120th全高炉煤气蓄热式推钢加热炉的设计毕业论文.doc

毕业设计(论文)任务书课题名称120t/h全高炉煤气蓄热式推钢加热炉的设计毕业设计（论文）的工作内容:1. 加热炉在轧钢生产中的地位与作用；2. 高温空气燃烧发展概况、应用与意义；3. 文献综述（含两份英文资料）；4. 120t/h全高炉煤气蓄热式推钢加热炉的设计方案与计算；5. 工程制图；6. 一篇英文资料的翻译；目 录摘要2Abstract31.文献综述51.1连续式加热炉51.1.1 连续式加热炉及其分类51.1.2 连续式加热炉的的发展61.1.3高炉煤气在轧钢加热炉上的应用71.1.4 连续加热炉节能途径和措施101.2 高温空气燃烧技术121.2.1高温空气燃烧技术的原理与研究121.2.2蓄热式燃烧技术实际应用中几个问题的探讨151.2.3高温空气燃烧技术的应用172.蓄热式推钢加热炉的设计和计算192.1 技术数据192.2 设计计算202.2.1 燃料燃烧计算202.2.2 炉膛热交换计算212.3 炉体及水管的热损失242.3.1 炉膛个部分用耐火材料及尺寸242.3.2 炉底水管尺寸及数量的确定262.4 金属加热计算302.4.1 钢坯的均热时间及温度参数302.4.2 加热段及预热段的加热时间312.5 炉子主要尺寸确定342.5.1炉子长度计算342.5.2 炉子操作参数362.6 炉膛热平衡与燃料消耗计算362.6.1 预热段362.6.2加热段382.6.3 均热段382.6.4 炉膛热平衡392.7 供热系统392.7.1 蓄热式燃烧系统392.7.2 烧嘴的选择几燃料分配40结 论41致 谢42参考文献43英文翻译441.文献综述1.1连续式加热炉1.1.1 连续式加热炉及其分类 连续式加热炉是轧钢行业中重要的工艺生产设备之一。钢坯由炉尾装入，边前进边加热，被加热到所需要的温度后，经过钢口出炉，在沿着辊道送往轧钢机。连续式加热炉的工作是连续的，钢坯在炉内靠着推钢机的推力沿着炉底的滑道不断地向前移动，加热后不断的排出。在炉子工作稳定的情况下，炉内的各点温度是相对稳定的，加热炉膛可以视为一个稳定的问温度场，钢坯在炉膛内的传热可以看作是相对稳定态传热，这样可以保证批量的钢坯的加热质量。 连续式加热炉特点各异，从炉子的结构和加热方式等方面可以把连续式加热炉分成以下几类： （1）按所用的燃料分类：使用固体燃料的、使用重油的、使用气体燃料的、使用混合燃料的。 （2）按钢坯在炉内的运动方式分类：推钢式炉、步进式炉、辊底式炉等等。 按被加热金属的种类可分为：加热方坯的， 加热板坯的。加热圆管坯的、加热异型坯的。 （3）按出了方式可分为：端出料的和侧出料的。 （4）按温度制度可分为：两段式、三段式和强化加热式。 （5）按空气和煤气的预热方式分类；不预热式炉、换热式炉、蓄热式炉。 推钢式连续式加热炉是目前应用最广泛的一种炉型。炉膛内采用多点供热以控制炉温，现在很多设计上都是使用三段式连续式加热炉。一般三段式加热炉在加热制度采取预热器、加热器和均热器三段温度制度，在炉子结构上也相应的分为预热段、加热段、均热段三个供热点。钢坯或钢锭有出炉尾推入后先进入预热段缓慢升温，然后在进入加热段迅速把钢料表面升温到出钢所要求的温度，经过加热段后，经过段后，钢坯内外还有较大的偏差，最后进入温度较低的均热段进行均热，这时钢料的表面温度不再升高，钢料内外的温度逐渐趋于均匀。 加热炉在保证安全运行及完成加热钢坯任务的同时，还要考虑高效及经济的燃烧。如何采用合理有效的策略，当加热炉控制系统的负荷及煤气的质量等因素发生波动时，仍然能使加热炉内的炉膛温度、炉膛压力、排烟温度等参数稳定在控制范围之内，并且能够使加热炉工作在最佳燃烧区内，提高产品质量且能节约能耗、减少加热钢坯的氧化铁皮，降低对环境的污染等，是提高企业竞争力的主要措施，也是企业界和科技界对加热技术改进一直关注的热门课题。 除此之外，还可以按其他特征进行分类，如料坯排数、供热点位置等。总的来说，加热制度是确定炉子结构、供热方式及布置的主要依据。1.1.2 连续式加热炉的的发展 从原始到现代炉型的演变和发展可划分为五个阶段：1） 原始炉型阶段：这个时期，轧钢生产和炉子技术的水平都很低。炉型由原始的半连续炉演变为一段式和二段式炉。2） 三段式炉型阶段：这个时期，轧钢生产和炉子技术水平有较大的发展。到五十年代中期，轧机年产量已达到50200万吨。但炉子的产量问题仍不是主要矛盾。着重注意于提高燃料利用系数和循序渐进的加热。三十年代出现的三段式炉，在使用中不断改善结构。一直到五十年代，他仍是各国广泛采用的传统炉型。这种炉型的特征是，不供热的预热段长，炉尾温度低。单位炉底面积产量处于500600公斤/米.时。单炉底产量不超过100吨/时，最大不超过150吨/时。