蓄热式炉燃烧装置的设计与优化

1.蓄热式炉燃烧装置分类

蓄热式炉燃烧装置概括为三类，见表12-61。

表12-6 1蓄热式炉燃烧装置分类

2.蓄热室独立设置式

“蓄热室独立设置式燃烧装置”包括蓄热室和燃烧器两部分，由布置在炉墙里的复杂通道连接。每个燃烧器由一个（或两个）空气喷口和一个煤气喷口组成，可以并排布置，也可以上下布置。

独立设置的蓄热室可放置在炉子底部（称为底置），也可置于炉子外侧（称为外置）。

图12-148所示为一台底置蓄热室、空气煤气双预热、钢坯上下两面供热的蓄热室炉截面图，左侧示空气系统，右侧示煤气系统。

图12-148 底置蓄热室双预热蓄热式炉

炉子两侧沿炉长方向成对布置若干个空气蓄热室和煤气蓄热室。由每个蓄热室出来的气流通过上升道和分配管，最后从所属的几个喷口喷出，相邻的空气喷口与煤气喷口组成一个燃烧器。当炉子一侧的蓄热室处于加热状态时，另一侧蓄热室则处于排烟蓄热状态，换向后互换。

图12-149所示为一台外置蓄热室、空气单预热、钢坯上下两面供热的蓄热式炉截面图。只设置空气蓄热室，煤气直接供到空气喷口附近，由两个空气喷口与一个煤气喷口组成一个燃烧器。蓄热室里的蓄热体一般采用陶瓷小球，陶瓷小球搁置在金属箅子上，箅子既要承载陶瓷小球质量又要有足够的通风面积。独立设置蓄热室的燃烧系统占地面积大、炉体结构复杂，有逐渐被蓄热式烧嘴燃烧系统替代的趋势。

3.蓄热式烧嘴

（1）空气单预热式 空气单预热蓄热式烧嘴适合使用高热值煤气，例如天然气、焦炉煤气等，使用热煤气的炉子也只需预热空气。

图12-149 外置蓄热室单预热蓄热式炉

图12-150所示为两例空气单预热蓄热式烧嘴的简图。

图12-150 空气单预热蓄热式烧嘴

图12-150a所示为助燃空气流经蓄热体进入烧嘴砖集气腔后分成八股进入炉膛。煤气从烧嘴尾部进入，从烧嘴砖中央喷口喷出，烧嘴中心装有电子点火杆。换向后烧嘴承担排烟蓄热任务，此时煤气通道依靠煤气快速切断阀关闭。

图12-150b所示为助燃空气（烟气）在专用的蓄热室和空气烧嘴砖里通过；煤气从下部管道和煤气烧嘴砖里通过，杜绝串气可能，这种烧嘴能使贴近工件处形成还原性气氛。

蓄热式烧嘴通常以炉子中心线为轴线对称安装，炉子一侧烧嘴燃烧时另一侧排烟，换向后交换状态。

（2）空煤气双预热组合式 这是一种适合使用中等热值煤气（洁净发生炉煤气、高炉焦炉混合煤气）、空气与煤气都预热的蓄热式烧嘴，分上下组合与左右组合两种，前者结构简图如图12-151所示。前后部蜂窝体依据其工作温度选取不同的材质：高温端采用刚玉莫来石质材料，保证有较高的耐火度和良好的抗渣性；低温段可选堇青石材质，低于1000℃的工况下具有较好的抗腐蚀和耐急冷急热性。蓄热室靠近烧嘴砖的部位安装能耐更高温度的陶瓷高温挡板，这样可相对延长蜂窝体的使用寿命。

图12-151 上下组合双预热蓄热式烧嘴

对于钢坯上下方都有加热空间，即炉膛分“上加热”和“下加热”的炉子，双预热组合式蓄热式烧嘴在炉子上的安装应按照图12-152所示的方式：上加热烧嘴的煤气蓄热室在下方，下加热烧嘴的煤气蓄热室在上方，这样接近被加热工件的火焰就会呈还原性，从而可减少钢材的氧化烧损。

