（材料加工工程专业论文）天然气在蓄热式锻造加热炉上的应用及模拟.pdf

摘要 摘要 天然气是一种清洁能源，具有热值高、燃烧稳定、设备简易、便于控制以 及污染小等优点。蓄热式燃烧技术具有节约燃料、提高热利用率、降低n o x 排 放量，减小设备尺寸等优点。而我国锻造加热炉普遍存在着能源消耗高、环境 污染严重等问题。因此，本文对天然气在高温蓄热式燃烧技术应用时进行了数 值模拟，并分析了影响炉膛内气流流动和温度分布的因素。主要研究内容和结 果如下： 1 建立了天然气蓄热式锻造加热炉三维火焰空间的数学模型，模拟了炉膛 内的温度、流速、浓度分布情况。 2 。针对不同的射流的相对速度、预热温度和夹角进行了数值模拟，结果表 明：天然气射流和空气射流的相对速度越小，加热炉内的高温区域越大，并且 炉膛内的平均温度愈高，炉内的温度均匀性愈好；当空气的预热温度不变时， 仅提高天然气的预热温度，炉内的最高温度和平均温度还会随之提高；当天然 气和空气的预热温度都不变时，改变天然气和空气射流间的夹角，同样会改变 炉膛内的温度分布情况，炉内的最高温度和出口处的平均温度几乎呈线性降低， 炉内平均温度成二次曲线变化先增大后减小，并且炉膛内的高温区越靠近喷口 处。 3 同时还对不同的烧嘴喷口问距和安装高度进行了数值模拟，结果表明： 当射流的其它参数一定时，增大喷口间距，天然气和空气更容易扩散到整个炉 膛进行燃烧，相应地炉膛内的温度也越均匀，但是若间距太大，射流偏转更大， 在炉内形成更大的漩涡，使流速分布不均匀，致使平均温度降低；在烧嘴喷口 间距，空气、天然气射流流速、喷射方向和温度不变的前提下，改变烧嘴的安 装高度，对加热炉炉膛的最高温度，平均温度以及烟气组分的浓度影响不大， 但是对加热钢坯表面的温度分布影响很大。 关键词：天然气；锻造加热炉；蓄热式燃烧技术；流场；温度场；浓度场 西北工业大学硕十学位论文 a b s t r a c t n a t u r eg a si so n ek i n do fc l e a ne n e r g y t h e r ea r em a n ym e r i t sa b o u tt h en a t u l _ e g a s ，s u c ha ss t a b l yb u r n i n g , s i m p l eb u r n i n ge q u i p m e n t , e a s i l yc o n t r o l l i n gw h e n b u r n i n g r e g e n e r a t i v ec o m b u s t i o ni so n ek i n do fb r a n d - n e wa d v a n c e dc o m b u s t i o n t e c h n o l o g y i tc a ns a v ef u e l ，i m p r o v eh e a tu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y , r e d u c et h en l a s so f n o xa n dd i m i n i s ht h ee q u i p m e n td i m e n s i o n i nc h i n at h ep r o b l e mi sh i g he n e r g y c o n s u m p t i o n ，e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni nt h ef o r g ef u r l l a e e i fb o t ht h en a t u r a lg a s a n dr e g e n e r a t i v ec o m b u s t i o na r eu s e di nt h ef o r g ef u n l a c e ，t h er e s u l tw i l lb e e n c o u r a g i n g m a i nc o n t e n t sa r ef o l l o w e da s ： f i r s t l y ，t h ep a p e re s t a b l i s h e dt h et h r e e - d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h e r e g e n e r a t i v eh e a t i n gf u m a e e ，w h i c hi su s e dt os t u d yt h et e m p e r a t u r ef i e l da n df l o w f i e l dw h e nb u r n i n gn a t u r a lg a s t h em o d e lm a i n l yc o n s i s t e do ff l o w , r e a c t i o na n d r a d i a t i o nm o d e l m a i n l ys t u d i e dt h et e m p e