（机械工程专业论文）蓄热式加热炉在榆钢高线工程的研究与应用.pdf

t 程硕+ 学位论文 摘要 高温蓄热式燃烧技术是上世纪8 0 年代末提出的一种全新概念的燃烧技术，与传统工 业加热炉相比具有生产效率高，燃料消耗低，安全环保效应好等特点。 由于蓄热式加热炉应用例子少，在实际设计上还存在许多值得探讨的问题，首先是 蓄热室烧咀形式的选择，虽然燃烧原理是一致的，但烧咀的配置方案不一样，其燃烧效 果也不同。其次是蓄热材料的选用，采用不同形式和不同材料的蓄热体其蓄热效果与使 用年限也有不同。所以本文提出采用陶瓷蓄热球作为加热炉的蓄热材料，以及分散换向 式燃烧方式，对蓄热式加热炉的选型及改造具有较强的指导意义。 本课题以蓄热式加热炉的设计计算为研究对象，对加热炉蓄热材料的选型及加热燃 烧系统的确定进行了详细的论证和计算，确定了在步进式加热炉上采用高温蓄热式燃烧 技术，使该加热炉的装备技术达到了世界先进水平，实现了节能、降耗、环保及使用寿 命长、生产率高的目的。 关键词：高温蓄热燃烧技术、陶瓷蓄热球、烧咀 研究类型：工程应用型研究 v 工程硕士学位论文 a b s t r a c t h i g ht e m p e r a t l l r eh e a t a c c u m u l a t i o nc o m b u s t i o ni san e wc o n c e p to fc o m b u s t i o n t e c l l l l o l o g y ，w h i c hw a sb r o u g h tf b r w a r db y1 9 8 0 1 s c o m p a r e 嘶t ht 1 1 et r a d i t i o n a li n d u s t r i a l 胁a c e ，i th a sm e 订a i t so f h 诎p r o d u c t i o nr a t e ，l o wf u e lc o s u i i l p t i o na i l dg o o di ne 腩c to f s e c u r i t ya n de n v i r o 姗e mp r o t e c t i o n t h ea p p l i c a t i o no fa c c u m u l a t i o nh e a t 如m a c eh a sn o tb e e nw i d e l yu s e d ，s ot h c r ea r em a l l y p r o b i e m sa b o u ta c t u a ld e s i g ns t i l ln e e dt ob ed i s c u s s e d f i r s r ，m es e l e c t i o no fc o m n u s t i o n c h a m b e rb u m e r ，t 1 1 0 u 曲t h em a 访p r i i l c i p l ea r es a m e ，t l l e 跗孤g e m e n to fb u m e r sa r e n 、t s 锄e ，s ot h ec o m b u s t i o ne 彘c ta r ed i 仃c r e n t s e c o n d ，也es e l e c t i o no ft h em a t e r i a l ，t h ee 圩e c t o fa c c u m u l a t i o nh e a ta n du s el i f ea r ed i f f 毫r e n tw i t hd i f f e r e n ts t y l ea n dm a t e r i a lo fa c c m u l a t i n h e a t o r s oh e r ew ep u tf o r w a r dm ec e r a m i ca c c u m u l a t i o nh e a tb a l la st h en r s tc h o i c eo ft h e m a t e r i a lo fa c c u m u l a t i o nh e a t 矗l m a c e a n dm ed e c e n t r a h z a t i o nc o l 埘n 】t a t i o nc o m b u s t i o n m e t h o d ，恼c ha r ea l lh a v et h eg u i d ef u n c t i o nf o r t h es e l e c t i o na l l da l t e r a t i o no fa c c u m u l a t i o n h e a tn 】r n a c e t h er e s e r c hp u r p o