【正文】 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 目錄蓄熱式罩式爐設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目錄任務(wù)書 i摘 要 iiAbstract iii第1章 緒論 11．1蓄熱式燃燒技術(shù) 1 蓄熱式燃燒技術(shù)的工作原理 1 蓄熱燃燒的技術(shù)優(yōu)勢(shì) 2 3 熱處理爐 3 常規(guī)熱處理爐 3 4 4第2章 蓄熱式罩式熱處理爐的初步設(shè)計(jì) 5 5第3章 罩式熱處理爐的熱工計(jì)算 9 9 9 9 11 16 19 罩式爐燃料消耗量計(jì)算 19第4章蓄熱式燃燒燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 25 蓄熱式燃燒器的研制 25 燒嘴的設(shè)計(jì) 25 換向裝置 25 蓄熱室設(shè)計(jì) 27 爐前管道直徑計(jì)算 31 風(fēng)機(jī)的選擇 33 蓄熱式燃燒系統(tǒng) 34第5章 結(jié)論 37參考文獻(xiàn) 38結(jié)束語(yǔ) 39附錄 41東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第1章 緒論第1章 緒論1．1蓄熱式燃燒技術(shù)蓄熱式燃燒技術(shù)早在19世紀(jì)中期就應(yīng)用于冶金工業(yè)中，只不過(guò)那時(shí)是采取格子磚作為蓄熱體的 ，傳熱效率低、蓄熱室體積大、換向周期長(zhǎng)，因此限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用[3]。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)的HotWork公司與BritishGas研究院合作，開發(fā)出一種熱導(dǎo)率高、比表面積大 ( 200 ～1000 m2 / m3 )、耐高溫的陶瓷球蓄熱體，以這種陶瓷球作為蓄熱體可以最大限度地吸收煙氣中的余熱 ，穩(wěn)定地將助燃空氣預(yù)熱到1000℃以上 ，大幅度地提高熱工設(shè)備的熱效率。這種技術(shù)首先應(yīng)用于小型玻璃熔窯上 ，其后應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)中。但當(dāng)時(shí)的蓄熱式燃燒并不是真正意義上的高溫空氣燃燒技術(shù) ，因?yàn)槿紵龝r(shí)空氣中的氮不參加燃燒而直接進(jìn)入煙氣中 ，燃燒產(chǎn)物中NOX的濃度和燃燒溫度成指數(shù)關(guān)系變化。單一地提高空氣預(yù)熱溫度而不采取有效措施抑制NOX的生成，會(huì)引起NOX排放的增加而污染大氣。因此，當(dāng)蓄熱式燃燒技術(shù)尚未很好解決節(jié)能與環(huán)保這一對(duì)矛盾時(shí)，它的推廣應(yīng)用及發(fā)展受到限制也就成了順理成章的事情。20世紀(jì)80年代末，日本專家田中良一提出了一種能同時(shí)達(dá)到節(jié)能與降低CO2與NOX排放的全新的蓄熱式燃燒思想[2]。90年代初期，由日本政府資助，由田中良一領(lǐng)導(dǎo)的研究小組和日本的一些企業(yè)開發(fā)出以陶瓷蜂窩體為蓄熱體的蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)。利用該技術(shù)將助燃空氣溫度預(yù)熱到僅比爐溫低50℃～100℃；同時(shí)，在燃燒區(qū)域形成低于21 % ( 體積濃度) 低氧或貧氧燃燒，于是也就解決了以往蓄熱式燃燒下NOX排放的環(huán)境污染難題。