r a t u r ef i e l da n df l o wf i e l di nt h ef u r n a c o ， w h e nc h a n g i n gt h ea s s e m b l e da l t i t u d eo f t h eb u r n e r , d i s t a n c eb e t w e e nt h en a t u r a lg a s a n da i rb u r n e r , t h ed i r e c t i o n , r e l a t i v es p e e da n dt h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r eo ft h e n a t u r a lg a sa n da i r s e c o n d l y , t h et e m p e r a t u r ef i e l da n df l o wf i e l da r es i m u l a t e di nt h ef u r n a c ew h e n c h a n g i n gt h ed i r e c t i o n , r e l a t i v es p e e da n dt h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r eo ft h en a t u r a l g a sa n da i r t h er e s u l ti s t h a tt h el o w e rt h er e l a t i v es p e e di s t h e b e t t e rt h e t e m p e r a t u r eu n i f o r m i t y , t h eh i g h e rt h ea v e r a g et e m p e r a t u r ea n dt h eb i g g e rt h ea r e ao f 1 1 i g ht e m p e r a t u r ea l e ，l l c i lt h ea i rp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ei si n v a r i a b l e o n l y e n h a n c i n gt h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r eo f n a t u r eg a s ，t h em a x i m u mt e m p e r a t u r ei nt h e f u r n a c ea l s oc a l le n h a n c ea l o n gw i t hi t v c h e nt h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r eo fn a t u r a l g a sa n dt h ea i ri sa 王li nv a r i a b l e ，t h ec h a n g eo ft h ev e l o e i t yd i r e c t i o no fn a t u r a lg a s a n dt h e a i r , t h et e m p e r a t u r ea n df l o wf i e l d s t i l la l ec h a n g e d t h em a x i r a u m t e m p e r a t u r ea n dt h ea v e r a g et e m p e r a t u r ec u i v 鼯n e a r l ya s s u m e st h el i n e a r i t yt ob e r e d u c e d ，t h ea v e r a g et e m p e r a t u r ec u r v eb e c o m e st h ec o n i cs e c t i o nc h a n g e ，a n dt h e l l i g ht e m p e r a t u r ea r e aa p p r o a c h e st h en o z z l ep l a c e t h i r d l y , t h et e m p e r a t u r ef i e l da n df l o wf i e l da r es i m u l a t e di nt h ef u r n a c ew h e n c h a n g i n gt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ea i ra n dn a t u r eg a sb u r n e ra n dt h eh e i g h to f b u r n e r i n s t a l l m e n t f i n a l l yi n d i c a t e d ：w