高效蓄热式燃烧技术的研究与应用
2014-08-09 12:49 来源：钢联资讯 作者：陈迪安
1.1 蓄热式燃烧技术的发展
加热炉传统的余热回收方式是空气预热或空煤气双预热方式，主要是通过延长烟气在炉内停留时间、降低排烟温度，预热空气或空煤气双预热回收烟气余热来达到节能的目的。这种供热方式的排烟温度在300-500℃之间，视炉长、空气预热温度以及煤气是否预热而效果不同。随着蓄热烧嘴、换向装置以及控制技术的发展，首钢国际工程公司从20世纪90年代开始逐步将该项技术推广应用到棒线材轧钢加热炉、大型板坯加热炉等炉窑上，取得了良好的应用效果。
1.2 蓄热技术原理和系统组成
1.2.1 蓄热式燃烧技术原理
蓄热式燃烧技术(又称“高温空气燃烧技术”，简称HTAC)是日本学者田中良一等人于20世纪80年代末提出的一种全新概念燃烧技术，它把回收烟气余热与高效燃烧及降低NOx排放等技术有机地结合起来，从而实现极限节能和极限降低NOx排放量的双重目的。
蓄热燃烧技术基本原理如图1所示。从鼓风机出来的常温空气由换向阀切换进入蓄热式燃烧器A后，经过蓄热式燃烧器A（陶瓷球或蜂窝体等）时被加热，在极短时间内常温空气被加热到接近炉内温度（一般比炉温低50-100°C）；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（2%-20%）状态下实现燃烧；同时，炉膛内燃烧后的热烟气经另一蓄热式燃烧器B排入大气，炉膛内高温热烟气通过蓄热式燃烧器B时，将显热储存在蓄热式燃烧器B内，然后以低于150°C的低温烟气经换向阀排出。工作温度不高的换向阀以一定的频率进行切换，使两个蓄热式燃烧器处于蓄热与放热交替工作状态，从而达到节能和降低NOx排放量等目的，常用的切换周期为30-90s。蓄热式燃烧技术可广泛应用于冶金、石化、机械、建材、锅炉等行业的热工设备上。
图1 蓄热燃烧技术的工作原理
蓄热燃烧技术的主要特征是：
1）采用蓄热式燃烧技术，交替切换空气与烟气或煤气与烟气，使之流经蓄热体，能够最大限度地回收高温烟气的物理热，从而达到大幅度节约能源（一般节能10%-30%），提高热工设备热效率，同时减少对大气的温室气体排放（CO2减少10%-70%）；
2）通过组织贫氧燃烧，扩展了火焰燃烧区域，火焰边界几乎扩展到炉膛边界，使得炉内温度分布均匀；
3）通过组织贫氧燃烧，大大降低了烟气中NOx的排放（NOx排入减少40%以上）；
4）炉内传热效率提高，加强了炉内传热，导致相同尺寸的热工设备产量提高10%以上；
5）低热值燃料（如高炉煤气、发生炉煤气、转炉煤气等）借助高温蓄热的空气或高温蓄热的燃气可获得较高的炉温，扩展了低热值燃料的应用范围。
1.2.2 蓄热式燃烧系统组成
目前的蓄热式燃烧技术主要采用外挂蓄热烧嘴和独立换向控制技术，由蓄热烧嘴和换向系统组成，其中蓄热烧嘴主要包括：蓄热箱体、蓄热体、烧嘴砖；换向装置由换向阀和控制系统组成。
蓄热式燃烧系统关键是蓄热体、烧嘴砖和换向阀的设计、选型和性能以及换向控制策略，这是加热炉能否可靠、安全运行的关键，是减少加热炉的故障和维护的关键，也是工程技术人员研究的关键。
2 高效蓄热式燃烧技术开发和应用情况
高效蓄热式燃烧技术是首钢国际工程公司精心打造的一项工业炉品牌技术，早在20世纪90年代就着手开发研究蓄热式燃烧技术，对该项技术的原理、关键设备的功能性进行了系统研究，形成系列化产品，目前已将空气单蓄热技术、空气蓄热+煤气预热组合式技术、空煤气双蓄热技术运用到液态出渣高温硅钢加热炉、大型板坯加热炉和方坯加热炉上。拥有多项发明专利、实用新型专利和科研成果。
2.1空气单蓄热和煤气预热组合式燃烧技术的应用和实践
首钢迁钢1580mm、首钢京唐1580mm及2250mm热轧大型板坯加热炉采用了8360-9614KJ/Nm3混合煤气为燃料，如单纯采用空气单蓄热燃烧方式，仅对60%-70%的烟气进行了蓄热，其余30%-40%烟气随着炉尾副烟道排到大气；如采用空煤气双蓄热燃烧技术，一是投资性价比不合适，二是很难适应特殊钢入炉缓慢加热的要求。首钢国际工程公司开发了空气单蓄热+煤气预热组合式燃烧技术，将助燃空气蓄热到1000℃以上、煤气采用金属预热器预热到300℃，使蓄热系统富裕的30%-40%烟气经煤气预热器后排烟温度降到330℃以下排到大气，整个加热炉综合排烟温度在220℃。空气单蓄热+煤气预热组合式燃烧技术特点如下：