采用蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)，排煙溫度一般低于150℃( 理論上可以低于 100 ℃甚至接近常溫)，煙氣帶走的能量只相當(dāng)于燃料的10%左右，爐子的熱效率接近90 %[3] 蓄熱式燃燒技術(shù)的工作原理： 蓄熱式燃燒技術(shù)原理圖在圖示工作狀態(tài)中，燒嘴A排煙，高溫?zé)煔饨?jīng)燒嘴A排至蓄熱室，從上至下穿過(guò)蓄熱體后，將熱量交換給蓄熱體，煙氣溫度降至200℃以下，從左側(cè)通道經(jīng)換向系統(tǒng)后排入環(huán)境中；此時(shí)，燒嘴B處于燃燒狀態(tài)，來(lái)自鼓風(fēng)機(jī)的助燃空氣經(jīng)換向系統(tǒng)進(jìn)入右側(cè)通道，由下至上通過(guò)蓄熱室，在極短的時(shí)間內(nèi)常溫空氣被加熱到接近爐溫，然后從燒嘴B噴入爐內(nèi)混合燃燒并加熱爐內(nèi)物料。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間控制系統(tǒng)發(fā)出指令，換向機(jī)構(gòu)動(dòng)作，燒嘴A與燒嘴B交換工作狀態(tài)，即A燃燒，B排煙，空氣、煤氣及煙氣的流動(dòng)方向也隨之變換。通過(guò)這種交替運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)“極限余熱回收”和空氣(或燃料)的高溫預(yù)熱。預(yù)熱空氣經(jīng)燒嘴高速噴入爐膛，抽引周圍空間的爐氣，形成含氧量低于21%的稀薄貧氧高溫氣流，同時(shí)往氣流中注入燃料，燃料在高溫貧氧狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)燃燒，大大降低了NOX的排放量。 蓄熱式燃燒的技術(shù)優(yōu)勢(shì)（1）采用蓄熱式煙氣余熱回收裝置，可將助燃空氣預(yù)熱至800～1000℃的溫度水平，能夠極限回收高溫?zé)煔獾挠酂?，達(dá)到節(jié)能的效果，同時(shí)也降低了CO2的排放量，減少了對(duì)溫室效應(yīng)的影響，在世界能源局勢(shì)日趨緊張以及地球氣溫日趨升高的今天，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。（2）將空氣預(yù)熱到燃料的自燃點(diǎn)以上，即助燃空氣預(yù)熱到800～1000℃以上，可燃物在燃燒區(qū)的含氧濃度低到3%仍能穩(wěn)定燃燒，而高溫低氧燃燒形成的均勻溫度場(chǎng)，有效消除了局部高溫，在很大程度上降低了NOX的排放濃度。（3）蓄熱燃燒是在爐膛空間內(nèi)才開始的彌漫式的燃燒方式，火焰邊界幾乎遍及了爐膛邊界，爐膛內(nèi)溫度分布均勻，加熱質(zhì)量得到大幅提高。（1）對(duì)于高速燒嘴，噴入爐膛的是燃燒產(chǎn)物，這些煙氣與坯料進(jìn)行對(duì)流換熱，溫度梯度下降的比較明顯，易造成溫度的不均勻，并且有難以加熱到的“死角”。 而蓄熱式燃燒，在爐膛中有大量的空煤氣分子，在爐膛內(nèi)邊混合邊燃燒，煤氣分子擴(kuò)散到爐膛內(nèi)各處，在碰到高溫的空氣分子后即燃燒，并隨時(shí)加熱坯料。 穩(wěn)定燃燒的結(jié)果就是爐膛的溫度均勻性非常好，沒有長(zhǎng)期高溫或低溫的“死角”。（2）蓄熱式燃燒在沿爐長(zhǎng)方向形成一面式火焰，將常規(guī)燒嘴的幾點(diǎn)供熱分成幾十點(diǎn)供熱，供熱點(diǎn)緊密，且蓄熱槽與組式燒嘴在爐長(zhǎng)方向布置得盡可能長(zhǎng)，爐氣逸散的空間大，易使?fàn)t膛溫度均勻。