12.10蓄熱燃燒技術(shù)及蓄熱式加熱爐

(HighTemperatureAirCombustion&RegenerativeReheatingFurnaces)2內(nèi)容(Contents)蓄熱燃燒技術(shù)(Principle)技術(shù)的先進(jìn)性(Advantages)歷史發(fā)展概況(History)技術(shù)應(yīng)用(Application)蓄熱燃燒技術(shù)的幾點(diǎn)思考(Improvements)32.10.1蓄熱燃燒技術(shù)(Principle

)空氣（氣體燃料）溫度預(yù)熱到800℃～1000℃以上;(Air/FuelpreheatedbyFluegasto800℃～1000℃);維持低氧狀態(tài)(LowO2/FuelRatio);低CO2、NOX排放(LowCO2&NOxEmission)；低燃燒噪音(LowNoise);二十一世紀(jì)關(guān)鍵技術(shù)之一(KeyTechnology)。4蓄熱燃燒技術(shù)的基本原理(Principle)5工作過程（Process）燒嘴和蓄熱體成對出現(xiàn)(Coupleburners&Recuperators);一個(gè)燒嘴中空氣被加熱至1000℃左右,另一燒嘴蓄熱體被加熱

(Airpreheatedinoneburnerto1000℃,anotherRecuparatorpreheated);換向閥換向,高溫蓄熱體加熱空氣，高溫?zé)煔獗恍顭狍w冷卻至150～200℃

(reversalvalvework,systemrevised,preheatedRecuperatorheatingairinoneburner,anothercoolingexhaustgasto150～200℃)；切換閥、排煙風(fēng)機(jī)均在低溫下工作(Lowtemperatureworkingcondition)。6系統(tǒng)構(gòu)成（Systemstructure）

燃燒器（Burner）形狀(Shape)材質(zhì)(Material)尺寸(Size)換向閥（Reversalvalve）控制系統(tǒng)(Controlsystem)蓄熱體（

Recuperators

）:7蓄熱式燃燒與傳統(tǒng)蓄熱式燃燒的區(qū)別(RecuperativeCombustionComparison)項(xiàng)目(Items)傳統(tǒng)(Conventional)新一代(Firstgeneration)第二代(Secondgeneration)目的(Aim)獲取較高爐溫(Gethightemperature)高余熱回收(HighheatvalueRecovery)極限回收余熱、降低NO2排放(MaximumheatvalueRecovery,LowNO2)蓄熱體(recuperator)格子磚(Gridbrick)金屬陶瓷材料(Cermet)陶瓷小球(Ceramicpellet)陶瓷小球(Ceramicpellet)、陶瓷蜂窩體(Ceramichoneycomb)換向時(shí)間(Reversetime)30～60min2～6min30s～3min應(yīng)用(Application)玻璃熔池爐、高爐、平爐、焦?fàn)t、均熱爐(Glassmeltingbath,Blast,Martin,Soakingfurnace)鋼包烘烤器、鋁熔煉爐、銅熔煉爐、軋鋼及鍛造加熱爐(Ladleroaster,Al&Cumelting,Steelrolling&ForgingReheatingFurnace)鋼包烘烤器、鋁熔煉爐、銅熔煉爐、軋鋼及鍛造加熱爐(Ladleroaster,Al&Cumelting,Steelrolling&ForgingReheatingFurnace)8關(guān)鍵部件1--蓄熱體

(Keypart1—Recuperator)

陶瓷蓄熱體的形狀(Shape)：球狀(Pellet)

蜂窩狀(Honeycomb)

八字形(八-shape)9蓄熱體材質(zhì)和尺寸

(Material&Size)材質(zhì)要求(Material)：耐高溫、良好傳熱性能、抗熱震性好、強(qiáng)度高；(Hightemperatureresistance,excellentconductivety,Heat&Earthquakeresistance,highintensity)尺寸要求(Size)：

合適的尺寸，保證穩(wěn)定性。（Propersizetoensurestability）10關(guān)鍵部件2--燒嘴

(Keypart2--Burner)熱氣出口fuelInletflameOutletAirInlet11關(guān)鍵部件3--換向閥

(Keypart3—Reversalvavle)五通換向閥旋轉(zhuǎn)換向閥直通四通閥兩位三通閥Reliable&Endurableisveryimportant.rotary(Four-channel)(Double-T)12技術(shù)關(guān)鍵—穩(wěn)定燃燒區(qū)域

