1 概述

　　用蓄熱室來預(yù)熱空氣和燃料是一項較早的技術(shù), 早在19 世紀中期就開始應(yīng)用于高爐、熱風爐、焦爐等規(guī)模大且溫度高的爐子, 但傳統(tǒng)的蓄熱室采用格子磚為蓄熱體、傳熱效率低、蓄熱室體積龐大, 其換向閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率比較低, 換向周期長, 因此沒有得到重視。由于20 世紀70 年代的能源危機后, 節(jié)能工作得到各個國家的重視, 加之科學技術(shù)的不斷進步出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、可靠性強的換向系統(tǒng)。1982 年英國Hot Work Development 公司和Brit2ish Gas 研究院合作, 成功開發(fā)出第一座使用陶瓷小球作為蓄熱體的新型蓄熱式加熱爐, 節(jié)能效果顯著。近10 年來蓄熱式燃燒技術(shù)得到長足發(fā)展, 很多國家都在研究各種蓄熱式燒嘴和高效蓄熱式燃燒技術(shù)以及高風溫燃燒技術(shù)。

2 　蓄熱式燃燒技術(shù)

　　1998 年大連北島能源技術(shù)有限公司率先在萍鋼棒材公司軋鋼加熱爐上采用蓄熱式燃燒技術(shù)燃燒純高爐煤氣, 在國內(nèi)首次實現(xiàn)了蓄熱式技術(shù)燃燒高爐煤氣在連續(xù)式軋鋼加熱爐上的應(yīng)用。此后, 國內(nèi)有多家公司開展蓄熱式燃燒技術(shù)的研究和在國內(nèi)的推廣應(yīng)用, 蓄熱式燃燒技術(shù)逐漸成熟。窯爐在蓄熱式燃燒技術(shù)方面形成了一套較完善的設(shè)計思想和方法,蓄熱式技術(shù)在工業(yè)爐上的應(yīng)用實現(xiàn)了高產(chǎn)、低耗、少污染和高自動化水平, 達到了燃燒工業(yè)爐“三高一低”(高爐溫、高煙溫、高余熱回收、低惰性) 的發(fā)展方向要求。從20 世紀90 年代開始, 國內(nèi)蓄熱式燃燒技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在, 基本分為以下兩大系列:

　　(1) 以北京北島為代表的內(nèi)置通道式加熱爐, 其特點是: ①把蓄熱室和爐體有機結(jié)合為一體, 結(jié)構(gòu)緊湊, 占地面積小, 爐子外觀整潔。②蓄熱體采用陶瓷小球, 價格低廉, 集中換向, 換向時間約180 s , 運行費用低。③爐體熱損失小, 熱效率高, 很容易做到空氣、煤氣雙預(yù)熱,燃燒噴口密布, 爐溫均勻性好, 鋼坯氧化燒損低。④爐型結(jié)構(gòu)較復(fù)雜, 爐墻厚達l m , 對耐火材料的理化指標性能要求高, 對設(shè)計、施工的技術(shù)水平和經(jīng)驗要求高。⑤若爐墻出現(xiàn)問題, 維修時間長。

　　(2) 以北京神霧為代表的蓄熱式燒嘴式加熱爐。把蓄熱室和燒嘴有機結(jié)合為一體, 并有可靠換向系統(tǒng)的高效蓄熱式燃燒技術(shù)。北京神霧熱能技術(shù)有限公司于2000 年成功地研制開發(fā)出適應(yīng)國內(nèi)工業(yè)爐窯的蓄熱式燃燒器系列, 形成了北京神霧蓄熱式燒嘴技術(shù)體系, 國內(nèi)第一次應(yīng)用該技術(shù)的企業(yè)是2000 年邯鄲鋼鐵公司中板廠改造的中板加熱爐, 取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。此后該公司又開發(fā)了多種蓄熱式燒嘴, 分別應(yīng)用不同的燃料及行業(yè)。