3） 现代炉型发展的第一阶段：这个时期，轧机生产能力大幅度增长，年产量达到200350万吨。另一方面，炉型结构的理论和经验不断发展，出现了能耐高烟温的换热设施。这时，就有必要与可能转到“炉内求高产，炉外利用废热”的方向上。利用碳素钢低温阶段导热率高的特点，在炉子装料端增设上、下供热段，将炉尾烟气温度提高到10001200C，使钢料一进炉就受到强化加热，以提高加热速度。同时扩大炉底面积和装炉量。大幅度提高每座炉子的产量。出炉烟气用来预热空气（预热至400500C）,或其后再设余热锅炉。因此，这一发展阶段的标志，是五段推送式炉的出现和推广。4） 现代炉型发展的第二阶段：这个时期，轧机生产能力继续大幅度增长，年产量已提高到350450万吨，有的高达600万吨.。轧机用的坯料规格也日益加大：板坯厚度达到350毫米，坯长达到14.5米，板坯的单重达到45吨。这些都对炉子提出了新的要求。同时，为了在高速轧制的情况下严格控制带钢尺寸公差和提高产品的表面质量，在板坯加热温度控制和保护板坯表面等方面，也对炉子提出了严格的要求，总之，要求连续加热炉向着高产优质的操作自动化的方向发展。在改革五段推送式炉的同时，创建新的炉型。大型步进梁式炉的出现和推广，热滑轨、全架空推送炉的出现，全炉顶烧嘴的推送式炉，是这一发展阶段的标志。5） 现代炉型发展的第三阶段：自1973年主要工业国家出现石油危机以来，降低燃料消耗，节省能源，开始成为炉型设计的中心问题。六十年代那种不惜加大热耗、以换取高产的概念，开始改变为扩大炉容、提高产量、降低热耗的新概念。总之，连续加热炉诞生六十多年以来，经历了五个发展阶段。这五个阶段又可综合为三个时期：头二十多年为原始炉型时期，第二个二十多年为传统炉型（三段式炉）时期，近二十为现代炉型时期（包括现代炉型发展的三个阶段）。而现代炉型总的发展结果，是导向大容量、高产、优质、低消耗、无公害和操作自动化。 1.1.3高炉煤气在轧钢加热炉上的应用（1）.高炉煤气回收利用的必要性和紧迫性 冶金系统高炉煤气放散率近两年连续回升（表1），已经引起各级领导部门的严重关切。1990年重点钢铁企业高炉煤气的放散量为42.5万t1992年增长为5405万t.整个冶金系统高炉煤气放散量由1985年的月90万t，到1992增长为月185万t，价格约合6.5亿元（单价按12元/GJ）。高炉煤气放散量的大幅度增长已经达到十分严重的地步。高炉煤气因为热值低，回收利用有教大的困难，一般不为人们所重视。其实。煤气是加热炉和热处理炉用的一种宝贵幼稚燃料，他具有燃烧效率高，易于调节控制、劳动条件好、燃烧后对环境污染少等多方面优点，是固体和液体燃料无法与之相比的。目前的技术发展，已经具备充分利用低热值高炉煤气的良好条件，因此应该改变观念，大胆推广应用新的技术成果表1.1 高炉煤气放散率 %年份19851990 19911992重点钢铁企业8.26.210.210.3地方骨干钢铁企业18.215.417.1 表1.2 燃高炉煤气轧钢加热炉设计投产一览表序号指标无锡二钢斜底炉南钢三轧推钢炉南二钢小型实底炉新余小型线材推钢炉凌钢650中轧推钢炉长冶线材推钢炉马钢H型钢推钢炉1 日期2煤气热值KJ.m3空气预热温度/4煤气预热温度/5炉底面积/m6产量/t.h7额定热耗/KJ.Kg8热耗率/%9炉子等级设计投产3997设计实际设计实际设计实际设计实际设计实际19841985355865050060035030032015.432.5188114634454特198619873810550500600300300350783035301672125049.261特198519884186550500550350300350551210158813425261特1987未施工355860035074351338611987未施工3558680400180801379591988初步设计3558650300100401463561990初步设计376265042010850146356（2） 高炉煤气加热炉实现高温高产的关键措施 足够高的火焰温度首先要根据轧机对出钢温度的最高要求决定最高炉温。根据不同的工程条件，建议设计的最高炉温值比轧机要求的最高出钢炉温高100150，然后根据最高炉温确定入炉的空气和煤气预热温度。热值为3558KJ/m高炉煤气要求达到不同炉温时的空气和煤气的温度（a=1.1）见表3 表1.3 要求的空气和煤气温度最高炉温10501150122013001320理论燃烧温度空气温度煤气强度140012420153340051920114162745050024828517335506004084451760600650430466必要的空气和煤气预热温度空气和煤气入炉时的温度是保证获得最高炉温的关键，为此必须考虑到：（1）空气和煤气在换热器的出口温度。