蓄热式烧嘴在加热炉上的应用

常志明 张太杰 吴亭亭

1.梅山钢铁公司热轧厂 2.上海天然气管网有限公司3.华东理工大学资源与环境工程学院

前言

蓄热式燃烧技术又称高温空气燃烧技术（HTAC），是上世纪80年代初国际上兴起的一项新型燃烧技术。它是将高温空气喷射入炉膛，维持低氧状态，同时将燃料输送到气流中，产生燃烧。空气温度预热到800～1000℃以上，燃烧区空气含氧量在21%～2%。与传统燃烧过程相比，高温空气燃烧的最大特点是节省燃料，减少CO2和NOx的排放及降低燃烧噪音，被誉为二十一世纪关键技术之一[1]。

蓄热式燃烧技术可充分利用钢铁联合企业长流程生产产生的副产品—高炉煤气和焦炉煤气，充分利用企业内部二次能源，达到降低生产成本、减少环境污染、提高企业竞争力的目的[2,3]。

1 梅钢加热炉采用的蓄热式烧嘴燃烧系统

梅钢3号加热炉采用BLOOM公司的1150系列光亮火焰型蓄热式烧嘴，属低氮氧化物排放和高效燃烧的燃烧器。该烧嘴燃烧时可形成长4m，直径为1.4 m的火焰，如图1所示。

1.1 基本原理

当一对烧嘴中的一个在燃烧时，产生的燃烧产物一部分被另外一个所抽走，并且该部分燃烧产物在通过蓄热箱时，热量被蓄热介质吸收；剩余的燃烧产物气体仍通过炉子的烟道排出。大约40秒的时间，两个烧嘴切换运行模式。特殊的地方就是在具体应用过程中两个烧嘴是相互对立的。理想状态是加热炉某一段一边的烧嘴燃烧的同时相对应的另一边正在排气。一边烧嘴燃烧2秒钟后另一边烧嘴开始工作。

蓄热式烧嘴的燃烧系统示意图见图2。图2中蓄热式烧嘴 A处于燃烧的状态，助燃空气通过蓄热箱内小球由常温预热到l000℃左右，并与煤气混合后进行燃烧。蓄热式烧嘴B处于抽吸燃烧产物的状态，高温炉气通过排烟风机抽吸并预热蓄热箱内的小球，温度降到200℃以下排出。

1.2 蓄热式烧嘴的特点

烧嘴本身自带烧嘴砖的结构，不需要在炉墙上另外开孔，烧嘴砖的尺寸优化设计强化了烟气的再循环，从而进一步降低了NOx的生成；采用导流挡板设计，确保燃烧稳定，在高温间隙蓄热状态时能阻挡来自炉膛的辐射，并对燃气喷嘴起固定作用；一次风可调，使得冷炉启动时比较稳定，同时使二次风在炉膛高温更好地掺入；具有良好调节性，在极低热负荷时，所有换向阀都关闭，仅剩下点火烧嘴；燃料适用性广，包括天然气，焦炉煤气，液化石油气，液态燃料；火焰光亮。

1.3 蓄热式烧嘴配置

3号加热炉的7个供热段（预热段上部，预热段下部，一加热段上部，一加热段下部，二加热段上部，二加热段下部，均热段下部）共使用31对蓄热式烧嘴，剩余的均热段上部采用的是36只平焰烧嘴。

2 梅钢加热炉使用蓄热式烧嘴后达到的效果

1）在额定负荷产量的情况下，NOx排放低于低于60ppm；

2）蓄热式烧嘴入口的烟气温度与空气预热温度的差值小于150℃；

3）可使经过蓄热器烧嘴排出的烟气温度小于200℃；

4）可使板坯出炉首尾温差≤15℃；

5）可使板坯烧损率≤0.7%。

3 蓄热式烧嘴加热炉 （3号炉）与传统加热炉（2号炉）的比较

（其中的数据均来自2008年6月加热炉正常工作时热平衡测试结果）

2号加热炉采用的是普通平焰烧嘴，采用普通换热器，对空气、煤气进行双预热。

3.1 火焰比较

与常规烧嘴供热相比，特别是与侧烧嘴相比，蓄热式高温燃烧扩展了火焰燃烧区域，火焰的边界几乎扩展到炉膛的边界，并且是从炉膛两侧交替供热、交替排烟，从而使得炉膛内沿炉膛宽度方向温度均匀，从而大大提高了产品的加热质量。

3.2 蓄热式烧嘴节能

蓄热式加热炉设计可使60%～64%的高温烟气抽吸进入蓄热式烧嘴，但这次只有45%的高温烟气抽吸入蓄热式烧嘴，其余55%的高温烟气是通过炉下降烟道排放出去的。2号炉从换热器出来的烟气温度为306.5℃，烟气量为每小时43766m3；3号炉从蓄热式烧嘴出来的烟气温度为171℃，烟气量为每小时40019m3。经过计算可知蓄热式烧嘴每小时可节约能源269kgce，占煤气总耗量的3.8%。

