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河北工业职业技术学院毕 业 论 文论文题目：板带材控制轧制和控制冷却 系 别 材料工程系 专业年级 03 金属材料 5班 学生姓名 齐朝 学号 37号 指导教师 张景进 职称 教授 日 期 2006年4月11日 绪论用蓄热室来预热空气和燃料是一项较早的技术，但由于其换向阀结构复杂、体积庞大、控制系统不可靠、换向时间长、效率比较低，因此没有得到重视，因而换热器技术得到迅速发展。由于二十世纪七十年代的能源危机后，节能工作得到各个国家的重视，加之科学技术的不断进步，出现了结构简单，控制方便，可靠性强的换向系统。因此近十年来蓄热式燃烧技术得到长足发展，各个国家都在研究各种蓄热式烧嘴和高效蓄热式燃烧技术，以及高风温燃烧技术。蓄热式步进加热炉的最大特点是利用蓄热体对空气进行预热，在加热过程中两个蓄热体处于蓄热与放热不断交替的状态中，从而提高空气预热温度，使排烟温度控制在 100150。蓄热式加热炉工作的关键在于控制两个蓄热体在蓄热与放热状态之间交换，如果两个蓄热体不能及时进行交换，就会使处于蓄热状态的蓄热体温度过高而失去从烟气中吸收热量的作用，同时，处于放热状态的蓄热体温度过低而失去对空气进行预热的作用。蓄热式加热炉应用与改造及其发展趋势摘 要 ：本文通过介绍蓄热式加热炉的应用效果及特点等情况，表明高效蓄热式燃烧技术应用在燃油加热炉上也是一项高效、节能和环保的先进技术，提出国内蓄热式加热炉的发展方向及趋势。关键词 ： 蓄热 燃油加热炉 节能 环保 国内蓄热式加热炉对比发展趋势前言：步进式，其缺点是利用换热器进行空气预热，预热温度低，排烟温度高，抑制了加热炉加热能力的提高。随着带钢生产节奏的不断加快，加热炉越来越不能适应带钢生产，为此，2002年11月将原步进加热炉改为蓄热式步进加热炉。用蓄热室来预热空气和燃料是一项较早的技术，但由于其换向阀结构复杂、体积庞大、控制系统不可靠、换向时间长、效率比较低，因此没有得到重视，因而换热器技术得到迅速发展。由于二十世纪七十年代的能源危机后，节能工作得到各个国家的重视，加之科学技术的不断进步，出现了结构简单，控制方便，可靠性强的换向系统。因此近十年来蓄热式燃烧技术得到长足发展，各个国家都在研究各种蓄热式烧嘴和高效蓄热式燃烧技术，以及高风温燃烧技术。为此，根据所了解的情况进行对比分析。1.1燃烧控制系统的主要功能及其结构加热炉燃烧控制系统的主要功能有：燃烧控制；炉膛压力控制；助燃风机及空气压力控制；换热器保护控制。1.11系统可分为两级。二级为监控计算机系统，主要完成加热炉最佳燃烧设定控制；一级由西门子公司的可编程控制器S5-155U(C-PLC)和操作员工作站(MMI)COROS-LB及其相应检测执行元件系统来完成其功能的。系统采用远程输入输出组件ET-200，通过L2-DP数据通信网络来完成数据采集和设备驱动。通过操作员工作站的20几幅画面可对炉内燃烧状况进行监视并进行相应操作。通常C-PLC接受来自监控计算机的温度设定值进行温控，亦可直接在MMI上人工设定温度进行控制。助燃风机控制采用西门子SIMOVERT-MASTER交直交变频传动控制装置。燃烧控制系统共控制8个燃烧段，每段控制结构基本相同，其结构框图如图2所示。1.12加热温度曲线的确定最佳加热温度曲线实际上是由静态的温度加热曲线和在实际控制中动态的修正以完成最佳加热温度控制的过程。在确定最佳加热温度曲线时，其控制要求呈多样性，诸如最大的产量、最小的燃料消耗、耐火材料和换热器的寿命、合适的出炉温度以及最小的脱碳和氧化铁皮损耗等等。显然，各种要求是有着互相制约的关系的，系统只能根据某种原则来进行最佳控制。1.13 脱炭的计算 钢氧化和脱碳现象的量化表述是坯料的氧化物的厚度和钢坯上下表面脱碳的深度，脱碳深度可以从钢坯的厚度角度来理解。氧化和脱碳分别以氧化层和脱碳层的形式动态扩散，系统用一组描述氧化和脱碳扩散动力学的微分方程同时解出氧化和脱碳的深度，其深度初始值一般设定为0。