（冶金工程专业论文）蓄热式钢包烘烤器的设计及应用研究.pdf

辽宁科技大学工程硕士论文 摘要 摘要 蓄热式燃烧技术是燃烧学和热工领域的一项重要的技术革命，研究蓄 热式燃烧过程及其在钢包烘烤器上的应用，对进一步发展这项技术的理论 和应用具有重要意义。 本文针对蓄热式燃烧的基本特征，采用理论计算与现场工程设计相结 合的方法，研究了蓄热式燃烧技术在钢包烘烤器上的应用效果。主要内容 包括： 1 ) 、系统的阐述了蓄热式燃烧技术的原理、特点，归纳了近年来蓄热 式燃烧技术在我国的研究成果和当前存在的问题，分析了该技术在我国的 发展和应用前景，丰富了对这项先进燃烧技术的认识。 2 ) 、详尽的总结出了蓄热式燃烧钢包烘烤器的燃烧系统的设计计算方 法，给出了系统热平衡、蓄热室以及烧嘴的计算公式，并对这三个重要的 方面进行了系统、科学的分析，为工程设计提供了必要的理论依据。 3 ) 、现场研究了蓄热式燃烧计算在钢包烘烤器上的应用效果，获得出 该技术节能、环保以及经济效益方面的具体数据，为蓄热式燃烧技术从理 论向实践的转化提供了参考。 关键词：蓄热式燃烧，钢包烘烤器，理论计算，应用研究 辽宁科技大学工程硕士论文 a b s l - r a c t a b s t r a c t r e g e n e r a t i v e c o m b u s t i o nt e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t i n n o v a t i o ni nt h ef i e l do fc o m b u s t i o na nt h e r m a lp r o c e s s t h i sp a p e rs t u d i e d r e g e n e r a t i v ec o m b u s t i o nt e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o ni nt h el a d l ep r e - b e a t e r i t ss t u d yi so fm o m e n t o u st h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rf u r t h e r d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fr e g e n e r a t i v ec o m b u s t i o nt e c h n o l o g y t h ep a p e rr e s e a r c h e di n t ot h et h e o r yo fr e g e n e r a t i v ec o m b u s t i o na n d a p p l i c a t i o ne f f e c ti nt h el a d l ep r e - h e a t e r , c o m b i n e da c a d e m i cc a l c u l a t i o n sa n d l o c a l eo fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，a i m e da tt h eb a s i cf e a t h e ro fr e g e n e r a t i v e c o m b u s t i o nt e c h n o l o g y t h ep r i n c i p a lc o n t e n t so ft h i sw o r ka r es u m m a r i z e da s f o l l o w i n g ： 1 ) t h eb a s i cp r i n c i p l e ，m a i nc h a r a c t e r i s t i c sa r ei l l u s t r a t e d ，t h er e c e n t r e s e a r c h p r o d u c t i o n a n ds o m ee x i s t i n g p r o b l e m s a r es u m m a r i z e d ，t h e d e v e l o p i n ga n da p p l y i n gf o r e g r o u n d a r ea n a l y z e d ，i ti sa f f l u e n ti nt h e c o g n i t i o no ft h et e c h n o l o g y 2 ) e a l c u l a t i v em e t h o d sa r es u m m a r i z e d a b o u tt h e d e s i g n i n g o f r e g e n e r a t i v el a d l ep r e h e a t e r ，c a l c u i a t i v ef o r