该温度必须考虑到从换热器至烧嘴路程中的温度降，根据灌录的长短和保温情况不同，应通过准确的热损失计算确定。在换热器设计时，还应该考虑到工作一段时间后由于热交换管管臂污染甚至堵塞造成传热率下降。应该选用传热率高、外臂光滑下不易污染堵塞的换热器类型，如管状换热器、辐射换热器，以及最近开发的对流辐射组合式换热器等。（2）适当提高炉子排烟温度。适当提高炉子排烟温度，不但是保证空气和煤气预热温度的关键因素，也是提高炉子产量的有力措施。此外还可以减少换热器的传热面积以降低换热器占用的空间。适当延长供热段长度是提高排烟温度的有效措施。布置烧嘴时，建议把排烟温度的目标值定为850950。过高的排烟温度会造成换热器选材和设计困难。（3）富氧燃烧是低热值高炉煤气加热炉可供选择的有效措施 富氧对提高燃烧温度的效果为了使炉温到到1320，相应的理论燃烧温度应为17601800。表4列出了助燃空气和煤气在不同温度条件下为达到上述炉温要求的助燃空气含氧量。 表1.4 要求的助燃空气含氧量 %富氧空气温度/高炉煤气温度/2930314033493588376739774186/Kj.m20400500400202020250不可能453933723834295433302745302825392826233526242232242321从表1.4看出，当高炉煤气热值较低（3767KJ/m）时，采用双预热和富养燃烧，要达到高炉温就比较容易了。富氧燃烧的可行性助燃空气中的含氧量（%）与每立方米富氧助燃空气应掺入的氧气量（m/m）的关系见表5。 表1.5 富氧空气的掺氧量助燃空气含氧量%20.6725.0030.0035.0040.0045.0050.0055.0060.00掺氧量00.05 0.12 0.18 0.24 0.31 0.37 0.43 0.50当高炉煤气热值较低时，采用双预热并用富氧空气助燃在经济上是合理的。以热值3349KJ/ m的高炉煤气做燃料为例，以富氧空气400、高炉煤气250为前提，以产量50t/h的加热炉为对象，用富氧助燃的高炉煤气代替重油加热，富氧燃烧节约的燃料费大约为15元/t.对于有氧气炼钢车间的钢铁企业，若氧气站供氧有富余而能加以利用最为理想。经济效益高炉煤气加热炉本体的建设投资，一般比烧高热值燃料的炉子要高15%20%。但是，因为利用高炉煤气的措施都是节能措施，因此高炉煤气加热炉都有很高的热效率。（4）结语焦炉煤气不足是我国钢铁企业普遍存在的难题。由于钢铁产量连年增加，原有烧混合煤气的轧钢加热炉都有提高煤气热值的倾向，再加上高炉热风炉掺烧部分焦炉煤气，以及部分钢铁企业为城市居民提供民用焦炉煤气，因此焦炉煤气供应更趋紧张，甚至使部分企业现有的或新建的轧钢加热炉因焦炉煤气不足而改烧燃料油。另一方面，高炉煤气放散率近年来有所回升，造成能源浪费和环境污染严重，对此涉及国计民生的大事，应该引起有关部门重视。高炉煤气成功应用于高温加热炉，为我国中小型钢铁企业利用高炉煤气开辟了一条新的途径。这一技术成果若能进一步总结提高、推广应用，可在节约能源和环保两方面同时收到显著的社会经济效益。富氧助燃是保证低热值高炉煤气加热炉稳产高产的有效措施之一。建议进一步对此课题进行技术经济论证，并在有条件的企业试点。建议冶金部组织人力对我国钢铁企业高炉煤气放散和利用情况进行调查分析，然后提出可行性方案，供有关企业作为全厂能源平衡的依据或参考，并分别不同情况采用不同方法诼步实施，以达到全厂燃气平衡合理化和减少高炉煤气放散的目的。1.1.4 连续加热炉节能途径和措施目前，炼钢是世界各国耗能大户，而轧钢所耗能量占整个炼钢工序能耗的75%80%，为此，就要着眼于怎样去降低轧钢工序能耗。我国轧钢加热炉节能的历史几乎是各种冶金热工设备中最长的，从70年代末开始，一些节能措施就开始采取了，其具体表现在：（1）加强管理。提高炉子的正常生产时间，减少待轧保温，保持炉子均衡生产，并健全一些考核制度。（2）选择合理的燃烧方式和适当的燃烧装置，合理组织燃烧，保证燃料的完全燃烧。（3）在保证燃料完全燃烧的条件下应尽可能降低空气消耗系数，以提高燃烧温度和炉膛温度，加强炉内换热，减少燃烧产物量，从而减少烟气带出的物理热。（4）保证炉体的严密性，合理控制炉压水平，一般应将炉底压力控制在微正压即防止冷空气的吸入而使燃烧的温度降低并增加烟气量，又可避免大量的高温气体外逸而造成较多的逸气损失；（5）控制合理的烟气出炉温度并回收烟气余热。（6）减少冷却水带出的热量，炉底水冷管热损失很大，主要采取的措施：a.加大横水管间距；b.采用异形管或组合管；c.草用丁字形管支撑；d.均热段采用砖墙或砖垛支撑。并且对于炉底要进行绝热材料包扎；（7）加强炉体绝热保温，降低炉体表面温度，减少炉体散热，主要方法是采用轻质耐火材料和绝热保温材料，如：耐火纤维，海泡石等。