s e so ft l l i st a s ka r et h ed e s i g na i l dc a l c u l a t i o no fa c c u m u 】a t i o nh e a t f u m a c e ，w eh a v em a d es o m ep a r t i c u l a rd e m o n s t r a t i o na 1 1 dc a l c u l a t i o no ft h es e l e c t i o no ft h e a c c u r n u l a t i o nh e a tm a t e r i a la 1 1 dt h ec o n 矗r m a t i o no ft l l ec o m b u s t i o ns y s t e m ，c o n f i r m e dt l l e t e c h n o l o g yb yi n t r o d u c t i o nh i g ht e m p e r a t u r ea c c u m u l a t i o nh e a tc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yi n t o w a l k i n gb e a mf l l r n a c e ，t h ee q u i p m e n tt e c h n o l o g yo ft h i sf m n a c er e a c h e dt h ew o r l da d v a n c e d l e v e l ，r e a l i z e dm ep u r p o s eo fr e s o u r c es a v i n g ，c o n s u m p t i o nd e c r e a s e ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n l o n gu s el i f ea i l dh i 曲p r o d u c t i o ne m c i e n c y k e y w o r d ：h i g ht e m p e r a t u r ea c c u m u l a t i o nh e a tc o m b u s t i o nt e c l l r l 0 1 0 9 y c e r a m i c a c c u m u l a t i o nh e a tb a u b u m e r r e s e a r ht y p e ：r e s e a r c ho f e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 储獬：删、聃j 驰铂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 觥、日期：州年莎月日 日期：年月 日 i i i 以 搿 工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1选题的背景及研究的意义 随着酒钢产品结构调整及自身规模的扩大，酒钢公司决定在兰州建设一个一百万吨 规模的短流程钢铁联合企业。考虑到能源的综合利用及受煤气能源的限制，榆中钢铁公 司高线加热炉能否采用先进的高温蓄热技术、燃用低热值的纯高炉煤气，进而改善公司 的煤气使用结构，降低加热炉煤气消耗这一课题，成为制约公司煤气系统经济运行的一 大关键环节，引起酒钢集团公司高层领导的极大重视。经过充分论证，公司决定在榆钢 高线加热炉采用高温蓄热技术，建设一座蓄热式加热炉。蓄热式加热技术是国际上先进 的节能技术，通过采用这项技术为公司煤气节能方面探索出一条新道路，不仅最大程度 上节省了燃料，而且降低了污染物排放量，尤其是n 0 x 的排放量符合环保的要求。所以说 采用先进的高温蓄热技术、燃用低热值的纯高炉煤气，既节约能源也满足了公司可持续 发展的战略要求。 1 2 蓄热式加热炉的特点和发展意义 目前资源和环境问题f l 益突出，工业加热炉是能源消耗的大户，应全面推行高效、清 洁的生产技术。 蓄热式高温燃烧技术从根本上提高了加热炉的能源利用率，特别是对低热值燃料 ( 如高炉煤气) 的合理利用，既减少了污染物( 高炉煤气) 的排放，又节约了能源，是 满足当前资源和环境要求的先进技术。 1 2 1 空( 煤) 气预热器的缺陷 目前，在工业炉烟气的回收利用方面，除蓄热式燃烧技术以外，国内外较普遍采用 的是在烟道上设置回收烟气的余热装置一一空( 煤) 气预热器( 或称为( 煤) 气换热器) 来回收炉尾烟气带走的热量采用这种办法虽然可以降低排烟温度，达到回收一部分烟 气热量的目的，能够取得一定的节能效果，但仍存在以下问题： 1 2 1 1 其回收热量的数量有限，炉子热效率一般都在6 0 以下； 1 2 1 2 空气预热器一般采用金属材料和陶瓷材料。