新型蓄热燃烧装置的形式与设计

2016-12-02李志军杨万军

现代冶金 2016年5期

关键词：喷口加热炉蜂窝

李志军，王俊，马标，杨万军

(南京净环热冶金工程有限公司，江苏南京 210016)

新型蓄热燃烧装置的形式与设计

李志军，王俊，马标，杨万军

(南京净环热冶金工程有限公司，江苏南京 210016)

新型蓄热燃烧装置是实现高温空气燃烧技术的关键设备。介绍了蓄热式燃烧的优点，蓄热燃烧装置的选用原则、主要形式及参数设计方法。

燃烧装置；蓄热式；设计；选型规律

引言

新型蓄热燃烧装置是实现高温空气燃烧技术(High Temperature Air Combustion ，简称HTAC)的关键设备。说得更准确一点，高温空气燃烧技术应该叫高温低氧燃烧技术，它包含高温空气助燃和低氧空气燃烧两方面的含义。这是燃烧技术的—项再创新成果，为降低能源消耗，减少温室气体(CO2)和有毒气体(NOx)的排放，提供了一个有效手段。

高温低氧燃烧技术包含两方面的特点，其一是余热回收率高，可以节约燃料同时减少CO2排放；其二是低氧燃烧，可以大幅度减少NOx的排放浓度。此项技术的核心则是新型蓄热设备的采用。

作为节能与减少NOx排放的创新技术――环境友好型蓄热燃烧技术，己经在中国得到普遍应用，并取得了重大成果。但是，通过这几年的实践表明，这一技术在应用中有一定的限制条件，而且在炉型结构、燃烧系统和燃烧装置、换向设备、自动化控制精度等方面还有不少问题，有待进一步完善。

1 蓄热式燃烧装置的选用原则

高炉煤气加热炉采用蓄热燃烧技术，能够最充分发挥该技术的优点，因此凡是有高炉煤气富余的企业，无论新建或改建，都应优先选用高炉煤气蓄热式加热炉，且应设置双烟囱。

当气体燃料低热值在≤1600×4.186 kJ/m3时，空气蓄热所占的烟气量约为60%～40%，煤气蓄热所占的烟气量约为40%～60%，全部烟气几乎能完全回收利用。当决定采用蓄热燃烧方式，而且煤气质量许可的条件下，可以选用双蓄热系统。单蓄热时应设副烟道和辅助排烟烟囱。

选择蓄热燃烧装置的形式时，除要考虑燃料种类和发热值外，还要统筹考虑炉子结构是否适应，加热质量是否能满足要求，经济上是否合理，安全操作是否有保证等因素，必要时做出方案比较。

2 蓄热燃烧装置的主要形式

2.1 内置通道式蓄热燃烧装置

将蓄热室和空气、煤气及烟气通道都设置在炉墙内，每个控制段分别设置若干个空气蓄热室和煤气蓄热室，相应地分别设置一套空气五通换向阀和一套煤气五通换向阀，经空气换向阀排出的烟气和经煤气换向阀排出的烟气由各自的引风机抽出。蓄热式空、煤气双预热的推钢式加热炉简图如图1所示。

图1 内置通道式双蓄热推钢式加热炉示意图

这是中国早期的蓄热燃烧系统，适用于低热值气体燃料(高炉煤气)的双蓄热系统，炉墙上设置空气和煤气喷口，有的一排布置，空气和煤气喷口相间；有的两排布置，上加热段空气喷口在上，煤气喷口在下，下加热段则相反。采用集中换向，燃烧控制简单，且上、下热负荷无法调节，相邻喷口的热负荷也无法调节，因此控制水平低；炉墙内置球体蓄热室和煤气、助燃空气通道，炉墙厚达1 m，内模结构复杂，浇注施工难度大，维修工作量大；换向时有一定量的煤气和空气直接进入烟气中，加之炉墙出现裂纹时会造成空、煤气互窜，因此有一定安全隐患。但燃烧系统比较简单，可用于加热温度控制精度要求不高、炉膛宽度较小的加热炉和热处理炉。

蓄热小球的直径一般为Φ12～20 mm，蓄热室内气流的空塔速度为1～2 m/s，蓄热室内蓄热球高度约0.7 m，蓄热室的设计要考虑装、卸球的方便。气流的喷出速度根据炉膛宽度、煤气压力、鼓风机和引风机的压头以及喷出流股大小等因素，一般在10～40 m/s范围内选择。

2.2 烧嘴式双蓄热燃烧装置

烧嘴式蓄热燃烧装置是目前国内轧钢蓄热式加热炉上比较普遍采用的形式，适用于低热值气体燃料(高炉煤气及低热值混合煤气)双蓄热系统。蜂窝蓄热体做成烧嘴的形式直接插入炉墙一定深度，通过喷口将空气或煤气喷入炉内混合燃烧。喷口的结构也有两种，一种是空气和煤气喷口水平布置成一排，空气和煤气喷口相间，空气和煤气喷口都设计成“V”字形成两路喷出，同相邻的煤气或空气流股混合燃烧；另一种是空气和煤气喷口水平布置成两排，空气和煤气喷口相向，空、煤气在炉内相交混合燃烧，上加热段的空气喷口在上，煤气喷口在下，下加热段则相反，如图2所示。