h e no t h e rp a r a m e t e r si sc e r t a i n , i n c r e a s i n gt h e i i 摘要 d i s t a n c e ，t h en a t u r a lg a sa n dt h ea i ri se a s i e rt op r o l i f e r a t ea n db u mi nt h ee n t i r e c h a m b e r , c o r r e s p o n d i n g l yi nc h a m b e rt e m p e r a t u r ea l s oe v e n e r , b u ti ft h ed i s t a n c ei s t o of a r , t h ej e tf l o wd e f l e c t i o na n de d d yc u r r e n ti s b i g g e r , w h i c hc a u s e st h e n o n - u n i f o r m i t yo f v e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n dc a u s 鼯t h ea v e r a g et e m p e r a t u r et or e d u c e i nt h ed i s t a n c e ，v e l o c i t yd i r e c t i o na n dp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r eo ft h ea i ra n dt h e n a t u r a lg a sa r 0i n v a r i a b l e ，c h a n g e so ft h eh e i g h to fb u r n e ri n s t a l l m e n tb u r n e rn o z z l e t h ei n s t a l l m e n ta l t i t u d ew i l ls l i 曲f l yi n f l u e n c et h em a x i m u mt e m p e r a t u r e ，t h ea v e r a g e t e m p e r a t u r e a sw e l la st h eh a z e c o m p o n e n td e n s i t y , b u tm o r ei n f l u e n c et h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f b i l l e ts u r f a c e k e y w o r d s ：n a t u r a lg a s ，f o r g eh e a t i n gf l l m a c c ，r e g e n e r a t i v ec o m b u s t i o n , f l o wf i e l d ， t e m p e r a t u r ef i e l d ，c o n c e n t r a t i o nf i e l d 1 1 1 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校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。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：起遂盘 砷年t 4 - y j 多日 指导教师签名： 砌7 年啦月弓日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是 本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的 内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研 究成果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：盘焦! 全 砷年伞月弓日 西北工业大学硕士学位论文 本论文的主要创新与贡献 ( 1 ) 建立了燃天然气的蓄热式锻造加热炉三维模型，并对该模型进行了数值 求解，得到了天然气在炉膛内燃烧后炉膛内的温度、流速和浓度分布图。 本文模拟了天然气在蓄热式锻造加热炉上的应用 ( 2 ) 针对影响炉膛内温度分布因素，如天然气和空气的预热温度，天然气与 空气射流的夹角和相对速度，以及天然气喷口和空气喷口的间距不同， 进行了数值模拟，根据其温度分布图提出有利于钢坯加热的最佳加热炉 参数。 l v 第1 章绪论 _ _ | _ 自_ t l j - e _ _ _ i - _ _ - _ _ l e - _ _ e _ i e _ - ! i _ e = - 目_ _ e e e _ _ _ i _ _ t _ _ _ _ _ - l - _ 自- _ _ 目_ i 1 1 引言 第1 章绪论 锻造加热炉是锻造行业重要的加热设备。