【正文】 氛中燃燒。它包含兩項(xiàng)基本技術(shù)措施：一項(xiàng)是采用溫度效率高達(dá) 95%，熱回收率達(dá) 80%以上的蓄熱式換熱裝置，極大限度回收燃燒產(chǎn)物中的顯熱，用于預(yù)熱助燃空 氣，獲得溫度為 800～1000℃ ，甚至更高的高溫助燃空氣。另一項(xiàng)是采取燃料分級(jí)燃燒和高速氣流卷吸爐內(nèi)燃燒產(chǎn)物，稀釋反應(yīng)區(qū)的含氧體積濃度，獲得濃度為15% ～ 3%(體積 )的低氧氣氛。燃料在這種高溫低氧氣氛中，首先進(jìn)行諸如裂解等重組過(guò)程，造成與傳統(tǒng)燃燒過(guò)程完全不同的熱力學(xué)條件，在與貧氧氣體作延緩狀燃燒下釋出熱能，不再存在傳統(tǒng)燃燒過(guò)程中出現(xiàn)的局部高溫高氧區(qū)。這種燃燒是一種動(dòng)態(tài)反應(yīng)，不具有靜態(tài)火焰。它具有高效節(jié)能和超低 NOX 排放等多種優(yōu)點(diǎn)，又被稱為環(huán)境協(xié)調(diào)型燃燒技術(shù) HTAC 技術(shù)具有高效、節(jié)能和低污染等特性，自從面 世以來(lái)，就受到世界工業(yè)界和企業(yè)界的廣泛關(guān)注。它徹底打破了傳統(tǒng)燃燒的模式，進(jìn)入到新的未知領(lǐng)域 —— 高溫低氧燃燒領(lǐng)域。它是一項(xiàng)既節(jié)能又利于環(huán)保且極具活力的技術(shù)，值得大力推廣和開(kāi)發(fā)。對(duì)于企業(yè)界來(lái)說(shuō)，它可以大幅度降低能耗和生產(chǎn)成本，提高其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 HTAC 技術(shù)被認(rèn)為是具有創(chuàng)造性、實(shí)用性以及增長(zhǎng)潛力的新的戰(zhàn)略技術(shù)。 在鋼鐵工業(yè)中，加熱爐是主要的耗能設(shè)備之一。合理解決加熱爐的燃料問(wèn)題，提高燃料利用率，對(duì)于降低能源消耗，減少鋼坯氧化燒損，提高加熱質(zhì)量從而進(jìn)一步提高整個(gè)軋線生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效益，具有非常重要的意 義 本設(shè)計(jì)是指導(dǎo)教師劉克儉根據(jù)包鋼軋鋼廠燃高爐煤氣步進(jìn)梁蓄熱式加熱爐擬題。 河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)引言 2 河北 聯(lián)合 大學(xué) 輕工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 1 緒論 蓄熱式燃燒技術(shù)的歷史發(fā)展與現(xiàn)狀 蓄熱式燃燒技術(shù)的歷史 蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)， 19 世紀(jì)中期就開(kāi)始用于高爐熱風(fēng)爐、平爐、焦?fàn)t、玻璃熔爐等規(guī)模大且溫度高的爐子。其原理是采用蓄熱室余熱回收裝置，交替切換煙氣和空氣，使之流經(jīng)蓄熱體，達(dá)到在最大程度上回收高溫?zé)煔獾娘@熱，提高助燃空氣溫度的效果。但傳統(tǒng)的蓄熱室采用格子磚作蓄熱體，傳熱效率低，蓄熱室體積龐大，換向周期長(zhǎng)，限制了它在其他工業(yè)爐上的應(yīng)用。新型 蓄熱室，采用陶瓷小球或蜂窩體作蓄熱體，其比表面積高達(dá) 200～ 1000m2/m3，比老式的格子磚大幾十倍至幾百倍，因此極大地提高了傳熱系數(shù)，使蓄熱室的體積可以大為縮小。另外，由于換向裝置和控制技術(shù)的提高，使換向時(shí)間大為縮短，傳統(tǒng)蓄熱室的換向時(shí)間一般為 20～ 30min，而新型蓄熱室的換向時(shí)間僅為 ～ 3min。新型蓄熱室傳熱效率高和換向時(shí)間短，帶來(lái)的效果是排煙溫度低（ 200℃ 以下），被預(yù)熱介質(zhì)的預(yù)熱溫度高（只比爐溫低 100～ 150℃ ）。