120th全高爐煤氣蓄熱式推鋼加熱爐的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 分迅速，現(xiàn)已有數(shù)十座加熱爐在使用該技術(shù)并取得良好效果。在蓄熱式燃燒技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中，由于蓄熱體配置形式的不同以及是否空氣、煤氣雙預(yù)熱，表現(xiàn)出爐子結(jié)構(gòu)的多樣化。盡管如此，蓄熱式燃燒技術(shù)均存在四個(gè)方面的問(wèn)題值得研究，即：蓄熱體設(shè)計(jì)、空氣和煤氣噴口設(shè)計(jì)、點(diǎn)火裝置設(shè)計(jì)和換向設(shè)計(jì)。（2）蓄熱式燃燒技術(shù) 實(shí)際應(yīng)用中的幾個(gè)問(wèn)題1） 蓄熱體設(shè)計(jì) 蓄熱體是蓄熱式燃燒技術(shù)最關(guān)鍵的部件，直接影響蓄熱室的大小、熱效率和經(jīng)濟(jì)效益的高低。評(píng)價(jià)蓄熱體的性能時(shí)，熱效率、溫度效率、阻力損失、使用壽命、清灰難易等都是重要指標(biāo)。一般地說(shuō)，對(duì)蓄熱體要求起蓄熱量大，換熱速度快，高溫下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，可承受較大熱應(yīng)力，頻繁冷熱變換時(shí)無(wú)脆裂、脫落和變形，性?xún)r(jià)比高等。常用的蓄熱體形狀有球狀、蜂窩狀、片狀和管狀等，材質(zhì)有粘土質(zhì)、高鋁質(zhì)、莫來(lái)石質(zhì)、炭化硅質(zhì)和鑄鐵等。① 球狀蓄熱體（簡(jiǎn)稱(chēng)蓄熱球）蓄熱球是目前過(guò)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的蓄熱體。他的特點(diǎn)是制造工藝簡(jiǎn)單，安裝方便，可重復(fù)利用；缺點(diǎn)是蓄熱能力受高度和比表面積（既單位體積蓄熱體的換熱面積）的影響，阻力損失較大，蓄熱/放熱速度較慢。一般來(lái)說(shuō)，蓄熱體的比表面積越大，高度（介質(zhì)水平流動(dòng)時(shí)則為厚度）越高，它的熱效率和溫度效率則越高，但實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)蓄熱球的比表面積大于250m/m時(shí)，再增大蓄熱球的比表面積對(duì)各熱工指標(biāo)的影響并不明顯，最佳球徑為15~20mm。對(duì)于一定球徑的蓄熱體其高度也偶一個(gè)最佳范圍，再增大時(shí)蓄熱體的高度對(duì)各熱工指標(biāo)的影響并不明顯。此外，隨著蓄熱球球徑的減少或高度的增加，蓄熱體的阻力損失增大。 蓄熱球的材質(zhì)主要有粘土質(zhì)、高鋁質(zhì)和莫來(lái)石質(zhì)，現(xiàn)多用高鋁質(zhì)或莫來(lái)石質(zhì)。成型工藝主要有滾動(dòng)成型法和機(jī)壓成型法，機(jī)壓成型法因具有化學(xué)純度高、體積穩(wěn)定性好、熔點(diǎn)高、抗渣性強(qiáng)、高溫強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用前景 較好 。② 蜂窩壯蓄熱體（簡(jiǎn)稱(chēng)蜂窩體）蜂窩體由于壁薄（）、孔徑小（如3mm）,和蓄熱球相比，具有比表面積大（球的4~6倍），蓄熱/放熱快，有效流通面積大（球的7倍）和阻力損失小（球的1/3）等優(yōu)點(diǎn)，目前在國(guó)內(nèi)已有應(yīng)用。但由于其容重較小（求的1/10），導(dǎo)致單位體積的蓄熱量較小，換向時(shí)間較短（40~70s），大大增加了換向閥的動(dòng)作頻率。蜂窩體的材質(zhì)主要有青石質(zhì)、高鋁質(zhì)和莫來(lái)石質(zhì)。青師質(zhì)雖體積穩(wěn)定性較好，但荷重軟化點(diǎn)較低，滿足不了蓄熱體高溫測(cè)工況需要，已有熔化損壞的實(shí)例。