(Keytechnic—steadycombustionzone）steadycombustionzoneunsteadycombustionzoneAirtemperature(℃)ConcentrationofO2(%)132.10.2先進(jìn)性(Advantages)氮氧化物排放指數(shù)低(LowNOx)可用低熱值燃料(LowHeatValueFuelUseable)極限節(jié)能(MaximumEnergyRecovery)燃燒空間溫度均勻(UniformTemperature)貧氧燃燒(LowO2)燃燒噪聲低(LowNoise)產(chǎn)量提高(HighProductionRate)14火焰特征(FlameCharacteristics)火焰體積明顯增大,體積燃燒(BulkBurning)火焰亮度減弱,火焰色差減小(LowBrightness)火焰為動(dòng)態(tài)火焰(DynamicFlame)燃燒噪音減小’無高速氣流噪聲(LowNoise)15

低氮燃燒(LowNOX)燃料燃燒生成NOX的機(jī)理(Mechanism)：溫度型NOX(Thermal-NOX)快速型NOX(Prompt-NOX)燃料型NOX(Fuel-NOX)生成速度(Rate)：→

采用蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)，在煤氣和助燃空氣預(yù)熱溫度非常高的情況下，NOx含量卻大大減少了。16低NOX燃燒的原理(Principle)17低熱值燃料得到有效利用

EffectiveUseofLowHeatValueFuel低熱值燃料可用于鋼坯加熱等(e.g.HeatingBilletSteel)→18燃燒空氣量與煙氣量(Nm3/m3)(QuantityofAir&HotGas)項(xiàng)目(Items)L0L

α

V0Vα

α1=1.05

α2=1.1α1=1.05

α2=1.1高爐煤氣(BFG)0.6190.6500.6811.4991.5301.562混合煤氣(MixedGas)0.8610.9040.9471.7311.7751.819焦?fàn)t煤氣(COG)4.6604.8935.1265.4415.6785.915化學(xué)成分與低位發(fā)熱量(Component&LowHeatValue)項(xiàng)目(Items)煤氣成分(%)(CoalGasComponent)QnetkJ/m3H2COCH4C2H6CO2N2O2高爐煤氣(BFG)32419543349焦?fàn)t煤氣(COG)54

7.528.72.82.04.90.118633混合煤氣(MixedGas)5.8123.091.580.1518.0751.240.06418719理論燃燒溫度(TheoreticalCombustionTemperature)項(xiàng)目(Items)高爐煤氣(BFG)混合煤氣(MixedGas)焦?fàn)t煤氣(COG)α1=1.05

α2

=1.1α1=1.05

α2

=1.1α1=1.05

α2

=1.1無預(yù)熱(NoPreheat)tlk=30℃133113101433140219981934tlg=30℃單預(yù)熱(SinglePreheat)trk=900℃161115981767175025572501trk=1000℃164516341808179326262571雙預(yù)熱(DoublePreheat)trk=900℃2010199121152091－－trg=800℃trk=1000℃2044202621552133－－trg=800℃trk=900℃2124210322142189－－trg=1000℃trk=1000℃2158213822522229－－trg=1000℃20極限余熱回收(MaximumEnergyRecovery)傳統(tǒng)的預(yù)熱技術(shù)(ConventionalPreheat)：預(yù)熱溫度T<600℃,燃料節(jié)約(Fuel-Saving)25-30%

蓄熱式預(yù)熱技術(shù)：預(yù)熱溫度(T):800℃-1200℃,燃料節(jié)約(Fuel-Saving)50-60%排煙溫度<200℃(DischargeFlueGasTemperature<200℃):排放CO2少(LowCO2)21排煙溫度與熱量利用率的關(guān)系

(RelationofFlueGasDischargeTemperature&Effectiveness)FlueGasDischargeTemperature(℃)Effectiveness(%)22燃燒爐膛溫度均勻(UniformTemperature)（1）提高產(chǎn)品質(zhì)量(HigherProductQuality)（2）延長爐膛壽命(LongLife-spanofFurnaces)23傳統(tǒng)火焰與高風(fēng)溫低氧濃度火焰溫度分布的比較