（8）强化炉内换热，可采用一些高辐射的高温涂料喷涂在炉内壁上，还可以使用内壁多凸起炉壁。（9）应用电子计算机技术控制轧钢加热炉的加热过程。1.1.5连续加热炉的自动控制随着轧钢生产的大型化、连续化和高产量、高质量、多品种及节约能源等要求，采用计算机控制技术是提高加热炉控制性能的发展方向和必然趋势。对加热炉过程控制的目的就是得到满足轧制要求温度（包括出炉钢坯平均温度及钢坯断面温度分布），而同时使得加热钢坯过程能耗最低，产生的氧化铁皮量最少。在加热炉控制理论研究方面，国内起步的比较晚。70年代末，随着工业计算机的逐渐普及和自动控制技术在钢铁企业的应用，加热炉的炉温控制理论的研究开始日渐深入，逐渐成为自动控制技术工业应用研究的重要领域。60年代之前，国外一些设备相对齐全的大型加热炉除了配置炉温、炉压、燃料、空气等检测仪表外，还设置了一些如：炉温、炉压、燃料量、空气量等的PID调节器，那时就以经典控制理论为依据，完全可以实现单个参数的自动调节，可以进行远程距离控制。自50年代末期，第一台工业控制机成功应用以来，随着现代控制理论、系统理论的形成与发展，以及工业过程的模型化和计算机仿真技术的进一步发展，尤其是工业控制机、PLC，DCS等的问世，计算机在加热炉自动控制中扮演着越来越重要的角色。日本是最早将计算机引入加热炉控制中，我国虽然从70年代末期才开始对加热炉生产过程进行计算机控制的研究，但发展速度很快，目前已经获得了广泛的应用，从其发展顺序和控制水平方面进行总结，加热炉计算机控制大致可以分为如下四个层次：（1）以提高燃料利用率、维持合理的空燃比为目的，实现燃烧过程控制的基础自动化，如：PID、交叉限幅控制等；（2） 以优化钢坯加热过程为目标，实现炉温的自动控制，多集中于从钢坯与炉内环境换热的物理机制入手，寻找钢坯升温的热力学模型。在这方面的工作颇具代表性，把炉内的钢坯考虑为一股被加热的物料流，并按集合位置分解为一系列相互关联的子系统，不仅得出了炉内钢坯加热的全系统模型，而且给出了单独钢坯的跟踪热模型，为实现计算机控制奠定了理论基础。如采用简单数学模型、与带有设定值补偿的控制。（3）以过程的动态数学模型为基础，应用现代控制理论考虑了多变量、自适应、随机、最优和过程状态变量所设计的高级计算机控制系统，该系统尚有很多问题需要解决，离实际应用还有一段距离。（4）以协调优化整个生产系统为目标，实现生产系统的自动化调度和管理。国际上，在70年代以前，关于加热炉自动控制的研究工作主要集中在燃烧控制上，也就是在第一层次上，完成加热炉各主要过程变量的定值控制，如炉压控制、炉温与燃料流量的串级控制，燃料与助燃空气的比值控制、烟道废气含氧量控制等等。70年代以后，燃烧控制已经基本成熟，加热炉研究的重点也开始转移了，此时对加热炉的最优控制成为研究热点，随着微机技术的发展，加热炉温度的计算机控制技术进入实用化阶段，即进入第二层次的研究阶段。数学模型被广泛的应用到控制上，欧美、日本、苏联等相继开发了钢坯位置跟踪、钢坯温度跟踪、终轧温度控制等功能优化控制系统、使出炉钢坯的温度偏差控制在十几度范围内，其优化效果非常明显。在国内，对加热炉的计算机控制研究虽然起步比较晚，但目前在控制理论和关键技术的开发和应用方面已经做了大量的工作。我国轧钢企业的加热炉很多，大型现代化炉子都配备了计算机监控或控制系统，并进行了不同层次的控制，绝大多数控制系统以燃烧控制为主，仅有少数大型钢铁公司实现了模型优化控制，但其功能尚不完备，要达到系统加热炉在轧钢生产中的地位非常重要，它负责按照轧机的轧制节奏将钢坯加热到工艺要求的温度水平和加热质量。并且在优质高产的前提下，尽可能地降低燃料消耗，减少氧化烧损。加热炉的控制水平直接影响着产品的质量、产量和生产消耗指标。所以，有关加热炉过程控制的研究一直很受重视，研究成果不断涌现。但是，对我国加热炉温度控制发展，有很多问题值得我们去思考。（1）目前，我国大部分钢铁企业的加热炉温度计算机控制系统基本上都是引进国外的成套设备（如宝钢很多就是引进日本和德国的），相对来说我们所用的先进上受到一定程度的制约，而设备维护费用也较高，因此，要引起我们这方面的工程技术人员的注意，必须在这方面加快步伐，必须加快加热炉温度控制设备的国产化步伐，这也是我国要成为世界钢铁工业强国应具备的基本条件。（2）国外引进的加热设备，其运行效率取决于对设备的消化吸收及在此基础上的开发创新程度。目前我国这方面的工作做的还不够，温度控制系统的潜能没能很好的开发出来，加热炉的计算机控制效果不是太理想。（3）我国大部分钢铁企业的钢坯加热工段的温度控制与轧制工段脱节。钢坯出炉温度设定值根据轧制工段操作工经验的要求确定，而不是根据钢坯的具体轧制状况由计算机控制系统自动确定，这样做的结果不是加热能耗过高就是轧制负荷过大，轧制设备使用寿命降低，因此，开发将钢坯的温度控制与钢坯轧制负荷控制结合起来的集成控制系统已成为钢铁企业实现基础自动化和加热炉综合集成控制技术的当务之急，国内类似的研究较少。