　　通過上述分析可以看出, 兩種蓄熱式加熱爐雖然各有優(yōu)、缺點, 且在國內(nèi)冶金行業(yè)都有實際應(yīng)用的實例, 但總的發(fā)展趨勢是朝著燒嘴式蓄熱式加熱爐方向發(fā)展, 具體表現(xiàn)有以下幾個方面1) 蓄熱式燒嘴加熱爐和原普通加熱爐相比,都是通過調(diào)整燒嘴熱負荷來調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度, 對于操作人員易于接受。(2) 每個燒嘴都可單獨調(diào)節(jié), 上下加熱燒嘴能力搭配合理, 各段上下加熱溫度的調(diào)節(jié)非常方便。(3) 爐墻兩側(cè)留有便于檢修的人孔門和扒渣門, 這是采用燒嘴結(jié)構(gòu)形式的最大優(yōu)點。(4) 對于高熱值氣體燃料, 可直接冷爐點火升溫, 不需要單獨的點火燒嘴。(5) 燒嘴式結(jié)構(gòu)可以采用集中換向和分散換向方式, 分散換向則由于換向閥靠近燒嘴, 換向閥與燒嘴之間的連接管道短而小, 燃燒間斷時間短, 因此換向時管道內(nèi)殘留煤氣損失較少, 更有利于節(jié)能。(6) 維護工作量稍大, 但檢修時間短, 停爐時間短。

　　3 　燒嘴式蓄熱式加熱爐

　　3. 1 　蓄熱燒嘴的結(jié)構(gòu)

　　燒嘴采用空氣、煤氣組合式, 由空氣蓄熱燒嘴、煤氣蓄熱燒嘴組合而成, 上加熱煤氣噴口在下, 空氣噴口在上, 下加熱燒嘴則反之; 盡量在鋼坯的上下表面形成還原性氣氛, 降低氧化燒損和表面脫碳。蓄熱式燒嘴的設(shè)計既要考慮低熱值燃氣的燃燒混合問題, 又要保證煤氣的完全燃盡, 同時實現(xiàn)爐膛溫度的均勻性, 因此采用雙流股蓄熱式燒嘴形式。

　　燃燒噴口是燃燒系統(tǒng)的關(guān)鍵部位, 合理的燃燒組織有賴于此, 在燃燒組織上既要確保燃氣在爐內(nèi)充分燃燒, 不會在對面的蓄熱體內(nèi)繼續(xù)燃燒而對其造成損壞, 同時又要合理促成低氧燃燒的實現(xiàn), 避免出現(xiàn)局部的高溫過熱; 既強化爐溫的均勻性, 減少NO x 等有害氣體的生成, 又減小高溫下脫碳的發(fā)生。因此, 在噴口設(shè)計上要選擇最優(yōu)的氣體出口速度和混合噴射角度。

　　燃料在噴口處邊混合邊燃燒, 空氣、煤氣在噴出過程中卷入周圍的爐氣, 稀釋空煤氣濃度, 低氧燃燒, 使煙氣中NO x 的產(chǎn)生大大降低, 減少了有害氣體的排放量。由于采用集中點火烘爐方式, 只要爐氣溫度高于700 ℃, 高爐煤氣噴入爐內(nèi)就會燃燒, 且連續(xù)式加熱爐并不會頻繁地冷爐啟動, 因此將高溫段蓄熱式燒嘴配帶自動點火及火焰檢測系統(tǒng)是沒有必要的, 這樣既簡化了燒嘴結(jié)構(gòu)、降低了投資, 也減少了高溫段存在的點火燒嘴經(jīng)常燒損的情況。