m u l a sa b o u tt h e r m a lb a l a n c ei n t h es y s t e m ，r e g e n e r a t o ra n db u r n e r a r ee d u c e d ，a n dt h r e ea s p e c t sa r e a n a l y z e ds y s t e m i c a l l y a n ds c i e n t i f i c a l l y t h ew o r ko f f e r e da c a d e m i c f o u n d a t i o nf o r t h ee n g i n e e r i n gd e s i g n 3 ) a p p l i c a t i o ne f f e c t so fr e g e n e r a t i v el a d l ep r e h e a t e ra r es t u d i e di nt h e a p p l i e dl o c a l e t h ei d i o g r a p h i cd a t u ma r eo b t a i n e di nt h ee n e r g y 。s a v i n g e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de c o n o m i cb e n e f i t s t h er e f e r e n c e sa r eo f f e r e d f r o mt h e o r i e st op r a c t i c e s k e y w o r d s ：r e g e n e r a t i v e c o m b u s t i o n ，l a d l e p r e - h e a t e r ，a c a d e m i c c a l c u l a t i o n ，a p p l i c a t i o na n ds t u d y i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得辽宁科技大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 期：塑量：兰：三2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：参坌亟导师签名：。垒兰：参 日期：塑至：! ：二2 辽宁科技大学工程硬士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 我国钢铁工业的发展、能源消耗及环保工作现状 最近几十年来我国钢铁工业的发展非常迅速，钢产量持续上升，从 1 9 8 0 年的4 0 0 0 万吨上升到2 0 0 7 的4 9 亿吨，我国钢的产量连续多年居世 界第一位，有力地支持了近年来国民经济持续有序的增长。钢铁工业同时 又是一个耗能大户和污染物排放的大户，据2 0 0 1 年的统计，我国钢铁工 业的能耗约占全国能耗的l l 左右，排放的废水和废气约占工业排放总量 1 4 ，固体废物约占工业废物总量的1 6 ，资源和环境问题成为影响钢铁 工业可持续发展的重要问题而倍受关注。 近年来通过工艺结构优化等措施，钢铁企业的节能降耗工作取得了长 足进步，吨钢综合能耗从1 9 7 8 年的2 4 2 5 k g 标煤吨钢下降到2 0 0 7 的6 3 2 k g 标煤吨钢。但由于起点低，装备和技术落后，经营管理不善，劳动生产率 低等原因，吨钢能耗仍然与国际水平有较大差距。表1 1 为我国近几年 吨钢平均能耗。 表1 1 。十五”期间我国钢铁工业能耗情况图 吨粥综合能耗( 吨标煤吨俐卜钢铁：i ：q 业总耗舒芝占全陶比重 另外，钢铁生产每一工序都会产生粉尘、废气。大量的烟尘和高温废 气s 0 2 、c 0 2 、n o x 等对环境造成很大的影响。在我国，钢产量大幅度增 长的同时，废气排放总量逐年增加，如表1 2 所示。 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代以来，先进环保技术的采用和环保工程的实施保证了 环境的改善。一批企业在资源回收利用、控制污染、废气净化、可燃气体 回收利用等方面取得进展，使各主要污染物的排放总量的增加幅度较小， 主要环保指标有所改善。但从长远考虑，我国钢铁工业仍面临着资源短缺、 污染生态环境的潜在危机。虽然宝钢等企业的环保水平和排放指标达到了 国外水平，但是全国钢铁企业环保平均水平与国外同类企业相比存在一定 差距，净化设施和技术相对落后，环保意识和管理体系落后，节能降耗技 术未普遍推广应用，环保产业和节能环保的科研工作不够深入，这些因素 制约了冶金环保水平的迸一步提高。 随着竞争的日益激烈，钢铁企业现行的生产方式面临严峻挑战，传统 的工业炉燃烧技术因热效率低、污染严重等问题已不能满足现代化钢铁工 业的要求。钢铁企业必须适应国际市场需要，以科技为先导，管理为基础， 向高效清洁节能方向发展，走可持续发展之路。