（4）手动控制曾是我国钢铁企业加热炉温度控制和轧制负荷控制的主要手段，而且，某些钢厂现在仍在使用，这些人工经验经过多年积累已经非常丰富，由于近年来模糊控制技术、神经网络技术与专家系统的研究已经取得了长足的发展，因此将已有的人工控制经验与上述以经验为基础的控制技术相结合，可对将钢坯温度与轧制负荷控制结合起来的集成控制系统的研究提供一种新的研究手段。1.2 高温空气燃烧技术1.2.1高温空气燃烧技术的原理与研究我国主要的热工设备是各行各业的各种工业炉窑及热水、蒸气及发电锅炉。这些热工设备燃烧后烟气带走的热损失是热效率不高的主要原因，因此使用余热回收装置降低烟气排放温度是降低热工设备燃料消耗，减少烟气中污染排放的最有效办法。高温空气燃烧技术(HTAC)是20世纪90年代以来发达国家开始普遍推广应用的一种全新型燃烧技术，它具有高效烟气回收、高温预热空气及低NO排放的多重优越性。我国近几年在这一技术领域也开始起步，并且在工业生产中取得了显著的经济效益.（1）HTAC技术原理与技术特征 高温空气燃烧(HTAC)技术是日本学者田中良一等人于20世纪80年代末提出的一种全新概念燃烧技术，他把回收烟气余热与高效燃烧及降低NO排放等技术有机的结合起来，从而实现了极限节能和极限降低NO排放量的双重目的。 HTAC技术的基本原理如下图所示，从鼓风机出来的常温空气由换向阀切换进入蓄热式燃烧器B后，再经过蓄热式燃烧器B（陶瓷球或蜂窝体等）时被加热，在极短的时间内常温空气被加热到接近炉内温度（一般比炉温低50100），被加热的高温热空气进入炉膛后，卷吸周围炉内的烟气形成一股含养量大大低于21%的稀薄贫氧高温气流，同时往稀薄高温空气附近注入燃料（燃油或燃气），燃料在贫氧（2%20%）状态下实现燃烧。于此同时，炉膛内燃烧后的热烟气经过另一个蓄热式燃烧器A排入大气，炉膛内高温热烟气通过蓄热式A时，将显热储存在蓄热式燃烧器A内，然后以低于150的低温烟气经过换向阀排出。工作温度不高的换向以一定的频率进行切换，使两个蓄热式燃烧器处于蓄热与放热交替的工作状态，从而达到节能和降低NO排放量等目的，常用的切换周期为30200s.HTAC技术原理图 目前，HTAC技术可广泛应用于冶金、石化、机械、建材和锅炉等行业的热工设备上。 HTAC技术的主要特征是：采用蓄热式烟气余热回收装置，交替切换空气于烟气，使之流经蓄热，能够最大限度地回收高温烟气的物理热，从而达到大幅度节约能源（一般节能10%70%），提高热工设备热效率的目的，同时减少了对大气的温室气体排放（CO减少10%70%）。通过组织贫氧燃烧，扩展了火焰燃烧区域，火焰边界几乎扩展到炉膛边界，使得炉内温度分布均匀。通过组织贫氧燃烧，大大降低了烟气中NO饿排放（NO排放减少40%以上）。炉内平均温度增加，加强了炉内的传热，导致相同尺寸的热工设备，其产量可以提高20%以上，大大降低了设备的造价。低热值的燃料（如高炉煤气、发生炉煤气、低热值的固体燃料、低热值的液体燃料等）借助高温预热的空气或高温预热的燃气可获得较高的炉温，扩展了低热值燃料的应用范围。高温空气燃烧技术和传统燃烧技术的比较见下表。 表1.6 高温空气燃烧技术和传统燃烧技术的比较技术项目传统燃烧技术高温空气燃烧技术应用效果传热提高炉膛温度局部高温存在不可能可提高炉内的平均温度，且炉内温度均匀高传热率，高加热速度，炉子尺寸减少脉冲燃烧特征每控制段的烧嘴能力同时升降每个烧嘴不受相邻烧嘴能力的影响强化炉气循环，缩短加热时间，节能炉内温差/1502002050提高加热质量，减少氧化烧损节能降耗预热空气温度/2505509001200节能30%以上减少或取消预热段因集中预热而不可能分散式余热回收，使极限余热回收可能设备尺寸减少，可节能，提高生产率燃烧控制调节比一般为11.5最大可达到20效率大大 提高可分区域控制因集中排烟而困难分散排烟容易适应各种轧制节奏出炉温度控制热惰性大，不适应出炉温度频繁的变化热影响性好，适应不同出炉温度的变化实现自由轧制过程环境控制CO排放自由排放因强烈的烟气再循环可减少30%减少CO排放NO低NO烧嘴低氧化燃烧实现的低NO技术燃烧噪声90110dB因在炉内较大区域燃烧而只有7080dB降低噪声评估节能控制，低污染等技术已很难突破节能控制，低污染等方面有了重大飞跃是21世纪实际关键技术之一（2） HTAC技术应用领域及效益HTAC技术可以广泛用于钢铁、石油化工、玻璃、陶瓷、机械及锅炉等行业中的各类工业炉。2001年1月，在邯郸钢铁公司中板厂投产了中国第一座蓄热式烧嘴加热炉，该加热炉长27.7m,宽6.4m,加热坯料的最大规格为2500mm1200mm220mm，加热能力为80t/h，加热钢温度为1150mm1250,空气预热温度达1100，燃烧为高炉焦炉混合煤气，热值为6688kj/Nm,改造后的能耗为1.1GJ/t,节能达40%以上。