1）大型蓄热式板坯加热炉以8360-9614KJ/Nm3高炉、焦炉和转炉混合煤气为燃料，采用空气蓄热1000℃以上和煤气预热300℃组合式燃烧技术，在满足特殊钢低温入炉缓慢加热工艺要求的同时，使燃烧系统的复杂性、工程投资合理性、烟气余热回收率以及操作维护量之间科学匹配，燃料节约率达14.7%；
2）采用多流股宽火焰超低NOx蓄热烧嘴，缩短大功率蓄热烧嘴燃烧时间，拓宽火焰宽度，均化炉宽方向炉气温度均匀性，解决目前板坯蓄热加热炉普遍存在出炉坯料中间温度高、头尾温度低问题，同时排到大气中烟气NOx由200mg/Nm3降到89.4mg/Nm3，远低于国家环保标准规定的150mg/N m3；
3）在各个供热段蓄热排烟管道上设置流量孔板和调节阀，进行各个蓄热燃烧段排烟量自动“抽吸比”控制，各个蓄热排烟段的排烟量实现过程量化控制，解决蓄热式燃烧技术一直固有的三个问题：①炉压偏高，控制不稳定，炉体门洞冒火现象比较严重；②排烟温度偏高或偏低，排烟温度不均匀；③蓄热排烟系统自动化投入不进去，处于远距离手控状态；
4）蓄热烧嘴采取全分散换向技术，而且各个供热段内采取时序错开分散换向技术，避免在换向过程中整个炉压波动以及各个供热段内炉压波动；
5）采用“时序间拔”燃烧控制技术，解决了大功率蓄热烧嘴在低负荷工作时火焰刚性差的问题以及烧嘴在传统“固定间拔”模式下工作时，炉长方向温度梯度大的问题；
6）多流股宽火焰超低NOx蓄热烧嘴，二次煤气喷嘴冷却风和中心风技术，提高蓄热烧嘴煤气喷口使用寿命同时，保证低负荷时烧嘴火焰刚性；
7）采用全自动点火系统，实现烘炉、点火“一键式”操作。
迁钢1580mm、京唐1580mm及2250mm热轧加热炉采用蓄热式燃烧技术，都取得了很好的效果。特别是迁钢1580mm热轧高温硅钢加热炉，开发应用此项技术，获得多项国家发明和实用新型专利（专利号：ZL 2010 1 0163542.2），京唐2250mm热轧、迁钢1580mm热轧分别获得2010年、2011年度全国冶金行业优秀工程设计一等奖，其运行指标达到国际先进水平。
2.2空气、煤气双蓄热燃烧技术的应用和实践
首钢国际工程公司自主开发的新型高温低氧、超低NOx双蓄热燃烧技术应用在以高炉煤气为燃料的加热炉上，取得了良好的效果，其技术特点在于：
1）新型超低NOx蓄热烧嘴
开发应用采用多流股、高温低氧、超低NOx空煤气上下组合式双蓄热烧嘴（专利号：ZL 2011 2 0414112.3）,烧嘴的空气喷口和煤气喷口为上下组合，烧嘴安装在炉膛上部时，空气喷口在上，煤气喷口在下，空煤气流上下斜交混合；烧嘴安装在炉膛下部时则相反。坯料在加热过程中，煤气流始终紧贴坯料，在坯料表面形成还原性保护气氛，有效抑制坯料在加热过程中氧化铁皮的产生。
组合式烧嘴的空煤气喷口是多孔结构，燃烧过程中高速喷进炉膛的多流股的空气流和煤气流，能够卷吸更多的烟气进入燃烧区域，稀释燃烧区域氧浓度，火焰更加弥散，更为有效抑制燃烧过程中产生的NOx产生，更有利于对钢坯进行均匀辐射传热。
烧嘴在后端盖设装卸蓄热体的检修门，蓄热体更换方便。组合式烧嘴结构紧凑，在炉子上布置方便。
该专利烧嘴用在轧钢加热炉上，可以显著减少钢坯的氧化烧损，大大减轻炉子清渣工作量，也可以减少脱碳，提高钢坯加热质量。
2）新型换向装置
采用新型三通阀实现空气、煤气系统分散换向，由于分散换向换向阀靠近烧嘴，换向阀与烧嘴之间的连接管道短而小，因此换向时炉内间断燃烧时间短，严格讲分散换向系统可以做到每一时刻只有一对烧嘴在换向，所以换向对炉温和炉压的影响降到最低。
新型三通阀具有两套阀瓣及其驱动系统，换向动作时，煤气侧阀瓣和烟气侧阀瓣可以单独、依次动作，总能做到“先关后开”，杜绝了煤气与废气串通的可能性，不但节约煤气，而且极大地保障系统安全性。
首钢国际工程公司针对不同的口径以及接口方向，开发了系列专利产品并应用到工程实践中，取得良好应用效果，获得多项国家专利。