　　3. 2 　蓄熱體

　　蓄熱體有陶瓷小球和陶瓷蜂窩體, 發(fā)展趨勢是采用陶瓷蜂窩體。其高溫段材質(zhì)為高純鋁質(zhì)材料,有較高的耐火度和良好的抗渣性; 中部采用莫來石材料; 低溫段材質(zhì)為堇青石, 其特點是在低于1000 ℃的工況下具有較好的抗腐蝕和耐急冷急熱性。蜂窩體的前端增加剛玉擋磚, 減少高溫爐膛對蜂窩體的輻射, 同時可增加蜂窩體的堆放穩(wěn)定性。與顆粒狀蓄熱體(球形蓄熱體) 比較, 蜂窩狀蓄熱體有如下優(yōu)點:單位體積換熱面積大, 100 孔/平方英寸的蜂窩體是Φ15 mm 球比表面積的5. 5 倍, Φ20 mm 球的7 倍。在相同條件下, 將等質(zhì)量氣體換熱到同一溫度時的蜂窩體體積僅為球狀蓄熱體的1/3～1/4 , 重量僅為球的1/10 左右, 這就意味著蜂窩體蓄熱燃燒器構(gòu)造更輕便、結(jié)構(gòu)更緊湊。蜂窩體壁很薄僅0. 5 ～1 mm , 透熱深度小, 因而蓄熱、放熱速度快, 溫度效率高, 換向時間僅為30 ～45 s , 這比球狀蓄熱體的換向時間3 min 大大縮短, 更利于均勻爐內(nèi)溫度場, 保證鋼坯均勻加熱, 這一點對加熱合金鋼、高碳鋼尤為有利。按照蜂窩體內(nèi)氣流通道規(guī)則, 阻力損失僅為球狀的1/3～1/4。球形蓄熱體氣流阻力損失隨空氣流速增大而增大, 其變化規(guī)律為冪函數(shù)關(guān)系, 球徑大則阻力變小, 但蓄熱室結(jié)構(gòu)也要相應(yīng)增大。

　　蜂窩體

　　由于有較高壓力的氣體頻繁換向, 起到了吹刷通道作用, 故不易產(chǎn)生灰塵沉積堵塞。對于爐膛較寬的爐子, 相對應(yīng)爐長較短, 爐兩側(cè)可供布置燒嘴的空間較小, 采用比表面積小的小球時常常由于空間的限制使得蓄熱能力不足。因此, 在采用蓄熱式燒嘴形式的加熱爐當中, 應(yīng)用比表面積大于小球幾倍的蜂窩體是必然的選擇。采用陶瓷小球不方便在線更換, 而陶瓷蜂窩體則有利于蓄熱體的在線更換, 這可以保證非常好的生產(chǎn)連續(xù)性。

　　3. 3 　換向系統(tǒng)

　　高爐煤氣換向系統(tǒng)、空氣/煙氣換向系統(tǒng)均采用全分散換向方式, 換向閥門全部為氣動, 以潔凈的壓縮空氣作為動力源, 氣源壓力≥0. 3 MPa 。高爐煤氣/煙氣采用快速切斷換向閥, 即一只煤氣蓄熱式燒嘴采用兩臺快速切斷閥, 快切閥采用三偏心結(jié)構(gòu), 動作靈活、可靠, 更換簡單?？諝?煙氣采用三通換向閥切換, 閥門驅(qū)動可采用液動,運行穩(wěn)定, 但投入成本、運行成本高。

　　3. 4 　工作方式

　　蓄熱燃燒器為成對換向操作, 換向周期可調(diào)。正常工作時換向周期30 - 45 s 左右, 采用雙重信號控制: 以時間和煙氣溫度為控制參數(shù)。換向系統(tǒng)采用PLC 可編程控制器控制, 可完成自動程序換向控制、手動強制換向控制, 設(shè)有功能顯示、工作狀態(tài)顯示等, 使操作者對蓄熱燃燒系統(tǒng)工作情況一目了然, 操作和監(jiān)視十分方便。