在节能环保方面，要改革 高耗能工艺，使工艺过程合理化；采用高新技术改造传统产业，应用先进 的工艺和技术，提高钢铁生产技术装备水平，推选新燃烧技术，降低生产 过程能源消耗和生产成本，减少废气的排放。 1 2 高温空气燃烧技术的发展和在钢铁工业中的应用 传统的燃烧概念是利用含氧2 l ( 空气) ，含氧2 1 以上( 富氧空气) 甚至含氧1 0 0 ( 纯氧) 的气体与可燃物质反应。后来又开始在工业炉窑 内将助燃空气预热( 如回收排气余热) 后进幸亍燃烧，以获取工业生产所需 更高燃烧温度和提高热利用率。 二十世纪八十年代初，英国燃气公司( b r i t i s hg a s ) 与热工发展公司 ( h o tw o r kd e v e l o p m e n t ) 联合开发出一种以陶瓷球为载热体的蓄热式废 热回收系统，使助燃空气预热温度可以在工业生产条件下，稳定地达到 1 0 0 0 c 。这是当时工业窑炉废热回收领域内的一项重大技术进步。尽管这 2 辽宁科技大学工程硕士论文第一章绪讫 种燃烧器具有n o x 排量大和系统可靠性差等问题，但由于它能使烟气余热 利用率达到接近极艰的水平。节能效益巨大，因此在美国、英国、日本等 国家得以推广应用。具有较高比表面积的蜂窝陶瓷体替代陶瓷球蓄热介 质，获得了更为有效的蓄热换热效果。 蓄热材料和换向技术的发展，以及降低污染物排放的需求，推动了燃 烧技术的进步。八十年代末田中良一等人提出一种新概念燃烧技术高 温空气燃烧技术( h i g h t e m p e r a t u r e a i r c o m b u s t i o n ，简写为h t a c ) 。该技 术主要包含两项基本技术手段：一是最大限度地回收废气的余热，将助燃 空气和煤气预热到较高的温度；一是利用燃烧烟气回流等措施降低燃烧区 的含氧体积浓度，使燃烧在低氧气氛下仍可保证稳定燃烧。这种燃烧过程 类似于一种扩散控制式反应，不存在局部高温区，n o x 生成受到抑制。同 时。在低氧环境下，燃烧火焰具有与传统燃烧截然不同的火焰特征。作为 一项新的燃烧技术，高温空气燃烧由于它的高效节能、传热均匀和低污染 特征，自问世起就受到西方先进工业国家的高度重视和推广使用，取得了 显著的节能环保效益， 在蓄热式燃烧技术的基础上发展起来的高温空气燃烧技术至今已有 1 0 余年的历史，正朝着在不同的领域中应用这项技术的方向发展，其中在 钢铁行业的加热领域的节能和清洁燃烧方面的成果尤为显著。 高温空气燃烧技术在钢铁工业中得到较好应用的国家是日本。日本政 府将该技术列为国家“高效能工业炉开发”项目。1 9 9 7 年京都会议上日本政 府承诺到2 0 1 0 年使温室气体c 0 2 的排放量降低6 ，加速了这一项目的实 施。日本工业炉株式会社于1 9 9 21 9 9 8 年的6 年同。在1 5 0 台工业窑炉 上应用其开发的高温空气燃烧器近9 0 0 台套，取得l o 3 0 甚至更高的节 能效益。在其他欧洲的国家如意大利、德国，h t a c 技术也得到了很好的 应用目前，西方工业发达国家仍在大力开展h t a c 技术的工业推广应用。 并提出污染物零排放的研究目标。在马来西亚、印度尼西亚、台湾等一些 亚洲国家和地区，由于日本政府的支持，高温空气燃烧技术得到了很好的 推广应用。 1 9 9 9 年1 0 月，在中国科协工程学会联合会的支持下，中南大学能源 与动力工程学院与北京神雾热能技术有限公司、清华大学、中国国际会议 科技术中心等单位共同承办了国际高温空气燃烧技术的节能与环保的双 重优势，掀起了国内广泛开民用工业此项新技术的基础理论研究和工业推 广应用的热潮。近五年来，北京神雾、北岛、力通、鞍山热能研究院等多 辽宁科技大学工程硕士论文 第一章绪论 家热能技术实体与钢铁企业合作运用高温空气燃烧技术对全国数十家钢 铁企业的数百台套热工设备进行了蓄热式改造，取得了显著的节能效果， 为我国的钢铁企业带来近千亿元的经济效益，引起了我政府有关部门和工 业界对进一步推广此项技术的高度重视。 1 3 高温燃烧技术在我国开发和应用的前景 尽管蓄热式燃烧技术在我国钢铁行业的加热领域得到大面积的推广， 但总的来讲，以高效蓄热式余热回收和低n o x 为根本性的高温空气燃烧技 术在我国的发展才刚起步，该技术的工业应用，还没有脱离常规燃烧技术 的范围，仅仅是当成研制一种用于余热回收的特殊烧嘴。目前我国工业窑 炉行业所面f 临的总是如何是如何实现大量余热资源的充分利用，这对于企 业来说是迫在眉睫的任务。但面对我国经济的迅速发展和大气环境污染状 况严重恶化的局面，就当应而且也必须在技术可行的条件下，节能与环保 两手抓，探索并走出一条我国自己的节能与污染控制并重的路子。 、 无论从节能还是环保两方面来看，中国都应当大力发展高温空气燃烧 技术，并且应该在工业窑炉领域广泛推广应用。中国产业的能耗现状、燃 烧设备能源结构的变化趋势、市场潜力和我们拥有的技术实力和工业基础 都为发展这项技术提供了必要的基础和良好的条件。 我国钢铁行业能耗仍高于国外先进企业，大多数钢铁企业的余热回收 利用率在3 0 5 0 ，其能占生产成本的3 0 4 5 ，余热回收率低是因为大 量的排烟损失，这使得热效率低而单位能耗较高。