新型蓄熱燃燒裝置的形式與設計

李志軍， 王 俊， 馬 標， 楊萬軍

(南京凈環熱冶金工程有限公司， 江蘇 南京 210016)

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新型蓄熱燃燒裝置的形式與設計

李志軍， 王 俊， 馬 標， 楊萬軍

(南京凈環熱冶金工程有限公司， 江蘇 南京 210016)

新型蓄熱燃燒裝置是實現高溫空氣燃燒技術的關鍵設備。介紹了蓄熱式燃燒的優點，蓄熱燃燒裝置的選用原則、主要形式及參數設計方法。

燃燒裝置； 蓄熱式； 設計； 選型規律

引 言

新型蓄熱燃燒裝置是實現高溫空氣燃燒技術(High Temperature Air Combustion ，簡稱HTAC)的關鍵設備。說得更準確一點，高溫空氣燃燒技術應該叫高溫低氧燃燒技術，它包含高溫空氣助燃和低氧空氣燃燒兩方面的含義。這是燃燒技術的—項再創新成果，為降低能源消耗，減少溫室氣體(CO2)和有毒氣體(NOx)的排放，提供了一個有效手段。

高溫低氧燃燒技術包含兩方面的特點，其一是余熱回收率高，可以節約燃料同時減少CO2排放；其二是低氧燃燒，可以大幅度減少NOx的排放濃度。此項技術的核心則是新型蓄熱設備的采用。

作為節能與減少NOx排放的創新技術――環境友好型蓄熱燃燒技術，己經在中國得到普遍應用，并取得了重大成果。但是，通過這幾年的實踐表明，這一技術在應用中有一定的限制條件，而且在爐型結構、燃燒系統和燃燒裝置、換向設備、自動化控制精度等方面還有不少問題，有待進一步完善。

1 蓄熱式燃燒裝置的選用原則

高爐煤氣加熱爐采用蓄熱燃燒技術，能夠最充分發揮該技術的優點，因此凡是有高爐煤氣富余的企業，無論新建或改建，都應優先選用高爐煤氣蓄熱式加熱爐，且應設置雙煙囪。

當氣體燃料低熱值在≤1600×4.186 kJ/m3時，空氣蓄熱所占的煙氣量約為60%～40%，煤氣蓄熱所占的煙氣量約為40%～60%，全部煙氣幾乎能完全回收利用。當決定采用蓄熱燃燒方式，而且煤氣質量許可的條件下，可以選用雙蓄熱系統。單蓄熱時應設副煙道和輔助排煙煙囪。

選擇蓄熱燃燒裝置的形式時，除要考慮燃料種類和發熱值外，還要統籌考慮爐子結構是否適應，加熱質量是否能滿足要求，經濟上是否合理，安全操作是否有保證等因素，必要時做出方案比較。

2 蓄熱燃燒裝置的主要形式

2.1 內置通道式蓄熱燃燒裝置

將蓄熱室和空氣、煤氣及煙氣通道都設置在爐墻內，每個控制段分別設置若干個空氣蓄熱室和煤氣蓄熱室，相應地分別設置一套空氣五通換向閥和一套煤氣五通換向閥，經空氣換向閥排出的煙氣和經煤氣換向閥排出的煙氣由各自的引風機抽出。蓄熱式空、煤氣雙預熱的推鋼式加熱爐簡圖如圖1所示。

圖1 內置通道式雙蓄熱推鋼式加熱爐示意圖

這是中國早期的蓄熱燃燒系統，適用于低熱值氣體燃料(高爐煤氣)的雙蓄熱系統，爐墻上設置空氣和煤氣噴口，有的一排布置，空氣和煤氣噴口相間；有的兩排布置，上加熱段空氣噴口在上，煤氣噴口在下，下加熱段則相反。采用集中換向，燃燒控制簡單，且上、下熱負荷無法調節，相鄰噴口的熱負荷也無法調節，因此控制水平低；爐墻內置球體蓄熱室和煤氣、助燃空氣通道，爐墻厚達1 m，內模結構復雜，澆注施工難度大，維修工作量大；換向時有一定量的煤氣和空氣直接進入煙氣中，加之爐墻出現裂紋時會造成空、煤氣互竄，因此有一定安全隱患。但燃燒系統比較簡單，可用于加熱溫度控制精度要求不高、爐膛寬度較小的加熱爐和熱處理爐。