i i 仃者价格贵、预热温度低；后 者设备庞大、寿命短、维修困难、漏风率高； 1 2 1 3 人燃烧器的角度来看，助燃空气的预热温度提高以后，火焰区的体积越来 戛高，炉膛内存在局部的高温区，这样对于工业炉来说，容易使被加热物料产生局部过 热，同时也会对炉膛内局总耐火材料和炉内金属构件的寿命带来影响； 4 助燃空气预热温度的增高会导致火焰温度增高，同时烟气中n 0 x 的排放量大大增 加，会对大气环境造成了严重的污染。 蓄热式高温燃烧技术的主要优势 蓄热式高温燃烧技术的诞生使得工业炉炉膛内温度分布均匀化问题、炉膛内火焰燃 蓄热式加热炉在榆钢高线工程的研究与应用 烧范围的扩展问题、炉膛内温度自动控制问题、炉膛内的强化传热问题、炉膛内火焰燃 烧机理的改变问题有了新的解决措施。 1 2 2 1 由于蓄热式高温燃烧技术其排烟温度的显著降低，因而与常规余热回收工 业炉相比其节能潜力巨大，特别是对低热值燃料如高炉煤气，平均节能2 5 以上，因而也 可以说是少向大气环境排放c 0 2 2 5 以上，也在一定程度上缓解了大气的温室效应。 1 2 2 2 与常规烧嘴供热相比，特别是与侧烧嘴相比，蓄热式高温燃烧扩展了火焰燃 烧区域，火焰的边界几乎扩展到炉膛的边界，并且是从炉膛两侧交替供热、交替排烟，从 而使得炉膛内沿炉膛宽度方向温度均匀，从而大大提高了产品的加热质量。 1 2 2 3 与常规炉相比，蓄热式高温燃烧不需要预热段，全部炉膛都是加热和均热区 高温炉膛强化了炉内的传热，导致同样产量的工业炉其炉子长度尺寸可以缩小2 0 以上 换句话说，同样长度的炉子其产量可以提高2 0 以上，使缺乏前后空间又要增加炉子产量 的旧炉子改造，有了最佳选择方案但需要注意的是，对于某些限制入炉温度的合金钢和 高碳钢加热是不宜采用的 1 2 2 4 与使用常规烧嘴的工业炉相比，由于蓄热式高温燃烧技术其火焰不是在燃 烧器中产生的，而是高温的空( 煤) 气在进入炉膛空间后才开始扩散燃烧形成的，因而燃 烧噪声低 1 2 2 5 采用传统的节能燃烧技术，助燃空气预热温度越高，烟气中n o x 含量也越大： 而采用蓄热式高温燃烧技术，在助燃空7 t 预热温度非常高的情况下，由于在炉膛内丌始 是贫氧燃烧，f 符合降低烟气中n o x 浓度的两段式燃烧机理，因而烟气中的n o x 含量反而 大大减少了 1 2 2 6 与使用常规烧嘴燃烧器的工业炉相比，采用蓄热式高温燃烧技术的炉子， 其高温空气通过专门设计的喷口喷入炉膛后，抽引周围的炉气形成含氧量大大低于2 1 的稀薄贫氧高温气流，与同时注入的燃料相遇而实现燃烧因而炉膛内的初始燃烧为贫 氧燃烧，产生微还原性烟气，人而使被加热物料的氧化烧损大大减少 1 2 2 7 蓄热式高温燃烧技术扩展了高炉煤气的利用由于空煤气预热温度的提高， 可以使高炉煤气的理论燃烧温度提高，同时使高炉煤气的点火弯得更加容易因此，采 用蓄热式燃烧技术后，高炉煤气可以用于各种需要高温的工业炉 1 3国内外研究动态及发展趋势 高温蓄热燃烧技术( h t a c ) 是日本学者在上世纪8 0 年代末提出的一种全新概念的燃 烧技术，它把高效回收烟气余热与高效燃烧及降低n o x 排放等技术有机地结合起来，从 而达到节能和降低n o x 排放量的双重目的。目前，世界上已有1 0 0 0 余座工业炉窑应用了 这项技术，主要集中在r 本和欧洲；其中，日本n f k 公司在1 9 9 2 1 9 9 8 年6 年问，已在近 1 5 0 座工业炉窑上应用这项技术。 高温蓄热燃烧技术在我国从1 9 9 2 年起就进行了第一座高温蓄热式加热炉的工业性 实验并获得成功。与国外相比，我国采用高温蓄热燃烧技术的起步较晚，且主要应用在 一些中小企业的中小型工业炉窑上。我公司高线加热炉采用高温蓄热燃烧技术后，将成 工程硕士学位论文 为国内装备水平最高的燃用纯高炉煤气的步进梁双蓄热烧嘴式加热炉，对钢铁企业高档 次大型加热炉的节能技术改造及煤气资源的高效配置有示范意义。 1 3 1 高温蓄热燃烧技术的主要特征： 1 3 1 1 采用蓄热式烟气余热回收装置，交替切换空气与烟气，使之流经蓄热体， 能够在最大程度上回收高温烟气的显热； 1 3 1 2 将燃烧空气预热至8 0 0 l o o o 以上的温度水平，形成与传统火焰迥然不同 的新型火焰，创造出炉内优良的均匀温度分布； 1 3 1 3 通过组织贫氧状态下的燃烧，不仅避免了通常情况下高温热力氮氧化物 的大量生成，而且在此基础上进一步降低了n 0 x 的排放。 1 3 2 高温蓄热燃烧技术的发展历程 工业炉窑是热加工生产主要设备之一，也是能源消耗大户。多年来，工程技术人员 一直在改进炉体结构、燃烧器、回收烟气余热、优化加热工艺、控制技术和管理及采用 新型保温材料等方面寻求各种节能措施，以提高炉子的热效率。