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蓄热式燃烧技术

谷腾环保网2018-04-22 07:26:15




前言

随着经济全球化的不断推进,资源和环境问题日显突出.工业炉做为能源消耗的大户,如何尽快推行高效、环保的节能技术成为重中之重。  

蓄热式燃烧技术从根本上提高了加热炉的能源利用率,特别是对低热值燃料(如高炉煤气)的合理利用,既减少了污染物(高炉煤气)的排放,又节约了能源,成为满足当前资源和环境要求的先进技术。另外,蓄热式燃烧技术的采用又强化了加热炉内的炉气循环,均匀炉子的温度场,提高了加热质量,效果也非常显著.

发展历史

蓄热式燃烧方式是一种古老的形式,很早就在平炉和高炉上应用。而蓄热式烧嘴则最早是由英国的Hot Work与British Gas公司合作,于上世纪八十年代初研制成功的。当初应用在小型玻璃熔窑上,被称为RCB型烧嘴,英文名称为Regenerative Ceramic Burner。由于它能够使烟气余热利用达到接近极限水平,节能效益巨大,因此在美国、英国等国家得以广泛推广应用。 

1984年英国的Avesta Sheffild公司用于不锈钢退火炉加热段的一侧炉墙上,装了9对,其效果是产量由30t/h增加到45t/h,单耗为1.05GJ/t。虽然是单侧供热,带钢温度差仅为±5℃。    

1988年英国的Rotherham Engineering Steels公司在产量175 t/h的大方坯步进梁式炉上装了32对RCB烧嘴,取代了原来的全部烧嘴,600℃热装时单耗0.7GJ/t,炉内温度差±5℃。 

日本从1985年开始了蓄热燃烧技术的研究。他们没有以陶瓷小球作蓄热体,而是采用了压力损失小、比表面积比小球大4—5倍的陶瓷蜂窝体,减少了蓄热体的体积和重量。 

1993年,日本东京煤气公司在引进此项技术后作了改进,将蓄热器和烧嘴组成一体并采用两阶段燃烧以降低NOx值,其生产的蓄热式烧嘴称FDI型。开始用于步进梁式炉,锻造炉,罩式炉以及钢包烘烤器等工业炉上。

日本NKK公司于1996年在230t/h热轧板坯加热炉(福山厂)上全面采用了蓄热式燃烧技术,使用的是以高效蜂窝状陶瓷体作蓄热体的热回收装置和喷出装置一体化的紧凑型蓄热式烧嘴,烧嘴每30s切换一次。投产后,炉内氧浓度降低、 NOx大幅度减少,炉内温度均匀,效率提高。 

在中国,早期的蓄热式燃烧技术应用于钢铁冶金行业中的炼钢平炉和初轧均热炉上。然而,由于当时所采用的蓄热体单位比表面积小,蓄热室结构庞大,换向阀安全性能差、造价高,高温火焰温度集中,技术复杂等诸多原因,导致了其难以在其他加热炉和热处理炉上使用。

80年代后期,我国开始了陶瓷小球蓄热体蓄热式燃烧技术的研究和应用。当时,结合我国广泛使用低热值燃料,特别是大量高炉煤气被放散的实际情况,我国的热工研究者开发出了适合我国国情的独具特色的蓄热式高温燃烧技术软硬件系统,并逐步应用于均热炉、车底式退火炉、加热炉等各种工业炉窑上。

基本原理及特点

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蓄热式燃烧装置的原理

蓄热式燃烧装置原理见下图1.(a)(b)(c)  


图1.(a) 单蓄热式烧嘴加热系统(外置式)  


图1.(b) 单蓄热式烧嘴加热系统(内置或半内置式)  


图1.(c) 空、煤气双蓄热上下(左右)烧嘴加热系统  

当燃烧装置1处于燃烧状态时,被加热介质(助燃空气、煤气)通过换向阀进入蓄热室,高温蓄热体把介质预热到比炉温低100~150℃的高温,通过空煤气烧嘴(或火道)进入炉内,进行弥散混合燃烧。而另一个配对的燃烧装置2则处于蓄热状态,高温烟气流入蓄热室,将蓄热体加热,烟气温度降到250~150℃后流过换向阀经排烟机排出。煤气、空气预热各设置一台排烟机,只预热空气设置一台排烟机。  

