蓄热燃烧技术在马钢重机台车式加热炉上的应用分析

第18卷增刊安徼冶金科技职业学院学报vd.182008年8月Joumal of Anhui Vocational College of Metallurgy and Technology蓄热燃烧技术在马钢重机台车式加热炉上的应用分析魏廷智(马钢股份公司重型机械设备制造公司安撒马鞍山2430摘要:对奮热燃烧技术在马钢重机馓钢线台车式加热炉上的应用进行了讨,提供了几种蓄热式台车加热炉的应用形岚并进行了分析,重点是目前应用中普遍存在的问题,同时提出了一些优化设计建议关键词:蓄热燃烧;台车式加热炉;庄用分析;节能环保中图分类号:TF0612文献标识码:A文章编号:1672-994(200)增-0081-04从20世纪‰0年代开始,我国蓄热燃烧技术得热至800-~1100℃高温的同时,合理组织燃料与助到了快速发展,并日臻成熟。由于陶瓷材料的发燃空气进人炉膛的角度、位置及流量配置等,使燃展,蓄热体多采用陶瓷小球或陶瓷蜂窝体,其比表料与空气合理混合并达到充分燃烧,空燃比可以控面积(即单位体积的传热面积)由过去的10m2/m3制在较低的水平,加上炉内烟气的混合,使燃料在40m2/m3提高到200m2/m3-1300m2/m3,甚至更低氧环境进行体积燃烧可大幅度降低NOx的排高极大地提高传热效率使蓄热室的体积大为缩放量,同时燃烧以弥漫方式进行,消除了局部低温。小,同时由于换向装置的可靠性和控制技术水平的高效蓄热室可充分利用烟气余热,可同时达到节约提高使得换向周期缩短至05mn~3min,这些是燃料20%~50%、提高产量10%-30%、减少20%其不断应用到新领域的保证。新型蓄热燃烧技术50%烟气排放量等环保、节能和提高加热质量的由于传热效率高和换向周期短助燃空气预热温度效果。可提高到炉温的80%以上,排出的烟气温度可降针对燃料种类和热值的不同,有单蓄热(即只低至烟气的露点附近,因此废气余热得到接近极预热空气)和双蓄热之分。单蓄热一般只对60限的回收烟气余热回收效率可达80%,节能效果70%的烟气进行余热回改其它的要经尾部烟道直十分可观接排出,所以热效率相对要低。由于助燃空气预热温度高达1000°℃,燃料燃蓄热燃烧技术原理如图1所示。烧特性产生了质的变化,贫氧稳定燃烧成为可能蓄热室/烧嘴成对布置,在A状态,从鼓风机出从而形成国际上统称的高温空气燃烧( High Tem来的常温空气由换向阀切换进左侧蓄热室,在其自perature Air Combustion,简称HAC)技术。该技术下而上流过蓄热体时被预热,在极短时间内从常温的关键在于实现高温低氧的弥漫燃烧过程,火焰特加热到接近炉膛温度(此时蓄热体被冷却),被加热性创新了传统燃烧理论,从而达到节能与环保的双的高温热空气进入炉膛后,卷吸周围炉内的烟气形重效益。成一股含氧量大大低于21%的稀薄贫氧高温气1蓄热燃烧技术原理流,同时与燃料混合,在贫氧状态下实现燃烧;与此蓄热燃烧技术的关键是在通过交替工作的若同时,炉膛内燃烧后的高温烟气进入右侧蓄热室,千对高效蓄热室或蓄热烧嘴将助燃空气从室温预将热量传递给蓄热体温度迅速下降到150℃以下,然中国煤化工一段时间(即换收稿日期:2008-07-08作者简介魏廷智(1968-),男,马钢重机公司结构分厂,高级工向系CNMHG半)之后换向阀动作进入B状态,空气进入右侧蓄热室,烟气安撒冶盒科技职业学院学报2008年增刊自左侧蓄热室流出,过程与A状态一致。就这样,两种状态下交替工作,达到炉内稳定燃烧的效果。在换向系统周期性地切换下,蓄热燃烧系统在A、B蓄热体一般釆用小球和蜂窝体(如图2)两种B状态图1在台车式加热炉上使用热燃烧技术示意蓄热小球与孔密度为100的蜂窝体相比较,传热面积相差7倍,传热能力相差5倍,压力损失大三倍。