新型蓄热式燃烧技术及原理在南钢中板厂的应用

新型蓄热式燃烧技术及原理在南钢中板厂的应用本文介绍了新型蓄热式燃烧技术及原理，及其在南钢中板厂的应用情况，对新型蓄热式加热炉的应用和技术优势及应注意的问题进行分析。1蓄热式燃烧技术发展蓄热式燃烧技术是一项传统技术，早在十九世纪中期就开始应用于高炉、热风炉、焦炉等规模大且温度高的炉子，但传统的蓄热室采用格子砖为蓄热体，传热效率低，蓄热室体积庞大，换向周期长，限制了它在其它工业炉上的应用。1982年，英国HotWorkDevelopment公司和BritishGas研究院合作，成功开发第一座使用陶瓷小球作为蓄热体的新型蓄热式加热炉，节能效果显著。新型蓄热室采用陶瓷小球或陶瓷蜂窝体作为蓄热体，其比表面积高达200～1000m2/m3，比传统的格子砖高几十至几百倍，因此，极大地提高传热效率，使蓄热室的体积可以大为缩小。另外，由于换向装置和控制技术的提高，使得换向周期大为缩短，传统蓄热室的换向周期一般为30分钟至数小时，而新型蓄热室的换向周期仅为0.5～3分钟。新型蓄热室传热效率高和换向周期短，带来的效果是排烟温度低（200℃以下），被预热节制的预热温度高（约为炉温的80～90%）,因此，废气余热得到接近极限的回收，蓄热室的温度效率可达85%以上，热回收效率达80%以上。二十世纪九十年代以来，国际上在蓄热式燃烧技术的研究或应用方面取得很大进展，并把节能和环保结合起来，提升为“高温空气燃烧技术”（HTAC）[1]。2新型蓄热式燃烧技术原理蓄热式高温空气燃烧技术原理如图1所示。图1蓄热式HTAC技术原理示意图1新型蓄热式燃烧呈对布置(A、B状态)，从鼓风机出来的常温空气由换向阀切换进蓄热式燃烧器B后，再经过蓄热式燃烧器B（陶瓷小球或蜂窝体）时被加热，在极短时间内常温空气被加热到接近炉膛温度（一般为炉膛温度的80－90％），被加热的高温热空气进入炉膛后，卷吸周围炉内的烟气形成一股含氧量大大低于21％的稀薄贫氧高温气流，同时往稀薄高温空气附近注入燃料，燃料在贫氧状态下实现燃烧；与此同时，炉膛内燃烧后的热烟气经过另一个蓄热式燃烧器A排入大气，炉膛内高温热烟气通过蓄热式燃烧器A时将显热储存在蓄热式燃烧器A内的蓄热体，然后以低于150℃的低温烟气经过换向阀排出。工作温度不高的换向阀以一定频率进行切换，使得两个蓄热式燃烧器处于蓄热与放热状态交替工作，从而达到节能和降低NOX排放量等目的。常用换向周期30－180s。3蓄热体性能比较陶瓷小球一般采用φ15～φ25mm小球，材质要求稍低；蜂窝体壁薄、孔距小，能在较短时间积蓄和释放热量，但对材质要求高，要求材质抗高温蠕变性能稳定。需要指出，采用小球蓄热，热空气温度将比炉温低150～200℃，而蜂窝体蓄热，热空气温度接近炉温。用φ20mm球体与100孔蜂窝体相比较，传热面积相差7倍，传热能力相差5倍，压力损失大三倍。4应用案例南钢中板厂采用蓄热式燃烧技术对1＃加热炉大修改造，由北京神雾热能技术有限公司总承包。2001年11月3日开工，至2002年1月20日投产，采用蜂窝体为蓄热体的蓄热式烧嘴加热炉技术，加热炉长30m，宽4.64m，钢坯规格(150～220)×(800～1200)×(1300～2050)(mm3)，加热能力75t/h，加热钢温1180－1230℃，空气预热温度达1100℃（仪表记录显示），燃料为高、焦炉混合煤气，热值为（8000—9196）kJ/Nm3，改造前的吨钢能耗为2.1GJ/t以上。改造后经济效益分析如下。（1）中板厂改造前1#加热炉单耗2.1GJ/t材（其中煤气1.85GJ/t材，重油7kg/t材×0.04GJ/kg=0.28GJ/t材）,成本:1.82GJ/t材×11.52元/GJ+7kg/t材×1.265元/kg=29.821元/t材；改造后成本:1.68GJ/t材×11.52元/GJ=19.35元/t材；按年加热能力30万吨计：年节能效益:30×(29.821-19.35)=314.1万元（2）降低氧化烧损效益：改造后可降低氧化烧损0.3%，效益:30×0.3%×(1610-200)=126.9万元；（3）1#加热炉技改后小时产量提高15t/h，年增产3万吨，每吨效益200元计，年增产效益：3×200=600万元。效益合计：314.1+126.9+600=1041万元。（4）改造后烟气中有害成份NOx的排放浓度小于100´10-6，环保效益显著。5新型蓄热式加热炉的技术优势（1）节能潜力巨大，节能15－30％，同时大大缓解了大气的温室气体排放，CO2的排放量降低约30％。（2）蓄热式燃烧是一种先进的弥漫式燃烧方式，扩展火焰燃烧区域，火焰的边界几乎扩展到炉膛的边界，从而使得炉膛内温度分布均匀，不易形成局部高温，一方面提高了加热质量，另一方面延长了炉膛寿命。（3）炉膛的平均温度增加，加强了炉内传热，在相同产量情况下，加热炉的尺寸可以缩小10－20％，对于相同尺寸的加热炉，蓄热式加热炉的产量可以提高10－15％，解决了旧炉改造的问题，提高了产量和旧炉子的装备水平。（4）由于火焰不是在烧嘴产生的，而是在炉膛空间内才开始燃烧，因而燃烧噪声低。（5）采用传统的节能燃烧技术，助燃空气预热温度越高，烟气中的NOx含量越大；而采用蓄热式高温空气燃烧技术，在助燃空气预热温度高达1000℃情况下，由于燃料在贫氧（2－20％）状态下燃烧，炉内NOx生成量反而大大减少，NOx排放量可达50－150ppm，达到国家一级排放标准以上。（6）炉膛内为贫氧燃烧，使得加热炉加热的钢坯氧化烧损大为减少，钢坯氧化烧损约降低0.3％。6新型蓄热式加热炉应注意的问题（1）由于蓄热式燃烧方式使得加热炉的炉压较难控制，必须通过炉型的优化及控制系统的升级解决炉压控制问题（2）排烟温度较低（低于150℃），必须注意烟气的露点腐蚀问题。（3）采用大四通换向阀集中换向，造成燃烧间断时间较长；同时，使得加热炉两侧不对称布置，造成两侧燃烧间断时间不同，影响加热炉控制水平。（4）换向过程为自动控制，编制控制程序时应避免向炉内单独供应燃料或空气的情况发生，防止爆炸或氧气浓度过大。