沃克斯蓄热式技术概述doc.docx

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沃克斯蓄热式技术概述doc

2.1沃克斯蓄热式燃烧技术概述

经有关研究发现，对于高温锻造加热炉，燃料供给热量的60～70%被高温烟气带走，实际工件吸收的热量只有5～15%。

一般台车式加热炉排烟热损失约占炉子总供热量的65%左右，台车式热处理炉的排烟热损失约占炉子总供热量的50%左右，这就造成炉子热效率不高，能耗大。

蓄热式高温空气燃烧技术就是充分利用烟气余热来预热助燃空气，达到余热极限回收的一种最佳燃烧方式。

以前的蓄热室采用传统的格子砖作蓄热体，具有体积庞大、热效率低、热惰性和预热温度波动大、气流流过蓄热体的阻力损失大、蓄热体换向周期长等缺点，因而限制了它在工业炉上的推广使用。

随着硅酸盐材料科学的技术进步，促进了热回收技术的快速发展。

新型蓄热室采用热惰性小的蜂窝式陶瓷作为蓄热体，其比表面积高达700m2/m3，比旧式的格子砖要大几百倍，不但极大地提高了传热系数，而且使蓄热室的体积缩到最小。

由于蓄热体的快速蓄热和换热能力以及换向控制技术的提高，使得换向时间大大缩短，过去蓄热室换向时间一般为20～30分钟，而新型蓄热室的换向时间仅为05～3分钟。

新型蓄热室传热效率高和换向时间短，带来的效果是排烟温度<200C，被预热介质的预热温度仅比炉温低100～150C。

因此，废气余热得到了接近极限的回收，蓄热室的温度效率≥85%，热回收率≥80%。

20世纪90年代以来，国际上在蓄热式燃烧技术的研究和应用方面取得很大进展，并把节能和环保结合起来，称之为“高温空气燃烧（HTAC）技术”。

HTAC技术综合了极限回收余热技术，高风温无焰燃烧技术和无污染低NOx技术；火焰无峰值温度，温度均匀；且燃料在炉内（非烧嘴内部）进行高风温无焰燃烧，燃烧噪声减低，有效地抑制了热力型NOx的生成。

其工作原理图如下所示：

状态一，空气到达蓄热室一时，与蓄热室一的蓄热体发生热交换，经过预热的高温空气与燃料共同进入燃烧室燃烧，产生的烟气与蓄热室二的蓄热体发生热交换，将大部分热量留给蓄热体，最后低温烟气经过换向系统（两位四通换向阀），被排烟风机排出。

经过一定时间（30～200秒）后，电控系统发出指令，换向系统发出动作，空气、烟气、天然气同时换向，燃烧系统切换到状态二。

状态二，同状态一相似，空气经蓄热室二预热后，与燃料共同进入燃烧室，燃烧产生的烟气同蓄热室一的蓄热体进行热交换后排出。

状态一、状态二交替进行实现蓄热式燃烧。

最终排烟温度为150℃以下。

图1、高温空气燃烧（HTAC）技术原理图

2.2、重庆沃克斯科技开发有限公司发展的数字化蓄热式脉冲燃烧技术

2.2.1、沃克斯数字化蓄热式脉冲燃烧技术特点和对HTAC技术的贡献

蓄热式燃烧技术已经在各类型连续式加热炉和热处理炉上广泛应用，取得了在节能和环保等方面令人瞩目的成果。

日本作为工业化大国，在“东京议定书”签字承诺降低温室气体排放量10％，依靠的就是高温空气燃烧（HTAC）技术。

特别式针对黑色冶金的连续式加热炉，各国投入了大量的人力和物力，将原来只能被排放掉的热值很低，毒性很大的炼铁的副产品——高炉煤气直接作为人类用于加热炉进行再利用，其对钢铁企业节约能源、增产增效作用非常明显。