壽命較短是影響蜂窩體推廣的主要原因，需要材料配方、結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造工藝上進(jìn)一步改進(jìn)。應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)增加壁厚和孔距來(lái)提高容重和耐久性。2）空氣、煤氣噴口設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)的燃燒概念是利用氧含量21%的空氣或氧含量超過(guò)21%的富氧空氣與燃料反映進(jìn)行燃燒，為了保證燃燒充分和火焰穩(wěn)定，在擴(kuò)散燃燒燒嘴空氣、煤氣噴口設(shè)計(jì)中常采取促進(jìn)空氣和煤氣在爐膛中混合的措施，如交叉射流或同心旋流的應(yīng)用。而在蓄熱式燃燒技術(shù)中，空氣和（或）煤氣被預(yù)熱到高溫（800℃以上）后，即使空氣中的氧濃度大幅度降低（如4%~6%），仍能穩(wěn)定燃燒，而且空氣和煤氣噴入爐膛后擴(kuò)散速度大幅度提高，可實(shí)現(xiàn)自發(fā)燃燒此時(shí)，如果空氣和煤氣噴口仍按傳統(tǒng)擴(kuò)散燃燒燒嘴那樣設(shè)計(jì)，勢(shì)必導(dǎo)致?tīng)t膛局部溫度過(guò)高，坯料過(guò)燒，爐襯損壞，NO劇增等。為此，在蓄熱式燃燒技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)中，空氣、煤氣噴口一般都相互獨(dú)立，但二者的相對(duì)位置和間距，形成的空氣、煤氣射流平行或稍帶交角等細(xì)節(jié)問(wèn)題值得認(rèn)真研究，因?yàn)樗苯佑绊懙綘t膛溫度的均勻程度，坯料的氧化燒損，NO的生成量和燒嘴調(diào)節(jié)比的大小等。值得一提的是，此問(wèn)題目前尚未音義足夠的重視。空氣、煤氣噴口的設(shè)計(jì)原則是保證二者既不能擴(kuò)散燃燒太快，又不能使煤氣被吸入對(duì)側(cè)蓄熱室而二次燃燒；為降低坯料氧化燒損，以高溫空氣不直接掠過(guò)坯料表面為宜。空氣、煤氣噴口的具體參數(shù)應(yīng)根據(jù)具體爐子的爐膛尺寸、空氣和煤氣預(yù)熱溫度、煤氣熱值和空氣、煤氣噴口處的壓力等因素來(lái)設(shè)計(jì)。3） 點(diǎn)火裝置設(shè)計(jì)在蓄熱式燃燒技術(shù)中，煤氣處于一種間斷輸送狀態(tài)，因此在爐膛溫度低于600℃時(shí)，如果沒(méi)有點(diǎn)火裝置則無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，甚至出現(xiàn)爐膛內(nèi)爆炸事故。實(shí)踐中很多爐子采用了單獨(dú)設(shè)置一些常規(guī)燒嘴的辦法，一方面增加了管道復(fù)雜程度，另一方面由于數(shù)量有限，爐膛升溫速度較慢。另一種做法是每一個(gè)煤氣噴口或燒嘴處設(shè)置專(zhuān)門(mén)的點(diǎn)火裝置，形成一個(gè)點(diǎn)火小火炬，并確保該火炬在煤氣切斷（空氣單預(yù)熱）或煤氣噴口反吸煙氣（空氣/煤氣雙預(yù)熱）時(shí)不熄滅。點(diǎn)火裝置是否可靠合理對(duì)爐子操作的安全性和靈活性十分重要，設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)技術(shù)水平和現(xiàn)場(chǎng)情況等綜合考慮。4） 換向方式設(shè)計(jì)目前國(guó)內(nèi)投產(chǎn)的加熱爐大多數(shù)采用四通換向閥分段集中換向方式，其優(yōu)點(diǎn)是換向閥數(shù)量較少，控制簡(jiǎn)單，但由于燒嘴（或）噴口到四通換向閥之間在換向時(shí)存在“死區(qū)”，造成短時(shí)間空燒或煤氣損失（煤氣預(yù)熱，參與換向時(shí)），較寬的爐子或采用蜂窩體換向周期較短的爐子尤甚。如果四通換向閥布置在爐子一側(cè)，還存在兩側(cè)燒嘴（或噴口）管網(wǎng)阻力不對(duì)稱(chēng)的問(wèn)題。