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1、蓄熱式加熱爐燃燒技術(shù),目錄,1.國內(nèi)外現(xiàn)狀 2.前言 3.蓄熱式燃燒(RCB系統(tǒng)) 工作原理及系統(tǒng)組成 3.1蓄熱燒嘴( RCB 燒嘴) 3.2蓄熱室 3.3換向裝置(換向閥) 3.4控制系統(tǒng) 4.蓄熱式加熱爐的優(yōu)點(diǎn) 5.蓄熱式加熱爐的前景與開發(fā)應(yīng)用 6.結(jié)語,1.國內(nèi)外現(xiàn)狀,隨著工業(yè)爐窯技術(shù)的發(fā)展和新型爐用材料的不斷問世，工業(yè)爐加熱技術(shù)在近年來得到飛速的發(fā)展其中尤為突出的就是蓄熱式加熱爐燃燒技術(shù)，備受國內(nèi)外工業(yè)爐界的關(guān)注。以日本為例，這一新技術(shù)的開發(fā)和推廣由日本政府同產(chǎn)省主持， 由日本工業(yè)爐株式會(huì)社提供技術(shù)和裝置，并在1998年由日本鋼管福善制鐵所發(fā)表了該廠230t/h熱軋步進(jìn)式板坯加熱爐使
2、用蓄熱式加熱技術(shù)的節(jié)能降污效果，1999年3月日本鋼管和日本工業(yè)爐株式會(huì)社因環(huán)境調(diào)和型蓄熱式燒嘴加熱系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用獲得最高科技獎(jiǎng)大河內(nèi)獎(jiǎng)。,隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國各行業(yè)工業(yè)爐窯的燃料消耗迅速增加，絕大多數(shù)工業(yè)爐窯的燃料消耗長期高于國際先進(jìn)水平有害物的超標(biāo)排放相當(dāng)嚴(yán)重，世界10個(gè)環(huán)境污染最嚴(yán)重的城市，我國已占了7座。因此提高工業(yè)爐窯的燃料利用率和大幅度降低氮化物的排放量，已成為我國亟待解決的問題。,目前由于能源和環(huán)境問題日益突出，要求各軋鋼單位全面推行高效清潔生產(chǎn)技術(shù)，而高效蓄熱技術(shù)（簡稱HTAC式）目前世界上先進(jìn)的燃燒技術(shù)，可以從根本上提高企業(yè)能源及用率，對(duì)低熱值煤氣進(jìn)行合理利用，
3、最大限度地減少污染排放，很好的解決燃油爐成本高、燃煤爐污染中的問題。,2.前言,加熱爐是軋鋼生產(chǎn)能源消耗的主要設(shè)備, 在保證軋鋼產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí), 如何降低加熱爐的燃料消耗和減少環(huán)境污染, 是鋼鐵企業(yè)研究的重要課題之一。 由于加熱爐煙氣溫度高達(dá)600900,帶走的熱量大為了節(jié)約能源,在上世紀(jì)的7080年代,大部分加熱爐采用了余熱回收裝置來提高爐子的熱效率。余熱鍋爐雖產(chǎn)生蒸汽供生產(chǎn)和生活用, 但加熱爐的能耗并沒有降低, 且由于鍋爐體積龐大,檢修不便,因而節(jié)能效果不佳。,90 年代初期, 很多廠家采用高效預(yù)熱裝置, 利用高溫?zé)煔忸A(yù)熱助燃空氣,使空氣預(yù)熱到350450,但通過空氣預(yù)熱器后的煙氣仍在45
