工業(yè)加熱爐發(fā)展方向

1、工 業(yè) 爐 第23卷 第1期 2001年2月文章編號:1001 6988(2001)01 0001 05工業(yè)加熱爐發(fā)展方向張先棹, 高仲龍, 高家銳2(1北京科技大學,北京100083;2重慶大學,重慶400044)摘要:簡要介紹目前工業(yè)加熱爐存在的一些矛盾,提出 高爐溫、高煙溫、高余熱回收和低爐子惰性 (三高一低理論)是工業(yè)加熱爐發(fā)展的方向,并提出一些為實現(xiàn)理論所需的技術基礎和實施的范圍。 中圖分類號:TF061 文獻標識碼:ADevelopmentTrendofIndustrialHeatingFurnaceZHANGXian yao, GAOZhong long(BeijingUnive

2、rsityofScienceandTechnology,Beijing10083)GaoJia rui(ChongqingUniversity,Chongqing400044)Abstract:Thethesisbrieflyintroducessomecontradictioninindustrialfurnace,putsforward threeHighandoneLow theory.Thistheorymeans:Highfurnacetemperature,Highfluetempera ture,HighwasteheatrecoverabilityandLowfurnacein

3、ertia.Thistheoryisthedevlopingdirectionofindustrialheatingfurnace.Thewritershaveputouttheneededtechnicalfoundationandapplicationscopetorealizethetheory.我們曾在 工業(yè)爐 雜志1990年第二期上發(fā)表過 關于工業(yè)加熱爐發(fā)展方向的探討 一文,引起了同行們極大的興趣和關注。后來我們又先后在 工業(yè)爐 雜志上發(fā)表了 關于工業(yè)加熱爐發(fā)展方向的再探討 和 關于工業(yè)加熱爐發(fā)展方向的再一次探討 二文,也得到了同行們熱烈的響應和紛紛采用。為了進一步推動我國工業(yè)加熱爐

4、的快速發(fā)展,我們再一次整理和補充這篇文章,重新加以發(fā)表,為同行們更好地了解和應用?？焖俚匕l(fā)展。加熱產(chǎn)量與質量的矛盾: 要提高工業(yè)加熱爐的產(chǎn)量,就必須提高整個工業(yè)爐的溫度水平,重點是爐子的加熱段(對連續(xù)式爐為加熱段,對間歇式爐為加熱期)的溫度水平,這就很容易產(chǎn)生質量問題,如氧化燒損增加、形成過熱和過燒,甚至燒化和燒毀而造成廢品等,這就與加熱質量產(chǎn)生了矛盾。從另一方面來說,為了提高加熱質量,減小表面和中心的溫差和提高整體的溫度均勻性,必需延長連續(xù)式均熱段的長度(對間歇爐為均熱期的時間),也就減少了爐子的產(chǎn)量,造成與產(chǎn)量的矛盾。加熱產(chǎn)量與低消耗的矛盾: 在提高整個工業(yè)爐的溫度水平,增加產(chǎn)量的同時,必

5、然要增大熱負荷,導至提高煙氣的排出溫度,增加煙氣帶走的熱損失。提高整個工業(yè)爐的溫度水平后,也會使爐襯的蓄熱和散熱熱損失的增加,這些結果都會使燃耗增加,這就與低消耗產(chǎn)生了矛盾。加熱質量與低消耗的矛盾: 要提高工業(yè)加熱1 問題的提出對工業(yè)加熱爐總的要求是:高產(chǎn)、優(yōu)質、低消耗和少污染,阻礙工業(yè)加熱爐發(fā)展的原因是目前工業(yè)加熱爐對上述要求存在著下列一些矛盾,新理論的產(chǎn)生和建立,就是要解決這些矛盾,工業(yè)加熱爐才能收稿日期:2001 01 08試驗研究:工業(yè)加熱爐發(fā)展方向爐產(chǎn)品的質量,減小加熱材料的斷面溫差和提高整體溫度的均勻性,就必須延長連續(xù)式的均熱段的長度(對間歇爐為均熱期的時間),這必然會增加工業(yè)加熱