常规换热技术受材料的 影响热回收率低，无法从根本上实现烟气余热的极限回收利用率，而采用 蓄热式燃烧技术余热回收利用率已达到9 2 以上。所以从能耗和烟气余热 的潜力来看，高温空气燃烧技术的应用将为提高我国工业炉行业的经济效 益开辟广阔的市场。从我国能源结构来看，近年来一直提倡进以煤为主的 结构，加大燃油和燃气比例，以减轻环保压力，这也是显示出高温空气燃 烧技术在今后应用范围更加广泛。 此外，我国传统窑炉热效率低，燃烧室容积热强度大。是高能耗和高 污染的装置。因此，控制污染首先就是要降低能耗，以减少原来浪费的那 部分能源所造成的污染物的排放，其次，要采取措施提高燃烧效率，降低 粉尘、s 0 2 和n o x 的排放，这恰好符合高温空气燃烧技术的技术特征，即 高效、节能和低n o x 。 4 辽宁科技大学工程硕士论文第一幸绪论 在冶金工业“十五”规划中指出了节能降耗与环保的目标：到2 0 0 5 年， 嚏钢综合能耗下蜂到$ o o k g 标煤以下。主要污染物排放总量在2 0 0 0 年的 基础上再削减1 0 。根据钢铁工业可持续发展的对策在具体实施上应重 点推进和开发相应的技术，以推钢铁工业可持续发展的进程，高温空气燃 烧技术作为一种的高效节能环保技术，将得到重点的普及和推广应用。 1 4 铜包烘烤技术在我国的发展和应用 随着冶炼技术的发展，钢包的职能发生了很大的变化，它不仅是运送 钢水的工具，更主要是成了钢水精炼工艺的一个组成部分。钢包烘烤的目 的是均匀地提高钢包内衬的温度水平，以减少钢水浇注过程的热损失和延 长钢包内衬的使用寿命。在钢包烘烤器的发展过程中，有三个方面的进步 对提高钢包烘烤的效率和质量比较明显：( i ) 钢包加盖；( 2 ) 烧嘴的改迸； ( 3 ) 余热的利用。 种最原始的钢包烘烤输送法是把一根煤气管直接插入到敞口的钢 包内。这种烘烤装置的熟效率裙当低，大约有9 0 的热量郁敬失到大气中， 并且其操作和控制完全凭经验进行。钢包加盖后，烘烤器主要由个钢结 构和耐火材料做成的钢包盖和垂直于钢包盖安装的烧嘴构成，大大提高了 热效率。 。最初的烘烤器上使用的是套管式燃烧器，这类燃烧器的火焰上飘，刚 性不足，热量难以达到钢包底部，而在钢包上部则易造成过热，造成上下 温差达到2 0 0 1 2 。高速烧嘴烘烤器的出现，提高了烘烤质量、烘烤速度和 烘烤温度。但高速烧嘴在使用中噪音较大，而且烧嘴头的寿命较短，一旦 损坏，火焰的特性将完全改变，烘烤质量将大大下降。另外，在烘烤过程 中还有相当一部分热量随废气经钢包上沿的爿 出而散失掉，从而限制了热 效率的提高。 随着烘烤器在设计和加热方法上的改进，出了自身预热烧嘴，克服了 高速烧嘴在这方面的缺陷。它将烧嘴，换热器和排烟装置结合于体，结 构紧凑，具有较高的余熟回牧率和节能率。一般在钢包温度为1 0 0 0 c 对， 空气预热温度可达3 0 0 4 0 0 ，节能1 5 以上。 + 自身预热烧嘴在钢包烘烤器中的应用也并非十分完美，其空气预热温 度也难以高于烟气湿度5 0 的水乎，其余热资源的利用还有很大的潜力。 用蓄热式烧嘴系统可以把空气温度预热到烟气温度9 0 的水平，从而大幅 辽宁科技丈学工程硬士论文第一章绪论 度提高了余热得用率。 1 5 本研究工作的主要任务、内容和意义 在冶金行业，炼钢一连铸一轧钢工艺中的钢包烘烤设备是非常重要的 热工设备，每年消耗大量的燃料并排出大量的废气。在我国这样一个能源 相对紧张、环保压力大的钢铁大国，这些设备的高效、清洁尤为重要。传 统的燃烧技术因大量的烟气余热得不到有效的回收利用、系统热效率低、 污染严重等问题已不能满足现代化钢铁工业的可持续发展要求。具有高效 节能和低污染排放特征的蓄热式燃烧技术为我国钢铁行业热工设备的发 展方向创造了条件。 但目前我国钢铁行业在蓄热式燃烧设备的设计、开发和使用方面，基 本上采取模仿国外的设备，技术并加以消化吸收的方式，普遍注重的是 h t a c 新技术的节能效果，缺少对蓄热式燃烧火焰的高效加热特征( 如加 热速度和加热温度均匀性等) 的研究，也轻视了对污染物n o x 排放的控制。 因此，在大力推动蓄热式燃烧技术工业应用的同时，有必要对该项技术在 我国钢铁工业热工设备上的应用进行深入、系统的研究，找出可能存在的 问题并提出改进措施，在工业燃烧设备上真正实现高温空气燃烧。 本文作者利用多年来在工程实践中积累的丰富经验和理论基础，对高 温空气燃烧技术在钢包烘烤器上的应用做进一步的探求，主要研究任务和 内容如下： ( 1 ) 系统地阐述高温空气燃烧技术的基本原理、主要特点、研发现 状及存在的问题，解析蓄热式燃烧技术在我国的发展和应用情况； ( 2 ) 通过对高温空气燃烧基本特征的研究和理解，利用现有的流体 力学、传热学、燃烧学等原理，对蓄热式钢包烘烤器的设计应用进行系统 的计算、描述。 ( 3 ) 现场研究钢包烘烤中蓄热燃烧技术的应用，通过对采用蓄热燃 烧技术的钢包烘烤系统与采用传统燃烧技术的钢包烘烤系统进行对比测 试，并进行多工况条件下的现场实验，分析该加热技术的特点。 ( 4 ) 打破日本等工业发达国家行业协会对蓄热式燃烧关键技术的封 锁，缩小我国与西方工业国家在用能技术上的差距，帮助国内企业作好蓄 热式燃烧技术的开发和应用工作，并在此基础上开展进一步的科学研究。 6 辽宁科技大学工程硕士论文第= 章文献综述 2 1 引言 第二章文献综述 钢包是盛储钢水的容器，又是冶炼设备的组成部分。钢水在装入钢包 后的传输和浇铸过程中要损失大量的热量，其热量损失大致分为三部分； 第一部分为钢水上表面( 钢包口) 的辐射热损失；第二部分为钢包外壳表 面的综合散热损失；第三部分为钢包内衬的蓄热损失。其中以钢包内衬的 蓄热损失为主。从盛钢到浇钢的4 0r ni n 时间内，铜包内衬的蓄热量为 6 5 1 0 6 k j ，其消耗钢水的温度约9 0 ( 冷包直接盛钢会出现炸包事故) ， 加上其它热损失，不得不将炼钢温度再提高，如果考虑过程耽搁，炼钢温 度还得提高。采取提高出钢温度的方法来弥补钢包盛钢期间钢水的温度损 失是不经济的，过度地提高炼钢温度不仅处长了炼钢时间，降低钢产量， 增加了原材料( 耐火材料) 和动力能源消耗，缩短熔炼炉的检修周期，而 且容易造成连铸生产的波动和铸坯的质量缺陷。因此采取各种技术措施， 在保证连铸合理的浇铸温度前提下，减少连铸工艺过程系统的钢水温降， 适当降低出钢温度，无疑对炼钢和连铸生产都有实际意义和明显的经济效 益。 早在“七五”期间，国家就大力提倡“红包”出钢，即将钢包预热到9 0 0 以上。但在实际操作上，由于早期烘包设备的简陋和炼钢厂对热工技术的 忽视，这一目标无法达到。压缩空气助燃的套筒烧嘴很长时间在这一领域 占主导地位，其风、煤气比难以调节，火焰特性不稳定，火焰达不到包底， 包底温度低，其热效率之低令人难以置信，而且还要消耗掉大量的压缩空 气、电力等其它资源。而发达国家则烘至1 4 0 0 ，烘包器热效率大于5 5 。 2 2 工业发达国家的经验 俄罗斯的经验是采用沉入式烧嘴，即将烧嘴的喷口沉入到钢包的底 部，整个烧嘴本体置于钢包之中“烧热”。第聂伯钢铁公司采用r k 3 0 0 1 1 型 多孔新型烧嘴，可将钢包烘至1 4 0 0 ，热效率高达5 5 6 0 。这种烧嘴 结构庞大，采用耐热钢制造，造价昂贵，不适合我国国情。 日本的经验是采用t r m g 烧嘴，我国称之为自身预热式烧嘴，助燃空 气预热温度大于5 0 0 ，喷口喷出速度较大的直进火焰，直冲包底。 日本还采用钢包二级加热，即在离线烘包器将钢包预加热到8 0 0 7 辽宁科技大学工程硕士论文第= 章文献综述 1 0 0 0 保温备用。使用前通过在线烘包器迅速将钢包升温至1 4 0 0 盛钢， 这种方式可减少高温保温时间过长的热损失。 2 3 蓄热式烘烤系统的工作原理、发展过程及特点 钢包烘烤装置组织高温空气燃烧时，使用成对的蓄热式烧嘴。烧嘴对 称布置或集中布置，结构相同。图2 1 为蓄热式烘烤系统工作原理示意图。 当烧嘴a 工作时，所产生的大量高温烟气经由烧嘴b 排出，与蓄热体 换热后，可将排烟温度降低到2 0 0 以下甚至更低，这主要处决于蓄热容 量和蓄热速率。一定的时间间隔后，切换阀使燃烧空气通过烧嘴b 的蓄热 体，空气将立即预热到包内烟气温度的8 0 9 0 以上。烧嘴b 启动的同时， 烧嘴a 停止燃烧功能，起排烟和蓄热作用。通过这种交替运行方式，实现 所谓“极限余热回收”和燃烧空气和高温预热。 奄弘 蓍热爱 逢譬8 圈2 1 蓄热式钢包烘烤器原理图 蓄热式钢包烘烤器的发展过程主要经历了两个过程，最初使用的为单 预热烘烤器，只预热空气，多数使用高热值煤气或中等热值煤气，这种烘烤 器的余热回收效果往往不如双预热烘烤器理想；随着此项技术的发展和高 热值煤气的供应日益紧张，双预热烘烤器逐步得到了应用，这种烘烤器预 热空气和煤气，水当量比接近于l ，预热回收效果很好，但投资大。目前， 各企业往往根据自己的实际情况，来选择蓄热式烘烤器的形式。 空气预热后的温度达到8 0 01 0 0 0 以上，将带来一系列的结果( 1 ) 8 辽宁科技大学工程硕士论文 第= 章文献综述 燃烧温度极大提高。燃烧温度提高有利于实现钢包烘烤温度的工艺要求； ( 2 ) 火焰稳定。传统扩散火焰的稳定是依赖火焰传接速度与气流速度的 平衡以及高温热源的传热保证的。而在高温预热空气条件下，只要燃烧混 合物进入可燃范围，就可以保证稳定燃烧；( 3 ) 燃料蒸发过程、裂解、自 然等燃烧的全过程都得以加速进行；( 4 ) 助燃空气温度接近包内温度，大 大改善全场温度分布，使之趋于均匀；( 5 ) 可利用的燃料热值范围的适应 扩大，低热值燃料可得到有效得用；( 6 ) 化学反应速率和燃烧效率提高， 炉内辐射换热得到强化，使单位面积热强度增加，装置尺寸可以缩小。 2 4 钢包内高温低氧空气的获得 单纯提高预热空气的的温度，将使燃烧系统的n o x 生成与排放增加， 这不符合蓄热式燃烧技术的特点。蓄热式燃烧技术的重要特性之就是可 保证燃料在低气氛下稳定燃烧，同时减少燃烧过程中n o x 的生成。形成这 一切的关键是包内形成了高温低氧的燃烧气氛。获得钢包内高温低氧空气 的关键是稳定地产生1 t 0 0 1 0 0 0 甚至1 0 0 0 c 以上的助燃气流，并在包内 建立低氧浓度气氛等燃烧条件。 