4、0500,將這部分熱量排放掉也是一種浪費(fèi)。在其后再用其預(yù)熱煤氣, 將煤氣預(yù)熱到150250,就能進(jìn)一步降低排煙溫度, 充分利用煙氣余熱, 提高加熱爐效率。這種空氣煤氣雙預(yù)熱是一種高效的余熱回收方式。對(duì)于燃油加熱爐來說, 空氣預(yù)熱到一定溫度后, 可以在預(yù)熱器后安裝余熱鍋爐或過熱器, 產(chǎn)生過熱蒸汽或熱水用來預(yù)熱液體燃料或供生產(chǎn)、生活用汽,達(dá)到降低排煙溫度,提高加熱效率的目的。,這種預(yù)熱裝置有管式預(yù)熱器、針狀和片狀預(yù)熱器、輻射預(yù)熱器。采用預(yù)熱器后,爐子熱效率大大提高了。加熱爐煙氣余熱回收, 雖然取得了很大的進(jìn)展, 但也存在一些問題, 如空氣、煤氣預(yù)熱器普遍沒有清灰裝置, 特別是燒重油的加熱爐用的預(yù)熱
5、器, 長期運(yùn)行在高溫?zé)煹乐?煙塵較大, 如不經(jīng)常清理, 會(huì)影響預(yù)熱器的效果,達(dá)不到預(yù)期的目的。,為了解決這些問題,充分利用加熱爐煙氣的余熱, 進(jìn)一步提高加熱爐的熱效率,大連北島能源技術(shù)發(fā)展有限公司研制出了高效蓄熱式余熱回收系統(tǒng),并在加熱爐上應(yīng)用,效果很好。如韶鋼1997年7月投產(chǎn)的蓄熱式加熱爐,爐內(nèi)空氣煤氣可預(yù)熱到1100,排放廢氣溫度僅130,這種爐子為全封閉的,熱效率高,也不需要回收熱能撫順特鋼公司500分廠2# 爐于1993年8月結(jié)合大修,進(jìn)行改造后,單耗由1879 m3/t 減少至285197m3/t,熱效率由3185% 增至31149%,平均溫度由58減少到9,節(jié)能率為85172%,
6、裝爐量增加一倍, 生產(chǎn)率提高30%。包頭鋼鐵公司初軋廠新建2 座RCB 式長坑均熱爐,使用高焦?fàn)t混合煤氣,空氣和煤氣均預(yù)熱到9001100,排煙溫度低于150,與該廠原有長坑均熱爐相比,節(jié)約燃料41%,產(chǎn)量提高了13%,減少基建投資200萬元。,歐美一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家已建成了近500套R(shí)CB系統(tǒng), 在鋼的加熱、退火及鋼帶的熱處理中應(yīng)用。日本從1985年左右開始研制這項(xiàng)工作, 他們多采用壓力損失少、比表面積大45倍的陶瓷蜂窩體作為蓄熱體。我國研究應(yīng)用起步較晚, 只有少數(shù)幾座爐子采用, 效果都很好。因此, 研究應(yīng)用蓄熱式加熱爐是節(jié)能降耗的一項(xiàng)重要工作。,3.蓄熱式燃燒(RCB 系統(tǒng)) 工作原理及系統(tǒng)
7、組成,RCB系統(tǒng)由兩個(gè)燒嘴、兩個(gè)蓄熱室、一套換向裝置和相配套的控制系統(tǒng)組成(見圖1)。模式A表示燒嘴A處于燃燒狀態(tài),燒嘴B處于排煙狀態(tài):燃燒所需空氣經(jīng)過換向閥,再通過蓄熱室A,其預(yù)熱后在燒嘴A中與燃料混合,燃燒生成的火焰加熱物料,高溫廢氣通過燒嘴B進(jìn)入蓄熱室B,將其中的蓄熱球加熱,再經(jīng)換向閥后排往大氣。持續(xù)一定時(shí)間后(如20s),控制系統(tǒng)發(fā)出換向指令,操作進(jìn)入模式B所示的狀態(tài),此時(shí)燒嘴B處于燃料狀態(tài),燒嘴A處于排煙狀態(tài):燃燒空氣進(jìn)入蓄熱室B被預(yù)熱,在燒嘴B中與燃料混合,廢氣經(jīng)蓄熱室A,將其中蓄熱球加熱后排往大氣。持續(xù)與模式A過程相同的時(shí)間后,又轉(zhuǎn)換到模式A過程,如此交替循環(huán)進(jìn)行。,圖1蓄熱式燃