蓄热式燃烧装置系统主要由燃烧装置、蓄热室(内有蓄热体)、换向系统、排烟系统和连接管道五大部份组成。无论哪种形式的燃烧装置,蓄热室(内有蓄热体)必须成对布置。  

经过一定时间后,换向阀换向如此反复交替工作,使被加热介质加热到较高温度,进入炉膛,实现对炉内物料的加热。

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蓄热式燃烧装置的特点

初期采用蓄热式烧嘴的主要目的是为了进一步提高空气的预热温度,更大程度地回收烟气带走的热量,以节约能源。但由于高温燃烧带来了高的NOX排放,因此限制了它在工业发达国家的推广使用。  

近入90年代后,低NOX的蓄热烧嘴开始进一步研究,1992年开发成功,被称为高温空气燃烧技术。这种技术的原理是降低燃烧空间中的氧浓度,创造贫氧条件,消除局部炽热高温区,用高速喷出的空气射流卷吸周围烟气形成贫氧燃烧区,此时形成的火焰体积大大增加,亮度减弱,温度均匀,梯度很小,这就有效地减少了NOX的产生。  

新开发的蓄热式烧嘴采用分段燃料供应法降低NOX。即一次燃料流量为5%,二次燃料为95%,并使助燃空气以100m/s的速度喷出,高速空气的射流卷吸周围炉气回流,使燃烧过程减缓,火焰燃烧区氧浓度低,形成的火焰体积大大增加,亮度减弱,温度均匀,梯度很小,在炉温1300℃时产生的NOX达到30ppm(以烟气中含氧量11%计算)。

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采用高温空气燃烧技术的低NOX蓄热烧嘴特点

①节约能源  

蓄热烧嘴能大大提高节能效率。使用传统烧嘴,最多只能将空气、煤气预热到500~600℃,排烟温度350~400℃。蓄热式烧嘴可将空煤气预热到1100~1000℃,同时排烟温度可降至250~150℃大大提高了燃料使用效率。热回收率达80%以上,可节约燃料近55%,比一般回收装置高20%~30%。  

②提高炉温均匀性  

前面谈到,低NOX蓄热烧嘴的火焰和传统烧嘴相比,温度均匀,梯度很小,无明显的高温区,而且低NOX蓄热烧嘴工作时,通常有切换过程,烧嘴交替地处于燃烧期和蓄热期,火焰的位置不是固定不变,炉气流动和扰动作用使炉温分布更均匀,另外,由于空气和煤气预热到1000℃以上,大大提高了气体的高温动力性能,使空气扩散,混合过程更加剧烈,使火焰外围形成炉气循环区,也促进了炉温的均匀性。炉温均匀性提高,能大大提高炉内被加热物料的温度均匀性。  

③提高传热效率  

由于低NOX蓄热烧嘴是通过分散式热回收方式进行的,每一个温度控制段中大量烟气排出是通过本段的低NOX蓄热烧嘴进行的。因此,各段能独立进行温度控制,各段温度可随意设定,炉子温度控制段可以设计放置离装料端很近的区域,这样实际上预热段长度大大缩短,炉子高温段大大延长。如果坯料温度升温速度不受限制,坯料一旦进入炉子,在温度1250℃左右温度加热,炉子对坯料的热流大大增加,炉子传热效率就大大提高,炉内传热效率提高有两个结果:  

a、在炉子长度不变的情况下,能缩短料坯在炉加热时间,提高炉子产量。  

b、在炉时间不变的情况下,随着炉内传热效率的提高,能缩短炉子长度,使炉子投资减少。  

④降低NOX浓度  

当空气预热到1000℃以上高温时,如果不采取措施,让燃料和空气直接混合,那么NOX生成量将大大增加,超过环保对氮氧化物的排放标准。低NOX蓄热烧嘴将采取下面方法降低NOX生成量,通常的燃烧过程是在氧浓度21%左右的情况下进行,为了降低蓄热烧嘴生成NOX浓度,一个有效的办法是使蓄热烧嘴的燃烧过程在氧浓度较低的情况下进行。在组织蓄热烧嘴的火焰时,将大量燃料喷向烧嘴根部的回流区,利用高温高速引射时引起烟气的扰动,稀释空气中氧浓度,使回流区中氧浓度一般在2~5%左右,这样NOX浓度将大大降低。同时为了提高火焰的刚性,先通入部分燃料在高温空气内部(富氧区)这就是通常人们所讲的二步燃烧法。  