其主要作用就是根据金属掘热工 艺和金属加热制度的要求，把需要锻造的金属加热到一定的温度范围，使它有 尽可能高的塑性和尽可能低的变形抗力。几乎各种锻造工艺都是使金属在外力 的作用下产生塑性变形，按照一定的工艺制成所需形状的零件或半成品。为了 使金属在成形过程中不发生破坏，并尽量减小变形能，总是希望它具有很好的 塑性和很低的变形抗力。因此金属在锻造之前，一般均需对其加热，提高其塑 性、降低变形抗力、使之易于流动成形并获得良好的锻后组织。同时为了减小 金属在成形时产生的内部组织不均、残余应力和加工硬化等不良现象，金属在 成形后或成形中间阶段要进行热处理，金属加热也是必须的重要工序。而当前 锻造加热炉普遍存在着能源消耗高、环境污染严重等问题。随着科学技术的飞 速发展，带动社会生产的发展，能源的需求是在不断地增加，人类对能源危机 概念的认识也越来越清晰，节能变成为一个亟待解决的问题。天然气是一种清 洁能源，具有热值高、燃烧稳定、设备简易、便于控制以及污染小等优点，已 开始被广泛地用于工业窑炉、工业锅炉、生活锅炉和机动车辆等领域。高温蓄 热式燃烧技术是2 0 世纪9 0 年代发展起来的一种全新的先进燃烧技术，它具有 节约燃料、提高热利用率、降低n o x 排放量，减小设备尺寸等优点。因此，将 天然气、高温蓄热式燃烧技术应用在锻造加热炉上会使我国锻造加热炉水平取 得很大的提高。 1 2 锻造加热炉现状及发展趋势 1 2 1 国外锻造加热炉现状及发展趋势 1 燃料使用方面 自1 9 世纪7 0 年代的产业革命以来，化石燃料的消费量急剧增长。初期主 要是以煤炭为主，进入2 0 世纪以后，特别是第二次世界大战以来，石油和天然 气的生产与消费持续上升，石油于2 0 世纪6 0 年代酋次超过煤炭，跃居一次能 源的主导地位。虽然2 0 世纪7 0 年代世界经历了两次石油危机，但世界石油消 费量却没有丝毫减少的趋势。此后石油，煤炭所占比例缓慢下降，天然气的比 西北丁业大学硕十学位论文 例上升。同时，核能、风能、水力和地热等其他形式的新能源逐渐被开发和利 用，形成了目前以化石燃料为主和可再生能源、新能源并存的能源结构格局。 到2 0 0 3 年底，化石能源仍是世界的主要能源，在世界一次能源供应中约占8 7 7 ，其中，石油占3 7 _ 3 、煤炭占2 6 5 、天然气占2 3 9 。非化石能源和可 再生能源虽然增长很快，但仍保持较低的比例，约为1 2 3 【l 】。 目前在工业化国家，锻造加热炉的燃料构成由传统的以煤为主，转变为现 在的以油、气燃料为主。在燃气方面，特别是天然气的使用，目前美国天然气 年产量为7 0 7 5 亿m 3 ，其中2 6 已被使用；日本年产量8 0 0 亿m 3 ，其中3 0 已 被使用【2 】。 2 余热回收方面 加热炉是让燃料在炉膛内充分燃烧和进行最有效的利用。但是即使最先进 的加热炉也不可能将燃料燃烧的热量在炉内1 0 0 地利用，所以如何充分回收 从炉中排出的烟气的热量，并加以充分利用，是降低炉子能耗、提高炉子系统 热效率的关键所在。目前国外用来回收烟气热量的高效换热器品种很多，较有 发展前途的有；波纹管插入件换熟器、喷流辐射换热器、网状面辐射换热器、 高效蓄热式换热器，以及最近市面的空间传输对流换热器等。它们共同的特点 是综合传热系数高，单位体积的传热量大和性能价格比高。上世纪9 0 年代，西 方发达国家研究出了高温蓄热式燃烧技术，它具有高效、节能、环保三种优点。 与传统燃烧技术相比，高温空气燃烧技术通过蓄热式烟气余热回收，可使空气 预热温度达到烟气温度的9 5 ，不仅大大提高了加热炉的热效率，而且由于空 气预热温度很高，也大幅度地提高了炉膛温度的均匀度。高温空气燃烧技术可 节能6 0 以上，而且大大降低了c 0 2 的排放量。高温空气燃烧技术实现贫氧 区域燃烧，使n o 的排放量也大大减少，为传统燃烧技术的1 1 5 1 2 0 。此外， 高温空气燃烧技术燃烧噪音低，减轻了噪音对环境的污染。紧接着又开发出几 种高温空气燃烧器，在日本、美国，欧洲等地用于生产实际很快，目前该技术 经济效益显著，其开发应用也日臻成熟，目前已成为加热炉发展的主要趋势。 3 节能、环保方面 在节能、环保方面，各个国家做了很多方面的工作。前苏联已研制出各种 快速加热炉和快速加热装置，并对少( 无) 氧化加热的炉型、热工制度、燃烧装置 和炉子机械化、自动化及电子计算机技术等进行了大量研究，以求收到最佳的 效果。8 0 年代末期，他们用快速加热制度提高生产率达1 5 3 0 ，燃料消耗也 有明显降低。近几年来，俄罗斯的快速加热制度又有了新的进步。快速加热炉 在炉子的直接费用方面比任何一种用煤气、油、电加热的炉子都低，已成为节 能和提高生产率的重要加热装置 3 】。 第1 章绪论 日本在降低加热炉燃料消耗方面的主要措施是闭： ( 1 )确定合理的锻造温度和加热时间，取消均热阶段。一些工厂认为， 只要炉温达到了工艺要求，便可进入保温阶段，应力争压缩均热阶段或将 其取消： ( 2 )控制空气与燃料比例，控制炉压； ( 3 )加强余热利用，在工业炉上安装预热器，将空气预热至2 0 啦5 0 0 ， 达到了平均节能3 0 的效果； ( 4 ) 采用高效炉型，加强管理，提高炉子作业率。 