一般8～12个月可全部回收投资成本。

蓄热式燃烧技术在连续式加热炉上的使用已经非常成熟。

国外先进工业炉技术的先进点：

a、燃烧技术和与之相适应控制技术相结合

开发了大量的控制设备、执行器和阀门，将燃烧技术发挥到极致。

而且，每家公司都拥有自己独特都产品。

b、燃烧技术的开发适应工业炉加热工艺和环保的需要

在蓄热式燃气炉的使用过程中，加热到工艺温度是非常容易的事情。

但要达到象电炉那样的效果很难，其中包含了复杂的炉压、温度、温度均匀性控制技术和设备。

蓄热式燃烧的燃烧方式的局限性，就造成了该技术在间歇式加热炉和中低温炉上使用难以得到推广。

2.2.1.1、间歇式炉的特点

a、炉型较小，且繁杂，热工状态复杂。

b、以分区多，烧嘴多且布置复杂来保证控温精度要求和炉温均匀性要求。

特别是在中温热处理炉体现非常明显。

c、加热工艺过程变化大。

因此，燃烧安全性要求非常高。

d、炉底面积小,烧嘴能力相对较大,燃烧组织困难,特别是对于炉温均匀性高的中、低温热处理炉。

e、投资小，与冶金炉无法比拟，非常需要控制成本。

F、对于连续控制系统，烧嘴的有效调节范围为30～70％，也就是流量计的有效测量范围和调节阀近似于线性的范围。

而对于间歇式炉，加热和保温时的燃耗差别很大，远远超出了流量计的有效测量范围和调节阀近似于线性的范围。

从实践中得出，对于全纤间歇蓄热式炉，供给燃烧能力的5％燃料都可以使保温后期的炉温发生跑温。

采用连续炉的控制方式无法满足间隙式蓄热炉的控温要求。

2.2.1.2、对于间歇炉，连续加热炉和热处理炉的蓄热式燃烧技术的缺点

a、由于在低温段点火烧嘴不一定能将及时烧嘴点燃,需要设置烘炉烧嘴将炉温升高至燃料着火点以上才能进行换向，不然就会有燃爆现象的发生，危及人身安全。

因此综合节能效果不佳。

b、连续式炉烧嘴，一般用于较宽的冶金炉，用于较窄的间歇式工业炉。

很容易造成蓄热体烧毁和堵塞。

c、连续式加热炉的供热能力变化较小，烧嘴的可调范围小。

而间歇式炉，燃烧供热能力变化很大，可以达到0.5/10，超过了连续炉的调节范围。

因此采用常规连续炉的烧嘴和控制方式难以满足间歇式炉的要求。

d、为满足炉温均匀性和控温精度的要求，常常将较小的炉膛分为几个区，采用连续炉的控制方式，首先是难以控制，其次是成本太高。

e、在蓄热式连续式加热炉上，炉压控制也是一个很大的问题。

炉压控制是每年全国热工会议重点反映和讨论的问题。

对于炉门和炉体密封面较大的间歇式炉来说炉压大炉门就会冒火，这对炉门和炉门框以及台车护板和沙封的寿命是致命的，势必造成经常性的维修和停产。

一般情况下，蓄热式连续式加热炉都配置砖制烟囱来解决炉压大的问题。

f、天然气与燃烧煤气完全不同。

采用连续蓄热式烧嘴，特别是煤气的配风方法，根本无法适应天然气。

北京某公司在重钢五厂推钢式轧钢加热炉采用的燃烧焦炉煤气（热值4000Kcal/m3），烧嘴远离钢面550mm，仍经常使钢坯表面熔化。

在长钢采用天然气加热炉和均热炉都出现了局部高温熔化和蓄热体堵塞等现象。

图2、连续炉燃气与空气配合方式

如图2所示、由于天然气燃烧比为1/10，天然气的体积只有空气体积的1/10，采用交叉射流可造成高达2000℃的高温区，节能效果很好，加热速度很快，但是，容易造成局部氧化、过烧甚至熔化的现象。

某公司在长钢采用平行射流混合方式，称之为HTAC技术，结果：

高温使直接喷入的天然气迅速碳化，在较窄的炉体空间内，与空气混合很差的，碳黑吸入蓄热体造成蓄热体堵塞。

采用陶瓷小球作为蓄热体，大约1～2周就需要清理蓄热体。

采用蜂窝体作为蓄热体只能全部更换。

其运行成本和维护费用极高，厂家无法接受。

综合运行成本比采用普通烧嘴的工业炉还高。

2.2.1.3、沃克斯数字化高温低氧脉冲燃烧技术的技术创新

国家在节能技术指导纲要中大力倡导在高温加热炉采用蓄热式加热技术以及高速脉冲燃烧技术在中温热处理炉的应由。

脉冲燃烧技术，主要是利用高速烧嘴的高速喷射特性，强制搅动炉内炉气，强化炉气循环，使炉温更均匀。

但在实际的使用过程中发现，在低温时，全部为大火；在保温阶段，又几乎全部为小火。

很难产生理论上的脉冲效果。

为此，美国艾斯迪尔公司发明了摆动燃烧的燃烧方法。

其原理是人为造成燃烧量随时间周期来波动（100～240s），使得燃烧器随自动调节系统不断调整，炉内炉气的运动方向不断改变，炉温均匀性可控制在±5℃内（根据报道可达±3℃）

沃克斯综合了连续炉蓄热式燃烧的优，结合间歇式工业炉的特点，将蓄热式燃烧技术与脉冲燃烧技术的优势相结合，开发出了数字化高温低氧脉冲燃烧技术，解决了燃烧高热值煤气的种种问题。