(ComparisonofTemperatureDistribution)FlameLength(m)FlameTemperatureConventionalHighTemperature&LowO224傳統(tǒng)火焰與高風(fēng)溫燃燒火焰的差異(Difference)高風(fēng)溫燃燒;(HighTemperatureCombustion):溫度、熱流分布均勻;(UniformTemperature&FlowFlux)熱流水平、平均溫度大幅提高;(HighTemperature&FlowFlux)傳熱強(qiáng)度提高25%～40%(HeatTransferIntensityIncreasedby25%～40%)25貧氧燃燒

（LowO2Combustion）氧化燒損減少，也有利于在爐膛內(nèi)產(chǎn)生還原焰，能保證陶瓷燒成等工藝要求，可以滿足某些特殊工業(yè)爐的需要。(LessOxidation&Overburning)26燃燒噪聲低

(LowCombustionNoise)由于火焰不是在燃燒器中產(chǎn)生的，而在爐膛空間內(nèi)才開始逐漸燃燒的，因而燃燒噪聲低。(FlameCreatedintheFurnaceChamber,NotintheBurner)27爐子產(chǎn)量提高(HigherProductionRate)爐膛溫度的均勻性加強(qiáng)了爐內(nèi)傳熱，導(dǎo)致同樣產(chǎn)量的工業(yè)爐和鍋爐其爐膛尺寸可以縮小20%以上，換句話說，同樣長度的爐子產(chǎn)量可以提高20%以上，大大降低了設(shè)備的造價(jià)。UniformTemperatureStrengthenHeatTransferYieldIncreasedByMoreThan20%28火焰熱流密度(HeatFluxofFlame)ConventionalHighTemperatureHighTemperature&LowO2TAir292.10.3歷史發(fā)展概況(History)1970年以前，余熱未充分利用;(ExcessHeatNotEffectivelyUsed)1970s，回收顯熱（換熱器）;(HeatExchanger---SensibleHeatRecovery)1980s，蓄熱燃燒器，低NOX排放;（RecuperativeBurner---LowNOX）1990s，HTAC技術(shù)。(HTAC---Energy-saving&EnvironmentFriendly)蓄熱式換熱器蓄熱式燃燒器高溫空氣燃燒HeatExchangerRecuperativeBurnerHTAC30蓄熱式換熱器

（RecuperativeHeatExchanger）體積龐大，蓄熱體厚，換向時(shí)間長，預(yù)熱空氣溫度波動(dòng)大，熱回收率低。(BigBody,FluctuationofAirTemperature)31第一代再生燃燒技術(shù)(FirstRecuperativeBurningTechnology):1982年,英國HotWork&BritishGas公司合作首次研制出緊湊的陶瓷球蓄熱系統(tǒng)RCB(RecuperativeCeramicBurner)。采用再生燃燒器(高速切換燃燒器)(RecoveryBurner)陶瓷球作為蓄熱體,比表面積達(dá)240m2/m3(CeramicPellet)蓄熱式燃燒器

RecuperativeBurner

蓄熱能力大大增強(qiáng)，蓄熱體體積顯著減小，空氣預(yù)熱溫度提高，排煙溫度大大降低，熱回收率明顯提高，節(jié)能效果十分顯著。DischargeTemperatureGreatlyDecreased32第一代再生燃燒技術(shù)

(FirstRecuperationBurningTechnology)

80年代，蓄熱式燃燒器節(jié)能效果顯著,但存在環(huán)境和可靠性問題。(Problem:Environment&Reliability)33第二代再生燃燒技術(shù)(SecondRecuperationBurningTechnology):1990s，國內(nèi)外學(xué)者將蓄熱式燃燒技術(shù)和環(huán)境保護(hù)問題進(jìn)行科技攻關(guān)；空氣預(yù)熱溫度>1000℃（AirPreheatedToMoreThan1000℃）極限余熱回收(MaximumEnergyRecovery)降低NOx排放(LowNOx)提出高溫低氧燃燒技術(shù)(HighTemperature&LowO2)開創(chuàng)了針對燃用清潔或較清潔氣體和液體燃料的工業(yè)爐和工業(yè)鍋爐開發(fā)應(yīng)用高溫空氣燃燒技術(shù)的新時(shí)代.第二代再生燃燒技術(shù)

