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1、蓄热式燃烧技术一、前言随着经济全球化的不断推进，资源和环境问题日显突出.工业炉做为能源消耗的大户，如何尽快推行高效、环保的节能技术成为重中之重。蓄热式燃烧技术从根本上提高了加热炉的能源利用率，特别是对低热值燃料(如高炉煤气)的合理利用，既减少了污染物(高炉煤气)的排放，又节约了能源，成为满足当前资源和环境要求的先进技术。另外,蓄热式燃烧技术的采用又强化了加热炉内的炉气循环,均匀炉子的温度场,提高了加热质量,效果也非常显著.二、发展历史蓄热式燃烧方式是一种古老的形式，很早就在平炉和高炉上应用。而蓄热式烧嘴则最早是由英国的HotWork与BritishGas公司合作，于上世纪八十年代初研制成功的。
2、当初应用在小型玻璃熔窑上，被称为RCB型烧嘴，英文名称为RegenerativeCeramicBurner。由于它能够使烟气余热利用达到接近极限水平，节能效益巨大，因此在美国、英国等国家得以广泛推广应用。1984年英国的AvestaSheffild公司用于不锈钢退火炉加热段的一侧炉墙上,装了9对，其效果是产量由3Ot/h增加到45t/h,单耗为1.05GJ/t。虽然是单侧供热，带钢温度差仅为土5C。1988年英国的RotherhamEngineeringSteels公司在产量175t/h的大方坯步进梁式炉上装了32对RCB烧嘴，取代了原来的全部烧嘴，600C热装时单耗0.7GJ/t，炉内温度差
3、土5C。日本从1985年开始了蓄热燃烧技术的研究。他们没有以陶瓷小球作蓄热体，而是采用了压力损失小、比表面积比小球大45倍的陶瓷蜂窝体，减少了蓄热体的体积和重量。1993年，日本东京煤气公司在引进此项技术后作了改进，将蓄热器和烧嘴组成一体并采用两阶段燃烧以降低NOx值，其生产的蓄热式烧嘴称FDI型。开始用于步进梁式炉，锻造炉，罩式炉以及钢包烘烤器等工业炉上。日本NKK公司于1996年在230t/h热轧板坯加热炉(福山厂)上全面采用了蓄热式燃烧技术，使用的是以高效蜂窝状陶瓷体作蓄热体的热回收装置和喷出装置一体化的紧凑型蓄热式烧嘴，烧嘴每30s切换一次。投产后，炉内氧浓度降低、NOx大幅度减少，炉
4、内温度均匀，效率提高。在中国,早期的蓄热式燃烧技术应用于钢铁冶金行业中的炼钢平炉和初轧均热炉上。然而，由于当时所采用的蓄热体单位比表面积小，蓄热室结构庞大，换向阀安全性能差、造价高，高温火焰温度集中，技术复杂等诸多原因，导致了其难以在其他加热炉和热处理炉上使用。80年代后期，我国开始了陶瓷小球蓄热体蓄热式燃烧技术的研究和应用。当时，结合我国广泛使用低热值燃料，特别是大量高炉煤气被放散的实际情况，我国的热工研究者开发出了适合我国国情的独具特色的蓄热式高温燃烧技术软硬件系统，并逐步应用于均热炉、车底式退火炉、加热炉等各种工业炉窑上。三、基本原理及特点1、蓄热式燃烧装置的原理11动漫效果1.2蓄热式
5、燃烧装置原理见下图1.(a)(b)(c)图l.(a)单蓄热式烧嘴加热系统(外置式)gasgas图1.(b)单蓄热式烧嘴加热系统(内置或半内置式)gasgasEELLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLEttttttbbtttbbbLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL图1.(c)空、煤气双蓄热上下(左右)烧嘴加热系统Waterpipe二1 Regererativebodyforair2 Regererativebodyforgas当燃烧装置1处于燃烧状态时，被加热介质（助燃空气、煤气）通过换向阀进入蓄热室，高温蓄热体把介质预热到