6、爐的燃料消耗量和降低工業(yè)加熱爐的生產(chǎn)量,也就使加熱質量和低消耗產(chǎn)生了矛盾。加熱產(chǎn)量與污染的矛盾: 提高工業(yè)加熱爐的產(chǎn)量后,必然會過多地增加燃料供給量,導至燃燒器的超負荷運行,燃燒更加不完全,排出的煙氣量也隨之增加,使溫室氣體二氧化碳、有毒氣體一氧化碳、腐蝕性氣體氧化氮、有害微粒碳黑和灰塵等的排放量都增加了,造成產(chǎn)量提高對環(huán)境污染增加的矛盾。 這些矛盾都產(chǎn)生于目前工業(yè)加熱爐采用的是:連續(xù)式加熱爐的低溫預熱段(對間歇爐為低溫預熱期)實行慢速加熱,或者用煙氣的余熱來慢速加熱(連續(xù)式加熱爐),或者用爐內蓄熱來慢速加熱(間歇式加熱爐);而在連續(xù)式加熱爐的高溫加熱段(對間歇爐為高溫加熱期)則實行快速加熱,

7、或者提高加熱段的爐溫和延長加熱段長度來快速加熱(連續(xù)式加熱爐)或者用僅提高爐溫來快速加熱(間歇式加熱爐)。這是不合理的,因為低碳鋼等材料,在低溫時吸熱的能力很強,加熱的溫差可以很大,不會導致產(chǎn)生裂紋和變形等缺陷,所以可以快速加熱。而在高溫時,吸熱的能力很弱,加熱的溫差只能很小,如果采用過高的爐溫很容易產(chǎn)生過熱、過燒和燒毀等次品,所以只能慢速加熱。而合理的是:在連續(xù)式加熱爐低溫預熱段(對間歇爐為低溫預熱期)實行快速加熱,或者將預熱段也變成加熱段(連續(xù)式加熱爐),或者用提高爐溫來快速加熱(間歇式加熱爐);在連續(xù)式加熱爐的均熱段(對間歇爐為均熱期)實行慢速加熱,或者延長均熱段長度來慢速加熱(連續(xù)式加

8、熱爐),或者用降低熱負荷來慢速加熱(間歇式加熱爐)。 這些原則就是 高爐溫、高煙溫、高余熱回收和低爐子惰性 (三高一低理論)提出的根據(jù),可以使工業(yè)加熱爐實現(xiàn):高產(chǎn)、優(yōu)質、低消耗和少污染的要求。溫,增加傳給被加熱物的熱量,由此可以提高爐子的產(chǎn)量,并為高溫慢加熱創(chuàng)造條件。高煙溫: 就是提高煙氣的出爐溫度,這也可以用增加供熱負荷來實現(xiàn)。特別是對連續(xù)式加熱爐,可以在預熱段內多布置供熱點來加強供熱,甚至在預熱段內都供熱,取消整個預熱段,實施低溫快加熱的原則。由此提高整個爐子的溫度水平,保證提高爐子的產(chǎn)量。高余熱回收: 就是充分利用煙氣的余熱來預熱助燃用空氣和煤氣時,提高燃燒用空氣和煤氣的預熱溫度,進一步

9、降低煙氣的排放溫度,將煙氣余熱的熱量返回至爐內,從而提高余熱回收率,又提高爐子的熱效率,節(jié)約燃料消耗。低爐子惰性: 就是要降低爐襯的蓄熱量,使爐子升溫快降溫也快,保證爐子在高爐溫情況下的加熱質量和適應工況變化的能力,有助于生產(chǎn)過程的自動化和計算機控制,保證提高加熱質量。并且還可以降低爐襯的蓄熱和散熱熱損失,進一步提高爐子的熱效率和降低燃料消耗,使爐子具有更高的科技水平。3 三高一低 理論的技術基礎隨著工業(yè)水平的發(fā)展,出現(xiàn)了許多新技術和新產(chǎn)品,為實現(xiàn) 三高一低 理論創(chuàng)造了有利條件。這些新技術和新產(chǎn)品有:3.1 蓄熱室式高回收熱交換設備最近20多年來,國內外研究制造了一種新型的蓄熱式熱交換裝置,這

10、一改過去蓄熱室的結構龐大,換向時間長,排煙溫度高,熱回收率低和預熱溫度低而波動大等缺點。創(chuàng)新成為結構緊湊(單位體積的傳熱面積可達數(shù)百甚至上千),換向時間短(由0.51h縮短為幾分鐘甚至幾十秒鐘),排煙溫度低(由500600 降至150180 ),預熱溫度高(由煙氣出爐溫度的40%50%提高到85%95%),使用壽命長(810年不漏氣和不燒毀)和熱回收率高(一般大于90%)的熱交換裝置。其關鍵在于新型蓄熱式熱交換裝置大大縮小了蓄熱體的尺寸,由厚度為幾十毫米的耐火材料磚體變成幾毫米的球體甚至為珠體或片體。3.2 自身預熱式燃燒裝置自身預熱式燃燒裝置是近幾十年發(fā)展起來的一2 三高一低 理論高爐溫:

