蓄热燃烧选型.docx

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蓄热燃烧选型

蓄热燃烧选择需考虑的问题

2007年3月

蓄热燃烧选择需考虑的问题

一、蓄热式技术的国内外研究状况

1、国外的蓄热式技术研究状况

蓄热式技术是在十九世纪中期发展起来的一种燃烧技术，曾广泛应用于平炉。

七十年代未至八十年代初，由英国气体公司和加热工业发展公司共同开发了蓄热式烧咀的加热系统，并逐渐将其应用于小型加热炉上。

随后日本也从欧美引进了该技术，并从1989年起，NKK公司与日本工业炉窑工业公司共同研制蓄热式烧咀的加热炉系统，成功地将其应用于日本福山厂1号和新建的3号连续式加热炉上。

2、国内的蓄热式燃烧技术的研究状况

目前，国内的很多大专院校和科研机构纷纷致力于这一技术领域的开发和研究，并取很了相当的成果，成功地应用于冶金、机械和融铝的小型加热炉上。

比较突出的有北京科技大学、东北大学、北京北岛能源技术有限公司等单位，其中北京北岛能源技术有限公司应用连续式加热炉上的业绩已有二十多个，比较大的项目如萍钢高线的115t/h煤气蓄热式推钢式加热炉、韶钢三轧厂蓄热式煤气加热炉的60t/h和70t/h推钢式加热炉等。

对于步进式加热炉目前在建的也有好几座，如山东泰钢热带加热炉。

随着蓄热式燃烧技术研制和开发的不断深入，这项新技术在加热炉上的应用日益成熟。

目前已将高效蓄热式热回收系统与炉体有机地结合为一体，并且换向系统运行可靠，控制系统成熟，可将空煤气双双预热到1100℃，废气排放温度低于150℃，使工业炉热效率达到70%以上。

二、蓄热式燃烧技术的工作原理

蓄热式烧咀的主要结构是蓄热室的烧咀本体，在炉子工作过程中，燃烧废气首先通过蓄热室中的球形蓄热体以辐射和对流的方式将热量传给球形蓄热体的表面，并向蓄热体内部进行热传导把蓄热体加热，经过一段时间后，利用换向设备关闭废气通路，使空气由相反的方向通过蓄热室，蓄热体表面再以对流传热的方式将热量传给被预热的空气，使蓄热体冷却，然后再经过一段时间后再切换到燃烧废气进行加热，这样一个周而复始的过程。

蓄热式烧嘴系统的原理：

图１蓄热式烧嘴系统原理图

在A状态：

助燃空气通过换向阀，经过烧嘴A的蓄热体换热，将空气预热至1000℃左右，由烧嘴A喷口和煤气混合喷出燃烧。

燃烧产物经炉膛，加热坯料，进人烧嘴B，由高温废气将烧嘴B的蓄热体预热，废气温度随之降低至≤150℃，低温废气通过换向阀，经引风机排出。

在B状态（换向后）：

助燃空气通过换向阀，经烧嘴B的蓄热体换热，将空气预热至1000℃左右，进人烧嘴B和煤气混合喷出燃烧。

燃烧产物经炉膛加热坯料，进人烧嘴A，由高温废气将烧嘴A的蓄热体预热，废气温度随之降低至≤150℃，低温废气通过换向阀，经引风机排出。

蓄热连续式加热炉，就这样通过A、B状态的不断交替，实现对坯料的加热。

基于以上原理，由于蓄热室的外壳和内部的蓄热体都是用耐火材料做成的，所以它能承受较高的温度，而且废气和空气又不象换热器那样通过管内外两侧，只要换向设备工作可靠，关闭严密，就不存在相互渗漏的漏气问题，因此，蓄热室是将空气预热的可靠设备，预热温度可达1000～1200℃以上。

对于蓄热体的要求首先必须具有足够的荷重软化温度及良好的抗渣性；其次是要求蓄热体有较大的密度和比热容，而且导热性能良好；再次蓄热体的厚度或直径不宜过大，否则蓄热体的中心部分起不到蓄热的作用。

