倍的蜂窝体是必然的选择。采用陶瓷小球不方便在线更换, 而陶瓷蜂窝体则有利于蓄热体的在线更换, 这可以保证非常好的生产连续性。
3. 3 换向系统
高炉煤气换向系统、空气/烟气换向系统均采用全分散换向方式, 换向阀门全部为气动, 以洁净的压缩空气作为动力源, 气源压力≥0. 3 MPa 。高炉煤气/烟气采用快速切断换向阀, 即一只煤气蓄热式烧嘴采用两台快速切断阀, 快切阀采用三偏心结构, 动作灵活、可靠, 更换简单。空气/烟气采用三通换向阀切换, 阀门驱动可采用液动,运行稳定, 但投入成本、运行成本高。
3. 4 工作方式
蓄热燃烧器为成对换向操作, 换向周期可调。正常工作时换向周期30 - 45 s 左右, 采用双重信号控制: 以时间和烟气温度为控制参数。换向系统采用PLC 可编程控制器控制, 可完成自动程序换向控制、手动强制换向控制, 设有功能显示、工作状态显示等, 使操作者对蓄热燃烧系统工作情况一目了然, 操作和监视十分方便。
3. 5 全分散换向系统技术特点
(1) 每个烧嘴的可单独调节和上下加热烧嘴能力的合理搭配, 使加热炉各段上下加热温度的调节非常方便。(2) 在同侧同向换向的基础上, 可以实现每相邻两只烧嘴交错燃烧, 此种方式优化炉膛气流的组成, 有利于均匀炉温, 提高加热质量。(3) 每两组烧嘴使用一套换向系统, 可以在任何一套系统发生故障时, 在其它烧嘴均正常工作的状态下排除故障, 保证操作的连续性和生产稳定性, 而不致于象集中式换向那样要将出现问题的那一段全部停下来。(4) 换向阀可以与燃烧喷口之间就近布置, 减短了换向阀与喷口之间的换向盲区, 最大限度地减少了交叉污染带来的不安全因素。燃烧间断时间短, 因此换向时管道内残留煤气损失较少, 更有利于节能。(5) 采用轮序换向方式, 每套换向装置换向时对炉压的影响大为减小, 精确控制了各部分炉温、炉压, 提高了炉子的控制性能和钢坯加热质量。与集中式换向相比管道复杂, 不容易布置。
3. 6 数字化脉冲蓄热式燃烧技术
在常规分段比例燃烧控制技术的前提下, 可应用数字化脉冲蓄热式燃烧技术。石钢棒材厂加热炉在国内首次采用数字化脉冲蓄热式燃烧技术, 这一技术不仅使蓄热式技术本身的特性得以更高的发挥, 同时非常适应于冷热装变化较大、产量变化较大以及各钢种经常变化的加热要求。由于将原有“段”的概念予以虚拟, 因此可以说此种燃烧方式能够满足任何钢种的加热需求, 为新钢种的开发、生产打下坚实的基础。脉冲技术具有如下特点1) 时序加热。烧嘴只有两种工作状态: 满负荷工作和不工作, 只是通过调整两种状态的时间比进行温度调节, 需要低温控制时仍能保证烧嘴工作在最佳燃烧状态。采用脉冲燃烧控制方式, 可以将煤气压力和空气压力一次性调整到合适值, 在系统投入运行后, 只需保持这两个压力稳定即可。
因此, 烧嘴总是以最大效率、在最小过剩空气量的条件下运行。(2) 实现加热区域任意“虚拟”的划分。虚拟的加热段及均热段(每对烧嘴独立控制) 采用数字化控制技术, 加热炉能力可以根据产量调整, 同时确保产品获得良好的均匀性。计算机可以根据一系列已装炉坯料的热量数据, 对每对烧嘴进行实时设定, 可以设定开或关一些烧嘴, 精确控制加热炉加热能力, 在任何工况条件下, 燃料综合消耗量在整个轧机生产范围内降低。
4 结语
从长期的市场角度看, 钢材多品种、小批量的需求变化日益增加; 从短期的钢坯加热角度看, 钢坯冷热装的情况会经常存在。烧嘴式蓄热式加热炉方案符合上述钢材加热要求。此外, 蓄热式烧嘴式加热炉炉墙两侧留有便于检修的人孔门和扒渣门,这是唯有采用烧嘴结构形式才能做到的; 对于高热值气体燃料, 可直接冷炉点火升温, 不需要单独的点火烧嘴; 维护工作量稍大, 但检修时间短, 停炉时间短。国内蓄热式加热炉发展很快, 现在还不能讲哪一种形式是最先进、最成熟的, 都多少存在一些问题, 蓄热体的寿命、蓄热式加热炉的寿命都有待提高等, 但蓄热式烧嘴式加热炉是一种发展方向。