现在也有将小球制作成表面有沟槽的或中空的,以加大其比表面积陶瓷小球蜂窝体2在台车式加热炉上的不同应用型式的应图2訾热体形式用分析型式,材质主要有铝瓷质莫莱石质和堇青石质。蓄热燃烧技术应用于推钢式连续轧钢加热炉、蕃热室综合传热系数计算公式为:步进式连续加热炉等连续式以稳定态为主导的工[W/m2·℃]业炉上的技术相当成熟。在室式加热炉、台车炉等以间歇式非稳定态为主导的工业炉上应用逐渐广r-换向时间,,⊥-空⊥烟气对流换热系泛但存在的问题也比较多技术上还需进一步改数,W/m2℃进和完善。在马钢重机公司锻钢线台车式加热炉式中:r-蓄热体导热系数,W/(m2℃)的应用方案中,主体形式有以下几种:c-蓄热体比热容,kJ(kg℃);2.1蕃热烧嘴式p-蓄热体密度,kgm3;蓄热式烧嘴(图3)的主要特点是将燃烧器与δ-蓄热体半壁厚度,mo蓄热体集成,组成类似常规烧嘴的燃烧系统,两个而蓄热体体积:蓄热式烧嘴组成一对,在换向系统的作用下实现周v=zo(m)期性交替燃烧供热。炉子往往由多对蓄热式烧嘴供热,不同炉型烧嘴的布置方式也不一样。鞍钢热式中:Q-空气吸热量,J能院为鞍钢重机设计的一台加热炉就是采用蓄热Δ-对数平均温差,℃;烧嘴式。a-蓄热体比表面积,m2/m3;单蓄热烧嘴一般在烧嘴出口处才与煤气混合η-系数09-0.95。燃烧,一方面是从材料耐热性能角度考虑,一方面可以看出,要降低蓄热体的体积最关键的是也是提高综合传热系数和蓄热体的比表面积。采用小气蓄中国煤化工嘴一般是空煤嘴),分别以一定球蓄热,热空气温度将比炉温低150℃-200℃,而角度CNMH对蓄热烧嘴才构蟑窝体蓄热,热空气温度可接近炉温。用q20m成一个完整的循环。在布置上一般将煤气侧靠近2008年增刊魏廷智:首热燃烧技术在马钢重机台车式加热炉上的应用分析工件,可以使工件处在还原性气氛中,降低氧化烧为了防止工件烧蚀形成下部的气流通道,工件必损率。须架高到一定程度,对支承台的荷重及耐火度要求锻钢线加热炉由于使用热值为800Nm的极高易发生支承台倒塌等事故;一种是将两侧蓄高焦混合煤气,初步考虑采用单蓄热形式。烧嘴的热烧嘴对称布置,但设置在炉子中上部并斜向上布置上考虑两种方式,一种为图三c)所示为上下以防止火焰直接接触到工件缺点是气流组织不太布置,炉内气流组织较好,有利于炉温均匀缺点是理想,工件下部加热质量不高。e憝n)单蓄热构造b)双蓄热构造图3薔热烧嘴应用示例据有关资料介绍国外普遍采用蓄热烧嘴式加受到限制。另外由于较集中的换向控制和蓄热使热炉,国内由于在材料和设计上的原因,从易于更供热调节受到一定程度限制,加热能力受燃料供入换和实现的角度,仍以陶瓷球为主,但陶瓷蜂窝体压力的影响较大。也逐渐广泛。大型加热炉上使用蓄热式烧嘴是近如果将锻钢线加热炉设计成此种形式,可一定几年才开始的,主要在燃用高炉煤气、高焦混合煤程度上节省厂房空间炉内的气流组织也比较有利气等低热值煤气的工业炉上,蓄热体相对要庞大一于提高加热质量,但其安全性仍是必须解决的核心些近年来在烧嘴的结构布置上做了一些改进主问题。要是将蓄热体部分埋进了炉墙使炉型逐渐紧凑。集成式加热炉特别适合燃用低热值煤气,可采蓄热式烧嘴以其调节灵活性,炉型选择的多样用双预热、分段集中蓄热和换向。该结构的加热炉性,对不同工艺要求的适应性等优点成为蓄热式高由于炉墙内有煤气、助燃空气通道因而内模结构温空气燃烧技术未来发展的一种很重要的方式。复杂浇注料施工难度大炉体多采用复合炉体整但蓄热体更换不太方便,而且由于蓄热室的绝热材体浇注。尽管如此在保证通道间的密封性和炉体料占用一定体积所以烧嘴一般比较大使用寿命的整体性方面难度依然很大,尤其是使用一段时间和造价也是需要权衡的方面。另外,蓄热烧嘴一般后会因裂纹的产生而发生“串气”等安全性依然是水平布置蓄热通道也是水平的存在气流在高度其最主要的不利因素上分布不均衡的问题。