加热炉燃烧器类型、效率与环境影响全解析

加热炉燃烧器类型概述

钢铁行业面临持续减少环境排放、提高工艺经济可行性的双重挑战。加热炉因高能耗是重点关注领域。其为关键设备，影响钢厂生产率和能效。

现代加热炉多为步进梁式炉，梁提升炉料（钢坯、方坯、板坯）并移至下一位置。加热通过直接燃烧燃料实现，从炉料上下方燃烧，使用顶燃烧器（加热炉顶辐射热传给炉料）和/或长焰燃烧器（侧墙和/或前墙）。常用燃料：低热值混合气（高炉煤气混合焦炉煤气和转炉煤气）、焦炉煤气、重油、低硫重渣油（LSHS）、天然气。

加热炉关键参数

加热炉重要参数包括：燃烧系统（燃料种类、供应及燃烧空气工艺条件）、燃烧器及其布局以实现合理热分布、燃烧空气和燃料气预热、余热回收系统、空燃比、炉膛压力控制、排烟系统、炉子参数测量控制系统。燃烧系统除支撑炉子所需生产率外，还确保热输入高效利用、降低热损失、高效回收余热、最小化耐火材料损伤、降低温室气体（特别是NOx）排放。燃烧系统还确保炉子气氛最小化钢材表面氧化皮形成。

余热回收系统在钢厂广泛应用以减少加热炉排烟热损失。因排烟热损占热损失大头，余热回收可提高炉效、降低燃耗。常用两类：集中式和分布式。集中式用金属回收器利用排烟热预热燃烧空气，目前广泛应用。但受材料温度限制，最大预热空气温度约600℃（炉温约1300℃）。分布式由切换式蓄热式燃烧器系统组成，用陶瓷（通常氧化铝）球作蓄热介质，提供比集中式更高预热空气温度。

加热炉用燃烧器是决定炉子能效的重要方面。不同钢材规格需不同温度曲线。为炉内合理热分布，燃烧器须具备灵活性，使操作人员能调整燃烧参数适应多工况。燃烧器需具备合理调节比、低NOx能力和高效率。

燃烧器在加热炉内的布置对加热特性至关重要。按燃烧器位置分类，加热方式有三种：(i) 前墙用轴流燃烧器，(ii) 侧墙用侧燃烧器，(iii) 炉顶用平焰辐射燃烧器。每种加热方式有自身特点。根据钢厂当地条件，采用某种加热方式或组合。多燃料钢厂中，燃烧器应具备多燃料适应能力。

加热炉设计须确保在给定时间内以最少燃料将炉料均匀加热至所需温度。因用燃烧器加热，为合理热分布须确保：

• 加热炉燃烧由位于炉料出口端、炉料上方和/或下方的燃烧器实施。
• 火焰不得接触或被固体阻挡。阻挡导致燃料颗粒去雾化，影响燃烧产生黑烟。火焰冲刷炉料增加氧化皮损失。火焰冲刷耐火材料，不完全燃烧产物高温沉积反应损坏炉衬。
• 不同燃烧器火焰互不干扰，交叉火焰导致不完全燃烧。对侧燃烧器宜错位布置。
• 燃烧器火焰倾向在炉料上方燃烧空间自由传播。故燃烧器轴线不宜平行炉底，应向上倾角。但火焰不得冲击炉顶。
• 大燃烧器产生长焰，通常难控制在炉墙内。故通常采用多个小容量燃烧器，确保炉内热分布均匀并延长炉寿命。

平焰燃烧器

平焰燃烧器（FFB）通常用于加热炉炉顶。通过间接定向辐射传热。燃料燃烧热量不仅直接从火焰传给炉料，也通过炉顶耐火衬层传递。火焰通常无光，特征为高温、低发射率（对应CO₂和H₂O选择性辐射）。因火焰不冲击炉料，FFB加热炉称间接加热炉。

燃烧器设计使火焰薄层铺展于炉顶表面。燃烧气体沿燃烧器轴向流速可忽略，火焰向炉顶强化传热提高耐火炉顶温度。耐火炉顶成为主要辐射面。

当加热炉炉料具有大平坦表面（可能平行炉顶）且加热温度>900℃时，平焰燃烧器被认为合适且有优势。FFB加热炉主要优缺点：

• 炉膛温度分布和炉料温度分布更均匀。各区温度控制满意，能达到所需炉产量。
• FFB带来的更快加热速率缩短炉料高温暴露时间，大大减少表面氧化、脱碳和粗晶组织现象。
• 随炉产量从100%降至50%，燃料消耗可大幅降低近40%。
• 气态燃料与燃烧空气强烈混合，确保低过量空气下快速完全燃烧。
• 顶部加热基本缺点：炉产量突变时炉料表面过热风险。
• 炉室始端过高加热速率可能诱发炉料不良热应力和结构变形。