8、燒技術(shù)工作原理,3.1 蓄熱燒嘴( RCB 燒嘴),RCB 燒嘴是成對(duì)安裝使用的。燒嘴結(jié)構(gòu)簡單,也可以設(shè)計(jì)成一個(gè)燃燒通道, 如圖2。這種燒嘴煤氣由燒嘴頭供入,進(jìn)空氣和排廢氣交替進(jìn)行。由于燒嘴中溫度很高,在排煙狀態(tài)時(shí)需要對(duì)煤氣噴管進(jìn)行冷卻,可在煤氣入口處安裝一低壓空氣入口。在實(shí)際使用時(shí),一個(gè)燒嘴配備一個(gè)蓄熱室,或者多個(gè)燒嘴共用一個(gè)蓄熱室。,圖2蓄熱燒嘴示意圖,3.2 蓄熱室,蓄熱室由耐火材料砌筑,內(nèi)填耐火填料(填充球),如圖3。 圖3蓄熱室示意圖,蓄熱室填充材質(zhì)要求耐高溫, 且密度高、導(dǎo)熱系數(shù)高和比熱容高。常見的有陶瓷、高純氧化鋁和耐火耐蝕鋼。采用填充球作為蓄熱體, 具有傳熱半徑小
9、、熱阻小、導(dǎo)熱性好, 以及流動(dòng)性能良好和可方便地清洗、更換和重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。蓄熱室的幾何特性對(duì)熱交換影響不大, 而填充球直徑與它在蓄熱室中堆砌高度是兩個(gè)重要參數(shù)。填充球直徑越小, 蓄熱能力越大, 但氣體通過的阻力損失也越大。一般來說, 填充球直徑約為1215 mm。蓄熱室可容易地將空氣預(yù)熱至1 000 或更高, 不僅節(jié)約燃料,而且提高燃燒溫度。傳統(tǒng)的蓄熱室是蓄熱磚格子,單位換熱面積小, 蓄熱室體積龐大且造價(jià)高昂。,在近10 多年中, 蓄熱技術(shù)有了較大的突破和發(fā)展,把蓄熱室改為由陶瓷小球或碎礫填充的散料球床作為蓄熱體。蓄熱體比表面積達(dá)250mm 3,眾多的小球?qū)饬鞣指畛珊苄〉臍饬魍ǖ? 形成強(qiáng)
10、烈的紊流區(qū), 有效地沖破了蓄熱體表面的附面層。球徑小, 傳熱半徑小, 熱阻小, 致密度高, 導(dǎo)熱性好。實(shí)驗(yàn)表明:高溫?zé)煔饨?jīng)蓄熱體后, 在很短的行程(500 600mm ) 內(nèi)可將煙氣中90% 的熱量吸收, 能將近似于爐溫的煙氣降至150 以下排出。蓄熱體體積小, 小球流動(dòng)性能良好, 即使積灰后阻力增加, 也可很方便地更換、清洗, 并可重復(fù)使用。蓄熱室具有預(yù)熱溫度高、使用壽命長、沒有漏氣問題和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。,3.3 換向裝置(換向閥),換向裝置是RCB 系統(tǒng)中重要的組成部分,其工作可靠性將直接影響到加熱爐的工作性能。換向裝置與蓄熱室、加熱爐的示意關(guān)系如圖4。蓄熱式加熱爐常見的換向裝置有四種,
11、其工作原理如圖5。,圖4換向裝置與蓄熱室、加熱爐示意圖,圖5換向原理示意圖,圖5 (a) 是采用獨(dú)立的快速截?cái)嚅y進(jìn)行換向。這種方法安全可靠, 還可實(shí)現(xiàn)燒嘴自由組合配對(duì),缺點(diǎn)是閥體較多, 閥位控制回路復(fù)雜。圖5 (b) 采用四通切換閥(CEM ) , 圖5 (c) 是采用雙位五通閥進(jìn)行換向。這兩種方式閥位控制方便, 一對(duì)蓄熱室只需安裝一套換向閥。當(dāng)爐子廢氣中含有腐蝕性污染物時(shí), 換向閥應(yīng)采用鍍鎳或不銹鋼材料。圖5 (d) 是利用氣體引射原理進(jìn)行換向, 這種方式只需一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī), 適合鼓風(fēng)量小、氣體阻力損失小的場合使用。換向機(jī)構(gòu)可在2 3 s 內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)空氣、煤氣和煙氣換向動(dòng)作。由一套專門控制系統(tǒng)來