从炉窑的热平衡分析可 以得知：高温烟气带走的热量占各种燃料供给总热量的3 0 5 0 。因此，如何利用好这部 分热量是工业炉节能降耗的关键技术之一。 依据烟气余热开发利用程度，工业炉窑节能技术的发展大致经历了以下四个阶段， 采用换热器回收烟气余热阶段，采用传统蓄热室回收烟气余热阶段和采用高温空气燃烧 技术回收烟气余热阶段等。 1 3 2 1 烟气余热不利用的工业炉 炉内的烟气温度已达到1 2 0 0 以上，排烟温度也以接近炉内的高温排入大气，这不 仅浪费大量的烟气显热，而且对环境造成了热污染据测算，这类炉子的热效率一般在 3 0 以下。 1 3 2 2 采用换热器回收烟气余热的工业炉 从上世纪7 0 年代开始，采用集中式的余热回收方式进行烟气余热回收即将工业炉 产生的烟气引入集中烟道，利用烟气余热来预热空气或煤气，将一部分热量带回炉膛， 从而提高炉子的热效率。采用的设备主要是换热器。在该方式下由于受到换热器的材质， 抗热抗蚀能力和系统漏损等的限制，空气预热温度一般不会超过6 0 0 ，因而不可能进 行充分的烟气余热回收。根据文献的论述，在我围普遍使用的工业炉窑换热器中，实际 空气预热温度一般在2 5 0 5 5 0 之问，排烟温度在4 5 0 一6 5 0 之间，不能进行充分的烟 气余热回收，炉子的热效率一般在5 0 以下。该技术的不足主要表现在以下几方面： 1 长时间的使用不仅使换热器的效率越来越低，不正确的操作也可能烧坏换热器， 换热器的寿命一般为3 5 年； 2 从燃烧角度看，助燃空气预热温度提高后，火焰区域越来越小，火焰局部高温区 的温度也越来越高，炉膛内出现较大温度，通常在1 0 0 以上，对被加热工件容易出现 过烧或黑印等，对炉体本身而言，其耐火材料寿命也将大大降低； 3 局部的高温是造成有害气体n o x 大量产生的原因，大量的n o x 排放给大气造成严重 蓄热式加热炉在榆钢高线工程的研究与应用 的污染。 1 3 2 3 采用传统蓄热室回收烟气余热的工业炉。 在传统的蓄热式烟气回收技术中，其蓄热室是用异型耐火砖砌成的砖格子，炉内排 出的废气先自上而下通过砖格子把砖加热，经过一段时间后，利用换向设备关闭废气通 道，使冷空气( 或煤气) 由相反的方向自下而上通过砖格子，格子砖把积蓄的热量传给 冷空气( 或煤气) ，从而达到预热的目的。一个炉子至少应有一个蓄热室同时工作，一 个在加热，另一个在冷却，如果空气和煤气都进行预热，则必须有两对蓄热室。 与换热器相比，蓄热室的优点主要表现在以下几方面：预热温度高：可以预热空气， 也可用来预热煤气。 传统蓄热室烟气余热回收技术虽然可以最大限度地回收烟气余热，达到节能降耗的 目的，但由于采用砖格子作蓄热体，单位体积的传热面积小，体积庞大，综合传热系数 低，换向时间长。单位时间蓄热体的利用率低，预热炉温度波动较大，投资高，现在只 有少数蓄热式均热炉，人型锻造炉和个别长焰无氧化炉上在应用。 8 0 年代初，英国的h o tw o r kd e v e l o p m c n t 公司和英国燃气公司联合开发了一种再生 燃烧( 高束切换型燃烧器) 用于小型玻璃熔化炉中，节能效果十分显著其后，这种燃 烧器被广泛应用于英国和美国的钢铁和铝工业中。可使燃料空气预热温度在实际工业生 产条件下，由6 0 0 增加到1 0 0 0 以上，这是当时工业炉窑余热回收领域的一项重大技 术进步，其它国家也相继开发和采用这项技术，应用对象涉及玻璃熔化、钻5 熔化、钢坯 加热、垃圾焚烧等各种工业炉窑。这种早期开发的高温空气条件的燃料技术被称为“第 一代再生燃料技术”。 1 早期开发的高温空气燃料技术的不足 这种早期开发的高温空气燃料技术虽然大大提高了余热利用率，但也带来了以下问 题： ( 1 ) 预热风温比炉温低2 0 0 左右，不能实现所谓极限回收； ( 2 ) 局部高温使高温预热空气燃料下产生大量n o x 气体，n o x 是形成酸雨的主要原 因，对人体和植物有很大危害。 2 真正意义上的“高温蓄热燃烧技术” 真正意义上的“高温蓄热燃烧技术”是在进入9 0 年代以后，在原有高效节能技 术的基础上，通过实现低n o x 排放而发展起来的，即将节能和环保结合起来。该技术的 核心是快速切换型蓄热式燃料技术。所以，高温空气燃料技术又称蓄热式燃料技术。日 本n k k 公司和日本工业炉公司于1 9 8 5 年就开始进行了该技术的基础研发，合作研制以压 力损失小，比表面积大的蜂窝体为蓄热材料，并提出了降低空气含量后进行燃料燃烧的 新概念，9 0 年代初开发出同时实现极限余热回收和低n o x 燃烧的蓄热式烧嘴，并因此提 出了与传统燃烧方式机理完全不同的高温低氧燃烧技术，从而开创了针对燃用清洁或较 清洁的气体和液体燃料的工业炉窑和工业锅炉丌发应用高温空气燃烧技术的新时代。使 用这种蓄热式烧嘴燃烧技术被称为第二代再生燃料技术。r 本一些大钢铁公司将该技术 应用在大型轧钢加热炉上，普遍收到了节能3 0 ，产量提高2 0 以上的效果。 