王濤，高源，陳連生，王永強(qiáng)，宋進(jìn)英

(河北聯(lián)合大學(xué)河北省現(xiàn)代冶金技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北唐山 063009)

蓄熱式燃燒技術(shù)被譽(yù)為21世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，此技術(shù)應(yīng)用在軋鋼加熱爐上稱為蓄熱式軋鋼加熱爐，通稱蓄熱式加熱爐。蓄熱式燃燒技術(shù)經(jīng)歷了兩個(gè)重要的發(fā)展階段而趨向成熟［1］。早期開發(fā)的蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)存在預(yù)熱能力不足、不能實(shí)現(xiàn)所謂的“極限余熱回收”、NOx排放量較大等缺陷。經(jīng)過十多年的發(fā)展，直到20世紀(jì)90年代此技術(shù)形成了真正意義上的“蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)”。蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)(High Temperature Air Combustion，HTAC)，亦稱無焰燃燒技術(shù)(Flameless Oxidation Combustion，F(xiàn)LOX)或貧氧稀釋燃燒技術(shù)(Low Oxygen Dilution Combustion，LOD)或低氮氧化物燃燒技術(shù)(Low NOxInjection Combustion，LNIC)，它把回收煙氣余熱和高效燃燒及降低NOx排放等技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，從而實(shí)現(xiàn)了極限節(jié)能和極限降低NOx排放量的雙重目的。而且，這種技術(shù)開創(chuàng)了針對燃用清潔或較清潔的氣體和液體燃料的工業(yè)爐開發(fā)應(yīng)用蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)的新時(shí)代。

1 蓄熱式加熱爐的燃燒氛圍

蓄熱式加熱爐的工作原理和傳統(tǒng)的軋鋼加熱爐不同，由于采用了全新的燃燒技術(shù)，這種加熱爐的工作原理有其特殊之處。這種特殊的工作原理決定了蓄熱式加熱爐中的加熱氛圍不再是傳統(tǒng)加熱爐中的氧化狀態(tài)而是氧化－還原的交替狀態(tài)。

1.1 蓄熱式加熱爐工作原理

圖1 空氣-煤氣雙預(yù)熱蓄熱式加熱爐工作原理示意圖

蓄熱式加熱爐可用高爐煤氣作為燃料，它的工作原理不同于傳統(tǒng)加熱爐。空氣－煤氣雙預(yù)熱蓄熱式加熱爐是蓄熱式加熱爐的一種普遍形式，主要由換向系統(tǒng)、蓄熱體、控制系統(tǒng)、供風(fēng)及排煙系統(tǒng)組成［1］，工作原理如圖1所示。在A狀態(tài)時(shí)，煤氣和助燃空氣經(jīng)換向閥進(jìn)入左側(cè)蓄熱室，分別被空氣蓄熱體A和煤氣蓄熱體A加熱，預(yù)熱后的高溫空氣和煤氣分別從各自的噴嘴噴入爐膛，并在爐膛內(nèi)進(jìn)行燃燒，燃燒產(chǎn)物對坯料進(jìn)行加熱后，煙氣通過右側(cè)噴嘴進(jìn)入右側(cè)蓄熱室，高溫?zé)煔庵械臐摕岽蟛糠轴尫沤o右側(cè)蓄熱室內(nèi)的蓄熱體B從而將蓄熱體加熱，然后以150℃的低溫經(jīng)過換向閥，由排煙機(jī)排入大氣。幾分鐘后，控制系統(tǒng)發(fā)出換向命令，換向閥動(dòng)作，空氣與煤氣流動(dòng)同時(shí)換向，系統(tǒng)變?yōu)锽狀態(tài)，空氣和煤氣分別經(jīng)過右側(cè)蓄熱室的空氣蓄熱體B和煤氣蓄熱體B，被預(yù)熱后從右側(cè)噴嘴噴入并混合燃燒，高溫?zé)煔饨?jīng)過蓄熱體A后大部分潛熱釋放，蓄熱體A被加熱，煙氣以150℃的低溫經(jīng)過換向閥，由排煙機(jī)排入大氣中，完成一個(gè)換向周期。通過工作溫度不高的換向閥以一定的頻率進(jìn)行切換，使得左右兩側(cè)的蓄熱室處于蓄熱與放熱的交替工作狀態(tài)，完成對爐內(nèi)坯料加熱的目的。

