加热炉燃烧系统

加热炉燃烧系统

加热炉的主要功能是将半成品钢（方坯、大方坯、板坯或圆钢）的温度通常提高到 1000 摄氏度到 1250 摄氏度之间，直到它具有足够的塑性以轧制到所需的温度热轧机中的截面、尺寸或形状。出于冶金和生产力的原因，加热炉还必须满足加热速率方面的特定要求和目标。在再加热炉中，有连续的物料流，物料在通过炉子时被加热到所需的温度。

热轧操作需要以尽可能低的成本和轧机的最佳生产率获得高质量的再加热半成品钢。热轧厂用于加热半成品钢的加热炉在消耗大量能源的同时，也会产生大量的污染物。因此，有必要研究减少能源消耗和污染物的方法，从而降低成本。这可以通过提高再加热炉的燃料效率来实现。

加热炉的燃烧系统对加热后的半成品钢材的质量和加热所需的燃料量都有重大影响。今天对加热炉的重要期望不仅是降低污染物的排放和能耗，而且提高加热钢产品的质量、可靠性、均匀的温度、热通量和设备的安全性和安全性。人员。这些都是影响加热炉燃烧系统的关键因素。

启动和维持燃烧所需的三个基本要素是 (i) 燃料、(ii) 氧气和 (iii) 足够的点火能量。如果燃料和氧气可以在没有任何限制的情况下相遇和反应，则燃烧过程是最有效的。然而，在实际的加热应用中，仅仅考虑有效燃烧是不够的，还要考虑传热方面。以下是加热炉燃烧系统的重要参数。

• 需要传递给装料的热量。
• 在炉内产生热量不仅需要加热炉料，还需要克服所有热量损失。
• 将部分可用热量从炉气转移到加热炉料的表面。
• 使装料内的温度均衡。
• 通过门和墙壁等从熔炉中损失热量。
• 废气携带的热量。
• 废气造成的污染物（例如 NOx 等）的排放。

由 78% 氮气和 1% 氩气稀释的氧气组成的空气不能为燃烧和传热提供最佳条件。空气中的氮气在燃烧过程中被加热，为了避免传递给氮气的能量损失，有必要回收这些能量以节省燃料。

热量通过对流、传导和辐射传递到固体产品表面。产品内的热传递仅通过传导。这意味着产品表面在加热时会随着时间而变化，半成品钢的尺寸和材料以及炉子的内部尺寸都很重要。

为了高效均匀地加热，炉内的气体成分和流动模式非常重要。传统的非优化加热策略在稳态条件下似乎足够，但在生产中断、产品等级或尺寸变化或目标温度下降时无法提供最佳质量和成本性能。在当今情况下，需要一种解决方案来在所有条件下提供最高质量和最低成本的供暖，同时对环境的影响最小。

如今，由于全球变暖，严格的环境法规要求最大限度地减少特定燃料消耗，同时减少包括氮氧化物 (NOx) 在内的污染物。在满足生产要求的同时，最低能耗和污染物排放目标相互矛盾，这给运营商和设备供应商带来了挑战，要求他们利用所有可用技术在加热炉中设计节能、环保的燃烧系统。

对于传统的燃烧器设计，这两个目标通常是相互矛盾的。然而，使用最新的技术和燃烧器设计以及扩散火焰燃烧技术，现在可以通过预热燃烧空气实现高效率，同时相应地降低 NOx 排放。

有许多类型的加热炉在钢厂中运行。再热炉的结构由几个区域组成。再加热炉通常设计有多个加热区，即（i）预热区、（ii）加热区和（iii）均热区。半成品钢片被送入预热区，并依次缓慢地通过加热区和均热区。钢片在预热区和加热区粗略加热到目标温度，并在均热区中均热以通过钢片保持均匀的温度，钢片主要通过周围气体的辐射传热来加热。每个区域都有不同的用途，并且这些区域通常具有独立的燃烧器控制装置，即使燃烧产物通过之前的区域离开烟道。空燃比的设置通常是为了在烟道气中产生所需水平的过量氧气。目的是确保所有燃料在再热炉内燃烧，同时避免燃烧空气过多，降低炉子的加热效率。

加热炉的多区结构使得燃烧优化非常困难，因为区域相互作用、不断变化的产品要求、不断变化的提取速度以及提取棒本身的行为。有许多问题可能导致最终结果出现偏差。其中一些问题如下。

• 气体或空气计量不准确
• 空气湿度的变化
• 大量燃料或氧气从熔炉的另一个区域迁移
• 如果通过换热器预热空气，则可能存在 (i) 管道或换热器泄漏，(ii) 温度校正因子超出校准范围，以及 (iii) 季节性变化
• 阀门和执行器磨损或损坏
• 熔炉泄漏