因此，廢氣余熱得到接近極限的回收，蓄熱室的溫度效率可達(dá)到 85%以上，熱回收 率達(dá) 80%以上。隨著蓄熱式燃燒技術(shù)的進(jìn)步和新型耐火材料的研究開(kāi)發(fā)，高效蓄熱式余熱回收技術(shù)和高風(fēng)溫燃燒技術(shù)在不斷完善中正走向成熟。 蓄熱式燃燒技術(shù)的發(fā)展 1982 年英國(guó) Hotwork 公司和 British Gas 公司合作，首次研制出了緊湊型的陶瓷球蓄熱系統(tǒng) RCB(Regenerative Ceramic Burner)。系統(tǒng)采用陶瓷球作為蓄熱體，比表面積可達(dá) 240m2/m3，因此蓄熱能力大大增強(qiáng)、蓄熱體體積顯著縮小、換向時(shí)間降至 1～ 3min，溫度效率明顯提高 (一般大于 80％ )，而預(yù)熱溫度波動(dòng)一般小 于 15℃ 。在隨后幾年里，對(duì)該蓄熱系統(tǒng)又進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究并作了試用。在不銹鋼退火爐、步進(jìn)梁式爐上的應(yīng)用均達(dá)到了預(yù)期的效果，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 河北 聯(lián)合 大學(xué) 輕工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 日本在 1985 年前后詳細(xì)考察了 RCB 的應(yīng)用技術(shù)和實(shí)際使用情況后，開(kāi)始進(jìn)一步研制。 20 世紀(jì) 90 年代初，日本鋼管株式會(huì)社 (NKK)和日本工業(yè)爐株式會(huì)社 (NFK)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種新型蓄熱器，稱為高效陶瓷蓄熱系統(tǒng) HRS(Highcycle Regenerative Combustion System)。在蓄熱體選取上，采用壓力損失小、比表面積更大的陶瓷蜂窩體，以減少蓄 熱體的體積和重量。為了實(shí)現(xiàn)低 NOx排放，蓄熱體和燒 嘴組成一體聯(lián)合工作，采用兩段燃燒法和煙氣自身再循環(huán)法來(lái)控制進(jìn)氣，效果很好。 NKK 進(jìn)行了多次試驗(yàn)，對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了 分析 。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，預(yù)加熱后進(jìn)入燃燒器的空氣溫度已接近廢氣排放溫度。數(shù)據(jù)顯示，空氣預(yù)熱溫度達(dá) 1300℃ 、爐內(nèi) O2含量為 11%時(shí) NOx排放量是 40kg/m3 [1]。HRS 的開(kāi)發(fā)，不僅實(shí)現(xiàn)了煙氣余熱極限回收及 NOx排放量的大幅度降低，而且這種新型燃燒器還引發(fā)產(chǎn)生了一種新的燃燒技術(shù) —— 高溫空氣燃燒技術(shù) HTAC(High Temperature Air Combustion)。 蓄熱式（高溫空氣）燃燒技術(shù)的特點(diǎn) 高溫空氣燃燒技術(shù)的基本特征： 1) 采用高效蓄熱式余熱回收技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高溫?zé)煔庥酂岬?“ 極限 ” 回收； 2) 助燃空氣預(yù)熱溫度超過(guò)燃料自燃點(diǎn)溫度，燃燒穩(wěn)定性擴(kuò)大，為組織低氧燃燒創(chuàng)造條件； 3) 燃料在燃燒區(qū)高溫低氧燃燒，火焰體積顯著擴(kuò)大，峰值溫度降低，實(shí)現(xiàn)超低 NOx的生成與排放。 基于高溫空氣燃燒技術(shù)的基本特征，高溫空氣燃燒技術(shù)具有如下一些優(yōu)勢(shì)： 1) 高效節(jié)能。采用高效蓄熱式煙氣余熱回收裝置，交替切換煙氣與空氣， “ 極限 ” 回收排煙余熱。煙氣熱回 收效率超過(guò) 80%?