在方程中，炉压和钢种将作为其中的变量。1.4加热炉和坯料的热交换计算这主要基于炉内相应坯料的表面温度和炉内纵向相应位置温度的热交换。如果我们设想炉内是由许多温度元素在加热炉内部进行热量的传递交换，那么实际上，这些温度元素之间的热交换以及与相应坯料的热交换是不同的。各燃烧控制区段纵向相应位置的热电偶所采集的温度实际上是火焰、炉膛、炉顶、燃烧煤气和钢坯之间的热交换综合效应的反映。故可根据Stefan-Boltzmann辐射热交换定律得出在炉内温度元素i和钢坯j的热交换Fij为Fij=Kij(Ti4Tj4)因为热交换并不仅仅在机械物体上发生，在加热炉和坯料之间也存在着热传递和热导现象。虽然对于相对于有效的热传递，此类现象的影响不大，但也必须考虑。式中Kij作为可调整常数，可在调试时确定。1.5坯料内部温度计算钢坯内部的热扩散过程可以用有限差分法解傅立叶差分方程的数学模型来描述：其中K为物料的热传导系数；Cp为比热；D为钢的密度；t为时间；T为钢坯厚度方向的任意一点的温度；参数K和Cp是温度和钢种的函数。坯料中的热扩散方程如下：其中x和y是把钢坯的横截面作为坐标系其中的任意一点。方程式有解的条件是：时间t0时，温度T=T0且0xhx；0yhy其中hx是坯料的厚度；hy是坯料的宽度。1.6由于上述各类因素所表征的炉况特性的实际性将使模型计算出的钢坯温度出现偏差。为了实时修正这个偏差，系统设置了温度自适应控制功能，即系统在钢坯出炉后经高压水除鳞和开坯机轧制一道次后由红外测温装置进行一次温度测量，该测量值送监控计算机，经过对相应钢种的坯料一段时间测量后的统计计算，加之采集并考虑钢坯出炉至测温装置的时间因素，计算出钢坯实际出炉温度并和数学模型所计算的出炉温度比较得出修正值。当这种补偿经过一定量的统计分析后，系统将自动产生对应这个钢种的有效补偿数据而修正数学模型。温度控制回路各段的温度控制回路控制框图如图3所示。温度控制回路的温度设定可有二种方式，其一为远程设置，其二为本地设置。远程设置值来自监控计算机系统。本地设置值来自C-PLC相应的MMI跟踪站，由操作工根据需要和经验设定。但监控计算机仍然进行实际钢温和最佳加热曲线所设计的钢温温差计算，但仅作为显示，不参与控制。远程控制和本地控制通过选择开关控制。炉膛温度反馈通过双支热电偶采集后通过温度变送器直接输入C-PLC。其后的各种处理则均以软件完成。温度报警中可设定温度的上下限值，当此值达到并持续确定的时间，系统将使相应的煤气切断阀动作，停止供热。热电偶两路采集为可靠起见，操作工可通过检测切换来选择通路A或通路B或二者取高值者作为温度实际值。系统根据远程给定或本地给定和基于采集的温度实际值进行相应的数学计算产生的钢坯实际温度的偏差而给出控制调节器的调节输出量。煤气空气交叉限幅控制在通常的燃烧控制系统中，采用串级比值调节系统。温度调节器的输出直接作为空气流量调节控制器的给定，然后空气流量实际值除以空燃比作为煤气流量调节控制器的给定。在稳态时，煤气量可按一定的空燃比跟随空气实际流量而动，但在动态时，如升温、降温等变化时，这种常规系统就无法保证煤气量仍按一定的空燃比随空气量变化而变化。在型钢加热炉燃烧控制系统中，采用了软件实现交叉限幅控制方式来保证无论在动态还是稳态时，都能满足一定的空燃配比性能。交叉限幅控制的基本原则是：升温时，空气先行；降温时，煤气先行。采用这种方式，使系统无论在稳态还是在动态时，都可获得较好的空燃比性能。同时由于没有过氧燃烧和缺氧燃烧而起到节能降耗的效果。从图4可见，系统通过高低选择器及其相应的空气和煤气实际反馈来完成升温空气调节先行，降温煤气调节先行的交叉限幅功能，达到控制目的。另外，加热炉燃烧控制系统还包括有：炉膛压力控制。为了保证炉内有一个稳定的压力，使外界对炉内加热影响最小，需要对炉膛压力进行控制。避免压力过大造成向外喷火，浪费能源；压力过小造成炉外冷气吸入，降低炉温，也浪费能源。所以要把炉内压力控制在比炉外大气压略高一点的微正压。