双预热蓄热式加热炉炉压的分析和讨论

双预热蓄热式加热炉炉压的分析和讨论
秦 文 孟德鑫
崔卫国
(鞍钢股份有限公司大型厂 )
(中钢集团鞍山热能研究院工程设计所 )
摘 要 针对双蓄热式加热炉炉压普遍偏高的问题 , 进行了比较详细的分析 , 提出了几个解 决办法 , 供工程设计者参考 。

关键词 蓄热式加热炉 炉压 原因 解决办法
An a ly s is an d d is c u s s i on of f urna c e pr e ssure on doub l e prehea t i n g regen era t i ve furna ce
Q i n W en M e ng D e xi n
( Si no s tee l A n s han R e s ea r ch I n s titu t e of The r mo - ene rgy )
Cu i W e i guo
(A n s han Ir on and stee l Co. , L td. )
A b s tra c t A i m e d a t the p r ob l em of h i g h fu r nace p re s su r e existing in d o ub l e p rehea t ing reg ene r a t ive fu r nace, rea s on s we r e ana l y sed in de t a i l . S eve r a l m e a su r e s a r e p u t fo r wa r d, and it is sig n i f ican t fo r enginee r ing and de s ig n i n g .
Keyword s reg ene r a t ive fu r nace fu r nace p re s su r e rea s on s m e a s u r e s
体质量不帄衡造成的 。

造成这种 “质量不帄衡 ” 的原因是各种各样的 , 可能是 设 计存 在 “先天 缺陷 ”, 也可能是运行条件差导致的 , 还可能是 操作不当引起的 。

不管何种原因引起的 , 炉压过 高就意味着有部分烟气不经过蓄热室直接排出炉 外 , 就会降低空气和煤气预热温度 , 影响燃烧装 置的节能效果 。

如果这个问题无法很好的解决 , 那么增设辅助烟道应该是值得仔细考虑的 。

211 设计原因 如果蓄热式加热炉刚开始运行就
出现炉压过
高 、炉头炉尾冒火严重 、炉压无法调节等现象 , 就应该考虑是不是设计出现了问题 。

首先应该
考 虑 的 问 题 就 是 蜂 窝 体 的 量 (即
蜂窝体的质量和换热面积 ) 是 否合 理 。

如 果蜂 窝体的量设计小了 , 在一个换向周期内蓄热室没 有能力将炉内排出的烟气显热充分吸收 , 会造成 排烟温度过高 。

为了保护换向阀和排烟风机 , 在 操作中只能关小排烟阀 , 减少排烟量 , 从而降低 排烟温度 , 而减少的排烟量必然要通过加热炉上 其它的孔洞排出 , 表现为炉压过高 、冒火严重等
1 前言
近年来 , 双预热蓄热式加热炉在国内的应用
发展很快 , 为我国的钢铁企业带来了一定的经济 效益 , 缓解了大型钢铁企业高热值煤气供应紧张 的局面 , 更是一项降低轧钢成本的有效措施 。

虽 然这项技术还有缺点 , 但它确实是一项有发展潜 力的燃烧技术 , 应该努力地发现其不完善之处并 加以解决 。

目前国内应用的双蓄热加热炉多数都存在炉 压大且不易调节 , 炉头 、炉尾和炉门冒火严重等 问题〔1 〕。

炉 压过 高时 , 将有 大 量的 高 温 气 体 逸 出炉外 , 不仅恶化了劳动环境 , 使操作困难 , 而 且缩短了炉子寿命 , 并造成燃料的大量浪费〔2 〕。

2 蓄热式加热炉炉压高的原因
炉压高的根本原因是流入和流出蓄热室的流
修回日期 : 2007 - 06 - 26
秦 文 ( 1975～ ) ,工程师 ; 114044 辽宁省鞍山市 。

冶金能源
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现象。

此时虽然可通过缩短换向周期的办法来缓解, 但过度的缩短换向周期, 会因“空烧时间” 的比例变大而减少燃料的供入量, 同时因“管道盲区”浪费的煤气增多; 过度频繁的换向使炉内流场、温度场和压力场的周期性变化太频繁, 不利于在炉膛内形成稳定的低氧燃烧; 还会缩短换向阀门等设备的使用寿命。

