复合型蓄热式燃烧技术的开发与应用

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1、全国能源与热工 2008 学术年会 1 复合型蓄热式燃烧技术的开发与应用复合型蓄热式燃烧技术的开发与应用 陈 洁 顾 俭 李安东 （宝钢股份不锈钢分公司 上海 200431） 摘摘 要：要： 本文阐述了宝钢股份不锈钢分公司炼钢厂结合生产实际，对现有直燃式烘烤器进行了节能技术改造：采用了蓄热 式燃烧技术，与设备制造厂共同研究开发了新型复合型蓄热式燃烧器，并成功应用于钢包、铁水包等烘烤器的改造，取得 了很好的节能效果，经济效益显著。 关键词：关键词： 复合型蓄热式燃烧；烘烤器；节能 1 前言 蓄热式燃烧技术突破了人们对燃烧的传统认 识，通过极限回收烟气余热并且高效预热助燃空 气，实现了超高温（10

2、00）和超低氧（2%5%） 条件下的燃烧。蓄热式燃烧过程，为大幅度节能 和大幅度降低烟气中有害物质排放，改善环境提 供了技术保证。 蓄热式燃烧技术（如图 1） ，系统主要由燃烧 器、蓄热体及切换系统组合而成。其中一对燃烧 器作周期性交互运转，当燃烧器 A 进行燃烧时， 燃烧器 B 则作为烟气排放的通道。此时空气、燃 气经蓄热体得到预热后进入燃烧器 A，而高温烟 气通过燃烧器 B 由蓄热体吸收其热能后排出；在 进入下一个周期时，切换阀动作，燃烧器 B 开始 运转燃烧，原先的燃烧器 A 反过来作为高温烟气 排放通道，空气、燃气则利用原先蓄热体吸收的 热能先行预热后进入燃烧器 B，如此周而复始进行

3、切换运转的动作。 燃料切换阀 燃料 空气烟气切换阀 蓄热体 烟 气 蓄热体 空 气 燃料 燃料切换阀 蓄热体 烟 气 钢包 烤盖 空气烟气切换阀 蓄热体 空 气 二通位 一通位 烤盖 钢包 图1 图 1 蓄热式燃烧技术工作原理图 2 主要问题 宝钢股份不锈钢分公司炼钢厂原有 20 多台钢 包、铁水包等烘烤器，采用直燃式天然气烘烤器， 无余热回收装置，在烘烤过程中，大量的高温烟 气从钢包包沿和烟囱直接排放到厂房内，余热没 有得到回收利用，能源浪费严重。为降低烘烤器 的天然气消耗，提高烘烤质量和烘烤效率，在满 足工艺要求的情况下，炼钢厂经过调查论证决定 采用蓄热式燃烧技术进行钢包、铁水包等烘烤器

4、改造。 3 改造方案 从蓄热式燃烧的基本原理出发，应用在钢包 烘烤器中主要有以下几种方式： 方式 1：燃气通道不换向空气单蓄热方式，如 图 2 所示，这种方式主要是简化设备的运动部件， 但缺点是对燃料不能预热，空气出口和燃料出口 相距较远，不能很好的组织火焰，产生不完全燃 烧，特别是加热初期。 燃料 蓄热体 烟 气 钢包 烤盖 空气烟气切换阀 蓄热体 空 气 二通位一通位 空 气 蓄热体 空气烟气切换阀 烤盖 钢包 烟 气 蓄热体 燃料 图2 图 2 燃气通道不换向空气单蓄热方式 方式 2：采用切断阀换向方式，如图 3 所示， 这种方式如果是空气燃气双预热，需要 6 个切断 阀，通过频繁的切断

5、解决换向燃烧的问题，缺点 是系统极其复杂，也容易产生安全隐患。 工业炉窑热工 2 空 气 烟气切断阀1 烟 气烟气切断阀2 空气切断阀2空气切断阀1 燃气切断阀1燃气切断阀2 燃料 蓄热体 烤盖 蓄热体 钢包 烟气切断阀2烟气切断阀1 空气切断阀1空气切断阀2 燃气切断阀2燃气切断阀1 一通位 二通位 空 气 蓄热体 烤盖 钢包 烟 气 蓄热体 燃料 图3 图 3 燃气通道切断阀换向方式 方式 3：燃气采用切断阀换向，空气采用四通 换向阀方式，如图 4 所示，该方式的缺点是不能 进行燃气空气双预热，也存在安全隐患，可能因 为机械和电器的故障切断阀控制的燃气与换向阀 控制的空气鼓入不同步，如果燃