上程硕士学位论文 第二代再生燃烧技术与第一代再生燃烧术相比，其主要区别表现在： ( 1 ) 第一代再生燃烧技术的蓄热体采用小球状陶瓷材料，传热面积小：第二代再 生燃烧技术的蓄热体蜂窝状陶瓷体，传热面积大，可以提高预热空气温度，实现极限余 热回收。 ( 2 ) 第二代再生燃烧技术提出高温低氧燃烧的新概念，在实际应用中，不仅提高 了燃料利用率，而且可以降低n 0 x 的排放量，减少环境污染。 由于第二代再生燃烧技术具有的显著优点，它将成为我国工业炉窑今后技术改造开 发应用的重点。 1 4 本课题的目标及需重点解决的问题 本课题的主要任务是根据工厂的生产要求，在使用莆热式技术的前提下，研究与加 热炉有关的燃烧理论、有关蓄热材料的研究制造，确定出合理的设计制造方案。设计、 制造一个节能高效的加热炉需要研究以下几方面的问题：炉体结构的选型与确定：炉体 机械设备的选型与确定；蓄热室蓄热材料的选型与确定；加热炉燃烧系统的确定；自 动控制系统的选型与确定；煤气燃烧安全系统地确定。在本课题中研究重点放在蓄热室 蓄热材料的选型与确定与加热炉燃烧系统的确定两个课题卜。 1 5 本章小结 本章主要介绍了本课题的选题背景及研究的意义，蓄热式加热炉的特点及优势，对 国内外研究动态及发展趋势进行了较为详细的阐述，最后指出了本课题的研究目的及重 点解决的问题，及要实现的目标。 蓄热式加热炉在榆钢高线t 程的研究与应用 第二章蓄热式加热炉的理论基础 2 1 工业炉的燃料燃烧原理 2 1 1燃料 加热的热源燃料，是在燃烧时能够放出大量的热，其热量能够被有效地利用在 工业和其他方面的物质。 燃料的种类很多，分类方法也不尽相同。一般按其存在状态来分，有固体燃料、液 体燃料和气体燃料三种。随着我国冶金工业设备的日趋完善，技术的逐渐提高和石油二【： 业的全面发展，目前国内大、中型冶金企业的轧钢加热炉已极少使用固体燃料，绝大部 分轧钢厂是使用气体或液体燃料，因此，这里主要介绍气体和液体燃料。 2 1 1 1 燃料的一般性质 燃料的性质是比较复杂的。这里重点介绍和炉子热工过程有关的性质，即燃料的化 学组成及燃料的发热量。 1燃料的化学组成 气体燃料由c 0 、i 2 、c h 4 、c 2 h 4 、c m h n 、h 2 s 、c 0 2 、n 2 、0 2 、1 1 2 0 等简单的化合物 和单质混合组成，煤气成分就是用上述各单一气体在煤气中所占的体积分数来表示。其 中主要的可燃成分是c o 、h 2 、c h 4 、c 2 4 、c m h n 等，它们在燃烧时能放出热量。c 0 2 、n 2 、 0 2 、h 2 0 等是不可燃成分，它们在燃烧时不能放出热量，故其含量希望不要过高。h 2 s 的 燃烧产物s 0 2 有毒性，对人身和设备都有害，所以可以视为煤气中的可燃成分减少，从 而使其发热量有所降低。气体燃料就是用上述各单一气体在煤气中所占有体积分数表 不o 2 燃料的发热量 燃料发热量的高低是衡量燃料质量和热能价值高低的重要指示，也是燃料的一个重 要特性。在实际生产中，知道燃料的发热量将有助于正确的评价燃料质量的好坏，以此 指导现场操作。 单位质量或体积的燃料完全燃烧后所放出的热量称为燃料的发热量。对于固、液体 燃料，其发热量的单位是k j k g ，气体燃料发热量的单位是k j m 3 。燃料完全燃烧后放出 的热量还与燃烧产物中水的状态有关联，基于燃烧产物中水的状态不同，可以把燃料的 发热量分为高发热量和低发热量。当燃烧产物的温度冷却到参加燃烧反应物质的原始温 度2 0 ，同时产物中的水蒸气冷凝成为o 的水时，所放出的热量称为燃料的高发热量， 用( j 高表示。当燃烧产物中的水分不是呈液态，而是呈2 0 的水蒸气存在时，由于水分 的汽化热没有放出而使发热量降低，这时得到的热量称为燃料的低发热量，用q 低表示。 在实验室条件下测定发热量时，燃烧产物中的水被冷却成液态水，故可得到高发热量。 6 工程硕士学位论文 而在实际的加热炉上，燃烧产物出炉时不可能使水冷凝成为液态水，所以实际生产上用 的都是低发热量燃料。 2 1 1 2 加热炉常用的气体燃料 1 气体燃料 ( 1 ) 焦炉煤气。 焦炉煤气是炼焦生产的副产品。它的燃料成分组成是：h ：含量一般超过5 0 ，c h 。 含量一般超过2 5 ，其余是少量的c 0 、n ：、c o ：、h ：s 等。由于焦炉煤气内的主要可燃成 分是高发热量的h ：和c h 。所以焦炉的发热量较高，为1 6 0 0 0 1 8 8 0 0 k j m 3 。如果炼焦 用煤的挥发分高，焦炉煤气中c 叱等成分的含量将增高，煤气的发热量也将增高。焦炉 煤气的理论燃烧温度约为2 0 9 0 。焦炉煤气由于i l ：含量高，所以火焰黑度小，较难预 热。同时密度只有0 4 o 5k g m 。，比其他煤气轻，火焰的刚性差，容易往上飘。 ( 3 ) 高炉一焦炉混合煤气。 