采用性能优良的蓄热式换热装置，“极限”回收燃烧烟气的余热，将助 燃空气预热到8 d o 1 0 0 0 ，这是获得离遗助燃气流的主要手段 在实验室研究中，可以通过采用掺混惰性气体等方法降低助燃气流中 含氧体积浓度。但这些方法不适合于工业上使用的钢包烘烤器，因为将额 外增加生产成本。燃料分级燃烧是实现钢包内低氧气氛燃烧的辅助措施之 一先将一小部分燃料( 一次燃料) 与预热后的高温空气在烧嘴通道内燃 烧，消耗掉一部分氧量。燃烧后的混合气流则高速喷入钢包内，卷吸大量 烟气回流，形成低氧气氛区域。 事实上，根据蓄熟式燃烧的基本原理，有效地组织包内的空气射流和 气体燃料气流的流动，使燃烧烟气的回流混合衡释燃烧空气的氧浓度，并 延缓扩散燃烧过程、实现分区燃烧是获得低氧燃烧条件的关键。改善燃烧 室内气流组织以获得低氧气氛燃姥的主要措藏有： ( 1 ) 选取合适的助燃剂空气及燃料喷射速度 合理地选取助燃剂空气及燃料流的喷射速度，对增大烟气回流、改善 燃辩与助燃空气的混合及燃烧状况等至关重要。通常两言，喷射流速越高， 卷吸的烟气回流量越大。但对受限空间的火焰而言，提高射流速度将产生 9 辽宁科技大学工程硕士论文第z - 章文献综述 两种相反的效应：一是强化烟气循环，导致对燃料与空气流的稀释效应， 增加混合距离；二是强化湍流效应，反而有缩短燃料与空气的混合距离和 火焰长度的趋势，因此，存在一个合适的射流速度，使前一种效应得到保 证。此外，助燃空气射流与燃料射流之间保持一定的速度差有利于加强烟 气的回流卷混、形成炉内的低氧气氛。 ( 2 ) 确定合理的燃料喷口与助燃空气喷口间的距离、喷射角度 燃料喷口与助燃剂空气喷口布置方式以及喷射角度等对燃料与助燃 剂空气的混合有着较大的影响。距离太近或喷射角度太大，则混合速度太 快，不利于实现低氧燃烧；反之则混合太慢，影响燃烧的稳定性。它们的 合理布置需要通过仿真计算并辅以必要的实验研究来确定。 在满足钢包烘烤器工作要求及燃料完全燃烧的基础上采用尽可能低 的过剩空气系数，有助于降低反应区的氧浓度。因为这样以来，进入系统 的总氧量降低，即使较小的烟气回流量也可以使燃烧区域内达到较低的含 氧体积浓度。 此外，利用低温排烟烟气做稀释剂，降低助燃剂空气的含氧体积浓度， 如将引风机输出管与送风机吸入管用管道边接起来，使一部分排烟烟气再 循环与助燃空气混合，也是获得低氧燃烧的途径之一。 2 5 高温低氧气氛下燃料的燃烧 2 5 1 燃烧火焰的结构和特征 g u p t a 等人对高温空气( 1 1 0 0 以下) 下，燃烧区气相含氧由2 1 降 到2 的火焰特征进行了观测实验，发现火焰的特征取决于燃料种类、空 气预热温度和空气含氧量，并得出了不同含氧量下丙烷稳定燃烧的条件。 在此基础上g u p t a 、y a s u d a 等人按照非稳定燃烧区、稳定燃烧区定性地将 燃烧分区，其中稳定燃烧区包括普通烧区、高温燃烧区和高温低氧燃烧区。 蒋绍坚等人以丙烷为燃料，实验研究了助燃剂的预热温度和氧体积浓 度对火焰特性的影响。研究表明，火焰体积、形状和亮度等特性随助燃剂 预热温度和氧体积浓度的变化而明显改变。 助燃剂预热温度及气氛浓度是影响火焰体积的主要因素，高温低氧气 氛能明显增大火焰体积。如氧气浓度为2 1 时，各预热温度下的火焰均短 小紧凑；而当预热温度高于8 0 0 ( 2 后，随着氧浓度的降低，火焰逐渐变大； 当预热温度为1 0 0 0 ，氧浓度降为1 5 时的火焰体积已成倍扩大，进一步 1 0 辽宁科技大学工程硬士论文 第= 章丈赫综述 降低氧浓度至2 时，火焰几乎充满大半个燃烧室，甚至进入了排烟道。 对含氧浓度为2 l 的助燃剂即普通空气丙言，单纯提高预热湿度，并 不能使火焰体积明显增大。只有在将预热温度提高到一定温度以上的同时 降低反应区的氧含量，才能得到体积很大的火焰。 高温低氧时的火焰主体呈浓雾状，其边缘无稳定的形态，氧浓度为 2 1 的各火焰均有基本稳定的形状。这是由于氧浓度为2 l 时，燃料分子 在喷嘴附近的较小空间内便与足够的氧分子相遇，来不及扩散到炉膛较大 空间就被全部氧化，而在高温低氧浓度时，由于氧分子被大量惰性气体分 子所分散，喷嘴附近的氧分子数量明显减少，只有少量的燃料分子在喷嘴 附近氧分子相遇燃烧，大量的燃料分子必须到炉膛大空间中才能与氧分子 相遇而燃烧。正是这一原因，使得高温低氧条件下的火焰体积明显增大。 2 5 2 燃烧温度 h a s e g a w a 等人对液化石油气在不同燃烧条件下的燃烧温度场进行实 验测定，结果发现，在传统的燃烧火焰温度场内存在较大的温度梯度，蜂 值温度高，平均温度低，燃烧室内温度分布不均匀；而h t a c 火焰温度无 明显峰值，火焰的平均温度相对较高，燃烧室内的温度梯度较小。 g u p t a 等以丙烷为燃料进行数值模拟分析，比较了空气预热温度分别 为1 2 0 0 k 和1 4 0 0 k 时，助燃空气中不同氧含量对燃烧室内温度分布的影响。 计算结果表明，在提高助燃剂预热温度的同时降低氧含量，将使火焰的峰 值温度降低，火焰的体积增大，燃烧室内的温度梯度变小。 高温空气燃烧的温度效应可以通过燃烧热化学计量计算进行讨论。 