11、就是提高爐子的溫度水平,這可以用增加供熱負荷來實現(xiàn)。如果不能奏效時,可以從提高燃料的發(fā)熱值,提高助燃劑的含氧量和提高助燃劑和燃料的預熱溫度著手,從而提高燃燒溫度和爐工 業(yè) 爐 第23卷 第1期 2001年2月種新型燃燒器,它本身帶有一個熱交換裝置,回收煙氣的余熱來預熱助燃用空氣,是一種節(jié)能效果明顯、使用和安裝均方便的一種燃燒裝置。把蓄熱式熱交換裝置移植到自身預熱式燃燒器上,使其得到一個飛躍的進步。節(jié)能效果大為提高,燃燒性能大為改進,不僅可用于高溫的鋼材加熱爐,同樣可用于低溫的鋼材熱處理爐,均能取得良好的效果。這種蓄熱式自身預熱燃燒裝置主要特點是: (1)由燃燒裝置、蓄熱式熱交換裝置和排煙裝置構

12、成一體,不僅結構緊湊,而且避免了較長的煙道和熱風管道,減少了溫降,進一步提高了節(jié)能效果,并節(jié)省了基建工作和投資費用。(2)一般可將助燃空氣預熱到煙溫的85%95%,燃料節(jié)約率可達50%60%,提高產(chǎn)量約15%20%。(3)燃燒產(chǎn)物的溫度高,速度快,火焰的剛性強,并在爐內產(chǎn)生強回流,有利于爐氣的再循環(huán)。除高溫火焰的強輻射傳熱外,還可加強對流傳熱和提高爐溫的均勻性。(4)利用排煙裝置(一般為噴射排煙)分段靈活地控制爐壓,不致造成熱爐氣外溢和冷空氣吸入,有利于熱工控制和操作,空氣過剩系數(shù)對燃燒的影響也不敏感了。(5)可使用各種氣體或液體燃料,并可使用低發(fā)熱值煤氣,對燃料的適應性強。(6)可用于間歇式

13、的室式爐,也可用連續(xù)式的長條爐,對爐型的適應面寬。(7)缺點是煙氣中的污染物(氧化氮)的濃度很高(可達6001000 10-6)。 3.3 高溫低氧燃燒中發(fā)熱值燃料在燃燒時其燃燒溫度可達1500 以上,而高發(fā)熱值燃料在燃燒時其燃燒溫度可達1800 以上,再加上用蓄熱式熱交換器將空氣加熱至高溫(可達10001200 ),燃燒溫度就更大大提高了,而煙氣中的有害污染物(氧化氮)也大大增加了。這是因為氧化氮的生成量隨燃燒溫度的提高而增加。為了保護環(huán)境,使得這種高余熱回收的高溫空氣,在使用上受到很大的限制。近些年來,國外研制開發(fā)了高溫低氧的燃燒新方法,不僅可以大幅度地減少氧化氮的生成量(減少90%),而

14、且可以使燃燒更加完全,溫度更加均勻。高溫低氧燃燒就是使燃燒過程在高燃燒溫度下(1500 以上)和在低含氧氣氛中(氧含量僅3%6%)進行。這時的燃燒方法也有根本性的改變:過去通用的方法是擴散燃燒。燃料在中間,空氣在四周,用燃燒器組織氣流在爐內燃燒,邊流動,邊燃燒。而燃燒過程是在燃料與空氣的界面上進行,是為表面燃燒,形成明亮的炬形火焰,其溫度是最高的,在爐內形成不均勻的溫度場;現(xiàn)在新的方法是混合燃燒,燃料在高溫燃燒產(chǎn)物與高溫空氣的低氧混合物中引入,燃燒在整個爐內空間中進行,是為空間燃燒,不會形成火焰,所以又稱 無焰燃燒 。因此爐內溫度非常均勻,不會使局部加熱材料發(fā)生過熱和過燒,又因為燃燒溫度高,分

15、子運動強烈,所以燃燒也非常完全。這種燃燒方法的特點是:產(chǎn)生的氧化氮濃度非常低(1520) 10-6、溫度非常均勻(爐內溫度差不超過5 )、燃燒非常完全和加熱質量非常好。 3.4 耐火纖維近幾十年來,我國研究、制造和全面推廣使用一種新型的耐火材料-耐火纖維,應用于1000 以下爐溫的硅酸鋁全耐火纖維爐襯的使用已相當成功和廣泛,取得良好的效果。應用于1400 左右高爐溫的多晶莫來石纖維、高鋁質纖維和含鉻纖維,也已走出實驗階段而進入實用階段,可長期在1400 爐溫下使用,短期最高使用溫度還可達1600 。 耐火纖維由于空隙度高,因而其導熱系數(shù)、重度和比熱容均極低,這可大幅度地減小蓄熱損失和散熱損失(