变频助燃风机及压力控制。加热炉燃烧需要助燃空气，对于助燃空气，不仅有流量要求，还有压力要求。如果助燃空气压力不稳定，对燃烧的稳定性产生很大影响。换热器保护控制。换热器安装在水平烟道内利用加热炉排出的高温废气对助燃空气加热，使其从20上升到600。但若废气温度过高达到一定温度时，势必损坏换热器。其换热器保护系统有三个部分：稀释风控制回路；热风放散控制回路；加热炉预热段偏置回路。步进式，其缺点是利用换热器进行空气预热，预热温度低，排烟温度高，抑制了加热炉加热能力的提高。随着带钢生产节奏的不断加快，加热炉越来越不能适应带钢生产，为此，2002年11月将原步进加热炉改为蓄热式步进加热炉。蓄热式步进加热炉的最大特点是利用蓄热体对空气进行预热，在加热过程中两个蓄热体处于蓄热与放热不断交替的状态中，从而提高空气预热温度，使排烟温度控制在100150。蓄热式加热炉工作的关键在于控制两个蓄热体在蓄热与放热状态之间交换，如果两个蓄热体不能及时进行交换，就会使处于蓄热状态的蓄热体温度过高而失去从烟气中吸收热量的作用，同时，处于放热状态的蓄热体温度过低而失去对空气进行预热的作用。因此，蓄热式加热炉烧钢控制的关键技术在于自动换向系统。控制原理。2.蓄热式步进加热炉工作原理21 工作原理 控制原理蓄热式步进加热炉换向控制系统的换向控制是基于时间的控制。如图1所示，在燃烧状态下，来自鼓风机的常温助燃空气首先由换向阀进入左侧通道，通过蓄热体时被加热，在极短时间内达到接近炉膛温度（一般为炉膛温度的80%90），煤气由通断阀向稀薄高温空气附近注入燃料，燃料在贫氧状态下实现燃烧；与此同时，炉膛内燃烧后的热烟气通过另一侧蓄热体时将热量储存在蓄热体内，然后以低于150的低温烟气经过换向阀由引风机引出。通过规定的时间后换向阀自动换向，常温助燃空气变为由右侧通道经蓄热体进入，热烟气从左侧通道排出，两个蓄热体自动进行蓄热与放热状态的切换，从而达到节能和环保的目的。图1蓄热式步进加热炉工作原理2换向控制系统2.1系统配置蓄热式步进加热炉换向控制系统采用可编程控制器S7-300；上位机选用工控机PentiumIV1.7G，内存128M，软件平台MicrosoftWindows；采用功能强大的STEP-7软件包进行软件开发，以实现计算机控制换向系统的各种功能；采用WinCC(WindowsControlCenter)组态软件建立人机界面。2.2控制功能蓄热式步进加热炉换向系统的控制功能有：（1）空气、烟气换向阀顺序控制，换向周期、顺序间隔周期设定。（2）煤气通断阀顺序换向，换向周期、顺序间隔周期设定时间与空气/烟气换向阀相对应。（3）排烟温度实时检测、显示，参与烧嘴换向控制。（4）排烟温度超温报警、强制换向，报警温度人工设定。（5）空气/烟气换向阀和煤气通断阀的阀位显示、阀位故障报警。2.2.1开机初始化在开机初始状态，系统自动对各个换向阀和通断阀进行状态检测，只有确认24套空气/烟气换向阀均处于通空气位置，24套煤气通断阀均处于断煤气位置时，才允许进行下一步操作。2.2.2手动状态（炉温低于800烘炉阶段）系统具有手动、自动、远程控制三种控制方式，在炉温低于800的烘炉阶段采用手动控制。手动控制是在控制柜面板上先通过通道选择器设定需要操作的阀，再顺序操作“进空气（通煤气）”、“排烟气（断煤气）”按钮来实现对每个换向阀或通断阀的控制，为确保加热炉的安全运行，在事故状态下手动优先。2.2.3自动状态（炉温高于800）当炉温高于800时，启动自动控制程序。自动换向燃烧控制采用定时原则，根据工艺要求将换向周期、换向间隔分别设为90s、4s。蓄热式步进加热炉的整个加热过程分为均热段、加热段和加热段三部分，每一段均有8个空气/烟气换向阀，它们的换向控制原理相同。为了便于操作，将炉膛两侧相对的两个换向阀设为一组，每一段的8个空气/烟气换向阀与煤气通断阀设为一段。一般情况下，每一段有4个煤气通断阀和4个空气/烟气换向阀开通或关断，经过规定的周期后，换向阀自动切换，完成蓄热体在蓄热状态与放热状态之间的切换。