因此，蓄热体一般是采用价格较高体积较小的瓷球蓄热体。

由于蓄热室的操作是间歇的，在运转过程中，每隔一定的时间就需要把废气和空气各自的流动方向变换（或称换向）一次，在换向过程中必将有部分热空气从蓄热室和支烟道中倒流过来，进入总烟道后由烟囱排出，从而不可避免造成一定热量的损失。

蓄热式燃烧技术是20世纪90年代开发成功的一项高效燃烧技术，最早被应用在日本和西欧等国家，燃料为高热值煤气，采用空气单蓄热，取得了良好的节能、环保效果。

20世纪90年代后期，蓄热式燃烧技术在中国得到了新的开发及推广应用，燃料一般为热值较低的高炉煤气或混合煤气，较多的采用空煤气双蓄热技术。

三、蓄热室加热炉的技术特点

1、优点：

（1）空气预热温度可达1000～1200℃以上，而传统的金属换热器空气预热温度最高为550℃，使烟气热量回收率大大提高，炉子热效率可达70-80%。

（2）加热炉排烟温度可低于150℃，而常规加热炉排烟温度为450-500℃。

（3）炉子热效率可达70-80%，而常规加热炉热效率40%左右，可节能40-50%。

（4）可以在高温的工业炉上使用热值较低的煤气（即可直接使用高炉煤气），与常规的加热炉使用高热值的煤气相比美。

（5）蓄热室寿命较长，不存在漏风问题。

（6）由于空气预热温度高，空气和煤气混合后燃烧充分，可降低废气中氮氧化物的含量，提高环保水平。

（7）可以改善企业能源紧张的局面，大幅度降低产品能耗。

据有关资料介绍，萍钢高线加热炉采用了蓄热式技术，吨钢成本下降了52元，不到半年的时间就可回收成本，经济效益较为显著。

2、缺点：

（1）设备庞大。

由于蓄热式燃烧技术的采用，使各蓄热体和烧咀间歇式工作使用，这就较大地增加了烧咀和蓄热室的数量，同时控制系统也较为复杂；尽管蓄热式加热炉和传统加热炉相比，在增加上述设备的同时也取消了换热器，但由于排烟温度较低，需增加排烟机进行强制排烟。

（2）由于烟气中含有灰尘，粘结在球状蓄热体上易于堵塞，易造成炉子停炉检修。

（3）由于设备增加较多，特别是换向设备如果工作不可靠，易造成停炉等事故的发生。

（4）炉区厂房面积增加较多。

由于每个蓄热室体积较大而且数量较多，不可能布置在步进式加热炉的炉底和炉顶部位，只能布置在加热炉两侧的适当地方，这样就较大地增加了炉区厂房的面积。

（5）造价较高。

蓄热式燃烧技术的采用需要增加蓄热室、换向设备和控制设备等，但与常规的炉子相比，常规炉子需要空气预热器、高温管道、阀门以及高温烟道和烟囱等，蓄热式炉的造价可降低，但总体来说使用蓄热室的加热炉造价要高于常规加热炉。

（6）操作控制复杂。

由于蓄热式加热炉有较多的蓄热体、烧咀和换向设备等，这些设备属于高温设备，大大增加了操作控制的复杂程度。

四、炉卷加热炉采用蓄热式炉的可行性分析

1、可靠性方面

（1）从蓄热式燃烧技术的理论机理方面来看，该项技术是可行的。

（2）从蓄热式燃烧技术的应用方面来看，对于国内，在推钢式加热炉上使用是成熟可靠的，而对大型加热特钢板坯的步进蓄热式加热炉，目前国内还无这方面的应用业绩；对于国外，在大型板坯步进加热炉上采用蓄热式技术有成功的应用业绩，并且国内外在蓄热技术应用的具体方式上与国内有所不同，如蓄热式烧咀结构、换向装置结构等。