由此可见，逐步减少固体燃料的比例是提高能源利用效率、降低自源系统 成本、提高优质能源服务成为锻造加热炉的必然选择。 1 2 2 国内锻造加热炉现状及发展趋势 1 燃料消耗 锻造加热炉是机械锻造行业的重要加热设备，据有关资料显示【4 】，我国在 用锻造炉一万余台，其中燃煤炉大约占总量的6 0 6 , 4 ，燃气炉大约占总量的3 5 ， 剩余为燃油炉。国内机械锻造行业产品平均单耗0 5 0 吨标煤吨产品，日本、英、 美等发达工业国家产品平均单耗仅0 3 0 吨标煤吨产品。据不完全统计，我国现 有锻造厂和车间约1 4 0 0 0 多家，工艺和设备较完善的锻造厂和车间约7 0 0 0 个， 乡镇锻造厂约7 0 0 0 多家，锻造厂大多有多台加热炉1 3 1 。 根据1 9 9 0 年以前的资料，锻造加热炉的能耗结构主要以煤等固体燃料为主、 液体和气体燃料次之的基本特征，但总的发展趋势是以燃油炉的比例上升 4 】。 表1 1 给出了机械行业加热炉的能源消耗结构从7 0 年代到8 0 年代的变化。 表卜1 机械行业加热炉的能耗结构( 按锻件重量计) 啪 t a b l e1 - 1t h ee n e r g yc o n s u m p t i o ns t r u c t u o f h e a t i n gf i m a a e e 据世界能源导报报导2 0 2 0 年我国能源需求预测：( 1 ) 能源需求量为2 4 3 1 亿吨标煤。( 2 ) 能源需求优质化煤炭降到5 5 6 5 ，天然气提高到8 一l o ，石油比例略有提高，二次能源电力占一次能源的比重增至4 4 ，石油进口 量控制在6 0 左右【4 】。 2 余热回收方面 我国锻造加热炉炉型结构绝大多数为上世纪5 0 , - 6 0 年代的结构形式，先进 西北t 业大学硕+ 学何论文 的炉型比重不大，锻造加热炉有一万多台，按锻件重量计5 5 以上燃煤，且室 式炉多数，室式炉炉温波动较大，加热质量差，热效率一般低于5 。燃烧系统 与国外相比更是落后。往往是加热炉要上新型燃烧装置时，而没有配上相应的 燃烧系统，使新型燃烧装置的作用得不到充分发挥。在余热回收措施方面，更 是落后。目前回收利用高温废气预热炉内空气或燃料的方式是用换热器，由于 9 0 的换热器是金属换热器，其温度热效率仅为3 0 - 5 0 ，用换热器进行烟气热 回收时，空气预热温度最高为5 0 0 - - 6 0 0 1 2 ，这在一定程度上降低了排烟温度， 提高了炉子的热效率。但是由于这种烟气热回收方式受材质、成本的影响，烟 气余热回收率不到5 0 ，而且常常因积灰导致温度逐渐下降1 3 l 。 3 节能、环保方面 由表1 - 2 看到，我国锻造加热炉热效率低，节能潜力很大。8 0 年代中期到9 0 年代中期近十年中，我国锻造加热炉节达到3 3 ，虽取得了相当的节能进步， 但是与国际先进水平相比，依然多耗能3 3 4 3 1 5 1 。 表1 - 2 锻造加热炉热效率闱 t a b l e1 - 2t h et h e r m a le f f i c i e n c yo f f o r g eh e a t i n gf a r n a c e 锻造加热炉的燃料使用结构导致了其排放的污染物一直很高，烟气中排放出 大量的c 0 2 ( 温室气体) 、c o ( 有毒气体) 、s 0 2 ( 腐蚀气体) 、n o ，( 酸雨气体) 及烟尘( 可 吸入颗粒物) ，造成环境严重污染，对城市危害尤为严重。大气中的s 0 2 ，其中 2 3 来自煤的燃烧。1 9 9 7 年全国s 0 2 排放量为2 3 4 6 万t ，居世界第一位，其中约 8 0 来自工业排放。城市s 0 2 年平均浓度在6 6 i _ t g m 3 ，有的高达2 5 0 u g m3 ，大 大超过世界卫生组织( w h o ) 推荐的标准值( 4 0 - - 6 0 t g m3 ) 。由s 0 2 排放引起 的酸雨污染，已扩展到全国整个面积的3 0 4 0 ，影响着钢制建筑物、森林及 农作物。据有关研究的结果，酸雨造成的经济损失已接近年国民生产总产值的 2 。大气中排放的n o 。的6 0 来自燃料燃烧。氮氧化物超过国家二级标准 ( 5 0 r t g m 3 ) 的城市占3 6 ，其中广州、上海和北京三个城市的n o x 污染严重。 燃料燃烧每年向大气中排放上百亿吨的c 0 2 ，我国达3 0 亿t ，占世界排放量的 1 3 6 ，其中8 5 是燃煤的结果。世界c 0 2 排放量的也是不容忽视的一个问题。 c 0 2 气体的韫室效应”造成地球气温升高，海平面升高，土地荒漠面积扩大，全 球性的大面积干旱或洪涝灾害，酷热、严寒等灾难性气候频繁出现等等，严重威 胁人类的发展和生存。我国能源使用排放的c 0 2 约占各种温室气体总排放量的 第1 章绪论 8 0 。1 9 9 7 年全国烟尘排放量达1 8 7 3 万t ，工业烟尘排放量占8 3 6 ，其中7 0 来自燃煤。城市总悬浮颗粒物( t s p ) 全国年平均值为2 9 1 p g m 3 ，超过国家二 级标准( 2 0 0 p g m 3 ) 的城市占7 2 ( 包括北京、天津、重庆和太原等城市) f 4 j 。 