所以蓄热式加热炉的换向周期一般不应低于30 s。

其次应该考虑的问题是供风系统、煤气系统的工作参数是否与排烟系统的工作参数相匹配, 也就是每个蓄热室供入介质(空气或煤气) 的量与排出的烟气量是否相匹配。

如果后者小于前者, 会造成烟气在加热炉内堆积。

尽管整个系统中很多地方的局部阻力系数无法准确获得, 也应该做尽可能准确的计算, 以便合理地确定管道中介质的流速、管径以及风机的压力和流量。

212 运行条件原因如果蓄热式加热炉经过一段时间的运行之后
才出现炉压过高、炉压无法调节等问题, 很可能是恶劣的运行条件导致设备磨损严重或者说设备无法适应现场恶劣的环境, 使用性能大大降低。

国内蓄热式加热炉使用的燃料绝大多数为高炉煤气。

高炉煤气都比较脏, 钢坯加热时产生的氧化铁皮和炉体内表面的耐火材料在高温和气流冲刷的作用下会脱落, 经过一段时间的撞击后变成细小颗粒; 蜂窝体因不能长时间承受急冷急热的工作环境而破坏, 在气流的作用下相互撞击而破碎; 现场空气中有时会含有铁屑和灰尘。

上面提及的因素都可能使蜂窝体内气流通道变窄直至堵塞, 导致排烟不畅。

含氧化铁的颗粒附着在蜂窝体的表面, 还容易使蜂窝体熔点变低, 在高温的作用下蜂窝体熔融失去蓄热和排烟能力。

换向系统中换向阀门切换频繁, 加上使用环境一般都很恶劣, 很容易导致阀门使用一段时间后出现“内漏”问题, 即煤气和空气通过换向阀向排烟管道内泄露。

尽管泄露面积不大, 但因为空气和煤气管道均为正压, 而烟气管道内为负压, 所以内漏的空气和煤气量仍然不容忽视, 这必然打破原来保持的流量帄衡和热量帄衡。

内漏会使流经蓄热室的烟气量减少, 内漏多少, 流经蓄热室的烟气量就减少多少。

随着换向阀内漏的加剧, 炉压会越来越高, 加热炉冒火就越严重。

同时高炉煤气大量通过换向阀漏入排烟管道, 还有爆炸的危险。

此时为了维持加热炉的正常产量, 只能加大空气和煤气的供入量, 同时也加大引风机的排烟量, 才有可能维持正常的炉温和产量。

而引风机的工作压力和流量的余量往往小于煤气和鼓风机, 随着换向阀泄露的日益严重, 炉压升高越发严重。

换向阀门泄露还会导致炉内的空气和煤气比例失调, 如果煤气过剩, 则未燃尽的煤气在炉门外缘遇到“新鲜”的空气就会燃烧, 表现为炉门处冒火。

如果一侧换向阀比另一侧泄露严重也会引起炉压升高。

如果现场环境中空气里的铁屑过多, 炉气中的灰尘、铁屑、水分和腐蚀性介质过多, 长时间也会对风机产生影响。

一旦风机叶轮磨损和腐蚀, 动帄衡发生改变, 就会影响风机的工作效率。

鼓风机压力减小使靠近进出料炉门的烧嘴火焰刚度减小, 在一定程度上引起炉子冒火; 引风机抽力减小会减少排烟量, 炉子内压升高。

213 操作和维护原因
蓄热式加热炉在运行过程中, 许多参数都不是一成不变的, 比如煤气压力和热值, 当这些参数变化超出一定范围时将直接影响供入炉内热量的变化。

此时为了保持合理的空气系数, 供入炉内的空气量和流经蓄热室的烟气量也应作出相应调整, 以适应炉况的变化。

当轧机轧制节奏变慢时,
时,
度,
应及时调整热负荷和排烟量, 否则炉温过高
为了保证排烟不超温, 只能关小排烟阀门开
导致炉压升高。

蓄热式加热炉的系统组成
较传统的加热炉要
复杂一些, 为了保证正常的生产, 对蓄热式加热炉的设备尤其是燃烧系统要定期检查维护, 一旦出现问题尽快解决。

因为蓄热式加热炉是一个有机的系统, 燃料系统、供风系统、排烟系统和控制系统中, 任何一个设备出现毛病都可能影响整个系统的工作效率, 导致炉压偏高。

214 烧嘴结构导致炉压高的原因蓄热式烧嘴的喷口具有两个职能, 既是空气
和煤气射流高速喷出的出口, 同时又是烟气进入蓄热室的进口。

在设计中, 为了增加炉内燃烧产物的回流倍率, 增强射流的搅动效果, 创造出均匀的温度场和浓度场, 预热后的空气和煤气喷出速度一般都设计得很高。

当介质流量一定时, 就
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必须缩小烧嘴的空气和煤气喷口面积。

