李志軍， 王 俊， 馬 標(biāo)， 楊萬軍

(南京凈環(huán)熱冶金工程有限公司， 江蘇 南京 210016)

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新型蓄熱燃燒裝置的形式與設(shè)計(jì)

李志軍， 王 俊， 馬 標(biāo)， 楊萬軍

(南京凈環(huán)熱冶金工程有限公司， 江蘇 南京 210016)

新型蓄熱燃燒裝置是實(shí)現(xiàn)高溫空氣燃燒技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備。介紹了蓄熱式燃燒的優(yōu)點(diǎn)，蓄熱燃燒裝置的選用原則、主要形式及參數(shù)設(shè)計(jì)方法。

燃燒裝置； 蓄熱式； 設(shè)計(jì)； 選型規(guī)律

引 言

新型蓄熱燃燒裝置是實(shí)現(xiàn)高溫空氣燃燒技術(shù)(High Temperature Air Combustion ，簡稱HTAC)的關(guān)鍵設(shè)備。說得更準(zhǔn)確一點(diǎn)，高溫空氣燃燒技術(shù)應(yīng)該叫高溫低氧燃燒技術(shù)，它包含高溫空氣助燃和低氧空氣燃燒兩方面的含義。這是燃燒技術(shù)的—項(xiàng)再創(chuàng)新成果，為降低能源消耗，減少溫室氣體(CO2)和有毒氣體(NOx)的排放，提供了一個有效手段。

高溫低氧燃燒技術(shù)包含兩方面的特點(diǎn)，其一是余熱回收率高，可以節(jié)約燃料同時(shí)減少CO2排放；其二是低氧燃燒，可以大幅度減少NOx的排放濃度。此項(xiàng)技術(shù)的核心則是新型蓄熱設(shè)備的采用。

作為節(jié)能與減少NOx排放的創(chuàng)新技術(shù)――環(huán)境友好型蓄熱燃燒技術(shù)，己經(jīng)在中國得到普遍應(yīng)用，并取得了重大成果。但是，通過這幾年的實(shí)踐表明，這一技術(shù)在應(yīng)用中有一定的限制條件，而且在爐型結(jié)構(gòu)、燃燒系統(tǒng)和燃燒裝置、換向設(shè)備、自動化控制精度等方面還有不少問題，有待進(jìn)一步完善。

1 蓄熱式燃燒裝置的選用原則

高爐煤氣加熱爐采用蓄熱燃燒技術(shù)，能夠最充分發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，因此凡是有高爐煤氣富余的企業(yè)，無論新建或改建，都應(yīng)優(yōu)先選用高爐煤氣蓄熱式加熱爐，且應(yīng)設(shè)置雙煙囪。

當(dāng)氣體燃料低熱值在≤1600×4.186 kJ/m3時(shí)，空氣蓄熱所占的煙氣量約為60%～40%，煤氣蓄熱所占的煙氣量約為40%～60%，全部煙氣幾乎能完全回收利用。當(dāng)決定采用蓄熱燃燒方式，而且煤氣質(zhì)量許可的條件下，可以選用雙蓄熱系統(tǒng)。單蓄熱時(shí)應(yīng)設(shè)副煙道和輔助排煙煙囪。

選擇蓄熱燃燒裝置的形式時(shí)，除要考慮燃料種類和發(fā)熱值外，還要統(tǒng)籌考慮爐子結(jié)構(gòu)是否適應(yīng)，加熱質(zhì)量是否能滿足要求，經(jīng)濟(jì)上是否合理，安全操作是否有保證等因素，必要時(shí)做出方案比較。

2 蓄熱燃燒裝置的主要形式

2.1 內(nèi)置通道式蓄熱燃燒裝置

將蓄熱室和空氣、煤氣及煙氣通道都設(shè)置在爐墻內(nèi)，每個控制段分別設(shè)置若干個空氣蓄熱室和煤氣蓄熱室，相應(yīng)地分別設(shè)置一套空氣五通換向閥和一套煤氣五通換向閥，經(jīng)空氣換向閥排出的煙氣和經(jīng)煤氣換向閥排出的煙氣由各自的引風(fēng)機(jī)抽出。蓄熱式空、煤氣雙預(yù)熱的推鋼式加熱爐簡圖如圖1所示。