锻造加热炉做好节能、环保护的措施有： ( i ) 逐步优化燃料结构 不同燃料燃烧所生成的c 0 2 数量不同，燃烧1k g 煤炭产生的c 0 2 ，是天然 气的近2 倍，是油的1 0 倍。燃烧1 0 0 亿i n 3 天然气与烧同热量煤炭比，减少 c 0 2 2 5 0 0 万t ，s 0 2 2 0 万t ，n o x l 2 万t 【”。以应尽可能选用天然气、油或煤转化 成气作燃料，淘汰直接燃煤，成为锻造加热炉选用燃料的趋势。 ( 2 ) 采用蓄热式高温空气燃烧技术 国内现在已开始将高温蓄热式燃烧技术应用于加热炉，它具有高效节能和 低n o x 排放的双重优越性。该项技术是在旧有蓄热室基础上发展起来的，使蓄 热室综合效能提高了许多倍。 目前为止，蓄热式高温燃烧技术的应用在我国已初具规模。我国第一重机 厂使用的蓄热室加热炉，空气预热温度6 0 0 1 2 ，排烟温度5 5 0 ，余热回收率上 限约5 0 1 5 1 。1 9 9 5 年包钢建成了4 台蓄热式均热炉，使用混合煤气，炉温达 1 3 8 0 ，空气、煤气双预热9 5 0 - 1 1 0 0 ，排烟温度不大于1 5 0 ，节能4 1 ， 产量提高3 0 以上。韶关三轧分厂建成一台6 9 x 1 4 m 蓄燕式加热炉、烧高炉煤 气，煤气、空气双预热1 0 0 0 1 2 ，排烟温度不大于1 5 0 ，炉子热效率7 2 ，钢 坯单耗1 1 3 g j t ，氧化烧损0 7 。该技术经济效益和社会效益巨大。加热炉改 造的投资，加热能力5 0 吨川、时，一般为6 0 0 万元，座，加热能力8 0 1 0 0 吨川、 时，般为7 0 0 8 0 0 万元座，改造完成后从节约的燃料费、维护费及成材率 提高，直接获得的经济效益为每年1 0 0 0 万元座左右，投资回收期为一年左右1 6 1 。 1 3 蓄热式燃烧技术及在加热炉上的应用 高温空气燃烧技术( h i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n 一简称为h t a c 技 术) ，亦称为蓄热式燃烧技术( r e g e n e r a t i v ec o m b u s t i o n ) ，在国外也有无焰燃 烧技术( f l a m e l e s sc o m b u s t i o n ) ，低氧燃烧技术( l o wo x y g e nc o m b u s t i o n ) 等 称谓 8 l 。它是2 0 世纪9 0 年代发展起来一种全新的先进燃烧技术，是利用一种 高效陶瓷换热器近似极限回收烟气余热，可把空气或煤气预热到8 0 0 - 1 1 0 0 ， 并使排烟温度极大的降低。与传统的助燃空气温度为4 0 0 - 5 0 0 c 的燃气系统相 比，极大地提高了能源利用率和燃烧效率，降低n o 的排放，起到节能、环保 双重效果。因此在加热炉领域得到了积极的推广。 两北t 业大学硕十学付论文 1 3 1 蓄热式燃烧技术的基本原理 如图1 1 所示为蓄热式燃烧技术的应用原理图。主要是通过烧嘴之间交替 蓄热排烟和燃烧的运行方式，实现“极限余热回收”和空气( 或燃料) 的高温预热。 预热空气经烧嘴高速喷入炉膛，抽引周围空间的炉气，形成含氧量低于2 1 的 稀薄贫氧高温的气流，同时往气流中注入燃料，燃料在贫氧的状态下实现燃烧， 大大降低n o 的排放量。 圈i - 蓄热式燃烧系统原理图戮 l ：i g ll $ e h e m a 靛矗颦强m 硝蜒h 侍翻l 搿a 啪a 盯o 。l 曲潞溉p 戡出 工作原理为：在前半周期，来自鼓风机的助燃空气经换向阀进入右侧通道， 而后流经蓄热室a ，吸收蓄热体储存的热量，预热至高温后，在经过空气喷口 喷入燃烧室；与此同时，右侧燃气快切阀打开，左侧燃气快切阀关闭，这样燃 气进入右侧通道，而后再经燃气喷口喷入燃烧室，与高温空气混合均匀并迅速 燃烧。燃烧产物对锻件或钢坯进行加热后被引入左侧通道，烟气将热量传递给 蓄热式中的蓄热体b 后，温度降至2 0 0 以下进入换向阀排入大气中。间隔一 定时间后，系统进入后半周期，控制系统发出指令，换向阀动作，煤气快切阀 同时变化状态，此时空气从左侧通道流经蓄热室预热，在经过喷口喷出并与燃 气混合后在燃烧时中燃烧，这是右侧喷口变为烟道。高温空气经引风机的作用， 通过右侧蓄热室将其中蓄热体加热后，以2 0 0 以下进入换向阀排入大气中，即 完成一个换向周期。这样，蓄热体周期性的存放烟气放出的热量，并用储存的 热量加热助燃用空气。实现了“极限余热回收”。高温空气燃烧技术的换向时间 为3 0 - 2 0 0 s 【8 】。 1 3 2 蓄热式燃烧技术的特点 蓄热式燃烧技术中预热空气温度一股在8 0 0 c 以上。在这种状态下，会带来 以下结果： ( 1 )使燃烧温度极大提高； 第1 章绪论 ( 2 )只要燃烧混合物进入可燃范围，就可以保证稳定的燃烧； ( 3 )燃料的蒸发、裂解和自燃等过程都可以得以加速进行； ( 4 )空气温度接近炉温，大大改善全炉温度分布，使之趋于均匀； ( 5 )提高了化学反应速率和燃烧效率，强化了炉内辐射换热比例，使单 位面积热强度增加，装置尺寸减4 , t 】。 