高效蓄熱式工業爐的開發與應用

李領

摘要：本文主要敘述了利用高效蓄熱燃燒技術開發的高效蓄勢式工業爐，它將蓄熱式熱回收和換向式燃燒系統與爐體結合于一體，可將空氣和煤氣雙預熱到1000℃，系統排煙溫度低于150℃。在軋鋼加熱爐上可以以全高爐煤氣為燃料。工業爐熱效率達到70%以上，并提高加熱質量、減少鋼坯氧化燒損，在工業爐上應用的實際結果表明，高效蓄熱式工業爐技術取得了顯著的節能和環保效益。

關鍵詞：蓄熱燃燒；高爐煤氣；加熱爐；節能

1 概論

我國是世界能源消耗大國，節能與環保工作已成為直接關系到我國可持續發展戰略能否順利實施的大事。高溫空氣燃燒技術是一種全新型燃燒技術，它具有高效煙氣余熱回收和高溫預熱空氣以及低NOx排放多重優越性，主要用于鋼鐵、冶金、機械、建材等工業部門中的各種工業燃料爐，得了國際工業界和科學界的廣泛關注，顯示了廣闊的應用前景。它采用蓄熱式煙氣余熱回收裝置，交替切換空氣與煙氣的顯熱，將燃燒空氣和煤氣預熱1000℃以上的溫度，形成與傳統火焰（諸如擴散與預混火焰 等）迥然不同的新型火焰類型，創造出爐內優良的均勻溫度分布。可以說，高溫空氣燃燒技術大幅度地節能和大幅度減少NOx排放量的成績是劃時代的，體現節能和環境保護的巨大優越性。

2 高效蓄熱式工業爐的工作原理

高效蓄熱式工業爐由熱回收系統、換向式燃燒系統和控制系統組成，高效蓄熱式工業爐的熱效率可達到70%，這種換向式燃燒方式改善了爐內的溫度均勻性。由于很方便地把煤氣和助燃空氣預熱到高達1100℃，可以在高溫工業爐使用高爐煤氣做為燃料，從根本上解決了高爐煤氣的放散導致污染環境的問題。

在A狀態下煤氣和來自鼓風機的助燃空氣經換向分別進入左側通道，而后由下向上通過蓄熱室，預熱后的煤氣與空氣從左側通道噴出并混合燃燒。燃燒產物對鋼坯進行加熱后進入右側通道，在蓄熱室內進行熱交換將大部分熱量留給蓄熱體后，以150℃左右的溫度進入換向系統，經排煙機排入大氣，幾分鐘以后控制系統發出指令，換向機構動作，空氣、煤氣同時換向。將系統變為B狀態，此時煤氣和空氣從右側通道噴口噴出并混合燃燒，這時左側噴口作為煙道。在排煙機的作用下，使高溫煙氣通過蓄熱排出，一個換向周期完成。

沒有常規工業爐換熱器、煙囪及煙道，也無高溫管道，占地面積小、操作及維護簡單，無煙塵污染，換向設備靈活，控制系統功能完全，爐內溫度均勻，鋼坯氧化燒損顯著減少。

3高效蓄熱式工業爐的技術特點

3.1 空氣煤氣預熱

我國多數軋鋼加熱爐使用發熱值較低 的混合煤氣為燃料，用低熱值煤氣時空氣和煤氣雙預熱可以最在限度回收熱量，爐子的煙氣可以全部經空氣蓄熱室和煤氣蓄熱室排出，爐子無需設置排多余高溫煙氣的煙道和煙囪，使爐子的構造和布置簡單化。

空氣、煤氣預熱后的溫度達到800—1000℃以上，帶來了一系列的結果：

1）燃燒溫度的極大提高，按照國內學者提出的工業爐應當實現“高爐溫、高煙溫、高余熱回收和低爐子惰性”的所謂“三高一低”的發展方向的理論，燃燒溫度提高有利于實現加熱爐的工藝要求。