改造后烟气中有害成分NO的排放浓度小于810，钢坯的氧化烧损率下降40%以上。改造后每年的经济效益可打1500万元以上。该加热炉的顺利投产标志着首次在中国大型加热炉上研制成功燃气蓄热式烧嘴，中国首次在大型蓄热式加热陆上研制成功蜂窝状陶瓷蓄热体，首次在中国大型蓄热式加热炉上实现从冷炉点火到达正常工作温度仅需2h.,这个案例的应用结果表明，HTAC技术是一项跨世纪的先进节能环保技术，每年可为企业带来300亿元以上的经济效益，可给国家节约3000万吨以上标煤（3） HTAC技术发展趋势展望自邯钢应用成功后，HTAC 技术在国内钢铁企业得到迅速推广，目前已有太钢，武钢、南钢等20余家企业30多座蓄热式加热炉投入运行，均取得十分显著的节能效果。我国数以万计的工业加热炉和其他各类工业炉窑，采用HTAC技术后，平均节能率可达30%。HTAC技术以其高效、节能和环保的多重优越性，以及巨大的技术经济效益和社会效益正在被越来越多的企业所认识，并且已拓展到石化、陶瓷、玻璃、锅炉和机械等行业的热工设备上。预计，我国工业炉窑和锅炉采用HTAC技术后，每年可创造300亿元以上的经济效益。 1.2.2蓄热式燃烧技术实际应用中几个问题的探讨（1）前言蓄热式燃烧技术是基于蓄热室的概念回收废气的余热来预热助燃空气和（或）煤气，实现废气余热的极限回收和助燃空气和（或）煤气的高温预热，它具有高效节能和低污染排放的双重优越性。并使低热值煤气的工业化应用成为现实。自1993年以来，蓄热式燃烧技术在我国逐步工业化推广应用，特别是最近三年来发展十分迅速，现已有数十座加热炉在使用该技术并取得良好效果。在蓄热式燃烧技术实际应用中，由于蓄热体配置形式的不同以及是否空气、煤气双预热，表现出炉子结构的多样化。尽管如此，蓄热式燃烧技术均存在四个方面的问题值得研究，即：蓄热体设计、空气和煤气喷口设计、点火装置设计和换向设计。（2）蓄热式燃烧技术 实际应用中的几个问题1） 蓄热体设计 蓄热体是蓄热式燃烧技术最关键的部件，直接影响蓄热室的大小、热效率和经济效益的高低。评价蓄热体的性能时，热效率、温度效率、阻力损失、使用寿命、清灰难易等都是重要指标。一般地说，对蓄热体要求起蓄热量大，换热速度快，高温下结构强度高，可承受较大热应力，频繁冷热变换时无脆裂、脱落和变形，性价比高等。常用的蓄热体形状有球状、蜂窝状、片状和管状等，材质有粘土质、高铝质、莫来石质、炭化硅质和铸铁等。 球状蓄热体（简称蓄热球）蓄热球是目前过内应用最广泛的蓄热体。他的特点是制造工艺简单，安装方便，可重复利用；缺点是蓄热能力受高度和比表面积（既单位体积蓄热体的换热面积）的影响，阻力损失较大，蓄热/放热速度较慢。一般来说，蓄热体的比表面积越大，高度（介质水平流动时则为厚度）越高，它的热效率和温度效率则越高，但实验研究发现：当蓄热球的比表面积大于250m/m时，再增大蓄热球的比表面积对各热工指标的影响并不明显，最佳球径为1520mm;对于一定球径的蓄热体其高度也偶一个最佳范围，再增大时蓄热体的高度对各热工指标的影响并不明显。此外，随着蓄热球球径的减少或高度的增加，蓄热体的阻力损失增大。 蓄热球的材质主要有粘土质、高铝质和莫来石质，现多用高铝质或莫来石质。成型工艺主要有滚动成型法和机压成型法，机压成型法因具有化学纯度高、体积稳定性好、熔点高、抗渣性强、高温强度高等优点而应用前景 较好 。 蜂窝壮蓄热体（简称蜂窝体）蜂窝体由于壁薄（如0.5mm）、孔径小（如3mm）,和蓄热球相比，具有比表面积大（球的46倍），蓄热/放热快，有效流通面积大（球的7倍）和阻力损失小（球的1/3）等优点，目前在国内已有应用。但由于其容重较小（求的1/10），导致单位体积的蓄热量较小，换向时间较短（4070s），大大增加了换向阀的动作频率。蜂窝体的材质主要有青石质、高铝质和莫来石质。青师质虽体积稳定性较好，但荷重软化点较低，满足不了蓄热体高温测工况需要，已有熔化损坏的实例。寿命较短是影响蜂窝体推广的主要原因，需要材料配方、结构参数和制造工艺上进一步改进。应用设计时可适当增加壁厚和孔距来提高容重和耐久性。2）空气、煤气喷口设计 传统的燃烧概念是利用氧含量21%的空气或氧含量超过21%的富氧空气与燃料反映进行燃烧，为了保证燃烧充分和火焰稳定，在扩散燃烧烧嘴空气、煤气喷口设计中常采取促进空气和煤气在炉膛中混合的措施，如交叉射流或同心旋流的应用。而在蓄热式燃烧技术中，空气和（或）煤气被预热到高温（800以上）后，即使空气中的氧浓度大幅度降低（如4%6%），仍能稳定燃烧，而且空气和煤气喷入炉膛后扩散速度大幅度提高，可实现自发燃烧此时，如果空气和煤气喷口仍按传统扩散燃烧烧嘴那样设计，势必导致炉膛局部温度过高，坯料过烧，炉衬损坏，NO剧增等。