　　3. 5 　全分散換向系統(tǒng)技術(shù)特點

　　(1) 每個燒嘴的可單獨調(diào)節(jié)和上下加熱燒嘴能力的合理搭配, 使加熱爐各段上下加熱溫度的調(diào)節(jié)非常方便。(2) 在同側(cè)同向換向的基礎(chǔ)上, 可以實現(xiàn)每相鄰兩只燒嘴交錯燃燒, 此種方式優(yōu)化爐膛氣流的組成, 有利于均勻爐溫, 提高加熱質(zhì)量。(3) 每兩組燒嘴使用一套換向系統(tǒng), 可以在任何一套系統(tǒng)發(fā)生故障時, 在其它燒嘴均正常工作的狀態(tài)下排除故障, 保證操作的連續(xù)性和生產(chǎn)穩(wěn)定性, 而不致于象集中式換向那樣要將出現(xiàn)問題的那一段全部停下來。(4) 換向閥可以與燃燒噴口之間就近布置, 減短了換向閥與噴口之間的換向盲區(qū), 最大限度地減少了交叉污染帶來的不安全因素。燃燒間斷時間短, 因此換向時管道內(nèi)殘留煤氣損失較少, 更有利于節(jié)能。(5) 采用輪序換向方式, 每套換向裝置換向時對爐壓的影響大為減小, 精確控制了各部分爐溫、爐壓, 提高了爐子的控制性能和鋼坯加熱質(zhì)量。與集中式換向相比管道復(fù)雜, 不容易布置。

　　3. 6 　數(shù)字化脈沖蓄熱式燃燒技術(shù)

　　在常規(guī)分段比例燃燒控制技術(shù)的前提下, 可應(yīng)用數(shù)字化脈沖蓄熱式燃燒技術(shù)。石鋼棒材廠加熱爐在國內(nèi)首次采用數(shù)字化脈沖蓄熱式燃燒技術(shù), 這一技術(shù)不僅使蓄熱式技術(shù)本身的特性得以更高的發(fā)揮, 同時非常適應(yīng)于冷熱裝變化較大、產(chǎn)量變化較大以及各鋼種經(jīng)常變化的加熱要求。由于將原有“段”的概念予以虛擬, 因此可以說此種燃燒方式能夠滿足任何鋼種的加熱需求, 為新鋼種的開發(fā)、生產(chǎn)打下堅實的基礎(chǔ)。脈沖技術(shù)具有如下特點1) 時序加熱。燒嘴只有兩種工作狀態(tài): 滿負荷工作和不工作, 只是通過調(diào)整兩種狀態(tài)的時間比進行溫度調(diào)節(jié), 需要低溫控制時仍能保證燒嘴工作在最佳燃燒狀態(tài)。采用脈沖燃燒控制方式, 可以將煤氣壓力和空氣壓力一次性調(diào)整到合適值, 在系統(tǒng)投入運行后, 只需保持這兩個壓力穩(wěn)定即可。

　　因此, 燒嘴總是以最大效率、在最小過剩空氣量的條件下運行。(2) 實現(xiàn)加熱區(qū)域任意“虛擬”的劃分。虛擬的加熱段及均熱段(每對燒嘴獨立控制) 采用數(shù)字化控制技術(shù), 加熱爐能力可以根據(jù)產(chǎn)量調(diào)整, 同時確保產(chǎn)品獲得良好的均勻性。計算機可以根據(jù)一系列已裝爐坯料的熱量數(shù)據(jù), 對每對燒嘴進行實時設(shè)定, 可以設(shè)定開或關(guān)一些燒嘴, 精確控制加熱爐加熱能力, 在任何工況條件下, 燃料綜合消耗量在整個軋機生產(chǎn)范圍內(nèi)降低。

　　4 　結(jié)語

　　從長期的市場角度看, 鋼材多品種、小批量的需求變化日益增加; 從短期的鋼坯加熱角度看, 鋼坯冷熱裝的情況會經(jīng)常存在。燒嘴式蓄熱式加熱爐方案符合上述鋼材加熱要求。此外, 蓄熱式燒嘴式加熱爐爐墻兩側(cè)留有便于檢修的人孔門和扒渣門,這是唯有采用燒嘴結(jié)構(gòu)形式才能做到的; 對于高熱值氣體燃料, 可直接冷爐點火升溫, 不需要單獨的點火燒嘴; 維護工作量稍大, 但檢修時間短, 停爐時間短。國內(nèi)蓄熱式加熱爐發(fā)展很快, 現(xiàn)在還不能講哪一種形式是最先進、最成熟的, 都多少存在一些問題, 蓄熱體的壽命、蓄熱式加熱爐的壽命都有待提高等, 但蓄熱式燒嘴式加熱爐是一種發(fā)展方向。