6、比炉温低100150C的高温，通过空煤气烧嘴（或火道）进入炉内，进行弥散混合燃烧。而另一个配对的燃烧装置2则处于蓄热状态，高温烟气流入蓄热室，将蓄热体加热，烟气温度降到250150C后流过换向阀经排烟机排出。煤气、空气预热各设置一台排烟机，只预热空气设置一台排烟机。蓄热式燃烧装置系统主要由燃烧装置、蓄热室（内有蓄热体）、换向系统、排烟系统和连接管道，五大部份组成。无论哪种形式的燃烧装置，蓄热室（内有蓄热体）必须成对布置。经过一定时间后，换向阀换向如此反复交替工作，使被加热介质加热到较高温度，进入炉膛，实现对炉内物料的加热。2、蓄热式燃烧装置的特点初期采用蓄热式烧嘴的主要目的是为了进一步提高空气
7、的预热温度，更大程度地回收烟气带走的热量，以节约能源。但由于高温燃烧带来了高的NO排放，X因此限制了它在工业发达国家的推广使用。近入90年代后，低NO的蓄热烧嘴开始进一步研究，1992年开发成功，被X称为高温空气燃烧技术。这种技术的原理是降低燃烧空间中的氧浓度，创造贫氧条件，消除局部炽热高温区，用高速喷出的空气射流卷吸周围烟气形成贫氧燃烧区，此时形成的火焰体积大大增加，亮度减弱，温度均匀，梯度很小，这就有效地减少了NO的产生。X新开发的蓄热式烧嘴采用分段燃料供应法降低NO。即一次燃料流量为5%，X二次燃料为95%，并使助燃空气以100m/s的速度喷出，高速空气的射流卷吸周围炉气回流，使燃烧过程
8、减缓，火焰燃烧区氧浓度低，形成的火焰体积大大增加，亮度减弱，温度均匀，梯度很小，在炉温1300C时产生的NO达到30ppm（以烟X气中含氧量11%计算）。3、采用高温空气燃烧技术的低NO蓄热烧嘴具有的特点：X 节约能源蓄热烧嘴能大大提高节能效率。使用传统烧嘴，最多只能将空气、煤气预热到500600C，排烟温度350400C。蓄热式烧嘴可将空煤气预热到11001000C，同时排烟温度可降至250150C大大提高了燃料使用效率。热回收率达80%以上，可节约燃料近55%，比一般回收装置高20%30%。 提高炉温均匀性前面谈到，低NO蓄热烧嘴的火焰和传统烧嘴相比，温度均匀，梯度很小，X无明显的高温区，
9、而且低NO蓄热烧嘴工作时，通常有切换过程，烧嘴交替地处X于燃烧期和蓄热期，火焰的位置不是固定不变，炉气流动和扰动作用使炉温分布更均匀，另外，由于空气和煤气预热到1000C以上，大大提高了气体的高温动力性能，使空气扩散，混合过程更加剧烈，使火焰外围形成炉气循环区，也促进了炉温的均匀性。炉温均匀性提高，能大大提高炉内被加热物料的温度均匀性。 提高传热效率由于低NO蓄热烧嘴是通过分散式热回收方式进行的，每一个温度控制段中X大量烟气排出是通过本段的低NO蓄热烧嘴进行的。因此，各段能独立进行温度X控制，各段温度可随意设定，炉子温度控制段可以设计放置离装料端很近的区域，这样实际上预热段长度大大缩短，炉子高
10、温段大大延长。如果坯料温度升温速度不受限制，坯料一旦进入炉子，在温度1250C左右温度加热，炉子对坯料的热流大大增加，炉子传热效率就大大提高，炉内传热效率提高有两个结果：a、在炉子长度不变的情况下，能缩短料坯在炉加热时间，提高炉子产量。b、在炉时间不变的情况下，随着炉内传热效率的提高，能缩短炉子长度，使炉子投资减少。 降低NO浓度X当空气预热到1000C以上高温时，如果不采取措施，让燃料和空气直接混合，那么NO生成量将大大增加，超过环保对氮氧化物的排放标准。低NO蓄热XX烧嘴将采取下面方法降低NO生成量，通常的燃烧过程是在氧浓度21%左右的情X况下进行，为了降低蓄热烧嘴生成NO浓度，一个有效的