这样做虽然满足了燃烧状态时的要求, 却给排烟状态带来了负面影响: 面积很小的喷口必须将炉内较大空间内的大量烟气排出炉外, 所以高温烟气进入排烟烧嘴喷口时的速度必须很大; 加上相邻烧嘴的射流相互作用后产生弯曲、变形, 使烟气在进入喷口时因流动方向与烧嘴喷口的轴线方向不一致而产生较大的局部阻力损失。

如果此时此处没有维持高速流动和克服局部压力损失的足够动力, 计参数。

也可以将烧嘴的喷口设计成某种结构, 这种结构的特点是: 燃烧状态时, 空气或煤气仍能按照设计要求的速度高速喷入炉膛, 不会对燃烧效果产生负面影响; 排烟状态时, 流道的流通面积可以增大, 排烟阻力降低, 使流道的排烟能力比普通的蓄热式烧嘴有很大提高。

312 减小排烟管道阻力和增大流通面积如果想增大排烟管路内的烟气流量, 就必须
设法减小管路中的压力损失, 着重考虑的部件是蜂窝体、换向阀和管道。

对于蜂窝体, 在空间允许的前提下, 增大蓄热室的横截面积, 尽可能选取孔径稍大的蜂窝体, 减小气流速度, 还应防止使用过程中蜂窝体孔道被遮挡, 以减少局部阻力损失, 保持流道的顺畅。

但气流速度不宜过低, 否则会影响对流换热; 横截面太大时长度就会变小, 会使蜂窝体在气流流动方向上的温度梯度增大。

目前使用的换向阀大多存在“局部阻力损失大”这一缺点。

在设计阀门时, 除考虑如何实现换向功能, 如何保证密封性能外, 更要着重考虑阀门内流道的几何形状, 使其具有足够的流通面积和较小的阻力损失。

对于管道, 要尽量避免流通面积的突然变化、流动方向的突然改变, 还要尽量减小管道的长度。

设计管道时还应避免气体进入和流出蓄热室时产生偏流。

313 适当增加引风机的工作压力和流量目前双预热蓄热式加热炉使用的引风机最大
工作压力通常为- 3000 ～- 4500 Pa, 而鼓风机的压力一般为6000 ～8000 Pa 甚至更高, 高炉煤气的压力一般为6000 Pa 以上。

所以在工程设计当中应该适当加大引风机的排烟能力, 使其具有一定的炉压调节能力。

由于蓄热式烧嘴之间的距离一般都比较小, 必须防止因过度抽引导致“空气或煤气短路”现象的出现, 即因抽力过大导致由相邻烧嘴喷入的空气或煤气未完全燃烧直接被排出炉外。

314 采用合理的烧嘴布置方式和换向方式合理地设计烧嘴的大小、数量、相对位置以
及在炉墙上的位置, 有效地组织炉膛内气流的流动, 减小炉内的压力和压力梯度, 使烧嘴能最大
(下转第47页)
喷口处烟气的流通能力就会降低,
致炉内压力升高。

215 流体物性参数的原因
因排烟不畅导
从能量的角度来看, 高炉煤气双预热时热量比(烟气定压比热×烟气体积×烟气温降/ (空气定压比热×空气体积×空气温升+煤气定压比
热×煤气体积×煤气温升) ) 大于110。

根据吕
以清提供的数据〔3 〕, 对单位体积的高炉煤气而言, 当蓄热燃烧的排烟温度为1300 ℃, 煤气预热到900 ℃, 空气预热到1100 ℃时, 仍然有753 kJ 的热量剩余, 即使扣除10 %的热损失, 排烟温度仍有300 ℃左右, 这是换向阀和引风机不能接受的。