在异常情况下，例如排烟温度超过设定值时，可强制换向。系统可实现本地及远程控制，本地操作即在换向系统上位机进行换向操作，远程控制即在燃烧系统上位机进行换向操作。无论哪种操作均可实现组开、组关、段开、段关等控制。2.2.4安全保护功能本系统设有换向连锁、数值检测、报警、故障显示、急停等安全保护功能。换向连锁条件是：开始时先通空气，后开煤气；换向时先关煤气，后排烟气。系统运行过程中，如果出现煤气通断阀开不到位或空气换向阀开不到位时，系统自动关断煤气通断阀，同时，蜂鸣器报警，上位机画面上各加热段状态图中显示相应阀位“开不到位”或“关不到位”，操作人员通过故障指示及时找到故障阀，并采取相应的处理措施，可避免在换向过程中因阀位不到位引起的各类安全问题。在自动换向过程中，如果一组烧嘴中一侧出现故障时，自动切除该侧烧嘴，另一侧烧嘴作为常规烧嘴燃烧。当发生异常情况时，可点击上位机“紧急停炉”按钮，使加热炉所有空气/烟气换向阀和煤气通断阀恢复初始状态，即通空气、断煤气。加热炉的排烟温度通过埋于加热炉两侧的16只热电偶全过程检测，超过设定值时，蜂鸣器报警，并强制换向。并且排烟温度在上位机画面上可以通过棒图、表格两种形式实时显示或打印。2.2.5人机界面系统通过MPI多点通讯接口实现主站S7-300PLC和上位机之间的数据通讯，采用WinCC组态软件开发建立了换向主画面、烧嘴温度监控、阀位控制与报警等画面。本系统人机界面的特点是界面友好，简洁直观，便于操作。通过主画面可以直观的了解点火和加热过程中烧嘴的燃烧状态及切除/投入情况、换向阀和切断阀的运行情况。在该画面中，操作工可以很方便的进行手动/自动切换、组控、段控、急停等操作。并且各画面之间的切换便捷迅速，当出现报警信号时，无论当前处在哪个画面都可以迅速切换到想要显示的报警画面，为操作工人和技术人员处理问题提供便利。运行过程中，还可以随时采集打印排烟温度等各种参数，便于生产管理人员对工艺参数及时分析、修正，使加热炉的工况达到最佳。3运行效果莱钢轧钢厂蓄热式加热炉自2002年12月5日改造完成投入使用以来，系统运行稳定，排烟温度控制在150以下（见表1），炉内钢坯受热均匀，加热能力由100t/h提高到140t/h（冷坯），对提高带钢产量和质量、延长加热炉寿命、降低氧化烧损起到了积极作用。节能效果按下式计算：A=（B-C）/B式中A-吨钢煤气节约量，%；B-改造前吨钢煤气消耗，1.4GJ/t；C-改造后吨钢煤气消耗，1.2GJ/t。计算得，A为14.3%。表1烟气采样表但该控制系统在运行过程中存在以下问题：（1）因阀位状态判断失误容易引起系统误动作。由于系统要求快速通断阀的响应必须迅速，在零点几秒之内完成开/关动作，即认为阀已开到位或关到位，否则就认为阀开不到位或关不到位。快速通断阀在使用一段时间后，响应速度变慢，经常发出虚假的开不到位或关不到位信号，而引起系统误动作。（2）阀体与阀杆脱落引起系统不换向。目前的解决办法只能是定期检查更换快速通断阀和换向阀，但很难保证所有阀都能处于良好的运行状态，而且也增加了工人的劳动强度和设备维修费用。另外，由于该控制系统是基于时间的控制，换向周期是人为设定的，因此，其控制效果受人为因素影响较大，排烟温度和空气预热温度只能控制在一定范围内。若能综合蓄热体温度、排烟温度、燃烧状况等因素，采用基于温度的人工智能控制方法，由蓄热体和烟气温度决定换向，控制效果可能会更好。.加热炉改造方案2.1烧嘴蓄热式燃烧系统的主要特点 高效蓄热式燃烧/热回收系统由蓄热体、换向系统和控制系统组成烧嘴由烧嘴壳体、蓄热室和烧嘴砖共同组成。蓄热室放置经优化设计的陶瓷蜂窝状蓄热体或陶瓷小球，它具有优良的传热特性和阻力特性。燃油蓄热式烧嘴的烧嘴结构和工作原理与燃气蓄热式烧嘴基本相同。 燃油、燃气蓄热式烧嘴在加热炉上使用，具有如下特点： （1）蓄热式烧嘴的结构形式类似普通烧嘴，能直接安装在炉墙上，安装维护方便。炉墙为通常的厚度。 （2）烧嘴设计结构合理，蓄热体装卸都很方便，易于维护和蓄热体更换。 （3）可对单个烧嘴进行在线维护，降低了故障风险。 （4）容易分段供热，各段热负荷调节方便，可以按照加热工艺的需要，灵活调节加热炉温度。同一段中的上部下部烧嘴的供热量也可调节，便于改变上、下热负荷分配。从而减少钢坯上下表面温差。 （5）炉墙两侧留有便于检修的检修门和扒渣门，可及时清理氧化铁皮。减少了因炉底氧化铁皮升高引发的停炉打渣。 （6）炉墙不加厚，耐火材料用量少，炉墙既可以砌砖，也可以浇注，炉墙施工简单方便，烘炉时间短，炉子升、降温速度快，可缩短检修停炉时间。 2.1.2燃料供应 燃烧系统的改造，经多次计算论证，确定均热段采用空、煤气双蓄热燃烧技术，燃用仅有的少量高炉煤气（通常40005000Nm3/h，最大6000 Nm3/h），可以满足钢坯均热需要；而加热段采用空气单蓄热燃烧技术，燃用渣油。这样供热方案主要是基于如下几点考虑： （1）均热段全烧高炉煤气，加热段全烧渣油，便于烧嘴集中布置、维护和控制； （2）均热段全烧高炉煤气，避免了在均热段由于用渣油作燃料而产生的局部高温区，从而避免了钢坯在高温区、段的氧化烧损，同时也避免了由于燃用渣油不易调节、加热工操作不慎而造成的烧粘钢现象。 （3）将煤气和渣油分段供应，可以实现该炉点火或升温时先开煤气烧嘴，待炉温升到一定温度后再开渣油烧嘴，从而避免燃油烧嘴普遍存在的冷炉升温便黑烟滚滚的现象。 各区段烧嘴布置及供2#加热炉供热分配表 燃料种类 烧嘴数量（个） 单个烧嘴能力 该段总供热能力 预热段 0 0 0 加热段 上部 焦油或重油 5 120（kg/h） 1350（kg/h） 下部 5 150（kg/h） 均热段 上部 高炉煤气 6 600（Nm3/h） 7600（Nm3/h） 下部 5 800（Nm3/h2.1.2燃料供应 燃烧系统的改造，经多次计算论证，确定均热段采用空、煤气双蓄热燃烧技术，燃用仅有的少量高炉煤气（通常40005000Nm3/h，最大6000 Nm3/h），可以满足钢坯均热需要；而加热段采用空气单蓄热燃烧技术，燃用渣油。这样供热方案主要是基于如下几点考虑： （1）均热段全烧高炉煤气，加热段全烧渣油，便于烧嘴集中布置、维护和控制； （2）均热段全烧高炉煤气，避免了在均热段由于用渣油作燃料而产生的局部高温区，从而避免了钢坯在高温区、段的氧化烧损，同时也避免了由于燃用渣油不易调节、加热工操作不慎而造成的烧粘钢现象。 （3）将煤气和渣油分段供应，可以实现该炉点火或升温时先开煤气烧嘴，待炉温升到一定温度后再开渣油烧嘴，从而避免燃油烧嘴普遍存在的冷炉升温便黑烟滚滚的现象。 各区段烧嘴布置及供热分配如下表： ）3.改造后的运行情况及效果 加热炉改造后，正式投产，基本达到了该炉改造的预期目标。 （1）均热段全烧仅有的少量高炉煤气，完全满足了均热段炉温在1250左右的要求，达到了设计的预期要求。 （2）满足生产产量要求。轧制冷钢时，小时产量达到设计值70t/h，轧制热钢时，小时产量可达到100t/h以上。 （3）钢温均匀，表现在上下表面温差小，表面与中心温度温差小。出钢后翻钢时，“阴阳面”不明显，轧制几道后，钢温无较大降温，轧钢工人普遍反应该炉烧的钢“透”。8月份验收时，测试钢表面温差为32。 （4）氧化烧损也明显减少，过去一般两个月就因炉底升高而必须停炉打渣，现在已正常生产三个月年，均、加热段炉底升高均不足200mm，经验收测试，烧损率仅为1.1%，比原来的1.6%下降了40%。 （5）燃料消耗低，从8月份生产统计数据（验收）来看，燃料单耗（冷坯）在1.31GJ/t，属于原冶金部特等炉标准。全月平均燃料单耗为：焦油22kg/t、高炉煤气80Nm3/t，折合燃料单耗在1.10GJ/t左右。 （6）均热段高炉煤气充分燃烧，火焰均匀，无明显过高温度区，钢坯加热均匀，投产后从未发生原加热炉经常发生的粘钢事故，提高了作业率。 （7）空气、煤气以及渣油换向控制系统运行良好，可靠。 