隨著換向閥技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了連接每相臨兩個(gè)燒嘴的小型化四通換向閥分散換向方式。此方式由于換向閥緊鄰燒嘴，克服了集中換向的不足，但爐膛煙氣沿爐寬方向的擾動(dòng)不如集中換向的面對(duì)面換向的方式強(qiáng)烈。為解決這一問(wèn)題，最近出現(xiàn)了安裝在每一個(gè)燒嘴上的小型三通閥分散換向方式，此方式既消除了換向閥到燒嘴間的“死區(qū)”，又可根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)燒嘴間靈活配對(duì)，其推廣價(jià)值還需在實(shí)踐中加以檢驗(yàn)。（3） 結(jié)論在蓄熱式燃燒技術(shù)應(yīng)用中：1）蓄熱球是較成熟的蓄熱體，但其比表面積較小；蜂窩體需重點(diǎn)提高耐久性。2）空氣、煤氣噴口的設(shè)計(jì)需根據(jù)爐膛尺寸、空氣和煤氣預(yù)熱溫度、煤氣熱值和空氣、煤氣噴口 處壓力等因素來(lái)設(shè)計(jì)。3） 在每個(gè)煤氣噴口或燒嘴處設(shè)置點(diǎn)火裝置，具有中低溫時(shí)調(diào)節(jié)靈活和升溫較快的優(yōu)點(diǎn)4） 換向方式正在向小型化、換向閥分散控制發(fā)展。 （1）應(yīng)用領(lǐng)域1）無(wú)論各種發(fā)射熔煉爐、各種加熱爐、各種熱處理爐及各種烘烤設(shè)備均可應(yīng)用，而以反射熔煉爐最能發(fā)揮其優(yōu)越性。2） 無(wú)論各種大型工業(yè)爐、各種中型工業(yè)爐和各種小型工業(yè)爐均可應(yīng)用，而以小型工業(yè)爐最能發(fā)揮其優(yōu)越性3）無(wú)論各種類(lèi)型的加熱爐：推鋼式爐、步進(jìn)式爐、多室式快速爐均可應(yīng)用，而以多室式快速爐最能發(fā)揮起優(yōu)越性。4）無(wú)論各種發(fā)熱值的燃料：高發(fā)熱值的、中發(fā)熱值的和低發(fā)熱值的均可應(yīng)用，而以高發(fā)熱值的燃料最能發(fā)揮起優(yōu)越性。（2） 應(yīng)用效果1）空、燃雙氣經(jīng)蓄熱體蓄熱換熱后的溫度與進(jìn)入蓄熱體的煙氣溫度很接近，只差100℃。所以，其溫度效率高達(dá)95%，排放煙氣的溫度接近“露點(diǎn)”，僅150℃，其熱揮手率高達(dá)80%以上，爐子的熱效率高達(dá)70%。爐子的生產(chǎn)率提高20%~30%。1)由于切換頻率高及實(shí)施貧氧燃燒，爐溫更加均勻，溫差僅177。5℃。爐體壽命延長(zhǎng)，加熱質(zhì)量好，煙氣含氧量低，氧化燒損小，%。2)節(jié)能顯著：比冷空氣節(jié)能60%~65%，比換熱器預(yù)熱助燃空氣節(jié)能30%以上，空燃雙氣皆高溫預(yù)熱，其節(jié)能更為顯著。3)環(huán)保好：排放煙氣中溫室氣體CO含量減少40%以上，有毒氣體NO含量減少60%以上，排煙總量減少1/3。由于其燃燒方式不同于高速?lài)姵鰺焓交鹧嫒紵秦氀鯚o(wú)焰燃燒，所以其燃燒的噪音也特別低。4)可使用單一的低熱值劣質(zhì)燃?xì)狻?)排煙溫度低，維護(hù)費(fèi)用低，因蓄熱式工業(yè)爐的排煙溫度接近露點(diǎn)，＜150℃。不用高溫?zé)煹馈⒏邷責(zé)焽瑁捎靡话愎I(yè)用引風(fēng)機(jī)，不僅改善了工作環(huán)境，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，也大大減低了維護(hù)費(fèi)用及投資。6)減低投資，占地少，回收期短：雖然其投資與傳統(tǒng)窯爐相比要價(jià)格高，但因其經(jīng)濟(jì)效益特別顯著，爐子的建設(shè)投資一般一年內(nèi)即可收回。7)HTAC使用性強(qiáng)：適用于燃油、燃?xì)獾牟煌に囈蟮母邷毓I(yè)領(lǐng)域的窯爐。如軋鋼加熱爐、均熱爐、加熱爐、鋼包烘烤裝置，熔鋁爐、銅反射爐、玻璃熔化爐、罩式熱處理爐、環(huán)形加熱爐、輻射管氣體滲碳爐、鍛造爐、梭式爐等等。(3） 應(yīng)用前景高溫空氣燃燒技術(shù)是一項(xiàng)跨實(shí)際的高效節(jié)能環(huán)保新技術(shù)，具有極限余熱回收和超低CO、NO排放的優(yōu)越性。