16、在950 爐溫時單層150mm厚的散熱損失約370kJ/m2 h,蓄熱損失約10000kJ/m2),它有顯著的節(jié)能效果。同時大大地降低爐子的熱惰性,可適應工業(yè)爐自動控制快速升溫和降溫的要求。 根據(jù)工業(yè)爐的爐溫進行分層鋪設較為合理,它是將耐溫最高的耐火纖維放在爐膛的內側,將耐溫最低的放在外側,發(fā)揮各自的優(yōu)點,既可耐爐內的高溫,還可降低工業(yè)爐的造價。通常分成23層即可,根據(jù)不同的爐溫,其總厚度為150mm250mm,然后用耐熱金屬或陶瓷錨固件固定。上述結構在使用時,作為爐頂其散熱量約為1000kJ/m2 h左右,蓄熱量為4500kJ/m左右,間歇爐可節(jié)能30%左右。因為耐火纖維為不定形材料,施工和

17、烘烤比較方便,得到了廣泛的采用。 3.5 工業(yè)控制用高性能的計算機2試驗研究:工業(yè)加熱爐發(fā)展方向目前國內已有數(shù)以百計的工業(yè)加熱爐實現(xiàn)了計算控制,取得了高產(chǎn)、優(yōu)質、低耗和少污染的效果。 工業(yè)加熱爐進行計算控制的第一步:是實現(xiàn)給定爐溫和給定空氣系數(shù)的燃燒控制,其核心是燃料流量的控制和空燃比例的控制,其手段是在給定爐溫的要求下,自動控制燃料的流量的多少和燃料流量與空氣流量的比例的大小,其方法有:燃料和空氣流量測量法、煙氣殘氧分析反饋法、自尋優(yōu)控制法和專家系統(tǒng)。進一步提高是:用數(shù)學模型進行優(yōu)化控制,優(yōu)化工業(yè)爐的溫熱制度,即找到最佳的爐溫制度和供熱制度。數(shù)學模型可以用理論方法確立,也可以根據(jù)實驗數(shù)據(jù)或生

18、產(chǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)學處理得到。工業(yè)加熱爐是工廠中的一個局部環(huán)節(jié),其中涉及到各設備間的協(xié)調、調度和管理,這就需要更高層次的管理優(yōu)化控制,這是難度更高和因素更復雜的計算機數(shù)學模型,因而其水平更高,而實現(xiàn)起來也更困難。節(jié)。除某些鋼材外,為了提高產(chǎn)量和為提高質量創(chuàng)造有利條件,完全有可能和有必要取消預熱段,充分利用入爐時鋼坯溫度還很低,吸熱能力很強的條件,可以大大地提高這時的熱負荷,不僅可以大幅度地提高產(chǎn)量,還不會導致鋼坯過熱或過燒等質量問題,尚可留有足夠的爐底有效面積來均熱鋼坯以提高質量。當然這時的煙氣溫度是很高的,必需用高回收率的蓄熱式熱交換器來回收煙氣的余熱,降低燃料的消耗量,實現(xiàn)低消耗的要求。大多數(shù)人

19、認為:對連續(xù)式軋鋼加熱爐來說,無需使用耐火纖維,因為這時的蓄熱損失已降至很低了。但在實際情況下,連續(xù)式軋鋼加熱爐并非完全的穩(wěn)定工況,在開爐、停爐和爐況調整時,蓄熱損失仍有一定的比例,而耐火纖維具有升溫快、降溫快和操作的敏惑性和靈活性等優(yōu)點,對爐子生產(chǎn)是非常重要的,尤其是用計算機來自動控制生產(chǎn)時,是更為必要的條件。此外,它還可以簡化爐體結構,減輕爐子的重量,加快施工的進度和降低爐子建造成本,這對連續(xù)式軋鋼加熱爐都是有重要意義的。近幾十年來,推鋼式連續(xù)加熱爐發(fā)展為更先進的步進式爐,其機械化程度更高,加熱的質量更好,加熱的產(chǎn)量更高,而生產(chǎn)調度靈活,更易于計算機自動操作和控制。但是步進式爐仍然存在上述