以转炉煤气( 体积非分含量：6 0 2 c o 、1 4 6 c 0 2 、1 0 h 2 、1 8 0 n 2 、 0 2 0 z 、5 7 h 2 0 ) 在空燃比为1 1 时的燃烧情况为例，不同气体预热温 度时绝热火焰温度的计算结果如图2 2 所示。 辽宁科技大学工程硬士论文 第= 章文献综述 图2 2 气体预热温度对转炉燃烧效果的影响 由图2 2 可以看出，通过烟气的余热回收对助燃空气进行预热，可以 显著地提高火焰温度，节约燃料。在所考察的燃料种类和预热温度范围内， 空气预热温度每升高1 0 0 k ，火焰温度将升高4 0 k 左右；助燃空气从3 0 5 k 预热到1 2 7 3k 后，火焰温度从2 2 4 0k 升高到2 8 1 0k ：在双预热情况下， 煤气的理论燃烧温度将提高到更高的水平，如图曲线1 ，入炉空气煤气的 温度每升高1 0 0 k ，火焰温度将升高1 0 0 k 左右：助燃空气从3 0 5 k 预热到 1 2 7 3k 后，火焰温度将从2 2 4 0 k 升高到3 2 0 9k 。这主要归因于预热气体 带入的物理热使系统的反应热增加。一方面，煤气在高温气氛中燃烧，提 高了其理论燃烧温度，火焰温度升高；另一方面，由于可燃混合物温度升 高，反应速度加快，气体的导热系数随温度的升高而增加，气体的密度随 温度的升高而减少，这些因素都将导致燃烧传播速度的增加，抑制局部温 区的形成。因而燃料利用系数增加，获得节能效果。空气预热温度越高， 节能越明显。 2 6 蓄热式燃烧的高效加热特征 分。 h t a c 技术的高效加热特征主要包括包内对流换热和辐射换热二部 2 6 1 蓄热式燃烧技术强化钢包内对流换热公式 1 2 辽宁科技大学工程硕士论丈第= 章立献综述 由牛顿冷却公式q = a a x t 可知，强化对流换热可以提高对流换热系 数a 、增大对流换热面积a 及扩大对流换热温度差! 入手。因被加热件 的表面积a 往往是一定的，温差a t 也受包衬、被加热件等耐温能力及其 他因素的限制，提高的幅度不大，因此，强化对流换热的最主要措施是提 高对流换热系数钆 增大气流速度以减少速度边界层的厚度，可有效地提高对流换热系数 a 。使用常规烘烤器的钢包内的气流速度只有几米每秒或十几米每秒【1 2 们， 但h t a c 技术可使助燃剂以1 0 1 1 0 2 m s 数量级的速度喷入炉内，高速射 流卷吸燃烧的高温烟气回流。使包内气流处于强烈的湍流状态。从而强化 了对流换热。另方面，由于h t a c 烧嘴的高频切换，钢包内气流也随着 高频反向流动，这样，既促进了包内温度的均匀分布，又强化了对流换热。 另夕 ，燃料在高温低氧气氛孛燃烧，火焰俸积成倍扩大，也有剥于增强包 内对流换热。 2 6 2h t a c 技术强化炉内辐射换热 根据斯蒂芬波尔兹曼定律可知，辐射换热能力与绝对温度的四次方 成正比，因此，强化包内辐射换热能力的主要措施是提高燃烧火焰的温度。 但是，温度的提离受许多因素约限制，特别是燃烧污染的限制。h t a c 技 术通过低氧燃烧来降低燃烧火焰的峰值温度，均化燃烧火焰的温度场，大 幅度地提高了燃烧火焰的平均温度。这样，既达到增强包内辐射换热的目 的，又可降低热力型n o x 的生在。 气体辐射的能力不仅与其温度有关，也与其黑度有关。提高烟气的黑 度，有利于增强其辐射能力。h t a c 技术采用强循环烟气回流及严格控制 过剩空气系数，将便大部分燃料在混合段发生不完全燃烧，产生碳粒，从 而增加火焰的黑度，提高其辐射能力。控制燃烧过程可使燃烧碳粒在燃 烧区和后燃烧区内实现完全燃烧。 辽宁科技大学工程硕士论文 第三章蓄热式钢包烘烤器燃烧系统设计的计算 第三章 蓄热式钢包烘烤器燃烧系统设计的计算 3 1 热平衡的计算 热平衡计算的首要任务式计算钢包烘烤器的最大燃料消耗量，然后用 以确定燃烧装置的大小。工业燃烧装置燃料消耗量的计算方法分经验指标 法和热平衡计算法两种。经验指标法是基于燃烧装置生产实践中所总结出 的燃料消耗数据，编制成热强度指标或单位热耗指标，利用这些指标直接 算出炉子的燃料消耗量。热平衡计算法虽然较烦琐，但应用范围很广，尤 其对新型的燃烧装置，由于缺乏经验指标，只能用热平衡法计算。热平衡 法还可以分析影响燃烧装置的各项因素，从而进行方案比较，作出正确选 择。 以下为钢包烘烤器的热平衡计算方法。 i 热收入项 ( 1 ) 燃料化学热是指炉子每小时消耗的燃料所具有的全部化学热， 其中包括燃料机械与化学不完全燃烧部分所具有的热量q l 。 q i = b q d k j h ( 3 1 ) 式中 b 燃料消耗量 n m 3 ( k g ) h ： q 燃料低发热量【k j n m 3 ( k g ) 】。 ( 2 ) 预热空气带入的物理热q 2 q 2 = ( 1 一k ) b l o c k ( t k t o ) ( k j h )( 3 - 2 ) 式中k 燃料机械不完全燃烧损失率；对于固体燃料k = 0 0 3 0 0 5 ； 对于气体及液体燃料k = 0 0 l 0 0 2 ； l o 单位燃料空气消l 毛l n m 3 n m 3 ( k g ) 1 ； c k 空气平均比热容 k j ( n m 3 o c ) 1 ； t k 进入烧嘴或燃烧室时的空气预热温度( o c ) ； t o 预热前空气温度( o c ) ； ( 3 ) 预热燃料带入的物理热q 3 q 3 = ( 1 9 ) b c r ( t r _ - t ) ) ( k j h )( 3 - 3 ) 式中 c 广一燃料的平均比热容【k j n m 3 ( k g ) o c 】； t ，进入烧嘴时的燃料预热温度( o c ) ； t o 预热前燃料温度( o c ) 。 2 热支出项 1 4 辽宁科技大学工程硬士论文第三章警热式铜包烘烤器燃烧系统设计的计算 ( 1 ) 通过包盖与包沿之间的缝隙逸出气体的热损失 q l 。= v q ( f ，一t o ) ( k j h ) ( 3 - 4 ) v 一舢航邑y 一o s z 嗡洲伊x 房舞( n m 3 h ) ； c ，逸出烟气的平均比热，【k j ，( n m 3 ) 】： t y 逸出烟气的温度，； t o 周围大气的温度，； a 缝隙的面积，m 2 ； 0 8 2 流量系数； h 缝隙中心处炉内正压，h = ( p k + p y ) h g + p d ( p a ) ；( 3 - 5 ) p k 、p 厂周围空气及烟气在各自温度下的密度，( k g m 3 ) ； p d 炉底平面处压力，( p a ) ； h 缝隙中心离炉底高度，m ； g 重力加速度，g = 9 8 1 ( m s 2 ) ； 此项热损失难以准确计算，因为p d 随操作情况变化较大。故此项热损 失可以近似地认为是烟气带走的热量的一部分，不必单独计算。 ( 2 ) 通过包盖与包沿之问的缝隙辐射热损失 易= 3 。6 c o ( 志，4 4 别 ( 3 6 ) c o 黑体地辐射系数，c o = 5 6 7 w ( m 2 k 4 ) ； a 口缝隙地面积，m 2 谚遮蔽系数， 一缝隙开启时间比，如每小时开启0 6 小时，则取o 6 ； ( 3 ) 钢包壁热损失 = 3 6 4 。乳 ( 3 7 ) a 1 4 包括钢包壁、钢包盖在内地计算面积；钢包壁的升温过程为不 稳态传热，热量的传递主要发生在内表面附近，可近似的取a t 4 = a n ；， a n 钢包壁、钢包盖的内表面积。m 2 ； 9 1 4 单位面积热损失，( w m 2 ) ； 采用近似公式计算法，假设钢包内壁表面温度等速升温，计算公式如 下： q 1 4 ：1 1 3 b ( ；t 一- t o ) ( 3 - 3 - 8 ) 2 ；r 一 ) 辽宁科技大学工程硕士论文 第三章蓄热式钢包烘烤器燃烧系统设计的计算 ( 4 ) 烟气带走的热损失q l i q 1 2 = ( 1 一k ) b c ，( f f o ) ( k j h ) ( 3 - 9 ) 圪单位燃烧生成气量，【n m 3 n m 3 ( k g ) 】； c ，广- 离炉烟气平均比热容， k j ( n m 3 ) 1 t 。离炉烟气温度，； t r 周围大气温度，可忽略不计； k 机械不完全燃烧损失率。 当有部分延期由包盖与包沿之间的缝隙逸出并且已经计算了q i o 时， 烟气量( 1 一k ) b 圪中应扣除。 ( 5 ) 燃料的机械不完全燃烧热损失q 1 2 q 1 2 = b k q a ( k j h ) ( 3 - 1 0 ) 粗略计算时，此项可忽略不计： ( 6 ) 燃料的化学不完全燃烧热损失q 1 3 q 1 3 = ( i k ) b 圪( 1 2 6 4 c 0 + 1 0 7 6 马+ 3 5 8 c h 4 ) ( k j h ) ( 3 - 1 1 ) 式中c o 、h 2 c h 4 烟气中该气体相应的体积百分含量。 对一般炉型进行粗略计算时，此项可忽略不计，但以还原性气氛加热 装置必须计算此项。 3 2 蜂窝型蓄热室传热系数的计算 蓄热式燃烧技术在轧钢加热炉上得到了普遍应用，此类加热炉大多数 采用蜂窝型蓄热体作为换热介质。在工程实际中，蓄热式加热炉容易出现 炉压大且不易调节、升温速度慢或节能效果不明显等问题，其中一个可能 原因就是设计的蓄热室体积偏小。本文给出了一种计算蜂窝型蓄热室传热 系数的方法，供工程设计参考。 3 2 1 传热系数的计算 在气体与蜂窝体的熟交换过程中，温度、热流密度、传热系数等各个 热工参数的计算非常复杂，很难得出解析解，有些问题甚至根本无法求解。 但为了合理地确定出蓄热室的体积和换热面积，必须计算出一个在工程范 围内精度可以接受的传热系数。 1 6 辽宁科技大擘工程硬士论文第三章茁热式钢包蜞烤器燃烧系蛀设计的计算 3 2 2 蓄热室内的传热过程 高温烟气通过蜂窝体时，与其进行热交换，将热量贮存在蜂窝体内， 此过程可称为“加热周期”，记为“t l ”；加热期结束后，空气或煤气开始从 反向流入蓄热室，蜂窝体再将热量传给冷气体，此过程可称为“冷却周期”， 记为“t 2 ”。两个热过程交替进行，目前使用的蓄热式燃烧系统。绝大多数 为t l = t 2 。 3 2 3 计算过程中的假设条件 ( 1 ) 由于整个换热过程中蜂窝体的廊准数 0 1 ，所以假设加热期和 冷却期的各个时刻蜂窝体在热透深度方向温度梯度均为0 ，即忽略蜂窝体 内部的传熟热阻