为此，在蓄热式燃烧技术应用设计中，空气、煤气喷口一般都相互独立，但二者的相对位置和间距，形成的空气、煤气射流平行或稍带交角等细节问题值得认真研究，因为它直接影响到炉膛温度的均匀程度，坯料的氧化烧损，NO的生成量和烧嘴调节比的大小等。值得一提的是，此问题目前尚未音义足够的重视。空气、煤气喷口的设计原则是保证二者既不能扩散燃烧太快，又不能使煤气被吸入对侧蓄热室而二次燃烧；为降低坯料氧化烧损，以高温空气不直接掠过坯料表面为宜。空气、煤气喷口的具体参数应根据具体炉子的炉膛尺寸、空气和煤气预热温度、煤气热值和空气、煤气喷口处的压力等因素来设计。3） 点火装置设计在蓄热式燃烧技术中，煤气处于一种间断输送状态，因此在炉膛温度低于600时，如果没有点火装置则无法实现稳定燃烧，甚至出现炉膛内爆炸事故。实践中很多炉子采用了单独设置一些常规烧嘴的办法，一方面增加了管道复杂程度，另一方面由于数量有限，炉膛升温速度较慢。另一种做法是每一个煤气喷口或烧嘴处设置专门的点火装置，形成一个点火小火炬，并确保该火炬在煤气切断（空气单预热）或煤气喷口反吸烟气（空气/煤气双预热）时不熄灭。点火装置是否可靠合理对炉子操作的安全性和灵活性十分重要，设计时需根据技术水平和现场情况等综合考虑。4） 换向方式设计目前国内投产的加热炉大多数采用四通换向阀分段集中换向方式，其优点是换向阀数量较少，控制简单，但由于烧嘴（或）喷口到四通换向阀之间在换向时存在“死区”，造成短时间空烧或煤气损失（煤气预热，参与换向时），较宽的炉子或采用蜂窝体换向周期较短的炉子尤甚。如果四通换向阀布置在炉子一侧，还存在两侧烧嘴（或喷口）管网阻力不对称的问题。随着换向阀技术的进步，出现了连接每相临两个烧嘴的小型化四通换向阀分散换向方式。此方式由于换向阀紧邻烧嘴，克服了集中换向的不足，但炉膛烟气沿炉宽方向的扰动不如集中换向的面对面换向的方式强烈。为解决这一问题，最近出现了安装在每一个烧嘴上的小型三通阀分散换向方式，此方式既消除了换向阀到烧嘴间的“死区”，又可根据需要实现烧嘴间灵活配对，其推广价值还需在实践中加以检验。（3） 结论在蓄热式燃烧技术应用中：1）蓄热球是较成熟的蓄热体，但其比表面积较小；蜂窝体需重点提高耐久性。2）空气、煤气喷口的设计需根据炉膛尺寸、空气和煤气预热温度、煤气热值和空气、煤气喷口 处压力等因素来设计。3） 在每个煤气喷口或烧嘴处设置点火装置，具有中低温时调节灵活和升温较快的优点4） 换向方式正在向小型化、换向阀分散控制发展。 1.2.3高温空气燃烧技术的应用（1）应用领域1）无论各种发射熔炼炉、各种加热炉、各种热处理炉及各种烘烤设备均可应用，而以反射熔炼炉最能发挥其优越性。2） 无论各种大型工业炉、各种中型工业炉和各种小型工业炉均可应用，而以小型工业炉最能发挥其优越性3）无论各种类型的加热炉：推钢式炉、步进式炉、多室式快速炉均可应用，而以多室式快速炉最能发挥起优越性。4）无论各种发热值的燃料：高发热值的、中发热值的和低发热值的均可应用，而以高发热值的燃料最能发挥起优越性。（2） 应用效果1）空、燃双气经蓄热体蓄热换热后的温度与进入蓄热体的烟气温度很接近，只差100。所以，其温度效率高达95%，排放烟气的温度接近“露点”，仅150，其热挥手率高达80%以上，炉子的热效率高达70%。炉子的生产率提高20%30%。1)由于切换频率高及实施贫氧燃烧，炉温更加均匀，温差仅5。炉体寿命延长，加热质量好，烟气含氧量低，氧化烧损小，仅0.5%。2)节能显著：比冷空气节能60%65%，比换热器预热助燃空气节能30%以上，空燃双气皆高温预热，其节能更为显著。3)环保好：排放烟气中温室气体CO含量减少40%以上，有毒气体NO含量减少60%以上，排烟总量减少1/3。由于其燃烧方式不同于高速喷出烧嘴式火焰燃烧，而是贫氧无焰燃烧，所以其燃烧的噪音也特别低。4)可使用单一的低热值劣质燃气。5)排烟温度低，维护费用低，因蓄热式工业炉的排烟温度接近露点，150。不用高温烟道、高温烟囱，可用一般工业用引风机，不仅改善了工作环境，减轻了劳动强度，也大大减低了维护费用及投资。6)减低投资，占地少，回收期短：虽然其投资与传统窑炉相比要价格高，但因其经济效益特别显著，炉子的建设投资一般一年内即可收回。7)HTAC使用性强：适用于燃油、燃气的不同工艺要求的高温工业领域的窑炉。如轧钢加热炉、均热炉、加热炉、钢包烘烤装置，熔铝炉、铜反射炉、玻璃熔化炉、罩式热处理炉、环形加热炉、辐射管气体渗碳炉、锻造炉、梭式炉等等。(3） 应用前景高温空气燃烧技术是一项跨实际的高效节能环保新技术，具有极限余热回收和超低CO、NO排放的优越性。该项技术适应性很强，所覆盖的行业十分广泛。