低NOX蓄热烧嘴火焰在氧浓度为2~5%气氛中燃烧时,火焰稳定性仍然很好,这是由于随着预热空气温度的提高,火焰的特性稳定火焰的氧浓度区间扩大,实际上NOX生成量达到45ppm左右,这是传统烧嘴难以达到的,在使用蓄热烧嘴过程中,影响NOX生成因素有:  

a、预热高温空气的射流速度  

高温空气的射流速越大,能引起回流到蓄热烧嘴根部的烟气量增大,回流区就是使燃料氧浓度降低,NOX生成量降低,当速度超过100m/s时,NOX就降低到40ppm左右。  

b、一、二次燃料的比例  

低NOX蓄热烧嘴为了降低NOX生成量,大部分燃料从高温空气外围附近供入这部分燃料称为二次燃料。还有部分燃料从高温空气内部供入,这部分燃料称为一次燃料,一次燃料比例越大NOX生成量越多。一次燃料/二次燃料≤0.25,NOX控制在80ppm以下。  

c、燃烧负荷  

对某一低NOX蓄热烧嘴来说随着燃烧负荷的提高,NOX生成量增大,煤气量在1400~2000m3/h,NOX从50ppm升至60ppm左右变化。  

⑤、由于控制的灵活性,可以实现弹性分区(特别是当钢坯热装时)及脉冲控制,由于蓄热烧嘴是成对或成组布置和控制,可以根据炉子工艺要求设计控制方式,因此炉子的热工控制具有非常大的灵活性,可以改变控制烧嘴的数量实现炉温控制的弹性分区。还可以关闭一些烧嘴或按照程序要求对烧嘴进行脉冲控制。

蓄热式燃烧系统的组成

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组成部分

换向阀及控制机构

蓄热室及蓄热体

高温气体通道和喷口

空煤气供给系统和排烟系统

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换向阀及控制机构

在蓄热式高温燃烧系统中,烟气和空气的切换装置是必须的,因而换向阀是该系统中的关键设备。  

换向阀是通过阀体的运动使空气(或煤气)与烟气在阀内定时换向。一般地说,换向阀有四个进出口,其中有两个口分别通向一对交替使用的蓄热室,另外两个口分别连接排烟烟囱和供空气(或煤气)管道。在前一个换向周期内,换向阀使通向其中一个蓄热室的进口与另外一个连接到排烟烟囱的出口相连,使废气排出;在后一个换向周期内,换向阀使连接供空气(或煤气)管道的进口与另外一个连接到一个蓄热室的出口相连,使空气(或煤气)进入蓄热室去完成预热。阀内采取特殊的密封结构来保证密封性能和灵活的换向动作。  

换向阀的换向时间与炉内烟气温度及蓄热体的透热厚度有关,对于透热厚度一定的蓄热体,换向时间越长,离开蓄热室的烟气温度越高,空气(或煤气)的预热温度也会越低,热回收率也越低;若换向时间过短,则会降低换向阀的寿命,因此应通过实验来确定最佳的换向时间是至关重要的。对于小球体的蓄热室,其换向周期一般取2.0--3.0分钟;蜂窝体的蓄热室,其换向周期为30--45秒钟或更短。  

若采用直通阀,系统中有一对蓄热式高温燃烧装置就需要4套切换阀,而采用换向阀,系统中一对蓄热式高温燃烧装置就只需要一套切换阀,成本就能够大大降低。  

当换向阀的切换时间为30秒,其每年的动作次数为100万次;即使是换向阀的切换时间为3分钟,而每年的动作次数也达到17万次;因换向阀换向频繁,因而换向阀机械方面的可靠性、耐久性和密封性就相当重要。对于蓄热式高温燃烧系统来说,选择一个稳定可靠的换向阀是系统成败的关键。  

换向控制一般以定时换向为主,但当废气超温时系统必须同时具有能够强制换向的功能。  

系统换向时应先切断空(煤)气,然后换向阀换向,待换向阀换向动作结束后,再打开空(煤)气,此时一个换向过程才算结束。整个换向动作过程应该能够在TFT上监视。当某一动作发生异常时,系统应该能够自动报警并提示故障点及处理方法。对于蓄热式高温燃烧系统来说,换向控制和系统保护的可靠性也是相当重要的。  

换向阀应集中配置,即每个供热区段只配一个空气换向阀和一个煤气换向阀,这样可以简化管路系统和减少换向装置的数量,燃烧自动控制系统也得以简化。  

换向阀的换向时间采用时间和温度主从控制,即以定时控制为主,但同时当出蓄热室的烟气温度超过设定置时,控制系统会自动报警并根据温度信号控制换向阀强制进行换向。控制系统中设有换向自动保护装置。换向阀的形式多种多样,一般均为各供货厂家自行开发的专利产品。我们在吸收各家之长的基础上,成功的开发研制出独具特色的换向阀。