11、办法是使蓄热烧嘴的燃X烧过程在氧浓度较低的情况下进行。在组织蓄热烧嘴的火焰时，将大量燃料喷向烧嘴根部的回流区，利用高温高速引射时引起烟气的扰动，稀释空气中氧浓度，使回流区中氧浓度一般在25%左右，这样NO浓度将大大降低。同时为了提高X火焰的刚性，先通入部分燃料在高温空气内部（富氧区）这就是通常人们所讲的二步燃烧法。低NO蓄热烧嘴火焰在氧浓度为25%气氛中燃烧时，火焰稳定性仍然很好，X这是由于随着预热空气温度的提高，火焰的特性稳定火焰的氧浓度区间扩大，实际上NO生成量达到45ppm左右，这是传统烧嘴难以达到的，在使用蓄热烧嘴过X程中，影响NO生成因素有：Xa、预热高温空气的射流速度高温空气的射流
12、速越大，能引起回流到蓄热烧嘴根部的烟气量增大，回流区就是使燃料氧浓度降低，NO生成量降低，当速度超过100m/s时，NO就降低XX到40ppm左右。b、一、二次燃料的比例低NO蓄热烧嘴为了降低NO生成量，大部分燃料从高温空气外围附近供入XX这部分燃料称为二次燃料。还有部分燃料从高温空气内部供入，这部分燃料称为一次燃料，一次燃料比例越大NO生成量越多。一次燃料/二次燃料0.25,NOXX控制在80ppm以下。c、燃烧负荷对某一低NO蓄热烧嘴来说随着燃烧负荷的提高，NO生成量增大，煤气量XX在14002000m3/h，NO从50ppm升至60ppm左右变化。X 、由于控制的灵活性，可以实现弹性分区
13、（特别是当钢坯热装时）及脉冲控制，由于蓄热烧嘴是成对或成组布置和控制，可以根据炉子工艺要求设计控制方式，因此炉子的热工控制具有非常大的灵活性，可以改变控制烧嘴的数量实现炉温控制的弹性分区。还可以关闭一些烧嘴或按照程序要求对烧嘴进行脉冲控制。四、蓄热式燃烧系统的组成1、主要由以下几个部分组成：换向阀及控制机构蓄热室及蓄热体高温气体通道和喷口空煤气供给系统和排烟系统2、换向阀及控制机构在蓄热式高温燃烧系统中，烟气和空气的切换装置是必须的，因而换向阀是该系统中的关键设备（见图片）。换向阀是通过阀体的运动使空气（或煤气）与烟气在阀内定时换向。一般地说，换向阀有四个进出口，其中有两个口分别通向一对交替使
14、用的蓄热室，另外两个口分别连接排烟烟囱和供空气（或煤气）管道。在前一个换向周期内，换向阀使通向其中一个蓄热室的进口与另外一个连接到排烟烟囱的出口相连，使废气排出；在后一个换向周期内，换向阀使连接供空气（或煤气）管道的进口与另外一个连接到一个蓄热室的出口相连，使空气（或煤气）进入蓄热室去完成预热。阀内采取特殊的密封结构来保证密封性能和灵活的换向动作。换向阀的换向时间与炉内烟气温度及蓄热体的透热厚度有关，对于透热厚度一定的蓄热体，换向时间越长，离开蓄热室的烟气温度越高，空气（或煤气）的预热温度也会越低，热回收率也越低；若换向时间过短，则会降低换向阀的寿命，因此应通过实验来确定最佳的换向时间是至关重
15、要的。对于小球体的蓄热室，其换向周期一般取2.0-3.0分钟；蜂窝体的蓄热室，其换向周期为30-45秒钟或更短。若采用直通阀，系统中有一对蓄热式高温燃烧装置就需要4套切换阀，而采用换向阀，系统中一对蓄热式高温燃烧装置就只需要一套切换阀，成本就能够大大降低。当换向阀的切换时间为30秒，其每年的动作次数为100万次；即使是换向阀的切换时间为3分钟，而每年的动作次数也达到17万次；因换向阀换向频繁，因而换向阀机械方面的可靠性、耐久性和密封性就相当重要。对于蓄热式高温燃烧系统来说，选择一个稳定可靠的换向阀是系统成败的关键。换向控制一般以定时换向为主，但当废气超温时系统必须同时具有能够强制换向的功能。系统换向时应先切断空（煤）气，然后换向阀换向，待换向阀换向动作结束后，再打开空（煤）气，此时一个换向过程才算结束。整个换向动作过程应该能够在TFT上监视。当某一动作发生异常时，系统应该能够自动报警并提示故障点及处理方法。对于蓄热式高温燃烧系统来说，换向控制和系统保护的可靠性也是相当重要的。换向阀应集中配置，即每个供热区段只配一个空气换向阀和一个煤气换向阀，这样可以简化管路系统和减少换向装置的数量，燃烧自动控制系统也得以简化。换向阀的换向时间采用时间和温度主从控制，即以定时控制为主，但同时当出