6、气喷出时，切换 阀控制的空气喷口正在排烟，就会将燃气直接抽 入烟道，比较危险。 燃料 燃气切断阀2燃气切断阀1 燃料 燃气切断阀1燃气切断阀2 钢包 烤盖 一通位 二通位 空 气 蓄热体 空气烟气切换阀 烤盖 钢包 烟 气 蓄热体 空 气 蓄热体 烟 气 蓄热体 空气烟气切换阀 图4 图 4 燃气切断阀换向空气采用四通换向阀方式 方式 4：采用同轴换向的三位七通换向阀对燃 气和空气进行同步换向，如图 5 所示，彻底排除 了安全隐患，但由于只能采用单预热方式，不能 进行极限余热回收。 钢包 烤盖 蓄热体 烟 气 蓄热体 空 气 空气烟气切换阀 燃料 燃料切换阀 一通位 二通位 空 气 蓄热体 空

7、气烟气切换阀 烤盖 钢包 烟 气 蓄热体 燃料切换阀 燃料 图5 图 5 三位七通换向阀对燃气和空气进行同步换向方式 方式 5：采用同轴换向的三位八通换向阀对燃 气和空气进行同步换向，如图 6 所示，燃气与排 烟，空气与排烟通过同轴运转的两个三位四通换 向阀同时进行，基本消除了大的安全隐患，但由 于换向阀工作在粉尘和高温环境，燃气与排烟的 三位四通换向阀的燃气通道和排烟通道会因为密 封不严的问题造成少许燃气泄露至排烟通道，造 成燃气的浪费和小的安全隐患； 烟 气 烟 气 燃料 燃料切换阀 蓄热体 烟 气 钢包 烤盖 空气烟气切换阀 蓄热体 空 气 二通位 一通位 燃料切换阀 燃料 空气烟气切换

8、阀 空 气 蓄热体 烟 气 蓄热体 烤盖 钢包 图6 图 6 三位八通换向阀对燃气和空气进行同步换向 上述 5 种方式采用的蓄热式烧嘴都有一个共 同点，烧嘴的保温层都是耐火材料，厚度至少 150mm，因此烧嘴的体积都比较大，火焰的组织 没有常规烧嘴好，同时由于体积的庞大，在设备 应用上有其局限性，在设备的维护上就有其复杂 性，同时由于火焰的组织不如常规烧嘴，因此在 低温阶段会有燃烧不完全的现象。 因此在本次改造钢包烘烤器的方案选择和论 证上，进行了详细的考察，审慎的求证，在方 案论证的过程中结合现场实际情况，与设备制造 厂武汉人越公司共同研究制定了新的烘烤器技术 方案：既新型复合型蓄热式天然气

9、燃烧系统（如 图 7 所示）替代原燃烧系统（该技术已获专利授 权） ，而对原控制系统作适应性改造，以满足蓄热 式燃烧系统的要求。 钢包 烤盖 蓄热体 间壁式蓄热体 空气烟气切换阀 烟 气 蓄热体 间壁式蓄热体 空 气 燃料切换阀 燃料 间壁式蓄热体间壁式蓄热体 燃料 燃料切换阀 蓄热体 烟 气 钢包 烤盖 空气烟气切换阀 蓄热体 空 气 二通位 一通位 图7 图 7 新型的复合型蓄热式天然气燃烧系统 复合型蓄热式燃烧系统其结构形式和特点 为：空气通道和烟气通道装有蜂窝蓄热体，起蓄 热式换热和间壁式换热器辐射传热给金属间壁的 作用；燃气则通过燃气间壁换热通道获得热量， 回收烟气中的余热，同时燃气

10、换热通道内不回抽 烟气，这样既达到了双蓄热的效果，又避免了燃 气在管道内爆燃，大大提高了燃气预热的安全性。 全国能源与热工 2008 学术年会 3 复合型蓄热式燃烧系统有以下优点：燃气在 烧嘴的外面，既能起到保温的作用又能显著减少 保温层的厚度，大约 25- 30mm，显著缩小烧嘴体 积；燃气通过间壁换热的方式得到预热，收到空 燃气双预热的效果；燃气侧没有烟气回抽，消除 安全隐患；采用三位七通换向阀实现空燃气的同 步切换，燃气换向阀无须通过烟气回抽，因此密 封性能会更好；烧嘴的大小和常规烧嘴大小相当， 设备使用的局限性小，燃烧组织和布置具有显著 的优势，同时也便于设备的更换与维护。 4 改造效