左右组合的蓄热式烧嘴相当于将上下组合式旋转90°安装，适合安装在炉膛高度较低的炉子上。

图12-152 双预热组合式蓄热式烧嘴安装示意图

（3）空煤气双预热分隔式　这种烧嘴适合燃用高炉煤气的炉子，由各自独立的空气烧嘴与煤气烧嘴组成，烧嘴出口的高温空气流与煤气流斜交混合燃烧，具有良好的均匀燃烧效果。

图12-153 某一供热段的烧嘴布置平面图

图12-153所示为炉子某一供热段的烧嘴布置平面图。假如该段标态下供热能力为3000m³/h高炉煤气，分三个燃烧单元供热，高炉煤气的空气系数为0.7，那么就要布置四个独立的烧嘴，从下到上依次为标态下供风700m³/h的空气单烧嘴、供煤气2000m³/h的煤气双烧嘴、供风1400m³/h的空气双烧嘴和供煤气1000m³/h的煤气单烧嘴。

从图中可以看出，炉墙一侧空气烧嘴的一个喷口和相邻煤气烧嘴的一个喷口组成的“燃烧单元A”，与对面炉墙相对的“燃烧单元B”呈周期性变换工作状态，即A侧烧嘴预热燃烧时，B侧烧嘴排烟蓄热；换向后，B侧燃烧，A侧排烟。

4.蓄热式烧嘴单元组合

（1）单预热蓄热式烧嘴单元组合　将蓄热室、烧嘴、换向阀和相应管道阀门组合在一起，形成一个能独立完成蓄热式换向燃烧的体系，称为蓄热式烧嘴单元组合。图12-154所示为空气单预热蓄热式烧嘴单元组合，其系列参数见表12-62。(www.xing528.com)

图12-154 单预热蓄热式烧嘴单元组合

表12-62 单预热蓄热式烧嘴单元组合系列参数

（续）

注：本表适合蜂窝体，如用小球蓄热体，H₂高300mm。

该装置适合燃用焦炉煤气、天然气和液化石油气，主要技术参数如下：

1）烧嘴前煤气压力为2.0kPa。

2）蓄热室压力损失为空气≤2.0kPa；烟气≤2.5kPa。

3）烟气排出温度≤180℃

4）设定换向温度为180℃（100～300℃可调）

5）换向设定时间为1min（30s～5min可调）

6）热负荷调节比为1∶8

7）火焰形状。火炬式，张角20°

（2）双预热蓄热式烧嘴单元组合　图12-155所示的双预热蓄热式烧嘴单元组合，可使烧嘴只在炉子的一侧安装，能使换向阀与烧嘴前的管道缩短到极限，从而使因换向而造成的管道内煤气量损失趋于零。

该装置的技术参数与单预热蓄热式烧嘴单元组合基本相同，煤气蓄热室的压力损失≤2.0kPa，热负荷调节比稍小，大约1∶6。

图12-155 双预热蓄热式烧嘴单元组合

表12-63给出了双预热蓄热式烧嘴单元组合的系列参数。

表12-63 双预热蓄热式烧嘴单元组合系列参数

（续）

注：本表适合蜂窝体，如用小球蓄热体，H₂高300mm。

图12-156　U形蓄热式辐射管结构

5.蓄热式辐射管

辐射管是可控气氛炉或其他炉型需要将工件隔绝炉气进行加热所使用的加热元件。

U形蓄热式辐射管结构如图12-156所示。冷空气先经A烧嘴的蓄热体加热后，与燃料混合燃烧；辐射管内的烟气流经B烧嘴的蓄热体内，将热量蓄留在蓄热体中，然后经由换向阀排出。经过一段设定的换向时间后，改变辐射管中的气体流向，冷空气由B烧嘴流入，烟气由A烧嘴排出。冷空气和热烟气如此交替地流经A、B两烧嘴的蓄热体，通过蓄热体交换热量，空气可加热至接近炉膛温度，烟气温度可降至200℃以下，从而实现烟气热量的极限回收。空气、烟气流动方向的变换和烧嘴燃料气的通、断通过四通换向阀和控制系统实现。

蓄热式辐射管与普通辐射管相比有以下优势：

1）提高了热效率。对于管壁温度1100℃的U形辐射管，采用间壁式换热方式时，热效率70%左右；采用蓄热式辐射管后，排烟温度降至200℃，热效率升到90%。

2）提高了辐射管表面温度分布的均匀性。普通U形辐射管表面温度分布的差值为±20℃～±50℃，蓄热式辐射管表面温度分布的差值可降低到±10℃以下。

3）延长了辐射管的使用寿命。由于采用高温空气低氧燃烧技术，既降低了辐射管燃烧器内气氛的氧化性，又使管壁温度趋于均匀，对延长辐射管燃烧器使用寿命十分有利。

4）降低了污染物的排放量。由于节约燃料30%～50%，等比降低了燃烧产物中的CO₂排放量；由于火焰温度峰值降低和温度场分布均匀，使热力型NO_x的形成受到抑制。