（3）蓄熱式爐內(nèi)的物料是在一個(gè)變化的溫度場(chǎng)內(nèi)通過(guò)爐氣的對(duì)流沖刷受熱的，其受熱的邊界條件是比較復(fù)雜的，但溫度的均勻性很好，在實(shí)踐中，多點(diǎn)埋偶測(cè)溫試驗(yàn)證明了這個(gè)結(jié)果。 在常規(guī)爐中，被加熱物料上的每一點(diǎn)溫度場(chǎng)都是相對(duì)穩(wěn)定的，無(wú)論是高溫處還是低溫處，都處于一個(gè)相對(duì)靜態(tài)的溫度場(chǎng)，各點(diǎn)的溫差也比較大。（4）蓄熱式熱處理爐控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單而且獨(dú)到，它由換向控制系統(tǒng)和熱工調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。 換向閥根據(jù)加熱工藝實(shí)現(xiàn)定時(shí)換向，當(dāng)煙氣超溫時(shí)優(yōu)先使用定溫?fù)Q向。（5）蓄熱式爐具有控制冷卻速度的特殊手段。 常規(guī)爐的冷卻速度是不能人為控制的， 蓄熱式燃燒系統(tǒng)不僅能按工藝要求以一定的速度加熱物料，還可以在冷卻期關(guān)閉煤氣，通過(guò)控制供風(fēng)量的大小調(diào)節(jié)爐溫，繼而控制鋼材的冷卻速度，并可實(shí)現(xiàn)特殊鋼材正火的工藝要求。（6）由于采用了蓄熱式熱回收系統(tǒng)，熱處理爐節(jié)能量是相當(dāng)明顯的。因?yàn)闋t子只要工作，熱回收系統(tǒng)就在運(yùn)行。 蓄熱式熱處理爐的效率達(dá)到30%以上[1]。 熱處理爐 常規(guī)熱處理爐周期式的熱處理爐，其常規(guī)爐溫為850℃最高為950℃。傳統(tǒng)燃燒系統(tǒng)采用高速燒嘴+換熱器的形式。根據(jù)熱處理制度，在加熱期和保溫期向爐內(nèi)的供熱量之比約為1:6到1:8[1]。在加熱初期，高速燒嘴的噴出速度為60m/s，直接通過(guò)對(duì)流傳熱加熱料坯。由于物料溫度低，對(duì)流傳熱系數(shù)大，進(jìn)入換熱器的煙氣量雖然量大但溫度低，所攜帶的熱量并不多，因此換熱器內(nèi)的有效熱很少；在保溫期，爐子需要的供熱量小，燒嘴的負(fù)荷小，煙氣量也少。雖然爐子溫度高，但進(jìn)入換熱器的熱量非常少。同時(shí)，燃燒產(chǎn)物噴出速度只有約5m/s，由于火焰很“軟”，有部分高溫?zé)煔鈴臒煜旅娴臒煹蓝搪罚@部分有效熱就損失掉了。最終進(jìn)入換熱器的煙氣量?jī)H相當(dāng)于加熱初期煙氣量的10%。換熱器同樣利用不上。所以說(shuō)這種熱處理爐熱量流失很嚴(yán)重。在溫度均勻性方面，高速燒嘴安裝在爐側(cè)墻上對(duì)爐膛進(jìn)行供熱，煙氣是靠煙道抽力自然排放。這就造成燒嘴周圍出現(xiàn)局部高溫。多點(diǎn)埋偶測(cè)溫表明，料坯各點(diǎn)的溫度并不均勻[1]。將蓄熱式燃燒技術(shù)應(yīng)用于熱處理爐爐是一項(xiàng)新技術(shù)與新方法，本文結(jié)合蓄熱式燃燒技術(shù)與熱處理工藝的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了蓄熱式罩式熱處理爐。 該結(jié)構(gòu)是在爐子側(cè)墻下面設(shè)計(jì)蓄熱槽，內(nèi)放蓄熱材料。在蓄熱槽上方的墻上放煤氣組式燒嘴。 