当然，将蓄热式燃烧技术应用于燃油轧钢加热炉毕竟是第一次，改造之前，虽然在烧嘴结构、燃油换向控制系统及燃烧系统控制等方面做了很多的分析研究和试验工作，也对其在燃烧过程中可能出现的问题（如油枪结焦）做了充分细致的考虑，但将其真正应用于生产实践，也还是出现了一些这样或那样的问题，如初选的蜂窝体容易堵塞、蒸汽不足时油枪易结焦等，但这些问题都不是蓄热式燃油系统和技术本身问题，更不是什么致命问题，而是在生产中通过不断调整、摸索和不断总结经验就可以解决的问题。如北京神雾公司对油枪结构进行调整；轧钢厂也加强了渣油过滤，通过制定规章制度来保证油压、蒸汽压力稳定等具体措施。目前，油枪结焦频率基本等同于过去普通烧嘴，蓄热体堵塞现象也有明显改善。 本项目实施后所创造的效益具有巨大的综合性，多项国内先进节能技术的综合运用，不仅可为公司带来可观的直接经济效益，而且在环保方面也可有效地减少烟气对大气的污染程度，大大改善人们的生活和工作环境，促进文明生产的发展。名称单位改造后计算数据改造前数据炉子用途 钢坯轧前加热钢坯轧前加热加热钢种 碳素钢及合金钢碳素钢及合金钢坯料尺寸mm180220（30003500） 1802203000 钢坯入炉温度常温，400常温，400钢坯加热温度1150125011501250炉子产量T/h7050燃料 渣油，高炉煤气渣油，高炉煤气燃料发热量KJ/kg KJ/Nm3渣油：90004.186 高炉煤气：8004.186渣油：90004.186 高炉煤气：8004.186最大燃料消耗量kg/h Nm3/h渣油:1200高炉煤气：6000渣油:1500高炉煤气：6000介质预热温度空、煤气10001100空气350烧嘴形式 空、煤气双蓄热式烧嘴燃油蓄热式烧嘴普通高炉煤气烧嘴普通燃油烧嘴平均单耗kg/t Nm3/t渣油:22高炉煤气：85渣油:35高炉煤气：1004.3 改造后的效益 （1）炉子加热能力的提高使产量提高产生的经济效益。 （2）蓄热式燃烧是一种先进的弥散式燃烧方式，炉温均匀，减少钢坯上、下表面温差，以及表面与内部温差。提高加热质量，从而可以提高产品质量。 （3）环保上，由于燃油仅用于加热段，空气可预热到1000C左右，可以确保烟囱不冒黑烟，CO2排放量很低，NOX也达到了国家标准，具有良好的社会效益。 国内蓄热式加热炉的对比及发展趋势2国内蓄热式燃烧技术情况 中国自二十世纪八十年代开始有国外译文介绍，八十年代中后期国内热工界也开始研究新型蓄热式技术，建立了专门的陶瓷球蓄热式实验装置。东北大学、北京科技大学、机械部第五设计研究院、冶金部鞍山热能研究院等对此技术都有研究，但是工业应用很少。1998年9月萍乡钢铁有限责任公司首次和大连北岛能源技术有限公司合作采用蓄热式燃烧技术进行轧钢连续式加热炉燃烧纯高炉煤气技术的开发研究，并率先在萍钢棒材公司轧钢加热炉上应用，在国内首次实现了蓄热式技术燃烧高炉煤气在连续式轧钢加热炉上的应用。此炉作为国内第一座蓄热式轧钢加热炉，尽管在许多方面还不尽人意，但应该说为国内蓄热式燃烧技术应用在冶金行业连续式加热炉开辟了先河；此后，国内有多家公司开展蓄热式燃烧技术的研究和在国内的推广应用，蓄热式燃烧技术逐渐成熟。如北京神雾公司的蓄热式烧嘴加热炉，秦皇岛设计院的蓄热式加热炉等。在蓄热式燃烧技术方面形成了一套较完善的设计思想和方法，蓄热式技术在工业炉上的应用，实现了高产、优质、低耗、少污染和高自动化水平，达到了燃烧工业炉三高一低（高炉温、高烟温、高余热回收和低惰性）的发展方向的要求。从90年代至今我们可以这样认为，蓄热式燃烧技术发展可分为下面几个阶段： （1）简单蓄热式燃烧系统，此系统蓄热室和燃烧器是分开的，换向系统庞大，换向控制系统复杂，可靠性差，换向时间长，热效率不高。 （2）从自预热烧嘴发展的蓄热式烧嘴，此烧嘴在国外得到重视并发展到较高水平。如英国的RCB型烧嘴，美国的双蓄热床烧嘴等等。广泛应用于各种火焰炉，并取得了不错的效果。 （3）把蓄热室和炉体有机结合一体，并有可靠换向系统的高效蓄热式燃烧技术，北岛公司在90年代初就有研究和应用，而国内首次成功地利用该技术燃用低热值的高炉煤气则是萍乡钢铁有限责任公司1999年建成的棒材轧钢加热炉，取得了显著的经济效益和社会效益。在此之前国内尚无在轧钢连续式加热炉上燃烧纯高炉煤气先例。 （4）把蓄热室和烧嘴有机结合一体，并有可靠换向系统的高效蓄热式燃烧技术，北京神雾热能技术有限公司于2000年成功的研制开发出适应国内工业炉窑的蓄热式燃烧器系列，形成了北京神雾蓄热式烧嘴技术体系，国内第一次应用该技术的企业是邯郸钢铁公司中板厂2000年改造的中板加热炉，取得了显著的经济效益和社会效益。此后该公司又开发了多种蓄热式烧嘴，分别应用不同的燃料及行业，为蓄热式燃烧技术在国内各个行业的应用做出了突出的贡献。3对比分析 从1999年至今，国内蓄热式燃烧技术发展到现在，基本分为两大系列，一是以北京北岛能源技术有限公司为代表的内置通道式加热炉（即北岛炉），二是以北京神雾热能技术有限公司为代表的蓄热式烧嘴加热炉，下面以这两种炉型作一对比分析：两种蓄热式加热炉对比表项目名称内置通道式烧嘴式蓄热式系统工作原理相同相同蓄热式燃烧系统把蓄热室和炉体有机结合一体把蓄热室和烧嘴有机结合一体蓄热体形式陶瓷小球蜂窝体、陶瓷小球换向阀形式两位五通阀四腔四通阀、小型三通阀换向时间180秒40180秒可调换向控制集中控制集中控制、分散控制燃烧控制简单，一般加热炉名义上是三段控制，实际是二段控制，且上、下热负荷无法调节，控制水平低，适合对加热温度要求不高的钢种较复杂，可根据需要，对加热炉进行三段多点进行控制，且上、下热负荷可调节，控制水平高，可用计算机控制，适合钢种范围广燃料预热形式双预热双预热、单预热燃料适应范围低热值气体燃料（高炉煤气、发生炉煤气）气体燃料（高炉煤气、发生炉煤气、混合煤气、焦、转炉煤气、天然气、液化气），液体燃料（重油、柴油）对燃料的要求对水分，焦油有要求对焦油有要求炉型结构较复杂，炉墙厚达lm与普通加热炉相同管路及排烟相同简单较复杂对耐火材料的要求炉墙要求材料理化指标性能高，强度合适，热震稳定性好，重烧线变化小，体积稳定性好，从而确保通道之间的密封性和普通加热炉相同，对耐火材料无特殊要求施工程度炉墙内有多个蓄热室和煤气、助燃空气通道，内模结构复杂，浇注料施工难度大和普通加热炉一样施工自动化程度低高维修维护若炉墙出现问题，无法维修，且维修时间长即使一个烧嘴出问题，可在正常生产的情况下更换适应行业冶金、机械行业冶金、机械、石油化工、陶瓷、建材4发展趋势 通过以上对比可以看出，两种蓄热式加热炉虽然各有优、缺点，且在国内治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，因为有以下几个原因： 印蓄热式烧嘴加热炉和原普通加热炉相比，都是靠调整烧嘴热负荷来调节炉内温度，对于工人来讲易于接受。 每个烧嘴的可单独调节特点和上下加热烧嘴能力的合理搭配，使加热炉各段上下加热温度的调节非常方便。 炉墙两侧留有便于检修的人孔门和扒渣门，这是唯有采用烧嘴结构形式才能做到的。 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。 烧嘴式结构可以采用集中换向和分散换向，分散换向则由于换向阎靠近烧嘴，换向阀与烧嘴之间的连接管道短而小，燃烧间断时间短，因此换向时管道内残留煤气损失较少，更有利于节能。 维护工作量稍大，但检修时间短，停炉时间短。 对于现在讲品种、讲效益的时代，一个加热炉的自动化水平的高低和燃烧器形式的多样性，决定了该加热炉适应的品种、燃料及行业。5结论 国内蓄热式加热炉发展到现在，还不能讲那一种形式是最先进、最成熟的，都多多少少存在一些问题，还有待我们去探索，如各热工参数之间和设计结构之间的定量关系，控制系统和调节系统的最优化，燃气质量与蓄热体之间的关系，蓄热体的寿命，蓄热式加热炉的寿命等；但烧嘴式蓄热式加热炉是一种发展方向。高温空气燃烧技术是最新发展起来的先进燃烧技术，具有高效节能和超低NOX排放等多种优点，又被称为环境协调型燃烧技术。