在现代的钢铁联合企业里，可以同时得到大量高炉煤气和焦炉煤气，高炉煤气和焦 炉煤气的产量比值大约为l o ：l ，针对高炉煤气产量大、发热量低和焦炉煤气产量低、 发热量较高的特点，为了发挥其各自的优占，充分利用这些副产燃气资源，可以利用不 同比例的高炉煤气和焦炉煤气配成各种发热量的混合煤气。 如果高炉煤气与焦炉煤气的发热量分别为q 自和q * ，要配成发热量为q 。的混合煤 气，设焦炉煤气在不混合煤气中的体积分数为x ，则高炉煤气的分数为( 卜x ) 。那么整 理上式，得： q 混= x q 蒜+ ( 1 一x )q 搿 q 混一q 高 x ( 2 1 ) q 璃一q 高 采用高炉、 焦炉混合煤气不仅合理用了燃料，而且改善了火焰的性能，它既克服 了焦炉煤气火焰上飘的缺点，同时也可以利用焦炉煤气中碳氢化合物分解产生的碳粒， 在燃烧时可以增强火焰的辐射能力。 2 1 _ 2 燃料的燃烧 2 1 2 1 基本概念 1 完全燃烧和不完全燃烧 蓄热式加热炉在榆钢高线工程的研究与廊用 ( 1 ) 完全燃烧。燃料中的可燃物质和氧进行了充分的燃烧反应，燃烧产物中已不存在 可燃而物质，称为完全燃烧。如燃料中的碳全部氧化生成c o 。，而不存在c o 。 ( 2 ) 不完全燃烧。不完全燃烧是指燃料经过燃烧后在燃烧产物中存在着可燃成分如c o 等，不完全燃烧又分两种情况： 1 ) 化学不完全燃烧。燃料中的可燃成分由于空气不足或燃料与空气混合不好，而 没有得到充分反应的燃烧，燃烧产物中存在可燃成分如c 0 等。燃料燃烧时如果火焰过 长而呈黄色，则是燃料不完全燃烧现象，应及时增加空气量或适当减少燃料量；如果火 焰过短、发亮光而有刺耳噪声，则是空气量过多现象，应及时增加燃料量或减少空气量。 2 ) 机械不完全燃烧。燃料中的部分可燃成分没有参加或进行燃烧反应就损失了的 燃烧过程，叫机械不完全燃烧，如管道漏掉的煤气。 可燃成分发生不完全燃烧的发热量远远低于完全燃烧的热量。例如c 在完全燃烧时 的发热量要比它发生不完全燃烧时的发热量高约3 2 5 倍，凶此，除了工艺上需要c o 气 氛外，应尽量避免碳的不完全燃烧。 2 理论空气需要量和空气消耗系数 燃料中的可燃成分全部燃烧需要有一定量的空气，这种空气量叫做理论空气需要 量。燃料在实际燃烧过程中，由于受具体燃烧设备、技术条件的限制，如果仅向加热炉 供给理论空气需要量，则必然导致燃烧的不完全燃烧。为了实现燃烧完全燃烧，实际空 气供给量必须大于理论空气需要量。浚实际空。i 量与理论空气量的比值就叫空气消耗系 数。空气消耗系数的大小与燃烧的种类、燃烧方法、燃烧装置结构及工作的好坏等都有 直接关系。因此，对于各种燃烧，如人为确定n 将直接关系到燃烧能否实行完全燃烧， 原则上应当是保证燃料完全燃烧的基础上使n 越接近1 越好。当n 1 时，燃料燃烧结 束后势必要多出一部分空气量，而这部分空气量的存在将带来以下几点不利因素： ( 1 ) 燃烧后进入燃烧产物，增加了燃烧产物的体积，使废气带走的热损失增加，而且 还需增大附属设备的容量。 ( 2 ) 由于这部分空气要吸收一部分燃料燃烧所放出的热量，从而降低了炉温。( 3 ) 这 些多余的空气进入燃烧产物后将使炉膛内氧化性增强，而造成钢的大量氧化和脱碳，严 重影响产品质量。 各种燃料的空气消耗系数经验数据如下： 固体燃料：n = 1 2 0 1 5 0 液化燃料：n = 1 1 5 1 2 5 气体燃料：n = 1 0 5 1 1 5 8 1 = 程硕士学位论文 2 1 2 2燃料的燃烧过程 气体燃料、液化燃料和固体燃料由于它们燃烧反应参数的不同和各自物理化学特性 的差异，而使其燃烧过程各有区别。在加热中采用气体燃料，其空气消耗系数n 值可以 小些，同时也较为容易实现阶段自动化，所以加热炉煤气者居多。此外，气体燃烧的燃 烧过程也比较有代表性，所以本节重点讨论煤气的燃烧过程，对于其他燃料的燃烧过程 则只作一般的介绍。 1气体燃料的燃烧过程 加热炉采用气体燃料与采用固体燃料、液化燃料相比较，有如下优点： ( 1 ) 煤气与空气易于混合，用最小的空气消耗数即可以实现完全燃烧； ( 2 ) 煤气可以预热，可以帮助提高燃烧温度； ( 3 ) 点火、熄火及其燃烧操作过程简单，容易控制，炉内温度、压力、气氛等都比较 容易调节： ( 4 ) 输送方便，劳动强度小，燃烧时干净，有利于减轻体力劳动者动和改善生产环境， 较易实现阶段自动化。 气体燃料也有它的缺点： ( 1 ) 管路施工及维护等费用高； ( 2 ) 燃料价格贵； ( 3 ) 贮存困难； ( 4 ) 煤气有发生爆炸和使人中毒的危险。 气体燃料的燃烧是一个复杂的物理与化学综合过程，整个燃烧过程可以视为混合、 着火、反应三个彼此不同又有密切联系的阶段，它们是在极短时间内连续完成的。 煤气与空气的混合。要实现煤气中可燃成分的氧化反应，必须使可燃物质的分子 能和空气中氧分子接触，即使煤气与空气的均匀混合。