高效蓄热式工业炉的开发与应用

李领

摘要：本文主要叙述了利用高效蓄热燃烧技术开发的高效蓄势式工业炉，它将蓄热式热回收和换向式燃烧系统与炉体结合于一体，可将空气和煤气双预热到1000℃，系统排烟温度低于150℃。在轧钢加热炉上可以以全高炉煤气为燃料。工业炉热效率达到70%以上，并提高加热质量、减少钢坯氧化烧损，在工业炉上应用的实际结果表明，高效蓄热式工业炉技术取得了显著的节能和环保效益。

关键词：蓄热燃烧；高炉煤气；加热炉；节能

1 概论

我国是世界能源消耗大国，节能与环保工作已成为直接关系到我国可持续发展战略能否顺利实施的大事。高温空气燃烧技术是一种全新型燃烧技术，它具有高效烟气余热回收和高温预热空气以及低NOx排放多重优越性，主要用于钢铁、冶金、机械、建材等工业部门中的各种工业燃料炉，得了国际工业界和科学界的广泛关注，显示了广阔的应用前景。它采用蓄热式烟气余热回收装置，交替切换空气与烟气的显热，将燃烧空气和煤气预热1000℃以上的温度，形成与传统火焰（诸如扩散与预混火焰 等）迥然不同的新型火焰类型，创造出炉内优良的均匀温度分布。可以说，高温空气燃烧技术大幅度地节能和大幅度减少NOx排放量的成绩是划时代的，体现节能和环境保护的巨大优越性。

2 高效蓄熱式工业炉的工作原理

高效蓄热式工业炉由热回收系统、换向式燃烧系统和控制系统组成，高效蓄热式工业炉的热效率可达到70%，这种换向式燃烧方式改善了炉内的温度均匀性。由于很方便地把煤气和助燃空气预热到高达1100℃，可以在高温工业炉使用高炉煤气做为燃料，从根本上解决了高炉煤气的放散导致污染环境的问题。

在A状态下煤气和来自鼓风机的助燃空气经换向分别进入左侧通道，而后由下向上通过蓄热室，预热后的煤气与空气从左侧通道喷出并混合燃烧。燃烧产物对钢坯进行加热后进入右侧通道，在蓄热室内进行热交换将大部分热量留给蓄热体后，以150℃左右的温度进入换向系统，经排烟机排入大气，几分钟以后控制系统发出指令，换向机构动作，空气、煤气同时换向。将系统变为B状态，此时煤气和空气从右侧通道喷口喷出并混合燃烧，这时左侧喷口作为烟道。在排烟机的作用下，使高温烟气通过蓄热排出，一个换向周期完成。

没有常规工业炉换热器、烟囱及烟道，也无高温管道，占地面积小、操作及维护简单，无烟尘污染，换向设备灵活，控制系统功能完全，炉内温度均匀，钢坯氧化烧损显著减少。

3高效蓄热式工业炉的技术特点

3.1 空气煤气预热

我国多数轧钢加热炉使用发热值较低 的混合煤气为燃料，用低热值煤气时空气和煤气双预热可以最在限度回收热量，炉子的烟气可以全部经空气蓄热室和煤气蓄热室排出，炉子无需设置排多余高温烟气的烟道和烟囱，使炉子的构造和布置简单化。

空气、煤气预热后的温度达到800—1000℃以上，带来了一系列的结果：

1）燃烧温度的极大提高，按照国内学者提出的工业炉应当实现“高炉温、高烟温、高余热回收和低炉子惰性”的所谓“三高一低”的发展方向的理论，燃烧温度提高有利于实现加热炉的工艺要求。

2）火焰稳定效应。传统扩散火焰的稳定是依靠火焰传播速度与气流速度的平衡及高温热源的传热保证的，而在高温预热空气条件下，只要燃料混合物进入可燃范围，就可以保证稳定的燃烧。

3）热效率高达70%，最大程度上节能和保护环境。

4）空气、煤气温度接近炉内温度，而大大改善炉内温度均匀性。

5）对可用燃料热值范围的适应性扩大，尤其是高炉煤气可用于高温工业炉。

6）强化了炉内辐射换热比例，使单位面积的强度增加，工业炉尺寸可以缩小。

3.2换向燃烧

使高温烟气在加热炉内的宽度方向交替流动，减少了加热炉宽度方向的温度差，对于加热长钢坯的加热炉尤其有利。高炉煤气的换向燃烧火焰可以与高热值的煤气燃烧相媲美。这种换向燃烧方式在热处理炉上应用，不仅可以大幅度提高能源利用率，而且可以显著提高热处理质量。

3.3 换向系统

由于必须在一定的时间内实现空气与烟气的频繁切换，切换阀也成为与余热回收有密切相关的关键部件之一。尽管经换热后的烟气温度很低，对切换阀无材料上的特殊要求，但必须考虑到切换阀的工作寿命和可靠性。因为在烟气中含较多的微小粉尘时，频繁动作势必对部件构成磨损。这些因素应当在选用切换阀时加以考虑。

为实现换向式燃烧所特殊设计的换向系统在2—3秒内同时实现空气、煤气和烟气的换向动作。为保证安全运行，在换向瞬时关闭煤气，待换向动作完成后再打开，避免煤气与烟气中的残氧相遇。执行机构由气缸驱动，工作平稳可靠，维护简单。换向机构的动作由一套专门的控制系统来实现，它具有定温换向、定时换向、超温报警、程序动作、自动保护等一系列功能。若排烟温度达到或超过温度警戒线时，系统将发出升光报警信号，并自动切断煤气、空气和排烟机，全系统自锁，防止因超温造成设备损坏。

3.4 蓄热体

蓄热体是高温炉气燃烧技术中最关键的部件，也是最具技术含量和体现工业制造水平的部件。

首先是材料选择。这直接影响装置小型化、换热效率和经济效益。其性能指标要求：

（1）材料比热大

（2）换热速度快

（3）高温结构强度好，可承受巨大温度压强和高频变换，无脆裂、剥落和变形等。

（4）抗氧化和腐蚀

（5）经济。可选材料主要有陶瓷类和耐热耐蚀类。目前使用的主要有蜂巢状蓄势体。

3.5氧化烧损

在高温预热条件下形成的火焰特性与传统燃烧火焰迥然不同，后者是静态火焰并有局部高温区，前者则产生于在局部高温的反应，不具人静态的火焰，峰会火焰温度下降，散热健在均匀，整个炉区温度分布均匀，这一特殊性将有效地减少NOx的排放。在你空气消耗系数下便可以实现完全燃烧。炼气喷口靠近钢坯表面，在钢坯表面形成还原性气体，有利于减少钢坯的氧化烧损。

4、结论

高效蓄热式工业炉将蓄热式热回收和换向式燃烧系统与炉子结合于一体，排烟温度低于150℃，最大程度上实现高产、优质、低耗、节约能源和保护环境。用高效蓄热燃烧技术可以在大型加热炉上直接燃用高炉煤气，达到燃用高热值煤气加热炉同样的加热效果，且热效率高达70%以上。采用高效蓄热燃烧技术可以改善企业的能源紧张状况，大幅度降低能耗和生产成本，提高企业的市场竞争力，经济效益显著提高。

（作者单位：镇江领强能源工程技术有限公司）