2、风险性方面

对炉卷轧机加热炉来说，由于它是连接连铸和轧钢的喉口设备，它的生产的好坏直接关系到产品的产量和质量。

因此，根据前面分析，如果炉卷加热炉采用蓄热式燃烧技术，应以寻求国外的技术支持为主是较为可靠的；若采用国内技术，尽管在加热原理方面推钢式炉和步进式炉是大同小异的，但燃烧方式的改变带来了炉型结构的较大变化，这对我公司的大型板坯加热炉来说，可能存在较大的风险。

1）从燃烧方面来考虑

（1）蓄热式燃烧技术可使空气预热温度达1000～1200℃以上，炉子热效率达70-80%。

但空气预热温度的提高，使炉内燃料燃烧速度大大提高，据有关资料介绍，对于高炉煤气当空气温度为常温时，火焰传播速度为3m/s；当空气温度为400℃时，火焰传播速度为12m/s；当空气温度为1000℃时，火焰传播速度增大到80m/s。

可见，随着空气预热温度的提高，火焰传播速度大大提高。

一般加热炉当烧咀前煤气压力为2Kpa时，可燃气体喷出速度一般只有15m/s，这样煤气一经烧咀喷出，就可在极短的时间内与空气混合并完全燃烧，煤气燃烧带很薄，甚至看不到火焰，也就是我们通常所说的无焰燃烧。

无焰燃烧时，火焰长度比有焰燃烧时短很多，但燃烧空间热强度比有焰燃烧大100-1000倍，且燃烧区域内由于燃烧速度快温度非常均匀。

因此，在加热炉内，采用蓄热式燃烧技术，火焰长度会进一步变短，在烧咀附的燃烧区域高温区较为集中。

对于大型的加热炉若采用蓄热式技术，由于上述因素的影响，必然要强化烧咀的加热，这样集中的高温区有可能使邻近烧咀的钢坯产生过热、过烧、甚至局部烧化的现象发生，而远离烧咀区域炉温差别可达50℃以上。

对于中小型炉而言，由于火焰可充满炉膛，且燃烧区域的温度场较均匀，其炉温也很均匀，这样加热质量可提高。

这是目前蓄热室燃烧技术在中小型炉子特别是均热炉、退火炉、加热炉广泛应用而大型加热炉很少应用的原因之一。

（2）根据与国内的几家蓄热室公司的技术了解，他们介绍当采用纯高炉煤气时，由于不锈钢加热温度较高，就需进行空煤气双预热，这样火焰长度最长为4-5m，若炉子的两侧布置烧咀，则沿炉宽方向火焰覆盖的区域为8m，也就是说在炉宽不超过8m的加热炉中，因燃烧速度快，炉内沿炉宽方向的温度场是很均匀的；对于炉子内宽超过8m的加热炉，在炉子中心处就有一个低温区域的存在，就很难保证坯料沿长度方向的温度均匀性。

这是目前国设计的内中小型加热炉普遍采用而大型加热炉没有采用蓄热室燃烧技术的重要措施之一。

尽管目前国内也有炉子内宽超过8m的加热炉采用蓄热式燃烧技术，但都为线材加热炉，线材加热炉和板坯加热炉的情况有很大的差别。

线材加热炉一般对钢坯的加热质量要求较低，沿钢坯长度方向的加热温差可达40-50℃，同时钢坯四面受热，受热面积较大，火焰长度对钢坯的加热质量所造成的影响是可以满足轧机需要的。

从国外的几家公司的介绍来看，对于大型的板坯加热炉而言，为了增加火焰的长度，他们都从烧咀的结构方面进行了改进，有的采用中心煤气管为一次煤气，周围的环形喷孔为二次煤气的燃烧技术，也有的采用中心空气管为一次空气，周围的环形喷孔为二次空气的燃烧技术等的火焰长度较长的烧咀，来弥补上述的不足，使之可用于大型的板坯加热炉。