进一步基于燃烧器的能力和所需的过量氧气水平，每个区域都需要固定的化学计量比。由于以下两个原因，该比率可能因区域而异。

• 由于氧气含量、温度和水垢形成之间的关系，每个区域所需的过量氧气可能不同。
• 由于燃烧器的混合能力，可能需要针对不同的燃烧器调节率调整化学计量。

通常，由于没有实时过程反馈，再加热炉的操作员不知道氧气是否处于或接近所需的设定点。在这种不确定性水平下操作熔炉的后果可能很严重。考虑到燃烧器反应和燃烧的理论产物，当化学计量偏离设定点时可能存在。如果烟气中的实际氧气含量超过设定点，效率就会降低，从而增加不必要的燃料成本。如果实际氧气水平低于设定点，则一氧化碳水平会增加，这会造成不安全的操作条件以及由于未燃烧的燃料离开熔炉而降低的效率。此外，再热炉中的空燃比控制器不断调整其设定值以满足不断变化的炉子需求，因此氧化状态也一直在变化。在实践中，加热炉经历了某种程度的不完全燃烧。有几个问题会导致混合不良。下面给出这些问题。

• 燃烧器效率
• 拒绝
• 无与伦比的空气和燃料速度
• 比例控制失控
• 熔炉泄漏

由于混合不良导致的不完全燃烧也会导致一氧化碳和氧气的共存。在实践中，通常同​​时存在一氧化碳和氧气。因此，加热炉的优化运行需要通过合适的传感器获得实时的燃烧产物数据。

再热炉通常采用换热器作为余热回收装置，以实现高热效率和节能。回收的废热用于预热燃烧空气，然后将其送入燃烧器。预热后的空气节约能源，燃烧性能好。然而，缺点包括结合了用于废热的大规模热回收系统。此外，预热空气的温度通常最多只有600摄氏度到700摄氏度左右。

最近，半成品钢的再加热领域有两个主要的发展。这些发展分别是（i）高温空气燃烧和（ii）氧气燃料燃烧。

高温空气燃烧

高温空气燃烧 (HiTAC) 技术利用超过 1000 摄氏度的预热空气。在加热炉中采用这种燃烧技术，使钢铁厂在同时降低能耗和减少二氧化碳排放量方面做出了巨大贡献和氮氧化物。与传统的加热炉相比，采用 HiTAC 技术还可以减小加热炉的物理尺寸。

HiTAC技术的基本理念是通过高循环再生器最大限度地回收余热，并控制高度预热的助燃空气与燃烧气体的混合，从而产生均匀且温度相对较低的火焰。

HiTAC技术中使用的蓄热式燃烧器具有独特的燃烧特性。这些特性导致高效和清洁的火焰具有均匀的温度和热通量分布。这些特性提高了生产率和产品质量，并为熔炉组件提供了更温和的环境。 HiTAC 技术可以降低运营成本。

HiTAC 技术在所有燃料-空气混合物（包括非常稀薄的燃料混合物）下提供显着更高的火焰稳定性、更高的热传递和更低的烟囱热损失（废热）。该方法提供了一种使用适当的热交换方法将热量从高温侧（燃烧气体）再循环回未燃烧混合物侧的方法。预热为未燃烧的混合物提供额外的焓，而不会被燃烧产物稀释。

HiTAC 技术具有显着不同的火焰特性、火焰稳定性、减少排放和显着节能。发现火焰颜色与通常观察到的蓝色或黄色有很大不同。在某些条件下，使用典型的碳氢化合物燃料观察到蓝绿色和绿色火焰。相比之下，也观察到燃料的无焰（或无色）氧化。

HiTAC技术的主要特点如下。

• 使用燃烧器中的蓄热器在空气预热温度非常高的情况下燃烧碳氢化合物。
• 废气产生的显热用于加热燃烧空气（温度高于 1000 摄氏度）。该技术尝试在目标炉温附近进行空气预热。
• 废气温度约为 150 摄氏度至 200 摄氏度。
• 提取燃料中的大部分能量用于加热过程。
• 可节省 50%（更换冷空气）和 30%（更换来自换热器的空气）的燃料。
• 炉内热量分布非常均匀。
• NOx 的产生量非常低。

在蓄热式燃烧器中，有一对配置，每个燃烧器在燃烧和排气之间循环。燃烧空气在燃烧器的两组通道之间循环。它通过一组进入并从燃烧器中的蓄热材料中吸收热量。燃烧产物气体通过另一组排出并将蓄热器材料加热到高温。在下一个循环中，燃烧空气和燃烧产物切换路径。