蓄熱小球的直徑一般為Φ12～20 mm，蓄熱室內氣流的空塔速度為1～2 m/s，蓄熱室內蓄熱球高度約0.7 m，蓄熱室的設計要考慮裝、卸球的方便。氣流的噴出速度根據爐膛寬度、煤氣壓力、鼓風機和引風機的壓頭以及噴出流股大小等因素，一般在10～40 m/s范圍內選擇。

2.2 燒嘴式雙蓄熱燃燒裝置

燒嘴式蓄熱燃燒裝置是目前國內軋鋼蓄熱式加熱爐上比較普遍采用的形式，適用于低熱值氣體燃料(高爐煤氣及低熱值混合煤氣)雙蓄熱系統。蜂窩蓄熱體做成燒嘴的形式直接插入爐墻一定深度，通過噴口將空氣或煤氣噴入爐內混合燃燒。噴口的結構也有兩種，一種是空氣和煤氣噴口水平布置成一排，空氣和煤氣噴口相間，空氣和煤氣噴口都設計成“V”字形成兩路噴出，同相鄰的煤氣或空氣流股混合燃燒；另一種是空氣和煤氣噴口水平布置成兩排，空氣和煤氣噴口相向，空、煤氣在爐內相交混合燃燒，上加熱段的空氣噴口在上，煤氣噴口在下，下加熱段則相反，如圖2所示。

圖2 燒嘴式雙蓄熱燃燒裝置示意圖

圖3 燒嘴式單蓄熱燃燒裝置示意圖

燒嘴式蓄熱燃燒裝置可以采用全分散換向或分組換向，也可以采用分段集中換向或分側集中換向。由于燒嘴布置等方面的原因，蓄熱體宜采用體積緊湊的蜂窩體。目前普遍使用的蜂窩體形式有正方型和六邊形兩種格孔，格孔尺寸的大小要考慮燃料的潔凈情況、蜂窩體的使用壽命和放置部位等因素，一般取邊長3～8 mm，壁厚0.5～1.5 mm。蜂窩體的流路長度為400～800 mm。為延長換向周期，目前設計中有增加流路長度和加大格孔尺寸的趨勢。格孔內氣流的速度一般選取1～3 m/s。氣流的噴出速度根據爐膛寬度、煤氣壓力、鼓風機和引風機的壓頭，以及噴出流股大小和燃料熱值等因素做選擇，一般在40～80 m/s范圍內取值。

2.3 燒嘴式空氣單蓄熱燃燒裝置

燒嘴式空氣單蓄熱燃燒裝置適用于較高熱值氣體燃料(如焦爐煤氣、較高熱值的混合煤氣、天然氣)的單蓄熱系統。在結構上，有的將煤氣管設置在空氣蓄熱室中心，有的設置在兩側，也有的設置在下方。煤氣要與空氣同步換向，一般都采用全分散換向系統，煤氣換向用快切閥或三通閥。圖3為使用混合煤氣的單蓄熱燒嘴，煤氣管設置在空氣蓄熱室中心。

2.4 日本HRS型單蓄熱燃燒裝置

HRS型單蓄熱燒嘴的結構如圖4所示，其特點如下：

1)采用陶瓷蜂窩體，結構緊湊。

2)空氣從燒嘴中心區直接以高速噴出，能促進爐內氣流循環。

3)一次煤氣噴口不放在燒嘴磚通道內，而是縮在燒嘴磚的后面，有效地防止了蓄熱期流入的高溫煙氣對噴口的氧化作用或結焦。

4)一次煤氣(F1)沿燒嘴磚通道的內表面噴出，二次煤氣(F2) 是在燒嘴通道的端面直接噴向爐內。調節F1和F2的比例可以使火焰的形態與爐子的內形相適應。Fl方式主要用于冷爐升溫(爐溫800 ℃以下)，正常情況下(爐溫800 ℃以上)就切換成F2方式。

5) HRS型燒嘴使用時，高速、高溫的熱空氣是被煙氣稀釋后參與燃燒的，爐內溫度很均勻，不僅抑制了NOx的生成，熱軋加熱爐上使用時還減少了軋件的氧化燒損，提高了鋼材的產品質量。用于間接加熱的裝輻射管的熱處理爐上能延長管體的使用壽命。