长焰燃烧器

市场上有各种特性、不同容量的长焰燃烧器，适用油、气或多燃料。

长焰燃烧器加热炉中，因炉料加热主要靠对流，燃烧产物再循环对加热速度和温度均匀性贡献大。长焰燃烧器产生高速气体，卷入并再循环燃烧气体，以最小过量空气实现炉温均匀。

前墙燃烧器通常长焰，侧墙燃烧器为短可变焰。前墙燃烧器通常为轴流燃烧型，需宽调节范围。大容量，受炉长方向单元长度限制。炉内燃烧气体沿炉长顺畅流动。燃烧器喷嘴部分使炉结构复杂。炉宽方向加热均匀，但炉长方向喷嘴处温度下降。除喷嘴下部区域温度较高外，操作性较好。

侧墙燃烧器需窄调节范围。大容量，受炉宽方向限制。燃烧气体流向倾向漂移，因燃烧器方向与炉长方向垂直。无喷嘴部分，不增加炉结构复杂性。炉长方向均匀性好，炉宽方向差。操作性较好。

蓄热式与回收式燃烧器

蓄热式燃烧器带热回收系统，回收炉排烟废热预热燃烧所需燃烧空气。加热炉使用蓄热式燃烧器可显著节能。

蓄热式燃烧器设计将排烟热传给入口空气用于燃烧。蓄热式燃烧器有两套燃烧器，各带蓄热室和换向阀。蓄热室用陶瓷（通常氧化铝）球收集热量。一套燃烧器燃烧时，另一套排放炉气。排烟通过蓄热式燃烧器本体，将热传给陶瓷球。故排烟热传给入口空气，因入口空气通过加热陶瓷球。换向阀设定进入燃烧器头的气流方向，使入口空气温度接近操作温度。因高预热燃烧空气温度，蓄热式燃烧器可节燃并高效燃烧。

回收式燃烧器结构类似辐射换热管，通过回收排烟热将入口空气预热至更高温度（约750℃）。故燃烧器内换热提高燃烧效率，节燃约25%-30%。

蓄热式燃烧器原理见图1。第一燃烧器燃烧模式，第二燃烧器排气模式。第一燃烧器用温热燃烧空气吹过燃烧器燃烧。第二燃烧器接收炉内热排烟至其陶瓷球保持热量。仅传完热后排烟排放。半分钟至一分钟后，第二燃烧器切换燃烧模式，第一燃烧器开始接收热排烟。燃烧和接收模式交替连续运行直至加热炉停止。高预热空气温度使燃烧过程极高效。

回收式燃烧器原理也见图1。燃烧前入口空气通过换热技术预热。排烟流经带内置换热器的燃烧器，排烟热在流出燃烧器前换热给入口空气。排烟流经燃烧器外部区域，热量在燃烧器内部交换。

图1 蓄热式与回收式燃烧器系统原理

富氧燃料燃烧器

富氧燃料指完全用工业级氧气替代空气作为燃烧氧化剂。富氧燃烧减少或消除燃烧空气中氮，大幅降低烟气带走的废热。富氧燃料燃烧器可用于温度均匀性关键且需极低NOx排放的高温加热炉。

用工业级氧气替代空气的总体优势：随空气带入燃烧过程的氮含量几乎或完全消除。燃烧中氮减少允许更高火焰温度和燃烧效率，因燃烧气体体积减少，减少从火焰带走并随排气损失的热量。

富氧燃料相较空气燃料燃烧的益处：(i) 降低能耗，(ii) 加热速率提高导致产量增加且无需提高炉温设定点，(iii) 减少炉子排放。

富氧燃料火焰温度更高，体积和长度比空气燃料火焰小。设计钢材加热用富氧燃料燃烧器系统时须考虑火焰特性。钢材加热通常要求温度分布均匀，避免制品局部过热或欠热。富氧燃料燃烧器类型和布置取决于炉型及火焰与钢材距离。

富氧燃料火焰温度更高，体积和长度比空气燃料火焰小。设计钢材加热用富氧燃料燃烧器系统时须考虑火焰特性。钢材加热通常要求温度分布均匀，避免制品局部过热或欠热。富氧燃料燃烧器类型和布置取决于炉型及火焰与钢材距离。