该技术自问世起，立刻受到了西方发达国家的高度重视，其在加热工业中的应用得到迅速推广，取得了举世瞩目的节能环保效益1-2。最近几年，以北京神雾热能技术有限公司为代表的企业单位对该项技术作了创造性的应用和发展，取得了一系列具有独立知识产权的关于蓄热式高温空气燃烧技术的研发成果3-4。其中最具代表性的是蓄热式加热炉技术的应用和发展。 加热炉的工作空间较大，合理的烧嘴结构和布置是实现蓄热式高温空气燃烧、确保加热效果的关键。以往，燃烧室和工业炉的设计主要靠直观和经验以及大量实验。70年代以来，由于大型计算机以及CFD、计算传热学以及计算燃烧学的迅速发展，目前已能用数学模型和数值计算方法预测三维湍流两相有化学反应流动，可以预报燃烧室和工业炉中流场、壁面热流、燃烧及污染物排放等各种场的分布细节，有效地提供了进行最优化设计及放大设计的新方法5。数学模拟或计算机模拟可大大减少实验所用的人力、物力和财力。 本文通过对国内某钢厂蓄热式加热炉内的流体流动、燃烧与传热过程进行三维非稳态数值模拟研究，得到了一系列符合炉子实际的速度场、温度场和浓度场分布情况。这对进一步优化蓄热式加热炉设计具有十分重要的指导意义，对生产现场烧炉工艺操作参数优化也具有非常重要的意义。 2 物理模型 以采用神雾蓄热式高温空气燃烧技术改造的国内某钢厂的空气-煤气双预热蓄热式加热炉为研究对象，炉膛尺寸为2549081505000mm，该炉采用蓄热室的群合式布置方式，以高炉煤气为燃料。图1为工作原理示意图，喷口对称布置在炉子两侧，两侧的喷口交替进行喷气和排烟，喷口分布情况如图2所示。 AA 图1 空气-煤气双预热蓄热式加热炉 图2 喷口分布 工作原理示意图 3 数值模拟 3.1 基本方程 3.1.1 流动模型 对流动过程，采用标准 - 湍流模型，其模型由下述控制方程组（数学表达式）表示。 连续性方程： (1) 动量方程： (2) Reynolds应力张量（ij）为： (3) 紊流动能 和紊流耗散速率 的传输方程为： (4) (5) Gk为剪切产生项： (6) Gb是体积力产生项。若忽略旋转与阻力产生项，则： (7) 3.1.2 燃烧模型 燃烧过程采用混合燃烧模型，它假设燃料和氧化剂在瞬间不能并存，瞬时的质量分数以下列关系式由瞬时的混合分数 给出。 当 时 (8) 当 时 (9) 且： 产物的质量分数由下式给出： (10) 式中：f为瞬时质量分数，Yp为燃烧反应产物的质量分数，YF为燃料质量分数，YO为氧化剂质量分数，YPC是碳燃烧产生的含碳气体的质量分数，i为燃料与氧化剂混合比。 采用即混即燃模型时，需要求解平均混合分数与混合分数 的脉动值g的方程，即： (11) (12) 3.1.3 NOx模型 NOx产物模型可以和混合燃烧模型一起使用。NOx模型通过解传输方程求得体系内的NO质量分数。在采用HTAC燃烧技术时，应求解HCN的质量分数方程。采用热力NOx反应模型，考虑三个附加的反应机理15：一个反应缘于燃烧裂解产物HCN等；一个反应缘于HCN转化为NO；一个是NO和HCN相结合的NO消耗反应。 NO和HCN的传输方程为： （13） 瞬间的反应速率 和 在各个物种的温度和质量分数的脉动值的基础上计算。平均反应速率通过对假设的概率密度函数的积分而建立。 3.1.4 辐射模型 在燃烧过程中，辐射换热是基本的传热方式之一。考虑燃烧气体为灰体介质 ,按照吸收和散射介质辐射换热的基本原理，传热遵循以下辐射传递方程： （14） 方程右边第一项为介质吸收和散射引起的辐射强度 的减弱，第二项为介质自身的容积辐射强度，第三项为各方向进入微元体的热辐射在 方向的散射。 本文采用蒙特卡洛法求解，光子数 10万个。 3.2 边界条件 3.2.1 进口条件 进口采用Dirichlet条件，直接设定进口速度（或流量）。进口湍动能和动能耗散系数的值对于进口截面可以作如下假设： （15） （16） 这里，uint为进口平均速度，cp1和cp2为经验数据，根据速度不同而有所不同，Dh为水力直径，Dh=4A/L，A为进口