2）从板坯的热装和冷装、碳钢和不锈钢方面考虑

（1）对于炉卷轧机加热炉而言，要求板坯即可热装也可冷装，即可加热碳钢又可加热不锈钢，也就是要求加热炉在低温段具有较大的温度调节范围。

采用蓄式燃烧技术时，为了适应不锈钢钢坯在低温时加热速度的要求，一般将总烟气量的35%烟气直接经过炉子预热段而进入烟囱，其余65%的烟气经过高温区的两侧炉墙排出。

这65%的烟气量通过蓄热室时，才能使空煤气双预热到900℃，也就是说，空煤气预热到900℃时，才能使炉温最高达到1300℃，根据我们的了解奥氏体不锈钢炉温要求1350℃，其炉温是不能满足奥氏体不锈钢生产需要的，若只生产铁素体不锈钢，其炉温要求一般不超过1250℃，是能满足生产需要的。

（2）经过预热段排出的这35%烟气，在低温段是很难将板坯预热到500-550℃的。

特别是对于高碳钢、不锈钢而言，高碳钢的导热系数较大，其低温段升温速度可大一些，这样可加强低温段的传热提高炉子产量。

若采用蓄热式燃烧技术并在炉型不变的情况下，这么小的烟气量通过预热段，就使炉子的产量受到了限制。

对于不锈钢而言，其导热系数在低温时比碳钢低3-4倍，由于导温系数低，在低温段不能快速加热，否则板坯心表温差过大，就可能使板坯产生裂纹。

而采用蓄热式燃烧技术，低温段烟气量的减少，正好适应了这个要求，但由于通过炉子两侧烧咀烟气量减少过大，使板坯在低温段缓慢预热温度不到500-550℃，而进入温度场较高的加热段，尽管炉子的每一个段温度是可调节的，但由于无焰燃烧区域热强度很高，仍有可能造成板坯由于在高温区域加热速度过快，断面温差和热应力过大，而使内部产生裂纹（因不锈钢在温度低于500-550℃时塑性很差），使板坯报废的现象发生。

五、酒钢炉卷建议炉型选择

1、建议炉型

根据近年来大型步进梁式加热炉炉型结构的不断优化和发展趋势，结合国内热轧的工艺要求和具体情况，建议如下炉型：

供热段

供热部位

均热段

一加热段

二加热段

预热段

上部供热

平焰烧嘴

炉顶供热

蓄热烧嘴

侧向供热

蓄热烧嘴

侧向供热

蓄热烧嘴

侧向供热

下部供热

调焰烧嘴

侧向供热

蓄热烧嘴

侧向供热

蓄热烧嘴

侧向供热

蓄热烧嘴

侧向供热

该炉型集蓄热燃烧供热技术和常规燃烧供热技术的优势，提高加热质量、保证板坯在长度、断面上的温度均匀，同时达到节能和降低氧化烧损的目的。

目前，国内在建宝钢三热轧2号、3号、4号蓄热式加热炉、梅钢1422mm热轧3号蓄热式加热炉、武钢新建的1580mm热轧1#蓄热加热炉均采用与本方案类似的炉型结构。

本钢三热轧加热炉在均热段上下都采用常规烧嘴后，能进一步提高对炉宽方向的温度均匀性、降低氧化烧损和稳定炉压。

同时根据本钢煤气条件和国内外蓄热燃烧技术成熟运用情况，加热炉采用烧嘴前换向的单蓄热小球体蓄热烧嘴。

2、组合蓄热炉型的特点

采用组合蓄热炉型的优点是板坯加热质量好、能充分利用能源，节能效果好，缺点是其炉型结构、管路布置、控制系统等较复杂。

在确定炉型及供热方式时，应有如下考虑：

✧满足加热工艺要求和提高产品质量；

✧在确保满足工艺条件的同时，尽量节约能源消耗。

✧节能降耗同时，考虑环保影响；

✧积极推广运用成熟、可靠的新技术、新材料；

✧努力技术创新

3、蓄热式烧嘴的选型与加热炉设计的关系

燃烧系统及其控制是加热炉十分重要的关键技术。

蓄热式烧嘴的选型和配置以及燃烧机理和控制方式都不同于常规烧嘴，其单体供热能力大、供热点数少，其变化还涉及炉型结构、水梁立柱布置、烧嘴布置等，对板坯加热质量和炉子性能指标都有影响。