3）蓄热式燃烧技术和脉冲、间拔等控制技术结合在蓄热式炉上应用情况
采用一组换向阀控制一个柱距内的上下2套烧嘴，这样理论上每一个柱距就能组成一个独立的控制段，并且可以单独自由启闭，提供更为灵活的供热负荷控制手段。在加热炉低温段采用“间拔”燃烧控制技术，在加热炉低产时从炉尾到炉头依次切断蓄热烧嘴，延长加热炉预热段长度，降低排烟温度，实现特殊钢入炉缓慢加热；在加热炉高温段采用“脉冲”燃烧控制技术，蓄热烧嘴始终以100％的能力工作，蓄热烧嘴火焰特性最佳，炉宽方向温度场最为均匀，有利于提高坯料加热质量，缩短坯料在炉时间，有效避免特种钢坯料因在高温段停留时间过长，导致氧化和脱碳严重现象，提高最终产品质量和成才率，与此同时蓄热烧嘴通断是交错进行的，以避免空气、煤气主管以及炉膛压力的突然变化，影响系统平稳运行。
首钢国际工程公司开发的新型空煤气双蓄热燃烧技术已经在长治钢铁公司180t/h步进梁式加热炉、120t/h步进梁式加热炉、江苏中天钢铁公司140t/h精品棒材加热炉等多台加热炉中应用。生产实践表明，加热吨钢能耗在1.07GJ/t，坯料出炉温度温差﹤20℃，在取得良好经济效益的同时，NOx、CO2、SO2等燃烧污染物的排放量大大减少，特别是NOx含量，经检测烟气成分中NOX含量为75.2mg/Nm3,远低于国家环保规范150mg/m3的标准。
3高效蓄热式燃烧技术推广应用的优势和前景
首钢国际工程公司通过多年研究开发、推广和应用蓄热式燃烧技术，实践证明应用该项技术在节能环保方面有以下独特优势：
1）坯料出炉温度更均匀
蓄热燃烧技术机理在于蓄热烧嘴成对布置，通过交替燃烧，烟气沿炉宽方向交替流动，提高炉宽方向烟气紊流度，缩小炉墙内壁和炉中心的烟气温度差，炉宽方向温度场更加均匀，因此坯料出炉温度更为均匀，这有利于轧制稳定性和成品精度的控制。如表1所示，常规炉和蓄热炉加热坯料出炉温度均匀性比较。
表1 常规燃烧技术和蓄热燃烧技术加热坯料出炉温度均匀性对比
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项 目
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常规燃烧技术
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蓄热燃烧技术
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坯料全长温差
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≤30℃
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≤20℃
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坯料断面温差
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≤30℃
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≤20℃
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2）燃耗降低
采用蓄热燃烧技术之所以节能，是由于其燃烧机理实现烟气的余热极限回收，如表2所示，从对蓄热燃烧技术和常规燃烧技术进行的对比不难看出：蓄热式燃烧技术是一项节能减排与环境友好发展的绿色环保技术。
表2 常规燃烧技术和蓄热燃烧技术对比
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项 目
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常规燃烧技术
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蓄热燃烧技术