为了保持合适的排烟温度, 一定要有部分的烟气直接排出炉外。

如果双预热蓄热式加热炉不设置辅助烟道, 炉压过高也就再所难免。

3 解决的办法
炉压过高使本应该流经蓄热室的烟气通过其它渠道跑掉, 导致这部分显热无法有效回收。

通过安装“辅助烟道”方法将炉压降低, 只起到“治标”的作用, 并没有从根本上解决问题, 还会造成能源浪费。

为解决这一问题, 可从以下几方面入手。

311 合理设计烧嘴的蓄热室和喷口结构设计蓄热室时, 应通过理论计算和工程实际
相结合, 确定蜂窝体的传热面积。

选择蜂窝体时要将比表面积、格孔尺寸与壁厚、1m3 蜂窝体的重量与孔壁所占的体积综合考虑。

使蓄热室长时间具有较高的换热效率、较低的压力损失和较小的温度梯度。

蓄热式烧嘴不仅是供热装置, 而且也是排烟装置。

在设计烧嘴喷口时, 要考虑排烟能力, 在供热能力和排烟能力的结合点选择一个最佳的设
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为避免因发生炉炉况不稳定, 管中, 在发生炉进口空气管道上, 2111 煤气站及工业应用效果煤气进入空气
设有止回阀。

3 结束语
钒化工厂通过本次以煤代油工程的改造, 解
决了钒渣焙烧用重油紧缺、油价居高不下的现
状; 改善了回转窑车间的生产环境。

使用煤气作
为回转窑用燃料后, 易于燃料的燃烧控制, 钒渣
加热质量进一步提高, 降低回转窑燃料成本
42 % , 取得了显著的经济效益。

实践证明, 以煤代油工程改造后, 煤气站达
到了煤气生产能力的设计要求, 实现了降低产品
成本和解决问题的预期目的。

( 1) 煤气站生产煤气的能力完全满足回转窑焙烧钒渣用燃料量的要求。

( 2 ) 采用计算机自动控制, 及时反映煤气生成系统的工作情况, 确保生成煤气的质量。

( 3 ) 回转窑改用煤气作为燃料后, 窑内温度场更加均匀, 钒渣加热质量进一步改善。

( 4) 燃烧系统的燃料由重油改为煤气后, 燃料的控制能力得到提高, 工厂的生产环境得到
改善。

( 5) 改造后回转窑内砌体的使用寿命提高1～115倍, 采用煤气作为燃料, 大大降低了窑内集中受热度。

( 6) 与改造前相比, 消除了燃料来源的顾虑, 26 个月回收工程投资(包括煤气生成用原
参考文献
1 钢铁企业燃气设计参考资料.北京: 冶金工业出版
社, 1978
王秉铨.工业炉设计手册.北京: 机械工业出版社, 1996
2
3 邓渊.煤气规划设计手册.北京: 中国建筑工业出
料费用、工人工资及煤气站维护费用等) , 回转窑燃料成本42 %。

降低
版社, 1992
张长保编辑
(上接第36 页)
限度地收集从炉膛内需要排出的烟气。

尤其是靠近炉头、炉尾和炉门处, 更应该注意烧嘴的喷射角度和速度, 防止火焰直接或间接射向这些开口部位, 防止烧嘴火焰之间相互干扰等。

( 3)蓄热式燃烧系统是一个有机的结合体, 任何一个部件出现问题都可能导致炉压升高, 影响节能效果及设备的正常运行。

参考文献
吕以清, 孙玮, 侯卫军1双预热蓄热式加热炉减小炉压的研究与应用1冶金能源, 2005 , 24 ( 6 ) : 36～38 戚翠芬, 张树海1加热炉基础知识与操作1北京冶金工业出版社, 2005
吕以清1蓄热式燃烧技术在轧钢连续加热炉应用的合理性与适用性1工业炉, 2007, 29 ( 2) : 17～20
张长保编辑
1
4 结论
2
( 1) 蓄热式加热炉炉膛压力高意味着节能
效果不理想。

( 2) 可以采用本文提出的一种或几种方法
降低炉压、提高空气和煤气的预热温度、提高该
技术的节能效果。

3
节能减排, 循环经济,
中国钢铁工业发展之路!。