传统火焰是通过火焰前沿面在未燃混合气中的移动来实现燃烧，已燃区与 未燃区之闳有明显的分界面，在火焰前沿面中存在很大的浓度梯度和温度梯度， 故存在火焰高温点。蓄热燃烧火焰无明显界面、火焰体积大、形状不规则、火 焰传播快、辐射强度增加、火焰的亮度辐射减少，高温火焰最高燃烧温度可以 保持在一个稳定值。助燃剂预热温度及氧气浓度是影响火焰体积的主要因素， 在将预热温度提高到一定温度以上的同时降低助燃剂的氧含量，才能得到体积 很大的火焰【i ”。 与传统燃烧过程相比，蓄热式燃烧技术的主要优势表现在【1 l 】： ( 1 )节能潜力大。采用蓄热式烟气余热回收装置，交替切换空气与烟气、 燃料与烟气，使之流经蓄热体，能够在很大程度上回收烟气的熟量。平均节能 2 5 以上，燃料节约率可达5 0 - - 6 0 ，经济效益显著： ( 2 )扩展了火焰燃烧区域，火焰的边界几乎扩展到炉膛边界，从而使炉 膛内温度均匀，既提高产品的质量，又延长了炉膛的寿命； ( 3 )炉膛的平均温度增加，加强了炉内传热，使得同样产量的工业炉炉 膛尺寸可以减少2 0 以上，大大降低了设备的造价； ( 4 ) 火焰在炉膛空间内燃烧，而不是在燃烧器中燃烧，故而燃烧噪音小； ( 5 )通过组织贫氧下的燃烧，不仅避免了通常情况下由于高温造成的热 力型n o 的增加，反而大大减少； ( 6 )炉膛内为贫氧燃烧，导致钢坯的氧化烧损减少。 1 3 3 蓄热式燃烧技术在加热炉上的应用 用蓄热室来预热空气和燃料是一项较早的技术，旱在1 9 世纪中期就开始应 用于高炉、热风炉、焦炉等规模大且温度高的炉子。2 0 世纪7 0 年代，能源危机 的出现，节能工作得到各个国家的重视。1 9 8 2 年英国h o t w o r kd e v e l o p m e n t 公 司和b d t 2 i s h g a s 研究院合作，成功开发出第一座使用陶瓷小球作为蓄热体的新 型蓄热式加热炉，节能效果显著。近1 0 年来蓄热式燃烧技术得到长足发展，很 多国家都在研究各种蓄热式烧嘴和高效蓄热式燃烧技术。 国内蓄热式燃烧技术发展到现在，基本分为以下两大系列1 1 7 1 ：一是内置通 西北工业大学硕十学位论文 道式加热炉，其特点是把蓄热室和炉体有机结合为一体，结构紧凑，占地面积 小，炉子外观整洁。二是蓄热式烧嘴式加热炉，把蓄热室和烧嘴有机结合为一 体，并有可靠换向系统的高效蓄热式燃烧技术，国内第一次应用该技术的企业 是2 0 0 0 年邯郸钢铁公司中板厂改造的中板加热炉，取得了显著的经济效益和社 会效益。 两种蓄热式加热炉虽然各有优缺点，且在国内冶金行业都有实际应用的实 例，但总的发展趋势是朝着烧嘴式蓄热式加热炉方向发展，具体表现有以下几 个方面： ( 1 )蓄热烧嘴式加热炉不像内置通道式加热炉有专设的蓄热式，它的烧 嘴就是一个小小的蓄热式，能直接安装在炉子侧墙上，并保持原炉墙的厚度， 而不再象炉墙通道式蓄热炉那样将炉墙加厚到一米多。 ( 2 )蓄热式烧嘴由煤气、蓄热式燃烧器和空气蓄热式燃烧器组成，它们 在炉外分开布置，使煤气与空气通道截然分开，避免了煤气与空气互串的危险。 ( 3 )蓄热式烧嘴的燃烧器中采用陶瓷小球作蓄热体，它具有比表面积大， 耐高温、耐急冷急热性好，导热性能好，更换容易等优点，此外燃烧器采用了 合理结构，使得小球装入与卸出都非常方便。 ( 4 )烧嘴式蓄热室是模仿传统燃烧中烧嘴的形式，将蓄热体集成在烧嘴 中。蓄热式烧嘴外挂于炉墙上，施工较为简单，但受炉外钢结构的限制，供热 点受到限制。锻造加热炉最常用的就是这种，烧嘴采用空气、煤气组合式，由 空气蓄热烧嘴、燃气蓄热烧嘴组合而成。 ( 5 )蓄热燃烧器采用成对换向操作，换向周期可调。正常工作时换向周期 3 0 - 4 5 s 左右，采用双重信号控制：以时间和烟气温度为控制参数。换向系统采 用p l c 可编程控制器控制，可完成自动程序换向控制。手动强制换向控制，设 有功能显示、工作状态显示等，使操作者对蓄热燃烧系统工作情况一目了然， 操作和监视十分方便。 ( 6 )对于高热值气体燃料，可直接冷炉点火升温，不需要单独的点火烧 嘴。 ( 7 )烧嘴式结构可以采用集中换向和分散换向方式，分散换向则由于换 向阀靠近烧嘴，换向阀与烧嘴之间的连接管道短而小，燃烧间断时间短 ( 3 0 - - 4 5 s ) ，因此换向时管道内残留煤气损失较少，更有利于节能。 ( 8 )维护工作量稍大，但检修时间短，停炉时间短。 迄今为止，已先后开发出了不同燃料( 高炉煤气、混合煤气、重油) 的蓄 热式加热炉及其完整的设计。已投产的加热炉，其燃料节约率达到2 5 3 0 0 6 ( 节 约标煤1 0 2 0 k g 吨坯) ，达到国外同类炉子的先进水平。改造后，炉子的产量 第1 章绪论 提高3 0 , - 6 0 0 ，烧损降低，炉体寿命延长，操作环境改善，污染减轻。 1 4 天然气的特征及在加热炉上的应用 1 4 1 天然气特征和性质 天然气为天然的气体燃料，其成分大部分为碳氢化合物，天然气燃料内含 有大量低碳氢和高碳氢化合物，如甲烷( c h 4 ) 、乙烷( c 2 h 4 ) 、丙烷( c 3 h s ) 、高碳 氢化合物( c 出。) 等，各组分的量都是用体积百分数表示。天然气的成分根据产 地不同有一定的差别，即天然气内含的碳氢化合物的体积百分数有所差异。 