；鹧骟w積成倍擴(kuò)大，爐內(nèi)溫度分布更均勻，平均溫度升高，換熱 (包括輻射換熱與對(duì)流換熱 )進(jìn)一步增強(qiáng)，熱利用率得以提高研究結(jié)果表明，采用高溫空氣燃燒技術(shù)，一般可實(shí)現(xiàn)節(jié)能 30%以上。 2) 低污染。主要表現(xiàn)在 3個(gè)方面： (1)低 NOx污染。盡管助燃空氣預(yù)熱溫度很高，但由于燃燒區(qū)氧濃度降低，火焰體積成倍擴(kuò)大，降低了燃燒的峰值溫度，避免了熱力型 NOx的大量生成，實(shí)現(xiàn)了超低 NOx河北 聯(lián)合 大學(xué) 輕工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 排放 (一般為 61030 ?? ～ 61050 ?? )； (2)低 2CO 排放。節(jié)能即減少燃料消耗，減少燃料消耗也就意味著可減少溫室氣體 2CO 的排放。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn) 30%以上的節(jié)能，也就意味著可減少 30%以上的 2CO 排放； (3)低燃燒噪音?；鹧骟w積顯著增大，使單位體積的燃燒強(qiáng)度減弱，燃燒噪音大大降低。 3) 縮小裝置尺寸。爐內(nèi)換熱效率的提高，可使相同產(chǎn)量加熱爐的尺寸縮小或者同樣大小加熱爐的產(chǎn)量提高。裝置尺寸縮小，從而可降低設(shè)備的初投資。 4) 燃燒穩(wěn)定性好。由于助燃空氣 溫度預(yù)熱到燃料自燃點(diǎn)以上，燃料一進(jìn)人爐內(nèi)就能著火燃燒，提高了燃燒的穩(wěn)定性。 5) 燃燒區(qū)擴(kuò)大。通過(guò)組織爐內(nèi)低氧氣氛燃燒，火焰體積成倍增大，爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布更均勻，有利于被加熱件的均勻受熱。 6) 對(duì)燃料的適應(yīng)性擴(kuò)大。助燃空氣預(yù)熱溫度升高，降低了對(duì)燃料熱值的要求，有利于低熱值燃料的有效利用。 7) 延長(zhǎng)爐膛使用壽命。燃燒火焰峰值溫度降低、可使?fàn)t壁免受高溫灼燒，從而延長(zhǎng)爐膛的使用壽命。 8) 便于燃燒控制。煙氣余熱的 “ 極限 ” 回收，弱化了過(guò)?？諝鈱?duì)加熱爐總熱效率的影響，擴(kuò)大了燃燒的調(diào)節(jié)范圍，便于燃燒控制。 9) 經(jīng) 過(guò)蓄熱室后的煙氣溫度較低，煙道和煙囪的內(nèi)襯可不采用耐火材料。 10) 高溫空氣燃燒器結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，安裝方便，可方便地用于舊爐改造，且改造工程量不大。 由上所述，蓄熱式空氣燃燒技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于： (1) 節(jié)能潛力巨大，平均節(jié)能 25% 以上。因而可以向大氣環(huán)境少排放二氧化碳 25% 以上，大大緩解了大氣的溫室效應(yīng)。 (2) 擴(kuò)大了火焰燃燒區(qū)域，火焰的邊界幾乎擴(kuò)展到爐膛的邊界，從而使得爐膛內(nèi)溫度均勻，這樣一方面提高了產(chǎn)品質(zhì)量，另一方面延長(zhǎng)了爐膛壽命。 (3) 對(duì)于連續(xù)式爐來(lái)說(shuō)，爐長(zhǎng)方向的平均溫度增加，加強(qiáng)了爐內(nèi)傳熱 ，導(dǎo)致同樣產(chǎn)量的工業(yè)爐其爐膛尺寸可以縮小 20% 以上，換句話說(shuō)，同樣長(zhǎng)度的爐子其產(chǎn)品的產(chǎn)量可以提高 20% 以上，大大降低了設(shè)備的造價(jià)。 (4) 由于火焰不是在燃燒器中產(chǎn)生的，而是在爐膛空間內(nèi)才開(kāi)始逐漸燃燒，河北 聯(lián)合 大學(xué) 輕工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 因而燃燒噪聲低。 (5)采用傳統(tǒng)的節(jié)能燃燒技術(shù)，助燃空氣預(yù)熱溫度越高，煙氣中 NOX 含量越大；而采用蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)，在助燃空氣預(yù)熱溫度非常高的情況下， NOX 含量卻大大減少了。 (6) 爐膛內(nèi)為貧氧燃燒，導(dǎo)致鋼坯氧化燒損減少。 (7) 爐膛內(nèi)為貧氧燃燒，有利于在爐膛內(nèi)產(chǎn)生還原焰，能保證陶瓷燒成等工藝要求，以滿 足某些特殊工業(yè)爐的需要。 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 國(guó)外研究現(xiàn)狀 1982年英國(guó)的 Hotwork Deveiopment公司和 究所合作開(kāi)發(fā)了國(guó)際第一座填充球蓄熱式爐從此以后，世界上一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相繼開(kāi)發(fā)和采用了這項(xiàng)技術(shù)。新型蓄熱式加熱爐技術(shù)之所以引起普遍重視和迅速推廣應(yīng)用是因?yàn)樗茏畲笙薅鹊幕厥粘鰻t煙氣的熱量，大幅度的節(jié)約燃料、降低成本，還能提高爐子的產(chǎn)量，同時(shí)大大減少二氧化碳和氮氧化物的排放量，有利環(huán)境保護(hù)，因此這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)際上被稱為 21世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之 一。 90年代以來(lái)歐、美、日等國(guó)家在蓄熱式燃燒技術(shù)和應(yīng)用方面取得了很大進(jìn)展，把節(jié)能和環(huán)保有機(jī)的結(jié)合起來(lái)提升為 “ 高溫空氣燃燒技術(shù) ” 。尤其是日本，現(xiàn)已有 150多座工業(yè)爐采用了這項(xiàng)技術(shù)。日本鋼管、新日鐵、川崎、住友等鋼鐵公司都在軋鋼加熱爐上采用了這項(xiàng)技術(shù)，收到節(jié)能 20%～ 30%提高產(chǎn)量 15%～ 20%的效果。 隨著蓄熱式燃燒技術(shù)的進(jìn)步和新型耐火材料的研究開(kāi)發(fā)，高效蓄熱式余熱回收技術(shù)和高風(fēng)溫燃燒技術(shù)在不斷完善中正走向成熟。上世紀(jì) 80 年代由日本研發(fā)的 “ 高溫空氣低氧燃燒技術(shù) ”(High Temperature Air Combustion，簡(jiǎn)稱 HTAC)得到了快速推廣，造成國(guó)外高爐煤氣的利用率大大提高。目前，國(guó)外高爐煤氣利用技術(shù)的發(fā)展已達(dá)到相當(dāng)成熟的階段，尤其是蓄熱式燃燒技術(shù)的發(fā)展，為負(fù)能煉鋼打下了良好的基礎(chǔ)。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 中國(guó)自二十世紀(jì)八十年代開(kāi)始有國(guó)外譯文介紹，八十年代中后期河北 聯(lián)合 大學(xué) 輕工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 國(guó)內(nèi)熱工界也開(kāi)始研究新型蓄熱式技術(shù)，建立了專門的陶瓷球蓄熱式實(shí)驗(yàn)裝置。東北大學(xué)、北京科技大學(xué)、機(jī)械部第五設(shè)計(jì)研究院、冶金部鞍山熱能研究院等對(duì)此技術(shù)都有研究，但是工業(yè)應(yīng)用很少。 1998年 9 月萍鄉(xiāng)鋼鐵有限責(zé)任公司首次和大連北島能源技術(shù)有 限公司合作采用蓄熱式燃燒技術(shù)進(jìn)行軋鋼連續(xù)式加熱爐燃燒純高爐煤氣技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究，并率先在萍鋼棒材公司軋鋼加熱爐上應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了蓄熱式技術(shù)燃燒高爐煤氣在連續(xù)式軋鋼加熱爐上的應(yīng)用。