12、實(shí)現(xiàn), 它具有定溫?fù)Q向、定時(shí)換向、超溫報(bào)警、程序動(dòng)作和自動(dòng)保護(hù)等一系列功能。由于廢氣進(jìn)入換向閥時(shí)溫度已經(jīng)很低(150 200 ) ,因而換向閥無須采用貴重的耐熱材料。,3.4 控制系統(tǒng),RCB 系統(tǒng)的控制包括爐溫控制和換向控制兩部分。換向控制獨(dú)立于爐子其他控制回路, 采用定時(shí)(如20 s) 和定溫(如150 ) 雙控制方式, 優(yōu)先采用定溫控制邏輯。為保證安全運(yùn)行, 在換向瞬間關(guān)閉煤氣, 待換向操作完成后再打開煤氣, 避免煤氣與煙氣中殘氧相遇或與助燃空氣“串氣”而引起爆炸。,4.蓄熱式加熱爐的優(yōu)點(diǎn),蓄熱式加熱爐是一種高效、節(jié)能、低污染的新型火焰爐, 集換向式燃燒和蓄熱式余熱回收及電子自控系統(tǒng)為一
13、體, 結(jié)構(gòu)新穎、技術(shù)指標(biāo)先進(jìn),與傳統(tǒng)的采用換熱器預(yù)熱空氣的燃燒技術(shù)相比,具有下列優(yōu)點(diǎn)。,1煙氣余熱回收率高, 空氣預(yù)熱溫度高, 節(jié)能量大 由于蓄熱室換熱量大, 換向時(shí)間很短, 使得空氣預(yù)熱的溫度效率可達(dá)85% 90% , 煙氣的余熱回收率可達(dá)75% 以上, 燃料節(jié)約率在42% 65% 間, 煙氣排放溫度低, 僅150 200 。 2火焰溫度高, 爐內(nèi)溫度分布均勻 由于空(煤) 氣預(yù)熱溫度高, 促進(jìn)了燃燒過程中碳?xì)浠衔锏牧呀? 增加了火焰的亮度和剛性, 也提高了燃燒溫度和強(qiáng)化了爐內(nèi)對(duì)流和輻射傳熱。因?yàn)轭l繁換向、交替燃燒, 爐內(nèi)高、低溫區(qū)交替出現(xiàn), 火焰長度方向上溫差相互抵消, 這使得爐氣的溫度
14、分布均勻, 爐內(nèi)溫差小于5, 從而提高了加熱質(zhì)量。,3有利于環(huán)境保護(hù) 由于燃料消耗量的減少, 從總量上即可直接減少有害物(SO 2、NO x ) 的排放, 而且當(dāng)采取一定的措施(如二次燃燒、爐氣再循環(huán)等) , 亦可實(shí)現(xiàn)低NO 2燃燒。同時(shí), 因無高溫管道, 爐體輕, 蓄熱損失小, 現(xiàn)場環(huán)境亦大大改善。 4便于燃燒控制 因爐子熱效率是蓄熱室熱效率的函數(shù), 而蓄熱室的熱效率隨空氣消耗系數(shù)的變化的波動(dòng)很小(據(jù)報(bào)道, 空氣消耗系數(shù)每增加10% 20% , 爐子熱效率只降低015% 左右) , 故在對(duì)爐內(nèi)氣氛沒有特殊要求時(shí), 該種加熱爐的爐溫控制較為簡單, 甚至只通過調(diào)節(jié)燃料供應(yīng)量就可控制爐溫。,5結(jié)構(gòu)
15、緊湊, 基建投資小, 上馬快 由于填充球具有很大的比表面積,傳熱系數(shù)高, 所以蓄熱室單位體積的換熱量很大,故以較小的蓄熱室便可回收足夠的熱量。RCB統(tǒng)集燃燒熱交換、排煙功能于一體,避免了地下煙道、換向器和熱風(fēng)管道以及昂貴的煙囪; 若是舊爐改造,其工程量也不大,基建投資小,上馬快。工程造價(jià)較低,投資回收期不超過一年。,5.蓄熱式加熱爐的前景與開發(fā)應(yīng)用,以長鋼連軋廠為例，現(xiàn)長鋼連軋廠加熱爐122m2,燃油三段加熱爐，小時(shí)產(chǎn)量為6t/h,燃料油為煤焦油，噸鋼油耗為45kg/t,焦油價(jià)格為1350元/t,年需焦油費(fèi)用1822萬元。如果改為純?nèi)几郀t煤氣蓄熱式加熱爐，在爐子尺寸不變的情況下，小時(shí)產(chǎn)量可達(dá)到