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燃烧机理
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中温、富氧（相对蓄热炉）
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高温、低氧
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火焰特性
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有焰燃烧
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弥散无焰燃烧
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火焰高温区
（相对炉膛温度）
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高200-300℃
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高50-100℃
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空气或空煤气预热温度
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≦500℃
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≧1000℃
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排烟温度
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300-500℃
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≤150℃
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燃料节约率
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基准
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10%-20%（相对常规燃烧技术）
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3）坯料在炉内加热过程中氧化烧损率降低
蓄热式燃烧技术其燃烧机理就是弥散、低氧燃烧，没有明显的火焰高温区，同时，蓄热式燃烧技术能够实现，坯料在加热过程中烧嘴喷出煤气流始终紧贴坯料表面，在坯料表面形成还原性保护气氛，有效抑制坯料在加热过程中氧化铁皮的产生。经检测采用蓄热式燃烧技术，坯料在炉内加热过程中氧化烧损率相对常规燃烧技术降低0.1%-0.2%。
4）烟气中NOx的浓度降低
研究表明，冶金加热炉燃烧过程NOx的生成机理主要是热力型NOx生成机制，燃料在燃烧过程中NOx的产生取决于燃烧区域O2浓度和火焰温度，燃烧区域O2浓度和火焰温度越高，NOx产生的越多，烟气中NOx浓度越高，而蓄热式燃烧技术其燃烧机理就是弥散、低氧燃烧，没有明显的火焰高温区，可有效抑制燃烧过程中NOx的产生，经检测采用蓄热式技术燃烧烟气中NOx的含量在70-100mg/ Nm3，远低于常规燃烧烟气中NOx 100-200mg/ Nm3的含量，更符合国家环保规范规定NOx≦150mg/ Nm3的要求。
5）项目的技术和经济指标更优
工业炉窑采用蓄热式燃烧技术在工程一次性投资上相对传统燃烧技术会多投资5%-10%（根据蓄热式燃烧技术的装配水平不同，投资略有差异），操作维护费用略有增加，但是应用蓄热式燃烧技术可以带来上述多方面收益，从工程技术经济分析角度来看，采用蓄热式燃烧技术投资收益率远高于常规燃烧技术。（撰稿人 陈迪安）