23外置蓄热式加热炉22集成通道式这是介于集成式加热炉和蓄热烧嘴式加热炉这是国内应用较早的一种形式北岛能源技术之间的一种结构形式(图4)。其特点是把集成式发展有限公司90年代初开发的高效蓄热式余热自加热炉的蓄热室和高温通道放在炉体外,通过与炉回收系统专利技术的应用。其特点是把蓄热室安内喷口的直接连接形成外置蓄热系统采用分段换装在炉子底部同时在炉墙浇注出通道和喷口(图向和相对集中的蓄热室。北京横拓为上海荣海设),并与高效余热回收装置结合成一体形成集供计的蓄热式炉就是采用此种型式。热、排烟和余热回收于一体的集成式加热炉。马钢这种结构形式来源于对前两种形式的综合与第二钢轧总厂两座推钢式加热炉就是由北岛进行改进,一方面将蓄热式从炉内转移到外部减少了改造的。因砌体泄漏而造成的安全问题,喷口的设计变得更将蓄热室介质通道和喷口都集中在炉体内,为灵活减少了外部高温管道,占地少系统布置简单加热权衡,中国煤化均与同侧换向的现场情况灵活能力不受设备体积和布置方式的限制,供热能力设布置蓄CNMH(的更换比较容计余地大。其缺点是炉墙较厚,基础大,旧炉改造易实现。安撒冶金科技职业学院学报008年增刊精确控制有一定困难而且对某些区域进行调整时有时显得力不从心。支承辊加热温度精度要求在±11℃以内这就要求在喷口的布置、各段蓄热能力的分配上更为科学合理,使炉内气流组织更加合气体中含有的杂质燃烧产物中的积炭及低熔图4外置蓄热式加热炉示意点物质的粘结甚至蓄热体自身的碎裂都会堵塞通在砌体结构的设计上,要针对炉墙有内通道、道,增大气流阻力,造成炉压上升或燃烧能力不足温度高且变化频繁的特点为确保砌体的严密和寿等问题同时带来全炉炉况的恶化炉压炉温无法命减少散热损失和保证施工质量,采用了内衬整控制炉子冒火或吸人冷风最终无法使用。因此体浇注的复合炉体结构。在设计上在充分考虑蓄热效果的同时,适当增加孔锻钢线加热炉采用此种方案可以较好地处理隙的当量直径,在蓄热体的结构和性能选择上更要好安全与加热质量的要求,但炉子在空间布局上要权衡并定期对蓄热体进行检查和更换这也要求充分考虑厂房设计以保证足够的操作空间,蓄热体蓄热室的构造上便于此项工作的开展。的选择上要综合蓄热球和蜂窝体的特性。与烧嘴排烟温度范围一般在烟气露点以上至150℃式一样,可以集中蓄热集中换向也可分散蓄热分散以下这一较窄空间内,一方面是为了尽可能地对余换向。分散换向的优点是调节手段灵活能满足不热进行利用,一方面要考虑风机、换向阀的工况。同加热工艺需要换向阀与蓄热室距离短切换效温度过高换向阀的密封件及传动件工况恶化热果好,减少了换气损失,安全性也较好。缺点是设效率下降;温度过低烟气结露产生的酸性液体会备复杂操作和维护难度大腐蚀烟管、风机及换向阀等。有时会因为配对的蓄24三种结构的对比分析热体能力上的差异或一侧受堵等造成不平衡时,会以上三种结构形式是按该技术的核心部分一使温度很难严格控制在此范围内因此在设计和制蓄热室的布置来分类的。蓄热室因集供热、排烟和造时要保证两侧蓄热能力的匹配及具有可一定范余热回收于一体而成为该技术的中枢。其他设备围内进行微调的手段。和工艺的变化都必须以此为基础。三种应用形式当炉温低于600℃C时,由于在切换后新的空气都有其优缺点其本身无优劣之分。在选用结构形和燃气温度都很低,不能保证自动着火燃烧蓄热式时要综合考虑燃料种类、场地大小投资额度及燃烧无法自动工作,安全问题也十分突出。而锻钢安全保障等因素。线加热炉由于钢锭的红送保证度不够高及经常性3设计中应考虑的几个问题炉内氧化物清理等原因,可能需要经常性地自室温炉膛内的氧含量随频繁换向而周期性变化,为开始工作,这样,采用蓄热燃烧就必须解决这个问使CO充分燃烧及安排方面考虑供氧量一般都远题。目前拟采用的方法主要有:一是增加辅助烧大于目标值。在氧化性气氛下晶粒长大速度在嘴主要是在低温段使用,但炉子的管道和控制系100C以上急剧上升。