以从事工艺设计为主的专业化炉子公司研发的燃烧设备，着重服务于燃烧工艺需求，在考虑烧嘴本身性能特性的同时，更多地考虑满足工艺需求，会在炉型结构、炉温分布、加热质量等方面进行全面的考虑，使烧嘴性能结构更适合于实际运用和生产维护。

而不从事工艺设计的燃烧设备制造商，会更多的关注烧嘴本身的通用性，在与炉子的具体实际结合上会有一定差距。

4、蓄热烧嘴型式的选择

日本和美国的著名的生产蓄热烧嘴的公司，在烧嘴结构设计上与常规烧嘴有相通之处，蓄热烧嘴都还承袭传统的烧嘴喷头，控制上采用烧嘴前换向；烧嘴前换向的好处是可以任意组合换向是集中换向还是分散换向，由于烧嘴采用火焰具有较大出口动能的喷头，因此相邻两烧嘴也不会发生火焰短路。

而国内早期的蓄热烧嘴只有蓄热体没有喷头，无法实现分散换向，集中换向的缺点是在换向时炉子有较长的断火时间，炉内无火焰，造成炉压无法控制，炉内吸入大量空气而造成炉内氧化气氛，增加钢坯氧化烧损。

无喷头的蓄热式烧嘴结构简单制造,不能在炉外更换蓄热体、不能采用二次燃烧降低NOx的排放量，对加热质量的好坏、蓄热体寿命、操作维护、环保、安全等方面考虑较少，而且该种烧嘴不采用烧嘴前分散换向，采用集中换向，全炉的换向阀的数量大大减少，因此一次投资的成本比较少。

但对炉温均匀性、炉压的控制手段比较差，换向时炉温、炉压波动都比较大。

蓄热烧嘴的选型应考虑技术、经济的综合比较，结合生产的实际情况，从产品加热质量、节能降耗、操作维护等因素考虑，采用有喷头的小球体蓄热烧嘴。

5、蓄热体的选择

随着蓄热式燃烧技术，特别是蓄热体的成熟，蓄热体形式的正确选择是加热炉运行好坏关键环节；蓄热小球和蜂窝体各有其特点，蓄热体的选用应综合考虑建造成本和更换维护成本因素。

蓄热体的堵塞仍是一个关键问题。

蜂窝体的特点是比表面积大，单位体积的蓄热能力高，相同蓄热能力下可比蓄热小球体积小很多，其主要缺点就是易堵塞，热惰性小，相同能力情况下要求换向周期较短（30～40S）。

目前国内在炉温较低的线棒材加热炉上使用蜂窝体寿命可在6个月以上，在中型材加热炉上使用寿命更低，在大型板坯加热炉上较少使用蜂窝体蓄热烧嘴。

在国内外，大型蓄热板坯加热炉蓄热体很少采用蜂窝体，常用蓄热小球。

此外，因蜂窝体的结构特性，其使用寿命短、检修维护频繁，影响正常生产；同时蜂窝体价格较贵，生产维护费用较高，且蜂窝体不能重复利用，每次更换蜂窝体费用高，几乎占全部维修费用的一半，增大了生产运行维护成本。