該項(xiàng)技術(shù)適應(yīng)性很強(qiáng)，所覆蓋的行業(yè)十分廣泛。它的推廣應(yīng)用不僅能使我國(guó)工業(yè)能源結(jié)構(gòu)得到改善，能耗指標(biāo)能較快地趕上世界先進(jìn)水平，尤其能使我國(guó)大氣污染狀況嚴(yán)重的局面得到迅速的控制和改善。這將對(duì)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略起到重要的作用。1） 采用煤的氣化方法，擴(kuò)大HTAC使用能源范圍 雖然空、燃雙氣高溫預(yù)熱解決了低熱值燃?xì)獾膽?yīng)用問(wèn)題，但總的來(lái)說(shuō)HTAC目前只適用于氣體和液體燃料，至今尚未見(jiàn)有關(guān)HTAC在燃煤設(shè)備上的應(yīng)用，而我國(guó)燃煤的工業(yè)窯爐占70%以上。燃?xì)狻⒂偷墓I(yè)爐窯只占20%多，故而使HTAC的推廣應(yīng)用范圍受到了很大的限制，因燃煤時(shí)產(chǎn)生大量的灰粉，其煙氣的腐蝕性很高，這就嚴(yán)重影響到蓄熱體、換向閥的工作安全性、可靠性及壽命。為此要首先解決煤炭的氣化問(wèn)題，如使用發(fā)生煤氣、煤礦井下煤制氣，及最近日本提出利用HTAC技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)煤的高溫氣化（1300℃），然后再將由此產(chǎn)生的煤氣輸入鍋爐里進(jìn)行高溫燃燒。總之采用煤的氣化方法來(lái)是實(shí)現(xiàn)固體燃料在HTAC上的應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)將對(duì)節(jié)能環(huán)保產(chǎn)生難以估量的影響。2）發(fā)展天然氣能源，改善能源結(jié)構(gòu)天然氣發(fā)熱值高而且非常潔凈，其在HTAC上使用較為理想。尤其將使用天然氣的HTAC技術(shù)應(yīng)用到熱處理行業(yè)（包括金屬制品的熱處理）上就更為理想，因它對(duì)實(shí)現(xiàn)小、無(wú)氧化熱處理技術(shù)特別有利。但由于我國(guó)天然氣過(guò)去開(kāi)發(fā)量小、價(jià)高，故在工業(yè)爐窯上應(yīng)用很少，用電能的熱處理爐占到90%以上。在歐、美、日熱處理行業(yè)用天然氣能源占1/4以上。眾所周知點(diǎn)是二次能源，一般燃料發(fā)電效率約為36%，電能的熱效率上限為80%,即燃料的點(diǎn)熱效率上限約合29%。%，比電熱效率高近1倍。如HTAC使用天然氣，其熱效率可達(dá)80%以上，比電熱效率高近2倍。此外對(duì)提高熱處理的產(chǎn)品質(zhì)量很有好處，因天然氣本身就是一種還原性保護(hù)氣氛。用天然氣制備吸熱式氣氛是國(guó)外滲碳的主流技術(shù)方法。開(kāi)發(fā)推廣應(yīng)用HTAC天然氣熱處理爐既可大大提高熱處理生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，又可大大提高我國(guó)熱處理行業(yè)少、無(wú)氧化加熱的程度。我過(guò)的天然氣儲(chǔ)備與俄羅斯接近。“十五”開(kāi)發(fā)兩項(xiàng)西氣東輸工程，預(yù)計(jì)“十五”末天然氣產(chǎn)量超過(guò)500億m/年，為發(fā)展天然氣能源，發(fā)展HTAC改善能源結(jié)構(gòu)，改善環(huán)境保護(hù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益，保證我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。2） 擴(kuò)大HTAC應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用蓄熱式技術(shù)來(lái)蓄熱換熱早在1858年就發(fā)明了，但因它的笨重，往往蓄熱室比爐體本身還大，造價(jià)高，因此其應(yīng)用一直受到限制。