3.3 单位燃耗比较

表1 2、3号加热炉燃耗比较

使用蓄热式烧嘴可为蓄热式加热炉节约一部分能量，但与传统加热炉相比，蓄热式加热炉燃耗并没有降低。从表1月累计数据可以看出，蓄热式烧嘴加热炉与传统加热炉燃耗相差不多。原因分析如下：

1）空气单预热

通过蓄热箱预热的空气温度见表2。虽然进入炉膛的空气被预热到将近1000℃，但只是空气单预热，混合煤气没有被预热。当预热到1000℃的空气与煤气混合时，只相当于空气被预热到550℃，混合煤气被预热到450℃。而2号炉采用煤气空气双预热方式，从炉膛出来的热烟气通过第一个换热器先预热空气，从第一个换热器出来的烟气再通过第二个换热器预热混合煤气。2号炉被预热的空气温度为451.33℃，混合煤气温度为292.63℃，蓄热式烧嘴预热的空气煤气温度比传统加热温度高出不到100℃，如果混合煤气也能预热到接近1000℃，那蓄热式加热炉的节能效果相当的可观。

表2 3号加热炉空气预热温度

2)炉膛尺寸比较

2、3号加热炉都有预热段、一加热段、二加热段、均热段四段组成，具体各段的长度见表3。3号炉的预热段与均热段较长，换热段较短，2号炉的炉膛尺寸为1327m3，而3号炉的炉膛要比2号炉大26%，达到1672m3。据相关理论蓄热式加热炉的炉膛应比传统加热炉炉膛小10～25%即可满足加热的要求，但3号炉炉膛却比2号炉大，所以3号炉要升高相同的炉膛温度，需要消耗更多的混合煤气。

表3 2、3号加热炉各段长度

3）烟气走向

3号加热炉安装了蓄热式烧嘴的预热段上部段、下部段，一加热段上部段、下部段，二加热段上部段、下部段，均热段下部段的大部分烟气走向为横向交叉流动，只有少部分的烟气与均热段上部段烧嘴产生的烟气从炉尾（出料端）抽到炉头（进料端），通过烟道排出去；而2号炉所有的烟气是从炉尾（出料端）抽到炉头（进料端），通过烟道排出去，与钢坯的行进方向正好相反，烟气在流动过程中，持续的加热炉膛中的钢坯，所以到换热段的烟气温度为668℃；而从蓄热式烧嘴出来的烟气温度接近炉膛温度，见表4。

表4 3号炉烟气出炉膛温度

4）侧墙表面散热

从图3可以看出，除了3号炉的预热段温度略低于2号炉，其他各段均高于2号炉，散热比较严重，这也将造成能量的浪费。

5）空燃比比较

蓄热式烧嘴将空气温度加热到1000℃左右，可提高混合煤气的燃烧质量，减少空气的消耗。测试期间，2号炉的平均空燃比为2.64，3号炉的平均空燃比为2.15，消耗相同的燃料，2号炉比3号炉需要多消耗23%的空气量，将多产生15%的烟气量，按照2号炉的排烟温度与排烟量计算，2号炉每小时将多损失标煤119kgce。

4 结语

1)蓄热式烧嘴从节能环保角度讲是一项很好的技术，可以将空气、煤气预热到很高的温度，一般而言，预热空气温度每提高100℃，可使理论燃烧温度提高50℃左右[5,6]，可使燃烧更充分，加热更均匀，可使低热值的煤气合理利用；也可提高燃烧质量，减少空气的消耗，降低空燃比，减少了烟气量，减少了烟气带走的热量损失。

2)采用蓄热式烧嘴的加热炉可使排烟温度降低到150℃以下，可极限回收烟气余热，节约了能源。

3)现在的蓄热式加热炉普遍采用空气单预热的方式，如果能实现煤气、空气双预热，将充分提高燃烧质量，进一步减少空气消耗，节约能源，减少环境污染。

4)在进行加热炉蓄热式改造时，在满足加热质量的条件下适当调整炉膛的高度，减少炉膛空间，可减少能量的浪费，提高炉墙的保温效果，减少散热带来的能量损失。

5)要使蓄热式加热炉全炉整体上节能，需将蓄热式烧嘴最优化设计组合，合理分配加热炉各段热负荷。

[1]祁海英、徐旭常.中国开发应用高温空气燃烧技术的前景.Procedings of Beijing Symposium on highTemperature Air Combustion，Beijing，1999(10)：191～193

[2]王振宙，朱荣.蓄热式加热炉在唐钢高线厂的应用[J].工业炉，2003，(1)：14-16

[3]徐永圣，吴道洪.新型蓄热式燃烧技术在南钢中板厂的应用[J].钢铁，2004，39(3)：54-56

[4] Y.Suzukawa.R.egenerative,Burner Heating System.Procedings of Beijing Symposium on highTemperature Air Combustion，Beijing，Oct.1999

[5]Don Lupton，Regenerative Burner in Bloom Reheating Furnace，Steel Times Intemational,1989，13(5)：21-24

[6]蒋绍坚，艾元方，彭好义等.高温低氧燃烧技术及其高效低污染特性分析.中南工业大学学报，2000，3(14)：311～314