它的推广应用不仅能使我国工业能源结构得到改善，能耗指标能较快地赶上世界先进水平，尤其能使我国大气污染状况严重的局面得到迅速的控制和改善。这将对我国可持续发展战略起到重要的作用。1） 采用煤的气化方法，扩大HTAC使用能源范围 虽然空、燃双气高温预热解决了低热值燃气的应用问题，但总的来说HTAC目前只适用于气体和液体燃料，至今尚未见有关HTAC在燃煤设备上的应用，而我国燃煤的工业窑炉占70%以上。燃气、油的工业炉窑只占20%多，故而使HTAC的推广应用范围受到了很大的限制，因燃煤时产生大量的灰粉，其烟气的腐蚀性很高，这就严重影响到蓄热体、换向阀的工作安全性、可靠性及寿命。为此要首先解决煤炭的气化问题，如使用发生煤气、煤矿井下煤制气，及最近日本提出利用HTAC技术来实现煤的高温气化（1300），然后再将由此产生的煤气输入锅炉里进行高温燃烧。总之采用煤的气化方法来是实现固体燃料在HTAC上的应用，这项技术的实现将对节能环保产生难以估量的影响。2）发展天然气能源，改善能源结构天然气发热值高而且非常洁净，其在HTAC上使用较为理想。尤其将使用天然气的HTAC技术应用到热处理行业（包括金属制品的热处理）上就更为理想，因它对实现小、无氧化热处理技术特别有利。但由于我国天然气过去开发量小、价高，故在工业炉窑上应用很少，用电能的热处理炉占到90%以上。在欧、美、日热处理行业用天然气能源占1/4以上。众所周知点是二次能源，一般燃料发电效率约为36%，电能的热效率上限为80%,即燃料的点热效率上限约合29%。天然气在通常技术下热效率上限为50.5%，比电热效率高近1倍。如HTAC使用天然气，其热效率可达80%以上，比电热效率高近2倍。此外对提高热处理的产品质量很有好处，因天然气本身就是一种还原性保护气氛。用天然气制备吸热式气氛是国外渗碳的主流技术方法。开发推广应用HTAC天然气热处理炉既可大大提高热处理生产经济效益，又可大大提高我国热处理行业少、无氧化加热的程度。我过的天然气储备与俄罗斯接近。“十五”开发两项西气东输工程，预计“十五”末天然气产量超过500亿m/年，为发展天然气能源，发展HTAC改善能源结构，改善环境保护，提高产品质量，提高经济效益，保证我国经济持续发展奠定了基础。2） 扩大HTAC应用领域应用蓄热式技术来蓄热换热早在1858年就发明了，但因它的笨重，往往蓄热室比炉体本身还大，造价高，因此其应用一直受到限制。一直到上世纪80年代末期，因蓄热体无论在材料、尺寸、形状、厚度和换热面积等方面取得了重大突破，同时换向时间大大地缩短，致使老的蓄热室技术发生了质的变化，再加上贫氧燃烧这种全新的概念，从而在热工界出现了一场新的技术革命。但任何事物都是发展的，HTAC亦是如此，尤其是它现在在我国尚未普及及推广应用，尚存在一定的问题，除了它的机制理论方面尚待深入研究外，在应用实践上也需要进一步研究改善蓄热体、换向阀、烧嘴、炉体材料等关键部件的材质、形状、结构、寿命等等，使蓄热式工业炉更加高效、洁净、向小型化、轻型化发展，扩大HTAC的应用领域。3） 总结经验，加速推广应用 近年来，HTAC在我国一直受到政府的重视和支持。科技界开展了深入的研究与开发，现已拥有了多项具有自主知识产权及专利技术。科研设计部门与钢铁企业合作，大力在轧钢加热炉上进行了蓄热式加热炉的改造，取得了显著的经济效益和社会效益。据不完全统计，目前已改造及新建的蓄热式工业炉已不下100多台，运行效果都十分理想，据权威人士估算，这项跨世纪的先进节能环保技术，每年可为中国企业带来300亿元以上的经济效益，每年可给国家节约折合3000万t以上的标煤。科技界与工业界应很好地总结交流，政府应从财力上和政策上给予进一步的支持，使HTAC得以迅速推广应用，使我国的工业能耗指标在最短的时间内赶上世界先进水平。2.蓄热式推钢加热炉的设计和计算2.1 技术数据炉子的产量：P=120t/h加热料坯材质：20#钢料坯尺寸：1501506000mm金属加热参数：料坯加热初始温度：20 料坯加热终了时的表面温度：1200 料坯加热终了时的断面温差：30燃料：高炉煤气，成分如下表2.1 表2.1 高炉煤气成分成分煤气%2.025.053.020.0煤气预热温度（烧嘴前）：t=1000空气预热温度（烧嘴前）：t=10002.2 设计计算2.2.1 燃料燃烧计算（1）高炉煤气干、湿成分转换1）煤气温度20，查火焰炉设计计算参考资料表1-2得，g=18.9g/NM，则k=0.9772)由于K=0.977,计算得高炉煤气的湿成分，结果列于表2.2中表2.2 高炉煤气的湿成分成分煤气%24.4319.541.9551.792.29(2)高炉煤气低发热值Q=126.15CO+107.26H=126.1524.43+107.261.95=3291KJ/NM(3)空气需要量的计算1）理论空气需要量L=0.628NM/NM2)实际空气需要量L