圖1 內(nèi)置通道式雙蓄熱推鋼式加熱爐示意圖

這是中國早期的蓄熱燃燒系統(tǒng)，適用于低熱值氣體燃料(高爐煤氣)的雙蓄熱系統(tǒng)，爐墻上設(shè)置空氣和煤氣噴口，有的一排布置，空氣和煤氣噴口相間；有的兩排布置，上加熱段空氣噴口在上，煤氣噴口在下，下加熱段則相反。采用集中換向，燃燒控制簡單，且上、下熱負(fù)荷無法調(diào)節(jié)，相鄰噴口的熱負(fù)荷也無法調(diào)節(jié)，因此控制水平低；爐墻內(nèi)置球體蓄熱室和煤氣、助燃空氣通道，爐墻厚達(dá)1 m，內(nèi)模結(jié)構(gòu)復(fù)雜，澆注施工難度大，維修工作量大；換向時(shí)有一定量的煤氣和空氣直接進(jìn)入煙氣中，加之爐墻出現(xiàn)裂紋時(shí)會造成空、煤氣互竄，因此有一定安全隱患。但燃燒系統(tǒng)比較簡單，可用于加熱溫度控制精度要求不高、爐膛寬度較小的加熱爐和熱處理爐。

蓄熱小球的直徑一般為Φ12～20 mm，蓄熱室內(nèi)氣流的空塔速度為1～2 m/s，蓄熱室內(nèi)蓄熱球高度約0.7 m，蓄熱室的設(shè)計(jì)要考慮裝、卸球的方便。氣流的噴出速度根據(jù)爐膛寬度、煤氣壓力、鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的壓頭以及噴出流股大小等因素，一般在10～40 m/s范圍內(nèi)選擇。

2.2 燒嘴式雙蓄熱燃燒裝置

燒嘴式蓄熱燃燒裝置是目前國內(nèi)軋鋼蓄熱式加熱爐上比較普遍采用的形式，適用于低熱值氣體燃料(高爐煤氣及低熱值混合煤氣)雙蓄熱系統(tǒng)。蜂窩蓄熱體做成燒嘴的形式直接插入爐墻一定深度，通過噴口將空氣或煤氣噴入爐內(nèi)混合燃燒。噴口的結(jié)構(gòu)也有兩種，一種是空氣和煤氣噴口水平布置成一排，空氣和煤氣噴口相間，空氣和煤氣噴口都設(shè)計(jì)成“V”字形成兩路噴出，同相鄰的煤氣或空氣流股混合燃燒；另一種是空氣和煤氣噴口水平布置成兩排，空氣和煤氣噴口相向，空、煤氣在爐內(nèi)相交混合燃燒，上加熱段的空氣噴口在上，煤氣噴口在下，下加熱段則相反，如圖2所示。

圖2 燒嘴式雙蓄熱燃燒裝置示意圖

圖3 燒嘴式單蓄熱燃燒裝置示意圖

燒嘴式蓄熱燃燒裝置可以采用全分散換向或分組換向，也可以采用分段集中換向或分側(cè)集中換向。由于燒嘴布置等方面的原因，蓄熱體宜采用體積緊湊的蜂窩體。目前普遍使用的蜂窩體形式有正方型和六邊形兩種格孔，格孔尺寸的大小要考慮燃料的潔凈情況、蜂窩體的使用壽命和放置部位等因素，一般取邊長3～8 mm，壁厚0.5～1.5 mm。蜂窩體的流路長度為400～800 mm。為延長換向周期，目前設(shè)計(jì)中有增加流路長度和加大格孔尺寸的趨勢。格孔內(nèi)氣流的速度一般選取1～3 m/s。氣流的噴出速度根據(jù)爐膛寬度、煤氣壓力、鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的壓頭，以及噴出流股大小和燃料熱值等因素做選擇，一般在40～80 m/s范圍內(nèi)取值。