HiTAC 的概念如图 1 所示，并与传统的再热炉燃烧进行了比较。如果燃料与高温新鲜空气直接燃烧，通常会在熔炉中产生极高温度的火焰。作为改进的炉子几何形状的结果，不仅基础火焰的熄灭通过高速入口空气的剪切运动发生，而且在燃烧之前必须通过分离燃料和空气入口来用燃烧气体（BH）稀释空气。需要注意的是，这些是环境温度空气不能维持普通燃烧的条件。此外，单独喷入炉膛的燃料还会夹带炉膛内的已燃烧气体，以及在此准备期间燃料的一些变化，如液体燃料的热解、分解和汽化（如果有的话）。燃料和夹带产物（B*F）之间可能发生弱燃烧反应，主要燃烧在燃料和稀释空气与大量燃烧气体（B*F*BH）的混合区进行。由于燃烧气体的高循环率引起的低氧浓度引起的火焰变化可能会产生一个加宽的反应区，其中可能发生相对缓慢的反应。在没有预热空气的既定燃烧中，燃料和新鲜空气 (F*A) 之间的直接燃烧发生在燃烧器的近场。此后，由于进入的燃烧空气夹带了再循环的已燃烧气体，在火焰的下游部分中可能会跟随燃烧气体在稀释条件下的一些燃烧。燃烧器附近的燃烧（F*A）显示出炉内的最高温度，从炉内排出的大部分一氧化氮都是在那里形成的。但是，该区域的燃烧是维持炉内燃烧所必需的，如果在该区域发生熄灭，整个火焰就不能存在。

图1 HiTAC技术混合燃烧的概念

尽管使用了高度预热的空气，但 HiTAC 的平均温度和瞬时峰值温度都比普通燃烧低得多。

富氧燃烧系统

纯氧燃料是指完全取代空气作为氧化剂来源的做法，用氧气可以通过低温技术或吸附技术生产。用氧气代替空气的一般优点是用空气带入燃烧过程的氮气量几乎或完全消除。燃烧中氮的减少允许更高的火焰温度和燃烧效率，因为较小的燃烧气体体积减少了从火焰中吸收并损失到排气的热量。因此，与空燃相比，富氧燃烧的优势如下。

• 减少能源消耗
• 提高加热速率，从而提高产量（炉温设定值不增加）
• 减少熔炉排放

除了上述优点外，与其他提高效率的方法（例如同流换热器或排放控制设备）相比，使用富氧燃烧有时会导致较低的资本投资。由于更好的控制和更短的加热时间，全氧燃烧也可以减少水垢损失。

与空气燃料相比，富氧燃烧对于两种燃烧产物 CO2 和 H2O 的分压要高得多。这提高了传热率。由于废气没有被氮气稀释，气相在传热过程中的作用更加活跃，这不仅是因为 CO2 和 H2O 的传热率和热容量更高，而且因为两者都具有高热辐射三种原子气体。

与空气燃料相比，富氧燃料炉中的流动模式是有利的。废气量减少了 70 % 到 80 %，因为不存在氮气并且节省了燃料。因此，气体的停留时间更长，有更多的时间将热量传递给产品。该产品实际上是浸没在由 CO2 和 H2O 组成的气态排放流体中，即具有较高传热能力的潮湿环境。

将氧燃料炉与空气燃料炉进行比较时，两者都设置在相同的炉温下，材料在氧燃料炉中更快地达到设定值。这是因为气体的特性。

与空气燃料燃烧相比，氧燃料燃烧的可用热量显着增加。可用热量的增加直接关系到能源消耗的降低和熔炉产量的增加。

可用燃烧热的增加意味着更少的热量散失到排气中，并且更大比例的总能量输入留在再加热炉中做功。因此，当可用热量增加时，做恒定功所需的总能量输入就会减少。

节能取决于燃料类型、现有燃烧比和燃烧空气温度。其他因素，例如烟道尺寸的减小和辐射损失，可能会影响全氧燃料的实际能量降低率。使用全氧燃料提高燃烧效率的另一个影响是能够提高加热速率并获得更多的炉子吞吐量。

增产的实际限制取决于半成品钢材的吸热能力以及半成品钢材受热的时间和温度。各种全氧燃料装置的经验表明，在大多数操作中，材料吞吐量可以在不增加炉温设定点的情况下增加，但已经达到设定温度斜坡限制的炉子除外。除了可利用热量的增加外，较高的富氧火焰温度和燃烧气体的辐射势对加热能力和产率有积极影响。