(SecondRecuperationBurningTechnology)34高溫空氣燃燒

(HighTemperatureAirBurning)AirInletAirInletCoalGasInletHotAirOutletHotCoalGasOutletHotAirOutlet352.10.4技術(shù)應(yīng)用(Application)鍋爐、輻射管等應(yīng)用領(lǐng)域（Boiler、RadiantPipe）.廣泛地應(yīng)用于冶金、機(jī)械、建材等工業(yè)部門:

均熱爐、連續(xù)加熱爐、鍛造爐、退火爐、玻璃窯以及陶瓷燒成窯(Soaking、Reheating、Forging、Annealing、GlassMelting、Furnace&CeramicKiln)陶瓷球和蜂窩體等高比表面積的蓄熱體:

用于軋鋼加熱爐、鋼包烘烤裝置、熔鋁爐

(SteelRolling、Ladlepreheating、Al-MeltingFurnace)36HTAC在加熱爐上的應(yīng)用

(ApplicationInReheatingFurnace)37通道式(ChannelType)管道布置在墻內(nèi)（墻加厚）(InTheThickenedWall)RecuperativeBurnerRecuperativeBurner38外掛蓄熱體式(OutsideType)39燒嘴與蓄熱體一體化(IntegralBurner&Recuperator)燒嘴式(BurnerType)40HTAC在加熱爐上的應(yīng)用(ReheatingFurnace)41蓄熱式輻射管(RecuperativeRadiantPipe)42國外應(yīng)用效果(ApplicationAbroad)資料(Datum)---日本自1998年開始工業(yè)規(guī)模的推廣和改造后連續(xù)三年的效果實(shí)測工業(yè)爐(Furnace)燃料平均熱利用率提高>50%(EfficiencyIncreased)節(jié)能率>34%(EnergySaving)NOX下降至<150ppm(NOXDischarge)爐內(nèi)溫度和氣氛更均勻(UniformTemperature&Component)43國內(nèi)應(yīng)用效果(DomesticApplication)（1）已有千余座蓄熱式加熱爐(morethan1000RegenerativeReheatingFurnacesinoperation)（2）冶金行業(yè)應(yīng)用廣泛(MetallurgyIndustry)（3）其他行業(yè)有待進(jìn)一步推廣(OtherField)（4）效果參差不齊，30～70%。(Efficiency)（5）應(yīng)注意的問題(KeypointsInApplication)442.10.5蓄熱燃燒技術(shù)幾點(diǎn)思考(Improvements)經(jīng)濟(jì)性(Economical)蓄熱體的要求和使用條件(Requirement

ofRecuperator)蓄熱體形狀的選擇(SelectionofRecuperator’sShape)球狀蓄熱體結(jié)構(gòu)參數(shù)(ParameterofPellet

Recuperator)蜂窩狀蓄熱體結(jié)構(gòu)參數(shù)(Parameterof

HoneycombRecuperator)蓄熱體材質(zhì)的選擇(SelectionofRecuperator’sMaterial)低空氣系數(shù)燃燒(LowAirCoefficientCombustion)換向周期(CycleofExchange)換向煤氣損失(GasLoss)爐壓控制(ControlofFurnacePressure)蓄熱燒嘴能力平衡(BalanceBurner’sCombustionAbility)45經(jīng)濟(jì)性(Economical)資料(Datum)：按照英國工業(yè)的水平，蓄熱式燒嘴的費(fèi)用最低。(RecuperativeBurneristheCheapest.)46蓄熱體的要求(RequirementofRecuperator)（1）形狀準(zhǔn)確：球狀、大片狀、長管狀、蜂窩狀、短空心狀、算盤狀和棗狀等

(CorrectShape:

Globosity,BigPiece,LongTube,Honeycomb,ShortHollow、Abacus)（2）透熱深度：透熱深度小--當(dāng)量厚度就薄，容易達(dá)到熱飽和，利于發(fā)揮蓄熱能力，減少用量。同時(shí)，預(yù)熱溫度波動(dòng)小，換向時(shí)間短。(Depthofpenetrateheat:Itiseasytoachievesaturationandgoodfortheexertiontoreducethedosage.thewarm-upfluctuatesslightlywithshorttimeofexchangedirection.)（3）比表面積：其值大傳熱面積大，在同樣傳熱系數(shù)條件下，傳熱多，蓄熱室體積變小。(Contrastsurfacearea:TheareofpassingheatisLarge)47（4）蓄熱能力：比熱容--單位體積或重量溫升1℃所需的熱，KJ/（kg℃）。蓄熱能力大，蓄熱室體積小，溫度波動(dòng)小。(Abilityofrecuperator:Iftheabilityofrecuperatorisstrong,thebulkofregeneratorwillbecomesmallwithslightlyfluctuation.)（5）導(dǎo)熱性能：λ大，可以迅速的將熱量由表面?zhèn)鞯街行?，充分發(fā)揮其蓄熱能力。(capabilityofconductingheat:thelargeλcanconducttheheatfromsurfacetocentersuddenlywhichcanmakefulluseofthecapacityofrecuperator.)

（6）耐熱沖擊性：蓄熱體在反復(fù)加熱和冷卻工況下運(yùn)行，反復(fù)熱脹冷縮易發(fā)生變形、裂縫和破碎，導(dǎo)致堵塞氣流通道，使壓力損失增加，甚至損壞不能再用，使壽命大大縮短。(Impactofenduringheat:Iftherecuperatorisrunwithrepeatheatingandcooling,itwillbedistorted、crackedandshortenitslife.)48（7）傳熱性能：氣流與固體之間的熱交換，與固體表面的狀態(tài)和形狀有關(guān)。例如：表面的粗糙度大，通道形狀復(fù)雜所形成的附面層很薄,容易使氣流變成紊流。這些因素都使對流傳熱和輻射傳熱增加。(diathermancy:theexchangeofheatbetweenairstreamandsolidwhichisrelatedtothestateandshapeofthesurfaceofthesolid.)（8）耐氧化性：有些材料在一定的溫度條件下會(huì)發(fā)生氧化，產(chǎn)生的氧化皮堵塞通道和增加流動(dòng)阻力，減薄材料厚度從而縮短壽命。普碳鋼只能在低溫下使用。高溫下必須使用含鎳鉻的耐熱鋼或其他的非金屬材料。(enduringofoxygenation:somematerialswillbeoxygenated,theprocreantoxygenatedskinwillshortenthelifetimeanddecreasethethickness.)（9）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度：蓄熱體承受高溫和上層重量，必須有較高的荷重軟化溫度，即高溫下耐壓強(qiáng)度要高。否則，很容易發(fā)生變形和破碎。(Intensityofstructure:Theintensityofenduringstressinhightemperatureofrecuperatormustbehigh)49（10）阻力損失：希望小。有局部阻力和摩擦阻力，前者遠(yuǎn)大于后者，且對傳熱無用，應(yīng)減少局部阻力。

(losingofresistance:wehopeitislower.)（11）堆體積穩(wěn)定性：除大片、長管和蜂窩狀外，蓄熱體的空隙度受振動(dòng)或熱沖擊時(shí)會(huì)變小，阻力增加。（stabilityofvolume:exceptforthekindofbigpiece、longtubeandhoneycomb,theinterspaceofrecuperatorwillbecomesmallwhenheatedofvibrated.）（12）清灰難易：煙塵會(huì)沉積、堵塞通道。氣流反向流動(dòng)有清除作用，但很有限。蓄熱體尺寸越小，問題越嚴(yán)重。（difficultyandeasyofclearingtheash:ASHcanaggradatetostiflethechannels.thesmallerthesizeoftherecuperatoris,theseverityoftheproblemwillbecome.）（13）加工難易：形狀越復(fù)雜，加工難度就越大，不易大規(guī)模生產(chǎn)，成本高，價(jià)格貴。形狀簡單易推廣。（difficultyandeasyofmachining:themorecomplexoftheshapeis,themoredifficultofthemachining.）50（14）蓄熱體來源：來源廣，開發(fā)價(jià)值高。如氧化鋁的球、短空心圓柱、算盤珠狀和棗狀等蓄熱體，來源廣，易獲得，價(jià)格便宜，推廣應(yīng)用就容易。（thesourceofrecuperator:thesourceisextensivewithhighexploitativevalue.thesourceofitisextensiveandyoucangetiteasilywithcheapprice.itiseasyforspreading.）（15）成本高低：蓄熱體的成本很高，應(yīng)用就困難。這與蓄熱體的加工難度和材料來源有關(guān)，是一個(gè)重要指標(biāo)。（thediscretionofcost:ifthecostofrecuperatorisveryhigh,itwillbedifficultforapplication.)