助燃空氣通過(guò)蓄熱槽被預(yù)熱后，與組式燒嘴供入的煤氣一起向爐膛內(nèi)邊混合邊燃燒，形成一種彌散式的火焰，呈一面火幕，在引風(fēng)機(jī)強(qiáng)制排煙的作用下，火焰在爐內(nèi)竄動(dòng)、翻卷、包裹著爐料對(duì)其進(jìn)行全方位的加熱，然后爐氣從對(duì)面通道進(jìn)入蓄熱體后排走[1]。材料的熱處理制度是用溫度隨時(shí)間變化的線段，來(lái)表現(xiàn)升溫速度、保溫時(shí)間、冷卻速度等，不同鋼種有不同的溫度制度。熱處理爐是通過(guò)控制爐溫來(lái)保證坯料的工藝要求，蓄熱式爐控制爐溫的方法是( 沿爐長(zhǎng)方向確定多個(gè)換向閥依次對(duì)應(yīng)不同位置的組式燒嘴!就是說(shuō)將爐膛分為多個(gè)加熱區(qū)域，有幾個(gè)區(qū)域就有幾個(gè)換向閥。在一個(gè)獨(dú)立的溫度制度下（無(wú)論是升溫、保溫或者降溫），將爐子所需要的煤氣量和風(fēng)量設(shè)定到每個(gè)區(qū)域中去，通過(guò)調(diào)節(jié)儀和PLG進(jìn)行單獨(dú)控制和調(diào)節(jié)。 溫度控制要求越高，爐子分的區(qū)域也越多，控制精度越好。需要注意的是，蓄熱式熱處理爐的溫度測(cè)量元件必須放在沿爐長(zhǎng)方向的爐頂中心線上，因?yàn)樾顭崛紵菃蜗蚬?，隨時(shí)間單元交替換向。中心線上的點(diǎn)所檢測(cè)到的爐氣溫度基本不受單向燃燒的影響。在穩(wěn)定燃燒的情況下，其檢測(cè)值反映的就是爐膛的真實(shí)溫度。每個(gè)區(qū)域都需要設(shè)置熱電偶參與控制和調(diào)節(jié)[1]。東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 第2章 蓄熱式熱處理爐的初步設(shè)計(jì)第2章 蓄熱式熱處理爐的初步設(shè)計(jì)考慮到被處理對(duì)象的特殊性。本設(shè)計(jì)選取圓形的罩式熱處理爐。并且比較合適地將蓄熱式燃燒技術(shù)應(yīng)用到了熱處理爐上[4]。罩式熱處理爐一共包括了以下幾個(gè)部分：爐體系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、可控氣氛強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)、密封等4個(gè)部分[5]。（1）爐體系統(tǒng)：爐體是熱處理爐的主體，包括了外罩、內(nèi)罩、還有爐臺(tái)。外罩由5mm厚的鋼板焊成，內(nèi)襯耐火纖維板（100mm），莫來(lái)石纖維板（50 mm），礦渣棉氈（50 mm），外面用20槽鋼作為爐子的鋼結(jié)構(gòu)，直徑φ為3960mm。根據(jù)設(shè)計(jì)，爐墻內(nèi)表面溫度為1050℃。內(nèi)罩內(nèi)罩用3~4mm厚的耐熱鋼板焊成，直徑φ為2540 mm。鋼板壓縮成瓦凌形狀，以減少變形。爐臺(tái)是整個(gè)爐子的底座，是固定不變的，爐臺(tái)的上緣稍高出車間地平面。爐子所用的可控氣氛，通過(guò)安在爐臺(tái)上的管路出進(jìn)。測(cè)量板卷溫度的熱電偶也從爐臺(tái)插入。為了使?fàn)t溫均勻，采用為數(shù)較多的小燒嘴。欲降低熱負(fù)荷時(shí)，可關(guān)閉部分燒嘴。爐臺(tái)的金屬結(jié)構(gòu)呈盤形。循環(huán)風(fēng)機(jī)固定在爐臺(tái)中心的厚鋼板上。只有風(fēng)扇葉輪深入爐內(nèi)，其余部分均在爐外。板卷垛的頂上，用一塊蓋板蓋住，使循環(huán)氣流不可能直接從頂上灌入板卷的內(nèi)腔。