富氧火焰温度一般比空燃火焰温度高 500 摄氏度到 800 摄氏度。由于辐射传热取决于从源到接收器到四次方的温差，因此富氧燃烧导致火焰对材料辐射势能的大幅增加。富氧燃料的燃烧产物也是更好的辐射传热源。这是因为大部分空气燃料燃烧产物是氮气，它不像构成氧气燃料燃烧产物的二氧化碳和水蒸气那样有效的辐射传热机制。

在某些情况下，熔炉生产受到允许离开熔炉的气体排放量的限制。富氧燃烧也可以作为一种减少熔炉排放的方法，并在允许的排放上限内提高生产能力。

使用全氧燃料时，废气的体积要低得多。氧燃料的总废气量通常比空气燃料的总废气量少 70% 到 90%。在许多情况下，单独减少废气体积可能是有益的，尤其是在现有污染控制设备有限和/或颗粒排放受到关注的情况下。氧燃料燃烧的一个更重要的结果是某些废气成分的排放量较低。使用富氧燃烧最明显的结果是减少了燃料消耗。随着燃料消耗的减少，在给定时间内或每单位加热的半成品钢材的二氧化碳排放量较低。虽然目前二氧化碳的产生不是主要问题，但正在发生的全球变暖和气候变化表明，更严格的二氧化碳排放条件可能是未来的一个因素。许多熔炉操作员更直接关心的是 NOx 排放。使用氧燃料燃烧，燃烧产物中的氮分压显着降低，即使在火焰温度升高的情况下也降低了 NOx 形成的可能性。许多因素会影响全氧燃烧炉的 NOx 排放率。氧气产品的纯度就是这样一个因素。然而，最大限度地减少富氧燃料 NOx 排放的主要因素是炉压控制。二次空气泄漏与高氧燃烧火焰温度相结合，可以大大降低氧燃烧作为氮氧化物控制技术的影响。

与空气燃料火焰相比，全氧燃料火焰的温度更高，体积和长度更短。在设计用于钢材再加热的全氧燃烧器系统时，需要考虑全氧的火焰特性。通常，钢的再加热要求温度分布均匀，以避免再加热的钢产品局部过热或过热。富氧燃烧器的类型和位置取决于加热炉的类型和火焰与半成品钢材的接近程度。

燃烧产物的再循环促进气体在加热室中的运动，从而使温差最小化。此外，燃烧气体再循环到氧燃料火焰中会降低峰值火焰温度并促进更均匀的火焰辐射分布，以保护最靠近燃烧器的产品不会过热。有几种氧燃料燃烧器设计可用于获得再循环效果，包括专利喷嘴以及利用氧燃料火焰动量产生气体再循环的其他设计。

在提高效率的同时，在设计燃烧控制系统时，需要特别注意全氧燃烧产生的少量燃烧产物。燃烧比的适当控制对于再加热过程至关重要，因为燃烧产物构成加热气氛并最终影响水垢形成的速率和类型。在空气-燃料燃烧系统中，与空气一起进入燃烧过程的大量氮气提供了一个阻尼器或安全系数，以防止空气燃料比的变化。使用全氧燃料时，该阻尼器几乎可以完全消除。这意味着氧气与燃料比的百分比变化与空气燃料燃烧相比对加热炉气氛的影响更大。

氧燃料燃烧对炉内气氛的良好控制需要比空气燃料燃烧更高的控制系统精度。通常需要质量流量补偿来满足使用富氧燃烧维持良好炉内气氛所需的精度。控制富氧燃烧的另一个重要变量是炉膛排气和压力控制系统。

氧燃料燃烧的废气量减少了空气燃料燃烧废气量的 10% 至 30%，具体取决于热效率增益的大小。这意味着在大多数情况下，用于控制空气燃料燃烧的炉膛压力的现有设计不足以在转换为氧气燃料燃烧时保持良好的炉膛压力控制。具体而言，具有较大烟道口和用于空气-燃料燃烧的阻尼器尺寸的压力控制仪表的控制范围减小到对氧-燃料燃烧排气量无效的程度。因此，有必要在改用富氧燃烧时减小烟道尺寸，或在设计新的再热炉装置时补偿较低的排气量。缺乏良好的炉压控制会导致三次空气泄漏，这可以为额外的 NOx 形成提供氮源，从而最大限度地减少或消除减少排放的可能性。再热炉漏气也会影响炉内气氛，给钢材表面质量控制带来麻烦。

无论燃烧系统的类型如何，氧化皮的形成速度和类型都是钢铁加热炉操作的重要考虑因素。除钢合金类型外，炉内气氛和升温速度是影响氧化皮形成的主要因素。需要对燃烧比和炉压进行良好控制，以保持对氧化皮形成和钢材表面质量的控制。然而，即使在理想条件下，氧燃料燃烧产生的气氛也不同于空气燃料燃烧产生的气氛。 .