蓄熱式燒嘴在加熱爐上的應(yīng)用

常志明 張?zhí)?吳亭亭

1.梅山鋼鐵公司熱軋廠 2.上海天然氣管網(wǎng)有限公司3.華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院

前言

蓄熱式燃燒技術(shù)又稱高溫空氣燃燒技術(shù)（HTAC），是上世紀(jì)80年代初國際上興起的一項新型燃燒技術(shù)。它是將高溫空氣噴射入爐膛，維持低氧狀態(tài)，同時將燃料輸送到氣流中，產(chǎn)生燃燒?？諝鉁囟阮A(yù)熱到800～1000℃以上，燃燒區(qū)空氣含氧量在21%～2%。與傳統(tǒng)燃燒過程相比，高溫空氣燃燒的最大特點是節(jié)省燃料，減少CO2和NOx的排放及降低燃燒噪音，被譽(yù)為二十一世紀(jì)關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。

蓄熱式燃燒技術(shù)可充分利用鋼鐵聯(lián)合企業(yè)長流程生產(chǎn)產(chǎn)生的副產(chǎn)品—高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣，充分利用企業(yè)內(nèi)部二次能源，達(dá)到降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染、提高企業(yè)競爭力的目的[2,3]。

1 梅鋼加熱爐采用的蓄熱式燒嘴燃燒系統(tǒng)

梅鋼3號加熱爐采用BLOOM公司的1150系列光亮火焰型蓄熱式燒嘴，屬低氮氧化物排放和高效燃燒的燃燒器。該燒嘴燃燒時可形成長4m，直徑為1.4 m的火焰，如圖1所示。

1.1 基本原理

當(dāng)一對燒嘴中的一個在燃燒時，產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物一部分被另外一個所抽走，并且該部分燃燒產(chǎn)物在通過蓄熱箱時，熱量被蓄熱介質(zhì)吸收；剩余的燃燒產(chǎn)物氣體仍通過爐子的煙道排出。大約40秒的時間，兩個燒嘴切換運行模式。特殊的地方就是在具體應(yīng)用過程中兩個燒嘴是相互對立的。理想狀態(tài)是加熱爐某一段一邊的燒嘴燃燒的同時相對應(yīng)的另一邊正在排氣。一邊燒嘴燃燒2秒鐘后另一邊燒嘴開始工作。

蓄熱式燒嘴的燃燒系統(tǒng)示意圖見圖2。圖2中蓄熱式燒嘴 A處于燃燒的狀態(tài)，助燃空氣通過蓄熱箱內(nèi)小球由常溫預(yù)熱到l000℃左右，并與煤氣混合后進(jìn)行燃燒。蓄熱式燒嘴B處于抽吸燃燒產(chǎn)物的狀態(tài)，高溫爐氣通過排煙風(fēng)機(jī)抽吸并預(yù)熱蓄熱箱內(nèi)的小球，溫度降到200℃以下排出。

1.2 蓄熱式燒嘴的特點

燒嘴本身自帶燒嘴磚的結(jié)構(gòu)，不需要在爐墻上另外開孔，燒嘴磚的尺寸優(yōu)化設(shè)計強(qiáng)化了煙氣的再循環(huán)，從而進(jìn)一步降低了NOx的生成；采用導(dǎo)流擋板設(shè)計，確保燃燒穩(wěn)定，在高溫間隙蓄熱狀態(tài)時能阻擋來自爐膛的輻射，并對燃?xì)鈬娮炱鸸潭ㄗ饔茫灰淮物L(fēng)可調(diào)，使得冷爐啟動時比較穩(wěn)定，同時使二次風(fēng)在爐膛高溫更好地?fù)饺?；具有良好調(diào)節(jié)性，在極低熱負(fù)荷時，所有換向閥都關(guān)閉，僅剩下點火燒嘴；燃料適用性廣，包括天然氣，焦?fàn)t煤氣，液化石油氣，液態(tài)燃料；火焰光亮。

1.3 蓄熱式燒嘴配置

3號加熱爐的7個供熱段（預(yù)熱段上部，預(yù)熱段下部，一加熱段上部，一加熱段下部，二加熱段上部，二加熱段下部，均熱段下部）共使用31對蓄熱式燒嘴，剩余的均熱段上部采用的是36只平焰燒嘴。