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

燃料種類: 高熱值煤氣，液化天然氣，混合煤氣等；

配套設備: 獨立閥或四方閥(CEM)；

結構特點:燃料分兩次供入，NOx濃度低；緊湊的一體化結構。

HRS型燒嘴的改進型：

如圖5所示是一種新研制的HRS系列的明火型燒嘴，比以前的結構更緊湊，其特點是不再把燃料分兩處通入，陶瓷蓄熱體裝在圓筒形的盒內而省去了原先的蓄熱室。還新開發了三通切換閥，和燒嘴裝在一起，從而使煙氣和空氣切換時的時滯最小，燃料不需要中斷供應，同時提高了爐內含氧量的控制特性。目前改進型燒嘴能力在1 MW(860000×4.18 kJ/h)以下的已經系列化生產。

圖4 HRS型單蓄熱燒嘴示意圖

燃料種類：煤氣；

配套設備：火焰監視，預混式點火燒嘴，蜂窩狀蓄熱體，三通閥等；

結構特點：緊湊的一體化結構；燃料和空氣分別一次供入并直噴爐內，NOx濃度極低；空氣換向用三通閥。

2.5 美國Bloom 公司低NOx單蓄熱燃燒裝置

美國Bloom 公司低NOx單蓄熱燃燒裝置的結構如圖6所示。

其特點如下：

1)低NOx生成量；

2)噴口處有導向磚，既可給空氣和煤氣流股導向，又可防止爐內高溫輻射造成蓄熱體損壞；

3)燒嘴與蓄熱器為緊湊式結構，煤氣與空氣混合燃燒好，可以按需要設計火焰形狀和尺寸；

4)采用球狀蓄熱體，較之蜂窩體有較長的使用壽命；

5)當改變燃料種類或熱值時，改造工作量較小；

6)裝球、卸球方便。

Bloom燒嘴系列：

型式：按照NOx排放濃度不同，分為1080型、1100型、1150型三種系列(表1為Bloom公司1150型低NOx燒嘴系列)；

燃料種類：天然氣、焦爐煤氣、液化石油氣、6#燃料油；

燃燒能力：(48.8～8840)×103×4.18 kJ/h；

附件：紫外線火焰監視，直接電點火；

配件設備：PLC。

圖5 HRS改進型單蓄熱燒嘴示意圖

圖6 Bloom 1150型低NOx蓄熱式燃燒器

規格號額定燃燒能力/(103Kcal·h-1)燒嘴磚外徑/mm預計火焰長度/m預計火焰直徑/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) 表中火焰尺寸是當α=1.1，燒嘴前空氣壓力為300 mm H2O時的預計值；2) 火焰形狀和尺寸可以按需要設計。

3 蓄熱室參數

3.1 空塔流速

一般按空塔速度0.8～1.6 m/s設計，由蓄熱室斷面形狀條件和設計者確定的結構確定。

3.2 氣流行程

氣流行程一般為500～800 mm，長行程換熱效果好、換向時間長，但阻力損失大。

3.3 氣流阻力

目前尚無統一公認的公式。

一般情況下(對于蜂窩體，孔徑Φ4～9 mm，壁厚0.8～1.5 mm；對于蓄熱球直徑為Φ10～20 mm)，氣流行程500～800 mm，內阻力損失一般按1000 Pa計。

3.4 噴口氣體速度

蓄熱室噴口氣體速度可按低壓氣流噴出公式進行計算

式中W為氣體噴出速度(m/s);φ為流速系數，一般為0.7～0.9之間;ΔP為氣體噴出前后的壓力差(Pa);r為噴出氣體的重度(kg/m3)。

4 結束語

隨著蓄熱式燃燒技術的不斷發展，蓄熱燃燒裝置型式越來越多，但國內蓄熱式燃燒裝置多為非標設計，產品開發深度不夠，大多未獲得有效的試驗數據支撐，如何將蓄熱式燃燒裝置標準化、產品化是未來蓄熱燃燒裝置發展的主題。

[1] 蔣次強，張永全，張樹強，等. 蓄熱式燒嘴在加熱爐上的應用與改進[J]. 軋鋼，2010(4)：71—72.

[2] 陳珠云，孫玉平，馬林，等. FZ-空氣單蓄熱燒嘴在熱處理爐上的應用[J]. 工業爐，2015(5)：16—18.

2016-06-18

李志軍(1980—)，男，工程師。E-mail:shupashupa@163.com

TF066.1