图2 烧嘴式双蓄热燃烧装置示意图

图3 烧嘴式单蓄热燃烧装置示意图

烧嘴式蓄热燃烧装置可以采用全分散换向或分组换向，也可以采用分段集中换向或分侧集中换向。由于烧嘴布置等方面的原因，蓄热体宜采用体积紧凑的蜂窝体。目前普遍使用的蜂窝体形式有正方型和六边形两种格孔，格孔尺寸的大小要考虑燃料的洁净情况、蜂窝体的使用寿命和放置部位等因素，一般取边长3～8 mm，壁厚0.5～1.5 mm。蜂窝体的流路长度为400～800 mm。为延长换向周期，目前设计中有增加流路长度和加大格孔尺寸的趋势。格孔内气流的速度一般选取1～3 m/s。气流的喷出速度根据炉膛宽度、煤气压力、鼓风机和引风机的压头，以及喷出流股大小和燃料热值等因素做选择，一般在40～80 m/s范围内取值。

2.3 烧嘴式空气单蓄热燃烧装置

烧嘴式空气单蓄热燃烧装置适用于较高热值气体燃料(如焦炉煤气、较高热值的混合煤气、天然气)的单蓄热系统。在结构上，有的将煤气管设置在空气蓄热室中心，有的设置在两侧，也有的设置在下方。煤气要与空气同步换向，一般都采用全分散换向系统，煤气换向用快切阀或三通阀。图3为使用混合煤气的单蓄热烧嘴，煤气管设置在空气蓄热室中心。

2.4 日本HRS型单蓄热燃烧装置

HRS型单蓄热烧嘴的结构如图4所示，其特点如下：

1)采用陶瓷蜂窝体，结构紧凑。

2)空气从烧嘴中心区直接以高速喷出，能促进炉内气流循环。

3)一次煤气喷口不放在烧嘴砖通道内，而是缩在烧嘴砖的后面，有效地防止了蓄热期流入的高温烟气对喷口的氧化作用或结焦。

4)一次煤气(F1)沿烧嘴砖通道的内表面喷出，二次煤气(F2) 是在烧嘴通道的端面直接喷向炉内。调节F1和F2的比例可以使火焰的形态与炉子的内形相适应。Fl方式主要用于冷炉升温(炉温800 ℃以下)，正常情况下(炉温800 ℃以上)就切换成F2方式。

5) HRS型烧嘴使用时，高速、高温的热空气是被烟气稀释后参与燃烧的，炉内温度很均匀，不仅抑制了NOx的生成，热轧加热炉上使用时还减少了轧件的氧化烧损，提高了钢材的产品质量。用于间接加热的装辐射管的热处理炉上能延长管体的使用寿命。

燃烧能力: (100000～4300000)×4.18 kJ/h(0.116～5.0 MW)；

燃料种类: 高热值煤气，液化天然气，混合煤气等；

配套设备: 独立阀或四方阀(CEM)；

结构特点:燃料分两次供入，NOx浓度低；紧凑的一体化结构。

HRS型烧嘴的改进型：

如图5所示是一种新研制的HRS系列的明火型烧嘴，比以前的结构更紧凑，其特点是不再把燃料分两处通入，陶瓷蓄热体装在圆筒形的盒内而省去了原先的蓄热室。还新开发了三通切换阀，和烧嘴装在一起，从而使烟气和空气切换时的时滞最小，燃料不需要中断供应，同时提高了炉内含氧量的控制特性。目前改进型烧嘴能力在1 MW(860000×4.18 kJ/h)以下的已经系列化生产。

图4 HRS型单蓄热烧嘴示意图

燃料种类：煤气；

配套设备：火焰监视，预混式点火烧嘴，蜂窝状蓄热体，三通阀等；

结构特点：紧凑的一体化结构；燃料和空气分别一次供入并直喷炉内，NOx浓度极低；空气换向用三通阀。

2.5 美国Bloom 公司低NOx单蓄热燃烧装置

美国Bloom 公司低NOx单蓄热燃烧装置的结构如图6所示。

其特点如下：

1)低NOx生成量；

2)喷口处有导向砖，既可给空气和煤气流股导向，又可防止炉内高温辐射造成蓄热体损坏；

3)烧嘴与蓄热器为紧凑式结构，煤气与空气混合燃烧好，可以按需要设计火焰形状和尺寸；

4)采用球状蓄热体，较之蜂窝体有较长的使用寿命；

5)当改变燃料种类或热值时，改造工作量较小；

6)装球、卸球方便。

Bloom烧嘴系列：

型式：按照NOx排放浓度不同，分为1080型、1100型、1150型三种系列(表1为Bloom公司1150型低NOx烧嘴系列)；

燃料种类：天然气、焦炉煤气、液化石油气、6#燃料油；

燃烧能力：(48.8～8840)×103×4.18 kJ/h；

附件：紫外线火焰监视，直接电点火；

配件设备：PLC。

图5 HRS改进型单蓄热烧嘴示意图

图6 Bloom 1150型低NOx蓄热式燃烧器

规格号额定燃烧能力/(103Kcal·h-1)烧嘴砖外径/mm预计火焰长度/m预计火焰直径/m0204562671.10.50357983431.50.605011404062.10.6～0.807517105082.70.810022805723.40.915034216994.3～4.61.120045618135.2～5.51.425057029025.8～6.11.530068429916.4～6.71.7350798210677.0～7.31.8

注：1) 表中火焰尺寸是当α=1.1，烧嘴前空气压力为300 mm H2O时的预计值；2) 火焰形状和尺寸可以按需要设计。