全部滿足這些要求是不可能的，實(shí)用中要兼顧。

(meetallentirelyisimpossible,giveattentiontotwoormorethingsinapplication)51蓄熱體形狀的選擇

(SelectionofRecuperator’sShape)序

號(hào)

項(xiàng)

目球狀大片狀長管狀蜂窩狀短圓柱狀短空心圓柱狀算盤珠狀棗狀空心球狀1透熱深度CAABBAACA2比表面積BCBAAAAAB3蓄熱能力BABCABBAC4傳熱能力ABBBAAABA5結(jié)構(gòu)強(qiáng)度ABBABABAC6阻力損失BAAABABBB7堆體積穩(wěn)定性CAAABBBBC8清灰難易AACCABBAA9加工難易ABBCAAAAA10蓄熱體來源AAACAAAAA11規(guī)模生產(chǎn)程度ABBBAAAAA12成本高低AABCAAAAA總

評250300150-5040045035035020052球狀蓄熱體結(jié)構(gòu)參數(shù)(ParameterofPellet

Recuperator)名稱表達(dá)式單位ABCDEF直徑Dmm151210853表面積F=πD2mm270645331420178.528.3體積V=πD3/6mm3176790452326865.414.1所占空間V=D3mm333751728100051212527單位體積的傳熱面積a=πD2/D3M2/m32092613143926281047單位體積的空隙體積C=1-bm3/m30.4770.4770.4770.4770.4770.477單位面積的流通面積D=1-πD2/(4D2)%0.1250.1250.1250.1250.1250.125透熱深度S=D/2mm7.56542.51.5不穩(wěn)定速度W=158*D0.5m/s19.417.315.814.111.28.653蜂窩狀蓄熱體結(jié)構(gòu)參數(shù)

(Parameterof

HoneycombRecuperator)

孔數(shù)n

/in2(HoleNO.)50100150200300比表面積

(m2/m3)

ContrastSurfaceArea1021138918601892176在體積相同的情況下，100孔陶瓷蜂窩體的比表面積是Φ12陶瓷球的4?5倍。(LargeContrastSurfaceAreas)54蓄熱體材質(zhì)的選擇

(SelectionofRecuperator’s

Material)

名

稱氧化硅氧化鋁耐火粘土陶瓷碳化硅鑄鐵耐熱鑄鐵碳鋼不銹鋼耐熱鋼1高溫導(dǎo)熱BBBCABBABB2低溫導(dǎo)熱BBBBAAAAAA3比熱容ABBBAAAAAA4耐氧化AAAAABBCBB5耐高溫AAAAACBCBB6耐熱沖擊CAACAAAAAA7價(jià)格高低AAAACACACC8材料來源AAAACABABB總

評20025025010020020010020010010055低空氣系數(shù)燃燒

(LowAirCoefficientCombustion)在保證完全燃燒的前提下，過?？諝庀禂?shù)越小節(jié)能效果越好(lowaircoefficientthelowerthebetterwhenpossible)56換向周期(CycleofExchange)換向閥的切換時(shí)間是HTAC技術(shù)中一個(gè)非常重要的參數(shù)。(theexchangedtimeisimportant)最佳換向時(shí)間(OpzimizationTime)蜂窩體蓄熱體30-50s(HoneycombRecuperator)小球蓄熱體3-4min(PelletRecuperator)57蓄熱燒嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化

(OptimizetheStructureofBurner)

(1)整體尺寸長寬高(LengthWidthHeight)(2)蓄熱體孔徑(RecuperatorAperture)(3)蓄熱體孔壁厚度(RecuperatorThickness)(4)蓄熱體高度(RecuperatorHeight)58爐壓控制(ControlofFurnacePressure)爐壓波動(dòng)大是蓄熱式加熱爐的特點(diǎn),改進(jìn)措施:(FluctuateSeriously,AmeliorateMeasurement)(1)分散換向(DistractedExchange