內(nèi)、外罩與爐臺(tái)之間有密封裝置。其密封情況對(duì)以爐子的操作和產(chǎn)品質(zhì)量影響很大[6]。本設(shè)計(jì)采用砂封。由于外罩不和板卷一道冷卻，它始終處于溫度較高的狀態(tài)下，所以外罩的工作與連續(xù)式比較接近，能節(jié)約不少熱量，這是罩式爐單位熱耗低的原因[6]。 （2）燃燒系統(tǒng)：燃燒系統(tǒng)包括燒嘴﹑蓄熱室﹑蓄熱體﹑天然氣管道﹑空氣管道等幾個(gè)部分，其自動(dòng)控制部分見第四章詳述。燒嘴：本設(shè)計(jì)選用DT80式燒嘴[6]。燒嘴的燃燒能力為26m3/h。蓄熱室：本實(shí)驗(yàn)爐共有兩個(gè)蓄熱室[7]，立在爐子兩側(cè)，蓄熱室外部高度為1543mm，外部保溫材料由內(nèi)到外為：耐火纖維澆注料（114mm），耐火纖維氈（30mm），鋼板（6mm）。選用蜂窩式蓄熱體，共選用規(guī)格為150150150mm3，孔為33mm2的蜂窩體24塊，每層放四個(gè)蓄熱體。四通閥：選用旋轉(zhuǎn)式四通閥，四個(gè)接口分別為空氣進(jìn)口，空氣出口，煙氣進(jìn)口，煙氣出口。本設(shè)計(jì)選用一套風(fēng)機(jī)裝置，同時(shí)與空氣進(jìn)口和煙氣出口相連，空氣出口和煙氣進(jìn)口與爐前管道相連。閥門啟動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)的就是空氣出口和煙氣進(jìn)口，以改變空氣和煙氣流通的路徑。閥門每啟動(dòng)一次，空氣﹑煙氣流通路徑就改變一次。而爐前管道是與蓄熱室相連的，當(dāng)煙氣流過(guò)蓄熱室時(shí)，煙氣的熱量被儲(chǔ)存在蓄熱體中，當(dāng)空氣流過(guò)蓄熱體時(shí)，蓄熱體釋放熱量，對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)熱。在空氣管道上布置了測(cè)溫點(diǎn)，以檢測(cè)煙氣的溫度，為設(shè)定換向時(shí)間提供參考。煙氣溫度過(guò)高不僅增加熱損失，而且還影響四通閥的壽命，這時(shí)就需要縮短換向時(shí)間；而換向時(shí)間過(guò)短，機(jī)械動(dòng)作頻繁，閥門壽命也會(huì)受到影響。天然氣管道：天然氣經(jīng)過(guò)天然氣管道，進(jìn)入燒嘴噴入爐膛內(nèi)燃燒。天然氣管道上布置有渦輪流量計(jì)，以檢測(cè)天然氣流量，并配有手動(dòng)閥﹑電磁閥﹑電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等附屬裝置。在兩側(cè)的分管上布置有兩個(gè)天然氣電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，配合四通閥工作，當(dāng)一個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥打開時(shí)，另一個(gè)則切斷，保證天然氣只從一側(cè)，且和空氣同一側(cè)噴入爐膛。而在每個(gè)煤氣燒嘴前都布置了手動(dòng)閥，調(diào)節(jié)天然氣流量，保證天然氣均勻地從每個(gè)燒嘴噴出。空氣管道：空氣管道一端連接鼓風(fēng)機(jī)，一端連接四通換向閥?？諝饨?jīng)過(guò)鼓風(fēng)機(jī)﹑空氣管﹑四通換向閥﹑爐前管﹑蓄熱室后進(jìn)入爐膛?？諝庠诮?jīng)過(guò)蓄熱體時(shí)，吸收蓄熱體的熱量，溫度升高至1000℃以后快速噴入爐膛。快速運(yùn)動(dòng)的高溫空氣不僅使得天然氣周圍形成高溫低氧的燃燒氛圍，火焰溫度大大降低