2.3 燒嘴式空氣單蓄熱燃燒裝置

燒嘴式空氣單蓄熱燃燒裝置適用于較高熱值氣體燃料(如焦?fàn)t煤氣、較高熱值的混合煤氣、天然氣)的單蓄熱系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)上，有的將煤氣管設(shè)置在空氣蓄熱室中心，有的設(shè)置在兩側(cè)，也有的設(shè)置在下方。煤氣要與空氣同步換向，一般都采用全分散換向系統(tǒng)，煤氣換向用快切閥或三通閥。圖3為使用混合煤氣的單蓄熱燒嘴，煤氣管設(shè)置在空氣蓄熱室中心。

2.4 日本HRS型單蓄熱燃燒裝置

HRS型單蓄熱燒嘴的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其特點(diǎn)如下：

1)采用陶瓷蜂窩體，結(jié)構(gòu)緊湊。

2)空氣從燒嘴中心區(qū)直接以高速噴出，能促進(jìn)爐內(nèi)氣流循環(huán)。

3)一次煤氣噴口不放在燒嘴磚通道內(nèi)，而是縮在燒嘴磚的后面，有效地防止了蓄熱期流入的高溫?zé)煔鈱娍诘难趸饔没蚪Y(jié)焦。

4)一次煤氣(F1)沿?zé)齑u通道的內(nèi)表面噴出，二次煤氣(F2) 是在燒嘴通道的端面直接噴向爐內(nèi)。調(diào)節(jié)F1和F2的比例可以使火焰的形態(tài)與爐子的內(nèi)形相適應(yīng)。Fl方式主要用于冷爐升溫(爐溫800 ℃以下)，正常情況下(爐溫800 ℃以上)就切換成F2方式。

5) HRS型燒嘴使用時(shí)，高速、高溫的熱空氣是被煙氣稀釋后參與燃燒的，爐內(nèi)溫度很均勻，不僅抑制了NOx的生成，熱軋加熱爐上使用時(shí)還減少了軋件的氧化燒損，提高了鋼材的產(chǎn)品質(zhì)量。用于間接加熱的裝輻射管的熱處理爐上能延長管體的使用壽命。

燃燒能力: (100000～4300000)×4.18 kJ/h(0.116～5.0 MW)；

燃料種類: 高熱值煤氣，液化天然氣，混合煤氣等；

配套設(shè)備: 獨(dú)立閥或四方閥(CEM)；

結(jié)構(gòu)特點(diǎn):燃料分兩次供入，NOx濃度低；緊湊的一體化結(jié)構(gòu)。

HRS型燒嘴的改進(jìn)型：

如圖5所示是一種新研制的HRS系列的明火型燒嘴，比以前的結(jié)構(gòu)更緊湊，其特點(diǎn)是不再把燃料分兩處通入，陶瓷蓄熱體裝在圓筒形的盒內(nèi)而省去了原先的蓄熱室。還新開發(fā)了三通切換閥，和燒嘴裝在一起，從而使煙氣和空氣切換時(shí)的時(shí)滯最小，燃料不需要中斷供應(yīng)，同時(shí)提高了爐內(nèi)含氧量的控制特性。目前改進(jìn)型燒嘴能力在1 MW(860000×4.18 kJ/h)以下的已經(jīng)系列化生產(chǎn)。

圖4 HRS型單蓄熱燒嘴示意圖

燃料種類：煤氣；

配套設(shè)備：火焰監(jiān)視，預(yù)混式點(diǎn)火燒嘴，蜂窩狀蓄熱體，三通閥等；

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：緊湊的一體化結(jié)構(gòu)；燃料和空氣分別一次供入并直噴爐內(nèi)，NOx濃度極低；空氣換向用三通閥。