11、果 2005 年 10 月开始按上述方案在一套钢包烘 烤器和一套铁水包烘烤器进行试验性改造。经过 三个多月运行发现烧嘴蓄热体有部分积炭和堵塞 现象，经分析是控制系统不精准，致使空燃比不 合理，天然气没有充分燃烧冒黑烟造成的。经对 原燃烧控制方式进行了改进，当实际温度低于预 设定温度时，先开大空气，后开大燃气；当实际 温度高于预设定温度时，则先关小燃气，后关小 空气；或者在始终保持合理的燃空比的情况下燃 气和空气同时升降，保证在整个燃烧过程中燃烧 合理，不冒黑烟。 2006 年 6 月，我们在前期两套改造的基础上， 又完成了其他 13 台的改造。 从近一年的使用情况看，节能效果非常明显， 且钢包

12、的烘烤效果、升温速度优于改造前的情况。 为对该项目的节能情况有一个准确的评价，我们 组织相关部门对钢包蓄热式烘烤效果与直燃式烘 烤器烘烤效果对比测试。测试数据如下： 表 1 测试数据表 指标单位蓄热式烘烤器直燃式烘烤器 平均升温速度/min3.821.68 平均耗量Nm3/min2.483.82 平均包底温度/min1040.75943.75 排烟温度1501000 测试数据表明，本次钢包、铁水包的蓄热式 技术改造是成功的，达到了项目的要求，同比节 约天然气 40以上。采用蓄热式烘烤，钢包升温 速度快；在同样的升温时间里，包底温度明显提 高；同样的升温幅度，天然气用量减少 40以上； 在钢包保

13、温阶段节能效果更为明显。 采用复合型蓄热式烘烤，不仅可降低紧缺资 源天然气的消耗，降低炼钢能源成本，而且因其 烘烤工艺有别于原来的直燃式烘烤，烘烤效率更 高，钢包预热更均匀，更完全。推广应用蓄热式 烘烤工艺同比可以节约天然气 40%以上，减少了 废气的排放，经济效益和社会效益均很可观。 5 结论 （1）原设计烘烤器均采用直燃式烘烤方式， 烘烤过程中，燃烧产生的高温烟气全部从烤盖与 钢包之间的缝隙以及烟囱直接排放到厂房内，余 热没有得到回收利用，能源浪费严重。 （2）本项目采用先进复合型蓄热式燃烧技术 替代原直燃式烘烤方式，通过充分回收利用燃烧 产生的余热资源，来预热燃气和助燃空气，达到 节能降

14、耗的目的（原烘烤废气排放温度达 1000 以上，改造后废气排放温度150） ，同时又可大 幅度减少废气排放，减少环境的污染。 （3）采用复合型蓄热式燃烧技术, 因其烘烤 工艺有别于原来的直燃式烘烤，烘烤效率更高， 钢包预热更均匀，更完全。推广应用蓄热式烘烤 工艺同比可以节约天然气 40%以上，经济效益和 社会效益均很可观。 参考文献 1 张文玲. 高温空气燃烧技术应用于工业炉的思考C.全 国工业炉窑节能技术论文集.中国金属学会,2001,80- 83. 2 蓄热式钢包烘烤器课题总结.武汉市人越热工技术产品 有限公司,20022007. 3 张范斌.浅析蓄热和换热技术J.工业炉,2003,4.

15、4 Lawrence VR. Regenerative Burners in Reheat FurnaceJ. 工业炉窑热工 4 Iron 2. An Shan David Metallurgical Science Reheating furnace; Artificial intelligence; Energy saving 1 前言 中厚板加热炉煤气单耗占总综合能耗的 60 70%，开发和应用先进的加热炉节能技术具有重大 意义。 这条厚板线是一条年生产能力 120 万吨的现 代化厚板生产线。2003 年，引进国外先进轧机、 矫直设备进行产品工艺升级改造，以生产桥梁、 舰船等高级别中厚板

16、材为主。 为了提高产品质量，节能减排，降低氧化烧 损，扩展加热过程信息贮存、统计、分析、可追 溯性等管理功能，实现加热工艺标准化、最优化， 自 2007 年新增一套二级计算机加热过程人工智能 控制模型，用于实现从装料、加热、出料、轧制 整个生产过程全系统工艺状况最优，获得最大的 经济效益。 2 影响加热质量与能耗的主要因素 （1）被加热板坯品种、产品多样化，特殊钢、 高强度钢增多，要求炉子温度制度大幅度频繁迅 速而严格的变化，以往那种稳定的温度制度无法 适应产品质量的提高。 （2）轧制生产节奏波动，当炉温一定时，板 坯在炉时间长短决定钢坯温度高低。 （3）冷热坯料混装，不能及时精确地跟踪入 炉钢温变化、调节炉子各段供热负荷。 （4）人工感知现场工况变化，手动经验操作 （包括人工设定值，炉温的闭环控制）本身粗糙， 加之受着人为因素的影响，一人一个操作法，四 班操作难以统一执行标准的热工制度。 （5）煤气的热值、压力两个参数难以稳定保 证；因传统的煤气热值在线检测数据严重滞后、