一直到上世紀(jì)80年代末期，因蓄熱體無(wú)論在材料、尺寸、形狀、厚度和換熱面積等方面取得了重大突破，同時(shí)換向時(shí)間大大地縮短，致使老的蓄熱室技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的變化，再加上貧氧燃燒這種全新的概念，從而在熱工界出現(xiàn)了一場(chǎng)新的技術(shù)革命。但任何事物都是發(fā)展的，HTAC亦是如此，尤其是它現(xiàn)在在我國(guó)尚未普及及推廣應(yīng)用，尚存在一定的問(wèn)題，除了它的機(jī)制理論方面尚待深入研究外，在應(yīng)用實(shí)踐上也需要進(jìn)一步研究改善蓄熱體、換向閥、燒嘴、爐體材料等關(guān)鍵部件的材質(zhì)、形狀、結(jié)構(gòu)、壽命等等，使蓄熱式工業(yè)爐更加高效、潔凈、向小型化、輕型化發(fā)展，擴(kuò)大HTAC的應(yīng)用領(lǐng)域。3） 總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，加速推廣應(yīng)用 近年來(lái)，HTAC在我國(guó)一直受到政府的重視和支持。科技界開(kāi)展了深入的研究與開(kāi)發(fā)，現(xiàn)已擁有了多項(xiàng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)及專(zhuān)利技術(shù)。科研設(shè)計(jì)部門(mén)與鋼鐵企業(yè)合作，大力在軋鋼加熱爐上進(jìn)行了蓄熱式加熱爐的改造，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前已改造及新建的蓄熱式工業(yè)爐已不下100多臺(tái)，運(yùn)行效果都十分理想，據(jù)權(quán)威人士估算，這項(xiàng)跨世紀(jì)的先進(jìn)節(jié)能環(huán)保技術(shù)，每年可為中國(guó)企業(yè)帶來(lái)300億元以上的經(jīng)濟(jì)效益，每年可給國(guó)家節(jié)約折合3000萬(wàn)t以上的標(biāo)煤。科技界與工業(yè)界應(yīng)很好地總結(jié)交流，政府應(yīng)從財(cái)力上和政策上給予進(jìn)一步的支持，使HTAC得以迅速推廣應(yīng)用，使我國(guó)的工業(yè)能耗指標(biāo)在最短的時(shí)間內(nèi)趕上世界先進(jìn)水平。 技術(shù)數(shù)據(jù)爐子的產(chǎn)量：P=120t/h加熱料坯材質(zhì)：20鋼料坯尺寸：1501506000mm金屬加熱參數(shù)：料坯加熱初始溫度：20℃ 料坯加熱終了時(shí)的表面溫度：1200℃ 料坯加熱終了時(shí)的斷面溫差：30℃燃料：高爐煤氣， 高爐煤氣成分成分煤氣%————煤氣預(yù)熱溫度（燒嘴前）：t=1000℃空氣預(yù)熱溫度（燒嘴前）：t=1000℃ 設(shè)計(jì)計(jì)算 燃料燃燒計(jì)算（1）高爐煤氣干、濕成分轉(zhuǎn)換1）煤氣溫度20℃，查《火焰爐設(shè)計(jì)計(jì)算參考資料》表12得，g=，則k==2)由于K=,計(jì)算得高爐煤氣的濕成分， 高爐煤氣的濕成分成分煤氣%——(2)高爐煤氣低發(fā)熱值Q=+=+=3291KJ/NM(3)空氣需要量的計(jì)算1）理論空氣需要量L===2)實(shí)際空氣需要量L,取n=L== NM/NM3）燃燒產(chǎn)物生成量及成分1 NM的煤氣完全燃燒的燃燒產(chǎn)物中各成分的體積V=(+)= NM/NMV=()= NM/NMV=(+)= NM/NMV=(++)= NM/NM（） 高爐煤氣燃燒產(chǎn)物生成量（NM/NM）及成分（%）成分合計(jì)生成量體積含量%1004）5）理論燃燒溫度由t=1000℃,查得C=。t=1000℃。設(shè)t=1800~2100℃,查得C= KJ/NM.設(shè)Q=0,得 t==1849℃≮1800℃因t≤2000℃,故Q可以忽