煤气与空气的混合是一种物理扩 散现象，它的完成需一定的时间，这个过程要比燃烧反应过程本身慢得多。因此，混合 速度的快慢，混合的均匀程度都将将直接影响到煤气的燃烧速度及火焰的长短。研究煤 气烧嘴时，必须了解煤气与空气的两股射流混合的规律和影响因素。煤气及空气自烧嘴 口喷出以后，在运动过程中相互扩散，它们的体积膨胀，而速度随之降低，混合的均 匀程度基本上取决于煤气与空气相互扩散的速度。要强化燃烧过程必须改善混合的条 件，提高混合的速度。 蓄热式加热炉在榆钢高线：【程的研究与应h j 2 2 加热炉炉膛内的传热概述 炉膛内钢料的加热可以分为外部加热和内部加热两个组成部分。首先借助于外部传 热使钢料表面获得所需的热量，再靠钢料内部传热把热量由外表传给同部，以达至钢料 均匀加热的目的。这里，钢料的外部传热是决定炉子的生产率的关键所在。 分析研究炉内传热的目的主要在于如何提高钢料的加热速度提高生产率以及如何 减少热耗，提高热效率。 2 2 1 炉内传热的途径和方式。 供入炉内的总热量全部包含在燃烧产物高温炉气内，而后通过不同方式把它传 递分配出去，总的有三个方面： 2 2 1 1 高温炉气以辐射和对流方式传给钢料。 2 2 1 2 高温炉气以辐射和对流方式传给炉墙和炉顶。 2 2 1 ，3 烟气带走一部分热量。 2 2 1 4 炉墙和炉顶获得的热量分配如下： l 以辐射方式给钢料的热量。 2 炉墙炉项散失的热量。 钢坯最终得到的热量为：高温炉气以辐射和对流方式传给钢料的热量和炉墙顶面辐 射的方式传给钢料的热量之和。 2 2 1 5 通过分析可以得到以下结论： l 炉内的温度以炉气最高，钢温最低，炉墙居中。炉气通过外部对热量传给钢坯，使 钢坯温度升高，而炉气失去了热量。所以炉气必须不断燃料燃烧来补充，同时不断将低 温炉气排出炉外。 2 炉墙本身不是一个热源体，它具有高温是因为它吸收了炉气中的热量。当炉墙温度 稳定后，它吸收的热量除一小部分经过炉墙传导散失四周外，大部分都给了钢坯，因此， 炉墙在整个热交换过程中起到了一个传递热量的介质作用。 炉墙的面积对传热的影响很大。因为炉气与钢坯的传热是气体与固体的热交换，而 炉墙与钢坯问的热交换是固体问的热交换。一般来说，气体与固体问的辐射热交换远小 于固体相互之间的辐射热交换强度，所以炉墙面积的在在小，对热交换就显得特别重要。 炉墙面积( 炉膛内表总面积) 与金属受热面积之比，叫做炉围展开度，用。表示，即 = f 炉# f 盘届 工程硕士学位论文 u 越大，表示炉墙的面积比金属受热面积相对越大，热交换就越强烈。 3炉气和钢坯的黑度对热交换有很大的影响，二者黑度越大，热交换越强。钢的黑度 大都在o 8 左右，变化不大，只有气体黑度随着炉气中二氧化碳与水的含量和火焰中 炭粒的多少而改变。 2 3 工业炉的耐火材料 砌筑加热炉广泛使用各种耐火材料和绝热材料，耐火材料的合理选择与f 确使用是 保证加热炉的筑砌筑质量，提高炉子的使用寿命，减少炉子热能损耗的前提。耐火材料 的种类繁多，了解各种耐火材料的性能。使用要求以及使用方法，是正确使用耐火材料 的必要条件。 2 3 1 砌筑加热炉的耐火材料的基本要求 2 3 1 1 具有一定的耐火度。即在高温条件下使用时，不软化不熔融。各国均规定：耐 火度高于1 5 8 0 的材料之为耐火材料。 2 3 1 2 在高温下具有一定的结构强度，能够承受规定的建筑荷重和工作中产生的应力。 2 3 1 3 在高温下长期使用，体积保持稳定，不会产生大的膨胀应力和收裂缝。 2 3 1 4 温度急剧变化时，不能迸裂破坏。 2 3 1 5 对熔融金属、炉渣、氧化铁皮、炉衬等的侵蚀有一定的抵抗能力。 2 3 1 6 具有较好的耐磨性及抗热震性能。 2 3 1 7 外形整齐，尺寸精确，公差不超过要求。 以上是对耐火材料总的要求。事实上，目前尚无一种耐火材料能同时满足上述要求， 这一点必须给予充分的注意。选择耐火材料时，应根据具体的使用条件，对耐火材料的 要求确定出主次。 2 3 2 耐火材料的工作性能 耐火材料在高温状态下抵抗熔化和软化的性能称为耐火度。它是衡量耐火材料承受 高温作用能力的基本尺度，是表征耐火材料耐高温性能的一项基本技术指标。 耐火度与材料熔点的意义不同，熔点是纯物质熔化时的温度，是一个确定的温度。 由于耐火材料由多种矿物组成，在一定温度范围内熔融软化，故耐火材料的耐火度是指 特制的耐火三角锥受热后软化到一定程度时的温度。 耐火材料的耐火度愈高，表明材料的耐高温性质愈好。耐火材料实际使用温度应 蓄热式加热炉在榆钢高线工程的研究与应用 低于耐火度。 2 3 2 1 高温结构强度 加热炉中的耐火材料都是在一定的负荷下进行工作的，故要求其必须具有一定的 抗负荷能力。耐火材料在高温下承受压力、抵抗变形的能力称为耐火材料的高温结构强 度。耐火材料的高温结构通常用荷重软化点作为评定的指标。