天然气相对密度为0 5 8 7 ，低位发热值为3 5 3 2 0 k j m 3 ，理论空气耗量为9 4 。 黑度值不发亮火焰0 2 o 3 ，微弱发亮火焰0 4 ，发亮火焰0 6 ，火焰燃烧速度 为0 5 o 7 m s 。天然气不仅是优质的原料，也是宝贵的化工原料。作为气体燃 料具有热值高、热值比煤气( 6 0 7 0 k j m 3 ) 、焦炉煤气( 1 4 6 5 0 k j m 3 ) 更高，质量 稳定、设备简易、便于控制以及价格经济和减少污染等优点1 2 h 。 1 4 2 天然气的燃烧特性 天然气是以甲烷为主的烷烃类气体。天然气在大气中的燃烧是扩散式燃烧， 燃烧过程是：天然气与空气混合着火燃烧。其中混合是燃烧过程的关键。混 合效果取决于以下几个因素：( 1 ) 两气流的温度，( 2 ) 两气流的质量，( 3 ) 两 气流的相对速度，( 4 ) 两气流的相交角度。扩散式燃烧时，天然气与空气两气流 的情况是：没有经过预热，体积差大( 1 份天然气燃烧约需1 0 份空气) ，密度差 较大( 天然气与空气的密度差为0 5 8 , - 0 6 2 ：1 ) ，相对速度和交角小，相遇时无涡 流。所以单纯的扩散燃烧混合不良，燃烧不完全，火焰软而长。天然气火焰喷 出速度小、动量小，难以克服火焰空间的高温浮力，必然会向上飘。美国产的 天然气含有1 6 左右的c 2 1 - 1 4 ，火焰亮度比中国、俄罗斯及西欧产的天然气火焰 亮度更高。德国和俄罗斯均在研究天然气燃烧过程自增炭的方法提高火焰亮度 【2 0 2 1 1 。 表1 - 3 中给出了c h 4 、c o 和h 2 的主要特性。h 2 的燃烧反应机理是典型的 支链反应，主要的基本反应是自由原子和自由基的反应，几乎每一个环节都发 生链的支化。这种连锁反应的反应速度随时间变化的一个重要特征是反应的初 期有一个“感应期”。c o 的燃烧反应也具有像h 2 那样的支链反应特征，实践证 明，c o 只有在有水存在的情况下才可能开始快速的燃烧反应，因有水参加，这 是一个复杂的连锁反应。一定浓度的水有利于c o 的燃烧反应，但水分过多， 两北工业大学硕十学侵论文 则会因降低燃烧温度而减慢反应速度。c i 4 的燃烧机理比h 2 和c o 复杂，它 在较低温度下就开始反应，温度区域不同，反应机理也不同。c h 4 在低温( 9 0 0 k ) 下反应机理的特点是生成中问产物h c h o ，由它又生成新的活化中心。高温 下c i - h 的燃烧反应除了氧化物的连锁反应外，还伴随着c h 4 的分解。在相同 的条件( 如相同的空气系数、相同的可燃混合物预热温度) 下，h 2 的火焰传播速 度远大于c o 的和c i - h 的，当n = 1 0 5 时，h 2 的u l = 1 6 4 c m s ，c o 的u l = 2 8 c m s ，c h 4 的u l = 3 2 c m s 。若将可燃混合物预热至2 0 0 ，那么h 2 的l l l = 6 0 0 c m s ，c o 的u l = 1 0 0 c m s ，c h 4 的i l l = 6 0 c m s l l y l 。 表1 - 3c r h ，c o 、h 2 的主要特性 t a b l e1 - 3t h em a i np r o p e r t yo f c h 4 ，c o ，啦 ! 4 3 天然气燃料的利用及在加热炉上的应用 近年来一些国家在天然气领域增加投资的趋势表明，2 1 世纪世界范围内将 迎来大量利用天然气的高潮。迄今，全球天然气探明储量为4 0 4 万亿立方米， 其中1 4 6 万亿立方米被认为具有开采价值。我国天然气总资源量为3 8 万亿立方 米，其中，陆上为2 9 1 9 万亿立方米，近海8 1 1 万亿立方米。9 0 年代以来，天 然气平均每年增长约1 0 亿立方米，是增长最快的能源。到1 9 9 7 年，天然气 产量达到2 2 3 亿立方米，且平均每年以1 7 1 4 的速度递增。随着西部大开发 的推进，将形成四川、鄂尔多斯、塔里木盆地和海域四个主要天然气供应基地。 此外，我国周边国家有着丰富的天然气资源，俄罗斯和中亚三国拥有剩余可 采天然气储量5 8 万亿立方米，每年可向我国提供数百亿立方米天然气；亚太 和中东地区的天然气资源在未来几年中将形成年产液化天然气( l n g ) 5 千万吨 以上的规模。可供我国选择利用。国家已拟在广东、福建和浙江建立l n g 接 收站，同时加紧建设天然气输气干线和输配系统。不久将实现“西气东输“北 气南下“海气上岸”和“l n g 登陆”，这些说明了我国将大规模利用天然吲”。”。 天然气己开始应用于以下几个领域i 删： ( 1 ) 用于以“燃气一蒸汽联合循环”为代表的燃用天然气的发电机组； ( 2 )将推广应用到工业、民用领域，用于电站锅炉、工业锅炉、生活锅 第1 章绪论 炉、工业炉窑、民用灶具和燃气热水器等； ( 3 )液化天然气还将用于机动车辆。天然气已成为当前乃至未来一定时 期内应用广泛、消费量大的重要能源。 最近1 0 年，很多企业已经对锻造加热炉进行了燃天然气改造，在对加热炉 改造的同时，也带来了对燃烧器、管路系统及控制系统的改造。天然气不仅热 值高，而且洁净，有利于实现对燃烧的控制，