1.2 蓄熱式加熱爐內(nèi)的加熱氛圍

蓄熱式燒嘴成對安裝在爐墻內(nèi)，每個(gè)燒嘴由煤氣蓄熱體、空氣蓄熱體和點(diǎn)火小燒嘴組成，如圖2所示。上加熱燒嘴的煤氣蓄熱體置于空氣蓄熱體下方，下加熱燒嘴則與之相反。分析燃燒過程可以發(fā)現(xiàn)，從燒嘴噴出的火焰都是以貧氧的氣氛接近工件，火焰在剛剛離開燒嘴噴向工件表面時(shí)是含有CO的貧氧的還原性氣氛，但是在隨后的延緩狀燃燒過程中能通過分級燃燒和高速氣流卷進(jìn)燃燒產(chǎn)物等措施將可燃成分燃燒干凈，此時(shí)為氧化狀態(tài)［2］，蓄熱式加熱爐換向后，重復(fù)這個(gè)過程。因此蓄熱式加熱爐內(nèi)的加熱氛圍實(shí)際上是“氧化－還原”交替變化的特殊狀態(tài)。蓄熱式加熱爐這種特殊的燃燒環(huán)境也可以從其實(shí)際工況下爐內(nèi)截面的氧氣濃度場分布證實(shí)，如圖3所示。由圖3可以看出，由于高速空氣流的抽引，煤氣流(圖中深色流股)迅速向空氣流股擴(kuò)散，同時(shí)由于高溫空氣的卷混，空氣射流的氧氣濃度迅速降低，此時(shí)在爐內(nèi)形成貧氧或還原性氣氛，而燃料完全燃燒后會(huì)形成氧化氣氛［3-5］。

圖2 蓄熱式加熱爐與傳統(tǒng)加熱爐燃燒的基本原理

圖3 某工況下加熱爐內(nèi)某截面的氧氣濃度場分布云圖

蓄熱式加熱爐這種燃燒氛圍與傳統(tǒng)的加熱爐有很大的區(qū)別，傳統(tǒng)加熱爐燃燒時(shí)，燃料和空氣先混合再燃燒圖如2b所示，這樣火焰的外層為助燃空氣，內(nèi)層為燃料，所以形成氧化性的加熱氛圍［6］。

2 蓄熱式加熱爐的主要優(yōu)點(diǎn)

蓄熱式軋鋼加熱爐采用的是高溫空氣燃燒技術(shù)，這種全新燃燒技術(shù)把高效燃燒與極大限度的回收煙氣余熱及降低NOx排放等技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了極限節(jié)能和極限降低NOx排放量的雙重目的。它的主要優(yōu)點(diǎn)如下:

(1)在節(jié)能減排方面。大幅度降低了燃料消耗，由于空氣煤氣雙預(yù)熱到1000℃以上，排煙溫度不高于150℃，因此爐子的燃料消耗大幅度降低，燃料利用率提高30%;與傳統(tǒng)的加熱爐相比，蓄熱式軋鋼加熱爐能夠真正實(shí)現(xiàn)超低NOx排放，并且能最大限度的降低CO2的排放，極大限度的減少了環(huán)境污染。

(2)在鋼坯的加熱質(zhì)量方面。蓄熱式燃燒是一種先進(jìn)的彌散式燃燒方式，擴(kuò)展火焰燃燒區(qū)域，火焰的邊界幾乎擴(kuò)展到爐膛的邊界，從而使得爐膛內(nèi)溫度分布均勻，不易形成局部高溫，提高了鋼坯加熱質(zhì)量;由于空氣預(yù)熱溫度很高，幾乎接近煙氣溫度，空氣與燃料在爐膛內(nèi)邊混合邊燃燒，燃燒速度快，燃燒完全，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)可在爐膛內(nèi)實(shí)現(xiàn)貧氧燃燒。而且爐子沒有預(yù)熱段，爐膛溫度均勻，鋼坯加熱速度快，在爐時(shí)間短。因此鑄坯氧化燒損要比傳統(tǒng)燃燒方式小，提高了產(chǎn)品的成材率［7-8］。

3 蓄熱式加熱爐存在的不足

蓄熱式軋鋼加熱爐在使用過程中存在一些缺點(diǎn)，歸納起來主要為以下幾方面:

(1)爐膛壓力不穩(wěn)定

爐膛壓力和煤氣管網(wǎng)壓力的波動(dòng)是由于頻繁換向引起的。爐子每次換向都是一個(gè)切斷煤氣—換向—重新輸入煤氣的過程，爐內(nèi)的煤氣燃燒瞬間消失、又迅速恢復(fù)，帶來的爐膛壓力波動(dòng)是相當(dāng)大的。而且，煤氣流量越大，爐壓波動(dòng)也越嚴(yán)重。如果在加熱段和均熱段煤氣流量都超過15000m3/h，即使采用加熱段和均熱段分別不同時(shí)換向(分段換向)，換向前后爐壓也會(huì)有大約－20～50Pa的波動(dòng)。爐壓的不穩(wěn)定會(huì)對加熱爐的運(yùn)行造成負(fù)面影響，輕則造成爐頭爐尾冒火、吸冷風(fēng)現(xiàn)象，重則造成設(shè)備的損壞。值得注意的是在換向過程中，排煙調(diào)節(jié)閥的開啟度是不變的。

(2)高爐煤氣粉塵對蓄熱體的不良影響

大量的高爐煤氣粉塵黏附在蓄熱體表面，形成額外的熱阻，降低了熱交換效率和煤氣、空氣的預(yù)熱溫度。嚴(yán)重時(shí)粉塵堵塞蓄熱室，阻礙煤氣、空氣入爐和煙氣的排出，出現(xiàn)爐溫降低，爐膛壓力升高的異?，F(xiàn)象。蓄熱室堵塞后爐子出現(xiàn)如下特征:①煤氣流量偏低，而且爐子兩側(cè)的煤氣流量有差別，這是兩側(cè)的蓄熱體堵塞程度不同而導(dǎo)致的;②爐壓高，即使排煙調(diào)節(jié)閥全開，保溫期的爐膛壓力仍然很高;③蓄熱室溫度和排煙溫度偏低。相比而言，空氣蓄熱室的堵塞程度沒有煤氣蓄熱室嚴(yán)重，粉塵顆粒主要積聚在煤氣蓄熱室底部的部分蓄熱小球表面。

(3)爐膛上下存在溫差

在忽略阻力和施工影響的情況下，爐膛上下的供氣量基本相等，就是說上加熱和下加熱的供熱比是1:1。基于熱氣體的上升特性，加上水冷梁的吸熱，下爐膛的溫度就會(huì)低于上爐膛，這會(huì)影響鋼坯加熱質(zhì)量。實(shí)際生產(chǎn)中爐膛下部要比上部低50～100℃，軋制節(jié)奏越快，鋼坯加熱時(shí)間越短，這種溫差就越大。

(4)燃燒氛圍對加熱某些鋼種生成的氧化層的不利影響

由于蓄熱式加熱爐中燃燒的氣體需要換向，這樣就會(huì)形成氧化—還原交替變化的特殊加熱氛圍，這種加熱環(huán)境對于某些鋼種的氧化層的形成有不利的影響(如含Cr、Mo的鋼種)，所形成的氧化層難于除干凈，使熱軋產(chǎn)品的表面質(zhì)量受到很大影響。

(5)存在安全隱患

加熱爐使用過程中由于密封不好或爐體存在裂縫以及操作不當(dāng)可能造成煤氣燃料的泄露，威脅工作人員的人身安全;由于煙氣排放溫度較低(150℃)，所以煙氣的露點(diǎn)腐蝕也可能造成生產(chǎn)事故［9］。

4 結(jié)論

(1)蓄熱式加熱爐中煤氣燒嘴布置在鋼坯附近，空氣燒嘴遠(yuǎn)離鋼坯表面?；鹧鎰倓傠x開燒嘴時(shí)，鋼坯處于還原性加熱氣氛，之后燃料和空氣充分燃燒，鋼坯處于氧化的加熱氣氛。因此，鋼坯在蓄熱式加熱爐中處于氧化－還原的交替加熱狀態(tài)，鋼坯的氧化層生長處于“生長－分解－生長”的間斷式方式;

(2)蓄熱式加熱爐采用全新的燃燒技術(shù)，大幅度降低了燃料消耗，燃料利用率提高30%;蓄熱式燃燒擴(kuò)展了火焰燃燒區(qū)域，火焰的邊界幾乎擴(kuò)展到爐膛的邊界，使得爐膛內(nèi)溫度分布均勻，提高了鋼坯加熱質(zhì)量。但蓄熱式加熱爐也存在爐膛壓力不穩(wěn)、爐膛上下存在溫差、某些鋼種氧化層難以去除等缺陷。

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