而蜂窝体需要换向周期短，提高了换向阀的工作频率，降低了换向阀的使用寿命。

蓄热小球的特点是热惰性大、相同能力下换向周期较长（～60S），使用寿命长，维护成本低。

国内外经验表明，小球体每年约更换5%，每5年全部更换，使用蓄热小球的烧嘴前换向阀的寿命比使用蜂窝体的烧嘴前换向阀的寿命约长一倍。

日本及国内大型板坯蓄热炉采用的蓄热体主要是蓄热高铝小球。

但小球蓄热体烧嘴体积和阻损较大，增加了平面设计的难度。

综合小球体蓄热烧嘴和蜂窝体蓄热烧嘴在国内外大型加热炉的成熟运用经验，同时考虑加热炉的煤气条件及工艺要求，加热炉选择采用小球蓄热体。

6、换向方式的选择

换向方式主要有集中换向、分段集中换向、分段分侧集中换向、全分散换向等，也可以把以上几种方式统一划分为集中换向和分散换向两种。

国内第一代的蓄热换向多采用全炉集中换向双蓄热方式，这种蓄热炉型的设计、蓄热体、换向阀都比较简单，一次投资成本较低。

集中换向的缺点是：

①换向时断火时间长,炉内断火时间有的长达十几秒钟。

②炉压、炉温的波动都很大，这给炉子控制、高效燃烧带来了很大困难。

③换向阀距离烧嘴很远，管道中放散的煤气（管损）还是相当可观的，这也是第一代蓄热炉节能效果不佳的原因之一。

④由于没有常规烟道，当炉子使用后期，蓄热体堵塞日益严重时，炉压大，炉头炉尾冒火严重，不仅浪费了能源，而且恶化了炉体周围环境。

⑤由于集中换向的换向特性，决定了空、煤气流量计量不准确，造成空燃比难以准确控制，致使空气过剩系数过大，即增加了燃耗，又增加了氧化烧损。

全分散换向克服了以上缺点，而且给控制带来了很大的灵活性，包括在炉子煤气小流量低负荷时保证炉温均匀性都提供了相应的控制手段。

其主要优点：

①可采用整体顺序换向，相邻每对烧嘴换向又间隔有几秒时间，炉内不会有大面积的断火时间，换向对炉温、炉压的波动产生的影响很小。

②换向阀距离烧嘴很近，没有集中换向时管道中放散的煤气损失（管损），单耗指标可以有很大改善。

③由于分散换向的换向特性，决定了空、煤气流量计量比较准确，空燃比可以准确控制，可降低氧化烧损。

全分散换向的缺点就是换向阀的数量多，一次投资较大。

鉴于以上全分散换向和集中换向的不同特点，加热炉采用全分散换向方式。

7、采用蓄热燃烧的前提条件

1煤气热值应该比较稳定，有利自动烧钢、降低单耗和氧化烧损。

2煤气压力应该比较稳定，保证烧嘴稳定燃烧、提高燃烧效率。

3煤气的焦油含量和含尘量要小，如果煤气品质达不到要求，就会使换向阀密封面堵塞，换向不到位，存在煤气泄露问题，造成煤气浪费和环境污染以及安全隐患；另外煤气含尘量大，也容易造成蓄热体板结，出现空气、烟气流通不畅，影响炉子加热能力和节能效果。

8、采用组合蓄热炉型需要考虑的问题

采用组合蓄热炉型后，对于不锈钢的生产需要考虑以下问题：

1）根据不锈钢的加热特点，组合蓄热炉型的炉子没有热回收段，沿整个炉长方向布满了浇咀，板坯入炉后就直接进入带有烧咀的预热段进行加热，板坯入炉后在温度较高的区域进行加热，能否实现板坯低温段缓慢加热，有待进一步了解。

2）板坯沿长度、厚度方向上的温度均匀性能否满足不锈钢的生产需要，有待进一步了解。

3）板坯出炉温度的控制及控制的准确性能否满足不锈钢的生产需要，有待进一步了解。

4）采用组合蓄热炉型的炉型二级控制系统能否满足生产需要，有待进一步了解。

六、建议

1、公司考虑的蓄热式加热炉是当今钢铁工业节能和环保的发展方向，也是我公司降低生产成本工作的需要，其效益是非常明显的，作为我们这个新建加热炉是可以选择的。

2、如果采用蓄热式炉型结构，在国内做技术设计时，因加热特钢没有成功的应用业绩，建议做好前期的考察和项目的预科研工作，以使项目在进度、投资及风险方面的影响降到最低程度；在国外做技术设计时，尽管目前国外在这方面的技术比较成熟，但还要做好项目的技术交流和方案确定工作。

酒钢炉卷项工序

2007年3月14日