2.5 美國Bloom 公司低NOx單蓄熱燃燒裝置

美國Bloom 公司低NOx單蓄熱燃燒裝置的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

其特點(diǎn)如下：

1)低NOx生成量；

2)噴口處有導(dǎo)向磚，既可給空氣和煤氣流股導(dǎo)向，又可防止?fàn)t內(nèi)高溫輻射造成蓄熱體損壞；

3)燒嘴與蓄熱器為緊湊式結(jié)構(gòu)，煤氣與空氣混合燃燒好，可以按需要設(shè)計(jì)火焰形狀和尺寸；

4)采用球狀蓄熱體，較之蜂窩體有較長的使用壽命；

5)當(dāng)改變?nèi)剂戏N類或熱值時(shí)，改造工作量較?。?/p>

6)裝球、卸球方便。

Bloom燒嘴系列：

型式：按照NOx排放濃度不同，分為1080型、1100型、1150型三種系列(表1為Bloom公司1150型低NOx燒嘴系列)；

燃料種類：天然氣、焦?fàn)t煤氣、液化石油氣、6#燃料油；

燃燒能力：(48.8～8840)×103×4.18 kJ/h；

附件：紫外線火焰監(jiān)視，直接電點(diǎn)火；

配件設(shè)備：PLC。

圖5 HRS改進(jìn)型單蓄熱燒嘴示意圖

圖6 Bloom 1150型低NOx蓄熱式燃燒器

規(guī)格號額定燃燒能力/(103Kcal·h-1)燒嘴磚外徑/mm預(yù)計(jì)火焰長度/m預(yù)計(jì)火焰直徑/m0204562671.10.50357983431.50.605011404062.10.6～0.807517105082.70.810022805723.40.915034216994.3～4.61.120045618135.2～5.51.425057029025.8～6.11.530068429916.4～6.71.7350798210677.0～7.31.8

注：1) 表中火焰尺寸是當(dāng)α=1.1，燒嘴前空氣壓力為300 mm H2O時(shí)的預(yù)計(jì)值；2) 火焰形狀和尺寸可以按需要設(shè)計(jì)。

3 蓄熱室參數(shù)

3.1 空塔流速

一般按空塔速度0.8～1.6 m/s設(shè)計(jì)，由蓄熱室斷面形狀條件和設(shè)計(jì)者確定的結(jié)構(gòu)確定。

3.2 氣流行程

氣流行程一般為500～800 mm，長行程換熱效果好、換向時(shí)間長，但阻力損失大。

3.3 氣流阻力

目前尚無統(tǒng)一公認(rèn)的公式。

一般情況下(對于蜂窩體，孔徑Φ4～9 mm，壁厚0.8～1.5 mm；對于蓄熱球直徑為Φ10～20 mm)，氣流行程500～800 mm，內(nèi)阻力損失一般按1000 Pa計(jì)。

3.4 噴口氣體速度

蓄熱室噴口氣體速度可按低壓氣流噴出公式進(jìn)行計(jì)算

式中W為氣體噴出速度(m/s);φ為流速系數(shù)，一般為0.7～0.9之間;ΔP為氣體噴出前后的壓力差(Pa);r為噴出氣體的重度(kg/m3)。

4 結(jié)束語

隨著蓄熱式燃燒技術(shù)的不斷發(fā)展，蓄熱燃燒裝置型式越來越多，但國內(nèi)蓄熱式燃燒裝置多為非標(biāo)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品開發(fā)深度不夠，大多未獲得有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，如何將蓄熱式燃燒裝置標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品化是未來蓄熱燃燒裝置發(fā)展的主題。

[1] 蔣次強(qiáng)，張永全，張樹強(qiáng)，等. 蓄熱式燒嘴在加熱爐上的應(yīng)用與改進(jìn)[J]. 軋鋼，2010(4)：71—72.

[2] 陳珠云，孫玉平，馬林，等. FZ-空氣單蓄熱燒嘴在熱處理爐上的應(yīng)用[J]. 工業(yè)爐，2015(5)：16—18.

2016-06-18

李志軍(1980—)，男，工程師。E-mail:shupashupa@163.com

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