数字化高温低氧脉冲燃烧技术是专门为控温精度要求高的高、中、低温间歇式工业炉研发的蓄热式燃烧技术和控制技术。

该技术利用蓄热式燃烧的换向特性，引进了摆动燃烧的特点，结合了高速脉冲燃烧对炉气的搅动作用，采用低氧燃烧技术，有效地降低了火焰温度，开发了一系列的控制器和执行元件，将燃烧技术与控制技术有机地结合起来，使得炉温的精密控制成为了现实。

数字化高温低氧脉冲燃烧技术将蓄热式燃烧的应用范围由高温炉和连续炉推广至需要精密控温的热处理炉和间歇式工业炉。

该技术处于国际燃烧技术的前沿，是蓄热式燃烧技术的一场革命。

2.2.1.3.1、蓄热式高速火焰燃烧技术

数字化高温低氧脉冲燃烧器有着与常规高速燃烧器完全相同的火焰速度，火焰速度设计为100m/s,高速冲击的火焰，造成炉气的强烈搅拌。

特殊的烧嘴孔型设计，将炉膛上部烟气强制回流，进一步强化炉气的搅拌，使炉温更均匀

图3、特殊的烧嘴孔型设计

2.2.1.3.2、切换摆动控制技术

利用摆动燃烧特点，使炉气方向不断变换，并对炉气流动方向的控制进行了优化组合，找到了热传导最快，温控效果最好，炉温均匀性最好的切换摆动方式。

2.2.1.3.3、火焰温度控制技术

由于天然气蓄热式燃烧的火焰温度极高，接近2500℃。

大大超过耐火材料和工件承受能力，很容易将工件熔化造成报废。

因此，有效的降低火焰温度成为保障工业炉使用寿命、精密控温和保证工艺的关键技术。

FLOXⓇ燃烧技术是德国WS公司开发的先进的燃烧技术，其贡献是降低火焰燃烧温度至1400℃，有效地抑制了反应型Nox的生成。

沃克斯公司吸收和消化了FLOXⓇ燃烧技术，成功地将该技术运用于蓄热式脉冲燃烧上，并形成了拥有自主知识产权的CFLOX技术，申请了蓄热式脉冲烧嘴专利和注册了CFLOX商标（正在审查）。

CFLOX技术保证了燃料燃烧在贫氧状态（氧含量2-11.5%）下进行，炉内NOx生成量大大减少，NOx排放量只有50-100ppm，低于国家一级排放标准。

沃克斯数字化高温低氧脉冲燃烧技术采用了CFLOX燃烧技术，使最终燃烧在低氧状态下进行（氧含量2-11.5%），有效降低了火焰温度，火焰温度只有1400℃左右，提高了烧嘴和炉衬的使用寿命。

由于火焰温度与炉温接近，控温精度和炉温均匀性大大提高。

另外，由于采用CFLOX燃烧技术，空气预热温度只比炉温低100℃左右，只需补充很少的热量就可以达到工艺要求的温度。

提高了热效率，节约了能源。

采用CFLOX燃烧技术，保温段炉膛内没有热点。

而对于采用常规的高速烧嘴的热处理炉，烧嘴喷孔附近的温度较炉膛其他部位温度高，直接影响炉温均匀性。

2.2.1.3.4、蓄热式脉冲燃烧控制技术

根据蓄热式脉冲燃烧控制技术的特点，沃克斯研制开发了蓄热式脉冲燃烧控制器和时序控制程序。

将蓄热式脉冲烧嘴、空/烟比例脉冲系统、烟/烟比例喷射系统有机地结合起来。

大大简化了排烟系统，去掉了烟囱。

2.2.1.3.5、双段燃料控制技术

部分用户有多用炉的要求，例如：

要求在900℃左右和600℃左右使用。

由于900℃与600℃的炉温的能量供给差距为40％左右（具体计算参考图4），无论采用何种控制手段，都会超过自动控制的最佳控制范围，产生温度过冲和火焰不稳的现象。

由于沃克斯蓄热式脉冲烧嘴的特点，沃克斯采用双段燃料供给控制。

烧嘴变成高速调温烧嘴，进一步降低火焰温度，达到在低温精密控温的目的。

图4、热处理炉炉底热强度

我公司成功地将蓄热式技术应用于成都三川特钢公司室式船轴淬火炉（950℃）+回火炉（550℃），实现淬火和回火同炉，炉温均匀性均达到5℃，控温精度1℃。

其船轴产品全部外销，通过美国相关认证，出口美国和澳大利亚。

2.2.1.3.6、沃克斯点火技术

超越国外著名燃烧器公司的沃克斯点火技术，采用直接点火方式点火，保证点火的稳定性。

沃克斯蓄热式炉与采用常规烧嘴的工业炉一样，全部可以低温点火、低温换向，保证了工业炉的热效率。

无须象现在的间歇式蓄热炉，先要将炉温升到燃点以上才开始蓄热换向，或者升温初期不敢关炉门。

2.2.1.3.7、炉压控制技术

炉压控制技术是