而支承辊需要长时间处在统将会复杂得多;二是设置自动点火或常明火烧这个温度以上,因此对加热炉烟气中的含氧量是有嘴确保在蓄热系统切换时能使燃气点燃,这对自要求的需要在排烟口进行检测。这就要求在加热动点火或常明火烧嘴的性能要求较高;三是增加同炉设计和控制上进行优化,严格控制空燃比以减侧配对蓄热室烧嘴在低温段时以同侧进行组对少钢锭的氧化烧损和晶粒长大改善加热质量。行成一个循环70%以上的燃烧产物参与到换热,烧嘴集供热与排烟功能与一体,一方面对材料只有不到30%的热量用于加热工作,由于距离短,的性能要求高,一方面管道庞大系统复杂给温度换热后空气可加蛰到W℃上可以保证燃气自和炉压的精确控制带来了难度,炉温、炉压实际上动燃中国煤化工的蓄热室烧嘴是随换向而频繁波动的,只是对加热工件的质量影不再CNMHG当复杂造价也响不大而已。系统热惯性大,加上相互间的影响,高(下转第90页安撒冶金科技职业学院学报2008年增刊32设计方案槽钢立式焊接外面安装铸铁边框。由于槽钢的侧(1)炉门设计。炉门四周用16mm的Q235-A向惯性距很小导致横梁前后方向变形,使铸铁边钢板中间用10mm钢板将炉门分成内外两个区框与炉门的接触不好间隙很大。这次用钢板焊接间,两个区间分别用6mm的钢板做筋板,受热区成一个横梁,加大了侧向惯性距。域的筋板高度要低于四周框架高度,这样会使筋板不会暴露在火焰中减小内部筋板变形量也减少4实际效果炉门吸热量降低炉门的整体温度。两个区间高度炉门设计重量为4.2t,比原炉门减轻08to的确定要仔细计算首先要保证纤维的厚度不然减轻了炉门提示机构的负担。该炉门与20060年12隔热效果不好;主要的计算内容是炉门受热后的变底改造,使用一年多时间来炉门及很梁正常,07形量。炉门侧面及上面釆用耐热铸铁做炉门镶边,年年修时只对炉门口侧面的纤维修复。以前炉门也可选用耐热钢来做耐热钢的价格很高考虑成横梁经常损坏几个月就要修复一次现在状况已本因素就用耐热铸铁代替。炉门镶边与炉门周边彻底改变。安装时留5m间隙,这样炉门镶边的热量就不会直接传递到炉门,炉门周边在炉门镶边的保护下温参考文献度不会升得很高。炉门镶边不用整体形式而是分[1任泽霈热工手册[M].北京:机械工业出版社,2002成几段每段之间留间隙这样炉门镶边受热变形[2]成大先.机械设计手册M].北京:化学工业出版社,后不会将应力传递到炉门而导致炉门变形。2)炉口横梁设计。炉口横梁以前是用28#上接第84页)了一些基本的参考。4结论参考文献通过对蓄热燃烧技术的原理及在国内外使用1]钟武.火焰炉[M].北京:冶金工业出版社,195的情况的了解并对几种蓄热形式进行对比,在重[2]温治、代朝红,蓄热式高温空气燃烧技术的研究现状机公司锻钢线台车式加热炉上应用蓄热燃烧技术及应用前景分析[J]河南冶金,200应该是可行的尤其是在节能环保方面具有相当的3]王乘俭,工业炉设计手册[M].北京:机城工业出版优势但同时在设计制造中要取必要的措施来解41朱将冠换热器原理计某[M],北京:清华大学出决国内同行在使用中出现的问题。从比较来看采社,1989用外置式蓄热形式的综合性能相对要好一些蓄热[5]實明生等,几种低Nx排放种性的工业炉窑燃烧技体的更换也比较方便。当然,这里只是从可行性方术[刀.工业加热,2004面进行了一些探讨,并有针对性地提出了一些需要[6]许維成等蓄热式技术在加热炉上的应用[J工业加考虑和解决的问题,为下一步炉型的最终确定提供热,2000上接第88页工业出版社,2000[3]龚仲华,数控机床故障诊断与维修500例[M].北参考文獻京:机械工业出版社,2005[1]刘启中.现代数拉机床技术及应用[M].北京:机被[4]刘永久.数拉机床故障诊断与维修技术[M].北京:工业出版社,2000机械工业出版社,2006[2]张俊生,金属切削机床与数控机床[M].北京:机械中国煤化工CNMHG