20、矛盾,如果采用 三高一低 理論來解決其存在的矛盾,則可以更強化步進式爐的一些優(yōu)點,如虎添翼,得到更高的指標。4.2 室狀加熱爐現(xiàn)以間歇式鍛造加熱爐為例,一般為矩形室式爐,爐溫較高(在1350 左右)且較均勻(溫差不超過10 ),因為煙氣的出爐溫度甚高,通常為11001300 ,造成大量的煙氣物理熱損失,在熱平衡中占50%左右,爐子的熱效率僅為5%8%,較先進的也只有15%20%。此外,間歇生產(chǎn)的加熱速度不高,爐底熱強度只有300400kg/m2 h,如果為了提高產(chǎn)量,將爐溫提高到14001500 進行快速加熱,這時的爐底熱強度可達400500kg/m2 h,但單位燃耗卻迅速增加。與推鋼式連續(xù)加

21、熱爐相似,產(chǎn)量的提高和燃耗的降低是相互矛盾的,但比較起來,熱效率更低,燃耗更高,矛盾則更為突出。雖然實行 高爐溫 是比較合理和容易的,但沒有 高熱回收 來配合,還是不能促進生產(chǎn)的發(fā)展。采用蓄熱式自身預熱燃燒器后,可以在鍛造加4 三高一低 理論的應用范圍工業(yè)加熱爐的 三高一低 新理論,一開始就得到廣泛的應用,促使許多工業(yè)爐實現(xiàn)了高產(chǎn)、優(yōu)質、低消耗和少污染的要求。現(xiàn)在,它的應用已擴展到反射熔化爐和熔煉爐上,也促進了反射爐的發(fā)展和提高。4.1 連續(xù)式加熱爐一般的連續(xù)加熱爐為長條形,連續(xù)地加料和出料,效率較高。以軋鋼加熱爐為例,將爐溫分成三段:均熱段(爐溫為1250 左右,用少許燃料供熱)、加熱段(爐

22、溫為1350 左右,用大量燃料供熱)和預熱段(爐溫為700900 ,僅用煙氣余熱供熱)。這種溫熱制度的熱效率并不提高,燃耗也不低,產(chǎn)量并不高,質量也得不到保證,環(huán)境也受到污染。在當前情況下,質量要提高,產(chǎn)量也要提高,燃耗要降低,污染也要減少,這就是現(xiàn)行連續(xù)加熱爐迫切需要改變的現(xiàn)狀。利用煙氣的余熱來預熱鋼坯看起來是合算的,可以節(jié)約燃料消耗,但實際上很不合理。因為這時煙氣與鋼坯的溫差不大,加熱強度較小,而預熱段卻占用了許多寶貴的爐底有效面積,不僅增加了車間和爐子的建造成本,而且成為產(chǎn)量提高的限制性環(huán)工 業(yè) 爐 第23卷 第1期 2001年2月熱爐上將空氣預熱至1000 左右,而煙氣離開時的溫度降為

23、150 左右,入蓄熱室的熱煙氣道和出蓄熱室的熱空氣道都很短,降溫都很少,因而可以得到很高的熱回收率。同時,蓄熱室內上層蓄熱體所用的材料為耐火材料,其耐熱強度高,而下層蓄熱體所用的材料為鑄鐵材料,其吸熱能力強。由于蓄熱式熱交換器是間歇換向操作,不會漏失空氣和吸入煙氣,使用壽命很長,而價格便宜,經(jīng)濟效益顯著。 間歇式生產(chǎn)的爐子,爐襯的蓄熱損失在熱平衡中所占的比例較大,一般都在20%左右,采用全耐火纖維爐襯,可以大幅度地減小爐襯的蓄熱損失和散熱損失。同時加速爐子的升溫和降溫,增加爐子的產(chǎn)量,是很重要的。由于鍛造爐的爐溫較高,鋼材處于高速加熱情況下,爐襯的熱惰性對加熱質量影響很大,因為在高溫下所處的時間稍長,就會使鋼材氧化加劇,甚至產(chǎn)生過熱和過燒,必須有較低的爐子惰性。因此,對鍛造加熱爐來說,采用全耐火纖維爐襯,減小爐子的惰性,對人工操作的鍛造爐甚為重要,而對使用計算機自動控制的爐子則更為重要的,這就是爐子 低惰性 的重要意義。4.3 分室式快速加熱爐六十年代風行一時的分室式快速加熱爐,在工藝上是成功的,它是用若干個室狀爐串聯(lián)而成,之間用輥道相連,可以和先進的連軋機很好地配合在一起,實現(xiàn)高產(chǎn)和優(yōu)質。但后來沒有得到推廣和應用,其主要原因之一就是燃耗太高。分室式快速加熱爐爐溫高達15001600 ,排煙溫度在13001400 ,雖然采用了金屬換熱器來回收高溫煙氣余熱,但預熱的溫度不高(3