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蓄热式及蓄热体

目前在国际上所使用的蓄热体主要有小球体、蜂窝体和片状体。我国普遍使用的是小球体和蜂窝体。  

蓄热室是放置蓄热体的设备,也是热交换的区域。它可以放置在炉墙内,称为内置式;也可以在炉墙外单独设置,称之为外置式。内置式以加厚的炉墙为四壁,外置式的外壳是由型钢及钢板焊接而成或由混凝土浇筑而成,四壁砌筑耐火材料。蓄热室中间堆放蓄热体,要求蓄热室密封性能要好,焊接处要求气密性焊接,耐火材料砌筑泥浆要饱满,绝不允许有串火或气体泄露。我国目前通常采用的是陶瓷小球体式蓄热体,其理由是尽管在压力损失方面与蜂窝体式蓄热体相比有些不利,但考虑到单位体积的蓄热量、蓄热体的耐用强度、堵塞时的清扫、以及便于更换已破碎和损坏的蓄热体等方面陶瓷小球体式蓄热体具有一定的优越性,选择陶瓷小球体式蓄热体还是有利的。

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高温气体通道和喷口

高温气体通道可以同炉墙有机地配合砌筑在一起,也可以在炉墙外单独设置。喷口设置在炉墙内,喷口既是传统意义上的烧嘴,同时也是加热炉的排烟口。

空煤气的高温气体通道之间砌体要求砌筑严密,不能够串气,以避免发生爆炸。因此,对炉墙砌体材料的要求相对其它加热炉要高。

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空、煤气供给系统和排烟系统

蓄热式燃烧技术的空、煤气供给系统与传统加热炉的空、煤气供热系统一样,也需进行分段供给控制。从空、煤气总管分出的各段支管连接各自的换向阀,换向阀后分两路连接到炉子两侧的一对蓄热室。在换向阀前的空、煤气支管上设有流量检测和调节装置,并设有安全保护装置。空煤气供给压力应考虑到换向阀和蓄热室在内的整个系统的阻力损失。  

烟气从蓄热室出来,温度已降至200℃以下,借助排烟机抽力,流经换向阀、排烟管送至烟囱排入大气,在排烟管上设有烟温检测和炉膛压力控制装置。由于烟气温度在200℃以下,因而普通的标准排烟机就能够满足使用要求。排烟机的能力根据排烟量和烟气管路的系统阻力确定,所以正确确定烟气流经蓄热室和换向阀时的阻力损失也是十分重要的。

燃烧过程中的炉压控制及安全措施

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炉压控制

蓄热式燃烧系统在周期性地切换燃烧/排烟过程中,炉压也会出现周期性的变化,但炉压的变化会明显滞后于燃烧系统的切换。  

周期性换向时对控制系统的干扰是蓄热式加热炉有别于常规加热炉之处。但由于此干扰是可以预见的干扰,控制系统在进入自动控制模式时,可采用系统“休克”的方法过滤换向时的干扰。  

为稳定燃烧及防止吸冷风,系统应设定炉内压力在0-50Pa微正压状态,计算机系统应能够通过控制排烟机前的调节蝶阀开度自动跟踪设定值,保证炉压始终处于设定范围内。

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安全控制

2.1.空气和煤气在整个蓄热式高温燃烧系统中必须完全隔离,避免相遇,才能从根本上保证系统的安全。  

对于空煤气双预热的蓄热式高温燃烧系统,由于煤气蓄热室在换向中残留有少量的死煤气,空气蓄热室在换向中残留有少量的死空气。因此,从空气蓄热室和从煤气蓄热室出来的烟气也要通过不同的排烟机、排入不同的烟囱,以避免空煤气相遇而发生爆炸。  

曾经发生过由于在空煤气双预热的蓄热式高温燃烧系统中,空煤气采用了同一个组合换向阀、采用了同一台排烟机而发生爆炸的事故。  

2.2.在煤气换向阀前增设煤气快速切断阀,换向时先切断煤气,然后换向,完成换向动作后再打开切断阀,以此来保证炉内煤气的完全燃烧,使进入烟气中的煤气量尽可能少,提高烟气系统的安全性。  

2.3.高炉煤气中CO的含量高达25%~30%,防止煤气泄漏造成操作人员的煤气中毒是一项重要的安全措施。我们的实践是一方面在煤气系统结构上尽可能保证严密、不漏气,另一方面在操作区设置固定式CO检测仪、并设置操作人员随身携带便携式CO检测仪,进行安全报警来保证人员安全。  

2.4.此外,空煤气低压自动切断、空煤气管路上设置泄爆阀这些常规的安全措施在蓄热式高温燃烧系统中也是必要的。



  

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