16、80t/h，煤氣價(jià)格按0.015元/m計(jì)，年需費(fèi)用200萬元。改造投資約需680萬元，則年增效益942萬元，同時(shí)可大大減少高爐煤氣放散，改善環(huán)境。,我國鋼鐵企業(yè)鍋爐煤氣放散率為13.72%，如果將放散煤氣全部利用，節(jié)約260萬t標(biāo)煤。采用高效蓄熱技術(shù)后，我國將有一批燃煤爐，燃油爐淘汰，可實(shí)現(xiàn)軋鋼加熱爐的高效、低耗和清潔生產(chǎn)，生產(chǎn)成本可大大降低，提高產(chǎn)品競爭能力，徹底改變鋼鐵企業(yè)的能源結(jié)構(gòu)，帶來一次軋鋼加熱的燃料結(jié)構(gòu)革新。,武漢院開發(fā)蓄熱式燃燒技術(shù)是以高爐煤氣作為突破口的，并在海鑫鋼鐵集團(tuán)公司棒材廠的加熱陸上率先實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)。高爐煤氣作為鋼鐵工藝的副產(chǎn)品，產(chǎn)生的煤氣數(shù)量十分巨大，但作為低級(jí)能源，
17、其使用價(jià)值受到限制，利用率不高。除高爐熱風(fēng)爐使用部分高爐煤氣外，大部分都需要與發(fā)熱值較高的叫爐煤氣進(jìn)行混合后在共其他用戶使用，同時(shí)由于焦?fàn)t煤氣普遍緊張的原因，造成高爐煤氣大量放散。不但浪費(fèi)能源，還造成環(huán)境污染。全國每年由于高爐煤氣放散所造成的經(jīng)濟(jì)損失已超過20億人民幣，節(jié)能潛力和社會(huì)效益非巨大。,如果該燃燒技術(shù)應(yīng)用于石油行業(yè)也將會(huì)有顯著的效果，現(xiàn)以加熱原油為例。 被加熱原油質(zhì)量m =14t/h，=30,采用混合煤氣作燃料（低發(fā)熱值 =8360 kJ/）,空氣和煤氣雙預(yù)熱（效率 =81.02%）。 加熱原油所需的熱量： 原油比熱容： c = 上式中: c 比熱容，kJ/(kg) 原油
18、15的相對(duì)密度 t 原油溫度, ,,,,,,原油的比熱容在1.62.5kJ/(kg)之間，粗略計(jì)算可取 c = 2 kJ/(kg)。 則加熱原油所需的熱量 Q = = = kJ/h 所需煤氣的量： = =124 /h 查得混合煤氣價(jià)格為：0.3元/m3故所需成本為124 0.3=37.2元/h,,,,,,,,,一套加熱設(shè)備（加熱爐或熱媒爐）輸送原油14噸/時(shí) 由比較可知燒煤氣比燒原油每小時(shí)節(jié)省71.73-37.2=34.53元。而且，煤氣具有運(yùn)輸方便，污染少等優(yōu)點(diǎn)。因此，燒煤氣比燒原油和煤更具優(yōu)勢。,表1 原油與煤消耗及成本對(duì)比,6. 結(jié)語,蓄熱式加熱爐在節(jié)約能源和減少環(huán)境污染等方面具有很大優(yōu)勢, 可獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益, 因此, 進(jìn)一步研究這一技術(shù), 開發(fā)、應(yīng)用這一技術(shù)對(duì)推動(dòng)冶金行業(yè)的更大發(fā)展具有十分重要的意義。,參考文獻(xiàn): 1 尹丹模等. 蓄熱室新型蓄熱體的選用J .工業(yè)爐,1998,(3):91. 2 鄭兆平.蓄熱式燃燒技術(shù)綜述J .鋼鐵研究,1999,(6):481. 3 蔡九菊,陸鐘武.填充球蓄熱室技術(shù)及其在工業(yè)爐上的應(yīng)用J.冶金能源,1996,(9). 4 于慶波,秦勤,楊宗山,周洪敏.蓄熱式原油加熱爐的開發(fā)研究，東北大學(xué)學(xué)報(bào),2001,6:649-650.,報(bào)告結(jié)束，謝謝大家！,
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