2 梅鋼加熱爐使用蓄熱式燒嘴后達(dá)到的效果

1）在額定負(fù)荷產(chǎn)量的情況下，NOx排放低于低于60ppm；

2）蓄熱式燒嘴入口的煙氣溫度與空氣預(yù)熱溫度的差值小于150℃；

3）可使經(jīng)過蓄熱器燒嘴排出的煙氣溫度小于200℃；

4）可使板坯出爐首尾溫差≤15℃；

5）可使板坯燒損率≤0.7%。

3 蓄熱式燒嘴加熱爐 （3號爐）與傳統(tǒng)加熱爐（2號爐）的比較

（其中的數(shù)據(jù)均來自2008年6月加熱爐正常工作時熱平衡測試結(jié)果）

2號加熱爐采用的是普通平焰燒嘴，采用普通換熱器，對空氣、煤氣進(jìn)行雙預(yù)熱。

3.1 火焰比較

與常規(guī)燒嘴供熱相比，特別是與側(cè)燒嘴相比，蓄熱式高溫燃燒擴(kuò)展了火焰燃燒區(qū)域，火焰的邊界幾乎擴(kuò)展到爐膛的邊界，并且是從爐膛兩側(cè)交替供熱、交替排煙，從而使得爐膛內(nèi)沿爐膛寬度方向溫度均勻，從而大大提高了產(chǎn)品的加熱質(zhì)量。

3.2 蓄熱式燒嘴節(jié)能

蓄熱式加熱爐設(shè)計可使60%～64%的高溫?zé)煔獬槲M(jìn)入蓄熱式燒嘴，但這次只有45%的高溫?zé)煔獬槲胄顭崾綗?，其?5%的高溫?zé)煔馐峭ㄟ^爐下降煙道排放出去的。2號爐從換熱器出來的煙氣溫度為306.5℃，煙氣量為每小時43766m3；3號爐從蓄熱式燒嘴出來的煙氣溫度為171℃，煙氣量為每小時40019m3。經(jīng)過計算可知蓄熱式燒嘴每小時可節(jié)約能源269kgce，占煤氣總耗量的3.8%。

3.3 單位燃耗比較

表1 2、3號加熱爐燃耗比較

使用蓄熱式燒嘴可為蓄熱式加熱爐節(jié)約一部分能量，但與傳統(tǒng)加熱爐相比，蓄熱式加熱爐燃耗并沒有降低。從表1月累計數(shù)據(jù)可以看出，蓄熱式燒嘴加熱爐與傳統(tǒng)加熱爐燃耗相差不多。原因分析如下：

1）空氣單預(yù)熱

通過蓄熱箱預(yù)熱的空氣溫度見表2。雖然進(jìn)入爐膛的空氣被預(yù)熱到將近1000℃，但只是空氣單預(yù)熱，混合煤氣沒有被預(yù)熱。當(dāng)預(yù)熱到1000℃的空氣與煤氣混合時，只相當(dāng)于空氣被預(yù)熱到550℃，混合煤氣被預(yù)熱到450℃。而2號爐采用煤氣空氣雙預(yù)熱方式，從爐膛出來的熱煙氣通過第一個換熱器先預(yù)熱空氣，從第一個換熱器出來的煙氣再通過第二個換熱器預(yù)熱混合煤氣。2號爐被預(yù)熱的空氣溫度為451.33℃，混合煤氣溫度為292.63℃，蓄熱式燒嘴預(yù)熱的空氣煤氣溫度比傳統(tǒng)加熱溫度高出不到100℃，如果混合煤氣也能預(yù)熱到接近1000℃，那蓄熱式加熱爐的節(jié)能效果相當(dāng)?shù)目捎^。

表2 3號加熱爐空氣預(yù)熱溫度

2)爐膛尺寸比較

2、3號加熱爐都有預(yù)熱段、一加熱段、二加熱段、均熱段四段組成，具體各段的長度見表3。3號爐的預(yù)熱段與均熱段較長，換熱段較短，2號爐的爐膛尺寸為1327m3，而3號爐的爐膛要比2號爐大26%，達(dá)到1672m3。據(jù)相關(guān)理論蓄熱式加熱爐的爐膛應(yīng)比傳統(tǒng)加熱爐爐膛小10～25%即可滿足加熱的要求，但3號爐爐膛卻比2號爐大，所以3號爐要升高相同的爐膛溫度，需要消耗更多的混合煤氣。