所谓荷重软化点，是指耐 火材料在一定的压力( 0 0 2 m p a ) 下，以一定的升温速度加热，当材料产生o 6 、4 及 4 0 的软化变形时对应的温度，分别称为荷重软化开始温度、4 及4 0 时的荷重软化温度。 各种耐火材料的荷重软化开始点是不一样的。一般常用耐火黏土砖的荷重软化开 始点为1 5 5 0 。耐火材料的使用温度不能超过其荷重软化开始温度。 2 3 2 2 高温体积稳定性 耐火材料在高温及长期使用的情况下，应保持一定的体积稳定性。这种体积的变化 不是指一般的热胀冷缩，而是指耐火材料在烧制时，由于其内部组织未完全转化， 在使用过程中内部组织结构会继续变化而引起的不可逆的体积变化。 一般耐火制品允许的残余收缩或残余膨胀不超过1 。 2 3 2 3 抗热震性 耐火材料抵抗温度急剧变化而不致破裂和剥落的能力称为抗热震性，又称耐热剥 落性和耐热崩裂性。在炉子的操作过程中，如炉门开肩时冷空e 进入炉堂会使炉子温度 处于波动之中，如果耐火材料没有足够的抗热震性能，就会过早地损坏。 耐火材料抗热震性的指标可以用试验来测定。目d 口采用的标准方法是将耐火材料试 样加热至8 5 0 ，然后在流动水中冷却，如此反复加热、冷却，直至试样的脱落部分质 量为原质量的2 0 为止，以所经受的反复加热、冷却的次数作为该材料的抗热震性指标。 2 3 2 4 化学稳定性 耐火材料在高温下抵抗溶融金属、钢坯、炉渣、熔融炉尘等侵蚀作用的能力称为耐 火材料的化学稳定性。这一指标通常也用抗渣性来表示。对轧钢加热炉而言，经常遇到 的是熔融氧化铁皮对耐火材料的侵蚀。酸性耐火材料对酸性炉渣有较强的抵抗能力，而 碱性渣对其侵蚀大；碱性耐火材料则反之：中性耐火材料对酸性和碱性炉渣均有较强的 抵抗能力。 2 4 蓄热式加热炉的燃烧原理 工程硕士学位论文 蓄热式高温燃烧技术的基本原理如图1 所示( 以单预热空气为例) 。 蓄热式高温燃烧装置必须放射配置。在a 状态时，当空气经换向阀选入蓄热室1 后， 被蓄热室内已在上一周期工作状态下完成载热的蓄热室加热，在极短的时间内空气由常 温被加热到接近炉膛温度一脑比炉膛温度低1 0 0 。2 0 0 。这种高温空气通过专门 设计的喷口喷入炉膛后，抽引周围的炉气形成含氧量大大低于2 1 的稀薄贫氧高温气流， 与同时注入的燃料相遇，即可实现燃烧。燃烧后的烟气流经炉膛空间，与被放热物料完 成热交换后被吸入到对侧的蓄热室2 内。高温燃气通过蓄热室2 内的蓄热体，变为 2 0 0 的低温燃气，然后经换向阀、排烟机、烟囱排入大气中。 在一定的时间间隔即换向周期后，控制系统发出换向命令，换向阀动作，改变空气 和烟气通道，a 状态变为b 状态。在b 状态下，常温空气经换向阀进入蓄热室2 内被加 热，喷入炉内与燃料混合燃烧，与被加热物料完成热交换后的高温烟气又经过蓄热室1 后降温，并通过换向阀、排烟机、烟囱排入大气。 就这样，通过在小于2 0 0 烟气温度下工作的换向阀，以一定的工作频率进行周期 切换，使得两个蓄热室始终处于蓄热和放热的交替工作状态，连接两个蓄热室的两个喷 r 也始终处于交替供应高温气体和排烟工作状态，配合也同时交替供入的燃料，完成连 续供热和排烟过程。 蓄热式加热炉在榆钢高线工程的研究与应用 2 5 本章小结 本章对加热炉的基本知识进行了比较详细的论述，从燃烧的基本原理开始到加热炉 炉膛的传热原理，对耐火材料性质选用都作了详细的说明，最后对于蓄热式燃烧的原理 作了阐述。通过本章的论述从燃料到燃烧以及蓄热式燃烧都可以得到较为详细地了解。 翻呈硕士学位论文 第三章蓄热式加热炉的设计及计算 3 1加热炉的基本功能要求 在轧钢生产中，必须将钢坯加热到一定的温度，使它具有一定的可塑性，才能进行 轧制。为了对金属加热就需要使用加热炉。为了满足生产工艺的要求，加热炉必须具有 以下功能要求： 3 1 1 生产率高 在保证质量的前提下，物料加热速度越快越好，这样可以提高加热炉的生产率，减少 炉子座数或缩小炉子尺寸快速加热还能降低金属的烧损和单位燃料消耗，节约维护费 用一般用单位生产率即炉底强度 k g ( 时h ) 的高低来评价一座炉子工作的优劣例 如推钢式连续加热炉的炉底强度为6 0 0 8 0 0k g ( m 2 h ) ，步进式加热炉为7 0 0 9 0 0k g ( m 2 h ) ，先进的连续加热炉可达1 0 0 0k g ( m 2 h ) 。 3 1 2 加热质量好 金属的轧制质量与加热质量有密切的关系加热时物料出炉温度应符合工艺要求， 断面上温度分布均匀，烧损率低，防止过烧和表层的脱碳现象。 3 1 3 燃料消耗低 轧钢厂能量消耗的l o 1 5 用于加热炉上，节省燃料对降低成本和节约能源都有 重大意义一般用单位燃料消耗是来评价炉子的工作，如每公铡消耗的燃料量( 公斤) 或 ( 千焦耳) 。 3 1 4 炉子寿命长 由于高温作用和机械磨损，炉子不可避免会有损坏，必须定期进行检修应尽可能延 长炉子的使用寿命，降低修炉的费用。 3 1 5 劳动