此爐作為國(guó)內(nèi)第一座蓄熱式軋鋼加熱爐，盡管在許多方面還不盡人意，但應(yīng)該說(shuō)為國(guó)內(nèi)蓄熱式燃燒技術(shù)應(yīng)用在冶金行業(yè)連續(xù)式加熱爐開(kāi)辟了先河，此后，國(guó)內(nèi)有多家公司開(kāi)展蓄熱式燃燒技術(shù)的研究和在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用，蓄熱式燃燒技術(shù)逐漸成熟。如北京神霧公司的蓄熱式燒嘴加熱爐，秦皇島設(shè)計(jì)院的蓄熱式加熱爐等。在蓄熱式燃燒技術(shù)方面形成了一套較完善的設(shè)計(jì)思想和方 法，蓄熱式技術(shù)在工業(yè)爐上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、少污染和高自動(dòng)化水平，達(dá)到了燃燒工業(yè)爐 “ 三高一低 ”( 高爐溫、高煙溫、高余熱回收和低惰性 )的發(fā)展方向的要求。 蓄熱式加熱爐發(fā)趨勢(shì)及展展望 在上個(gè)世紀(jì)早期，采用蓄熱室回收煙氣余熱，將助燃空氣預(yù)熱到1000℃ 的技術(shù)就已出現(xiàn)，并普遍應(yīng)用于煉鐵熱風(fēng)爐、玻璃熔爐、平爐和熔鋁爐等設(shè)備上，后來(lái)在火焰加熱的均熱爐上得到使用。由于這種蓄熱室是用耐高溫的大塊格子磚砌筑而成，故其存在的缺陷比較突出，所以這種蓄熱室回收余熱的措施在工業(yè)爐上并未得到大力發(fā)展。 隨著蓄熱式燃 燒技術(shù)的進(jìn)步和新型耐火材料的研究開(kāi)發(fā)，高效蓄熱式余熱回收技術(shù)和高風(fēng)溫燃燒技術(shù)在不斷完善中正走向成熟。 蓄熱式加熱爐總的發(fā)展趨勢(shì)是朝著燒嘴式蓄熱式加熱爐方向發(fā)展，具體表現(xiàn)有以下幾個(gè)方面： 1) 蓄熱式燒嘴加熱爐和原普通加熱爐相比，都是通過(guò)調(diào)整燒嘴熱負(fù)荷來(lái)調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度，對(duì)于操作人員易于接受。 2) 每個(gè)燒嘴都可單獨(dú)調(diào)節(jié)，上下加熱燒嘴能力搭配合理，加熱爐各段上下加熱溫度的調(diào)節(jié)非常方便。 3) 爐墻兩側(cè)留有便于檢修的人孔門和扒渣門。 河北 聯(lián)合 大學(xué) 輕工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 4) 對(duì)于高熱值氣體燃料，可直接冷爐點(diǎn)火升溫。 5) 燒嘴式結(jié)構(gòu)可以采用集中換向和 分散換向方式，分散換向則由于換向閥靠近燒嘴，換向閥與燒嘴之間的連接管道短而小，燃燒間斷時(shí)間短，因此換向時(shí)管道內(nèi)殘留煤氣損失較少，更有利于節(jié)能。 6) 維護(hù)工作量稍大，但檢修時(shí)間短，停爐時(shí)間短。 蓄熱式加熱爐在我國(guó)作為一種新生事物正在蓬勃發(fā)展，并已顯示出極其廣闊的發(fā)展前景，它將使我們的環(huán)境更優(yōu)美、空氣更新鮮、生活更美好。 開(kāi)發(fā)與應(yīng)用高溫空氣燃燒技術(shù)的前景 從我國(guó)工業(yè)爐的能源結(jié)構(gòu)來(lái)看，盡管以煤為主體的能源結(jié)構(gòu)在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)難以改變但總的發(fā)展趨勢(shì)表明，煤所占的比例在逐年下降而氣體燃料所占比例在 不斷上 升到 2050年，煤炭在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占比重可望下降到50%以下、同時(shí)，固體燃料在終端能源結(jié)構(gòu)中的比重將從 1990年的 66%降至 16%，這為開(kāi)發(fā) 與應(yīng)用高溫空氣燃燒技術(shù)提供了基礎(chǔ)條件，從我國(guó)工業(yè)爐的能耗現(xiàn)狀來(lái)看， 我國(guó)工業(yè)爐的能源利用總體水平不高，僅相當(dāng)于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家 50～ 60年代的水