表3 2、3號加熱爐各段長度

3）煙氣走向

3號加熱爐安裝了蓄熱式燒嘴的預(yù)熱段上部段、下部段，一加熱段上部段、下部段，二加熱段上部段、下部段，均熱段下部段的大部分煙氣走向為橫向交叉流動，只有少部分的煙氣與均熱段上部段燒嘴產(chǎn)生的煙氣從爐尾（出料端）抽到爐頭（進(jìn)料端），通過煙道排出去；而2號爐所有的煙氣是從爐尾（出料端）抽到爐頭（進(jìn)料端），通過煙道排出去，與鋼坯的行進(jìn)方向正好相反，煙氣在流動過程中，持續(xù)的加熱爐膛中的鋼坯，所以到換熱段的煙氣溫度為668℃；而從蓄熱式燒嘴出來的煙氣溫度接近爐膛溫度，見表4。

表4 3號爐煙氣出爐膛溫度

4）側(cè)墻表面散熱

從圖3可以看出，除了3號爐的預(yù)熱段溫度略低于2號爐，其他各段均高于2號爐，散熱比較嚴(yán)重，這也將造成能量的浪費。

5）空燃比比較

蓄熱式燒嘴將空氣溫度加熱到1000℃左右，可提高混合煤氣的燃燒質(zhì)量，減少空氣的消耗。測試期間，2號爐的平均空燃比為2.64，3號爐的平均空燃比為2.15，消耗相同的燃料，2號爐比3號爐需要多消耗23%的空氣量，將多產(chǎn)生15%的煙氣量，按照2號爐的排煙溫度與排煙量計算，2號爐每小時將多損失標(biāo)煤119kgce。

4 結(jié)語

1)蓄熱式燒嘴從節(jié)能環(huán)保角度講是一項很好的技術(shù)，可以將空氣、煤氣預(yù)熱到很高的溫度，一般而言，預(yù)熱空氣溫度每提高100℃，可使理論燃燒溫度提高50℃左右[5,6]，可使燃燒更充分，加熱更均勻，可使低熱值的煤氣合理利用；也可提高燃燒質(zhì)量，減少空氣的消耗，降低空燃比，減少了煙氣量，減少了煙氣帶走的熱量損失。

2)采用蓄熱式燒嘴的加熱爐可使排煙溫度降低到150℃以下，可極限回收煙氣余熱，節(jié)約了能源。

3)現(xiàn)在的蓄熱式加熱爐普遍采用空氣單預(yù)熱的方式，如果能實現(xiàn)煤氣、空氣雙預(yù)熱，將充分提高燃燒質(zhì)量，進(jìn)一步減少空氣消耗，節(jié)約能源，減少環(huán)境污染。

4)在進(jìn)行加熱爐蓄熱式改造時，在滿足加熱質(zhì)量的條件下適當(dāng)調(diào)整爐膛的高度，減少爐膛空間，可減少能量的浪費，提高爐墻的保溫效果，減少散熱帶來的能量損失。

5)要使蓄熱式加熱爐全爐整體上節(jié)能，需將蓄熱式燒嘴最優(yōu)化設(shè)計組合，合理分配加熱爐各段熱負(fù)荷。

[1]祁海英、徐旭常.中國開發(fā)應(yīng)用高溫空氣燃燒技術(shù)的前景.Procedings of Beijing Symposium on highTemperature Air Combustion，Beijing，1999(10)：191～193

[2]王振宙，朱榮.蓄熱式加熱爐在唐鋼高線廠的應(yīng)用[J].工業(yè)爐，2003，(1)：14-16

[3]徐永圣，吳道洪.新型蓄熱式燃燒技術(shù)在南鋼中板廠的應(yīng)用[J].鋼鐵，2004，39(3)：54-56

[4] Y.Suzukawa.R.egenerative,Burner Heating System.Procedings of Beijing Symposium on highTemperature Air Combustion，Beijing，Oct.1999

[5]Don Lupton，Regenerative Burner in Bloom Reheating Furnace，Steel Times Intemational,1989，13(5)：21-24

[6]蔣紹堅，艾元方，彭好義等.高溫低氧燃燒技術(shù)及其高效低污染特性分析.中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，3(14)：311～314