2）火焰穩定效應。傳統擴散火焰的穩定是依靠火焰傳播速度與氣流速度的平衡及高溫熱源的傳熱保證的，而在高溫預熱空氣條件下，只要燃料混合物進入可燃范圍，就可以保證穩定的燃燒。

3）熱效率高達70%，最大程度上節能和保護環境。

4）空氣、煤氣溫度接近爐內溫度，而大大改善爐內溫度均勻性。

5）對可用燃料熱值范圍的適應性擴大，尤其是高爐煤氣可用于高溫工業爐。

6）強化了爐內輻射換熱比例，使單位面積的強度增加，工業爐尺寸可以縮小。

3.2換向燃燒

使高溫煙氣在加熱爐內的寬度方向交替流動，減少了加熱爐寬度方向的溫度差，對于加熱長鋼坯的加熱爐尤其有利。高爐煤氣的換向燃燒火焰可以與高熱值的煤氣燃燒相媲美。這種換向燃燒方式在熱處理爐上應用，不僅可以大幅度提高能源利用率，而且可以顯著提高熱處理質量。

3.3 換向系統

由于必須在一定的時間內實現空氣與煙氣的頻繁切換，切換閥也成為與余熱回收有密切相關的關鍵部件之一。盡管經換熱后的煙氣溫度很低，對切換閥無材料上的特殊要求，但必須考慮到切換閥的工作壽命和可靠性。因為在煙氣中含較多的微小粉塵時，頻繁動作勢必對部件構成磨損。這些因素應當在選用切換閥時加以考慮。

為實現換向式燃燒所特殊設計的換向系統在2—3秒內同時實現空氣、煤氣和煙氣的換向動作。為保證安全運行，在換向瞬時關閉煤氣，待換向動作完成后再打開，避免煤氣與煙氣中的殘氧相遇。執行機構由氣缸驅動，工作平穩可靠，維護簡單。換向機構的動作由一套專門的控制系統來實現，它具有定溫換向、定時換向、超溫報警、程序動作、自動保護等一系列功能。若排煙溫度達到或超過溫度警戒線時，系統將發出升光報警信號，并自動切斷煤氣、空氣和排煙機，全系統自鎖，防止因超溫造成設備損壞。

3.4 蓄熱體

蓄熱體是高溫爐氣燃燒技術中最關鍵的部件，也是最具技術含量和體現工業制造水平的部件。

首先是材料選擇。這直接影響裝置小型化、換熱效率和經濟效益。其性能指標要求：

（1）材料比熱大

（2）換熱速度快

（3）高溫結構強度好，可承受巨大溫度壓強和高頻變換，無脆裂、剝落和變形等。

（4）抗氧化和腐蝕

（5）經濟。可選材料主要有陶瓷類和耐熱耐蝕類。目前使用的主要有蜂巢狀蓄勢體。

3.5氧化燒損

在高溫預熱條件下形成的火焰特性與傳統燃燒火焰迥然不同，后者是靜態火焰并有局部高溫區，前者則產生于在局部高溫的反應，不具人靜態的火焰，峰會火焰溫度下降，散熱健在均勻，整個爐區溫度分布均勻，這一特殊性將有效地減少NOx的排放。在你空氣消耗系數下便可以實現完全燃燒。煉氣噴口靠近鋼坯表面，在鋼坯表面形成還原性氣體，有利于減少鋼坯的氧化燒損。

4、結論

高效蓄熱式工業爐將蓄熱式熱回收和換向式燃燒系統與爐子結合于一體，排煙溫度低于150℃，最大程度上實現高產、優質、低耗、節約能源和保護環境。用高效蓄熱燃燒技術可以在大型加熱爐上直接燃用高爐煤氣，達到燃用高熱值煤氣加熱爐同樣的加熱效果，且熱效率高達70%以上。采用高效蓄熱燃燒技術可以改善企業的能源緊張狀況，大幅度降低能耗和生產成本，提高企業的市場競爭力，經濟效益顯著提高。

（作者單位：鎮江領強能源工程技術有限公司）