蓄热器是什么东西，谁有相关资料？

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杨启容1，孙泽权2，张金翠1

　　（1．青岛大学机电学院，山东　青岛266071；
2．重庆大学热能工程学院，重庆400044）

　

　　摘　要：通过建立与工业实际相似的加肋同心套管式潜热蓄热器模拟实验台，对潜热蓄热器内通流体时的充热、放热过程进行了实验研究。实验得出了流体的出口温度、充热量和放热量随时间的变化规律。
　　　　An experimentalstudy ofthermalstoragefor a circulartubephase change accumulator with heattransferfluidflowinginside

　　YANGQi－rong1，SUNZe－quan2，ZHANGJin－cui1

（1．College of Mechanical Engineering，Qingdao
University，Qingdao 266071，China；
2．College of Thermal Engineering，Chongqing
  University，Chongqing 400044，China）

　　Abstract：This article describesthe phase－change latent heat storage in an experiment device with innerlongitudinalfinnedcasing－pipe thatis similartothe industrialones，and discussestheinfluences offluid velocity，inlettemperature and chargingor dischargingtime on the charging and discharging process．Thenitanalysestherelationship between the out－conditions andthe charging and discharging heat quantity．
　　Key words：phase change；latent heatstorage；charging；discharging
　

0　引　言
　　用相变材料储存能量（或蓄冷），在下述场合下可以大幅度节能或降低耗能费用：用电低谷与用电高峰时段有较大的用电差价；能量的供应因时间不同有较大变化的太阳能、风能和余热等。但是，由于相变材料的传热能力通常较差，所以需要通过优化蓄能装置的结构来强化其蓄能和释能。文献［1］中明确指出，在众多的强化相变潜热蓄热过程的传热方法中，纵肋片管认为是特别有效而且可靠。文献［2］中提出了以内纵肋片套管作为相变潜热蓄热器的蓄热单元的构想。目前，国内外对套管式相变蓄热作了一些理论研究［3～4］，在这些理论模型中，忽略了液相中的自然对流。实际上，自然对流对相变换热的影响很大。对于内纵肋片套管，由于其壁面形状复杂，其温度场变化多为三维不稳定过程，利用一般的数值方法求解，计算量很大，许多情况甚至无法求解。因此，采用实验方法获得内纵肋片套管式相变潜热蓄热 器的充热、放热过程的性能是一种必要的手段和方法。据此，本文采取实验方法来研究其充热、放热性能，为工程设计提供参考。

1　实验系统
　　实验系统（见图1）主要由一台内纵肋片套管式相变潜热蓄热器、一台蒸汽蓄热器、一个高位水箱、一台温度自动记录仪以及连接管道和附属元件组成。整个管路系统及设备都用玻璃纤维棉或微孔硅酸铝纤维毡进行良好的保温。实验中选取三水醋酸钠（CH3COONa·3H2O）作为相变蓄热材料。这是因为它的相变温度适合于中、低温下蓄热，单位体积蓄热量大，热稳定性好，与管壁相容性好［5］。据文献［6］得出的规律和考虑到加工难度，对蓄热器作了优化设计，结果如下：肋片数取4，并呈90°夹角均匀布置在内管外壁上。选取标准无缝钢管作为内管和外管，用薄钢片作肋片。尺寸选取如下：
　　　内管：ri×δ×l＝12．5 mm×2 mm×750 mm
　　　外管：r0×δ×l＝34．5 mm×3．5 mm×700 mm　　
　　　肋片：h×l＝21 mm×690 mm
　　 套管式蓄热单元的换热面形式如图2所示。

                               
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2　实验测试技术及主要方法
　　实验中采用两对铜－康铜热电偶来测试流体进口、出口温度。其一安装在水平方向，另一竖直方向安装。在蓄热器壳体的同一母线上安装了三根等距布置的小铜套管，同时，在每一根小铜套管中又安装了三对等距布置的铜－康铜热电偶，以便测出相变材料的径向和轴向不同点的温度值。
　　充热和放热过程是非稳态传热过程，即流体出口温度、相变材料的温度都是动态变化的。为了能真实地测得这些温度的瞬时值，实验采用了温度自动记录仪。此记录仪一次能测试40个点，并采用内部自动冷端补偿，每秒可输出10个测点值，并且能同时打印出测试值、测点序号、测试时刻。本实验每次有20个测点，每隔1或2 min记录一次测点值，它们是流体进、出口温度、相变材料的温度、环境温度、壳体保温层外上、中、下三处的散热壁温。
　　由能量守恒定律及所测得的各处温度值，可计算出不同时刻的充热和放热量：
充热过程：相变材料的蓄热量＋壳体保温层 外的散热量＋蓄热器筒体本身的蓄热量＝热水放热量。放热过程：相变材料的放热量＋蓄热器筒体本身的放热量＝冷水吸热量＋壳体保温层外的散热量。

3　实验结果及数据分析
　　图3、4分别给出了相同流体流速和进口温度下充热和放热时相变材料径向温度随时间的变化曲线。从图中可见，充热时同一测点相变材料的温度在早期上升很快，在相变温度附近几乎不变，最后上升得越来越慢。相变材料温度的这种变化是由于：早期为显热蓄热阶段，因而单位时间内相变材料温度上升很快；当测点周围相变材料温度达到相变温度时，测点周围将产生自然对流效应，大量的热量被传输给固—液界面，使测点处的相变材料在基本不变的相变温度下发生熔化相变过程；相变完成后，测点处于液态相变材料的包裹之中，自然对流循环把热的液态相变材料由加热面传输到固—液界面，强化了传热，相对来说，传输给测点处的相变材料的热量被减少，亦即是说，自然对流循环在一定程度上削弱了热量在液态层之中的传输。同时，随着充热时间增加，相变材料的温度越来越高，传热温差也越来越小，热量传输渐渐困难。基于上述两方面原因，相变之后，相变材料温度上升越来越缓慢。放热时，早期相变材料温度下降很快，然后几乎不变，最后下降变得缓慢。导致这种变化在于：早期，相变材料的温度高，导热温差大，导热热阻小，导热能力大，故早期的相变材料温度下降很快。而在发生相变时，由于放出大量的相变潜热，其温度基本恒定于相变温度，放热后期，导热温差越来越小，凝固层不断增厚，导热热阻增大，同时，自然对流效应减弱，延长了凝固时 间，所以后期相变材料温度下降趋于缓慢。

                               
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　　图5、6分别表示相同流体流速和进口温度下充热、放热时同一圆周母线上轴向不同点的相变材料温度随时间的变化。从图中可知，充热时沿流体流动方向，轴向温度呈梯度分布，且靠近流体进口处的相变材料温度较高，先发生相变过程。放热时靠近进口处相变材料的温度下降较快，先达到相变过程，沿流体流动方向，轴向温度由低到高变化。图中还表明：在放热过程后期，由于近流体出口处相变材料的温度高于进口端处相变材料的温度，因此其温度相应地下降稍快，使轴向温差越来越小，故相变材料的放热过程是沿着流动方 向推移的。

                               
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　　图7、8分别表示流体流速及进口温度为定值时，放热、充热过程中流体出口温度随时间的变化 曲线。从图中可看出，充热时流体的出口温度在换热早期短时间内上升很快，随着时间的增加，温度上升逐渐变慢。这是由于早期相变材料温度低，与热流体之间的温差大，短时间内传输热量多，且换热为显热，相变材料的温度上升很快，流体的温度随之而变化；随后靠近流体进口处的相变材料开始发生变化，由于发生相变时相变材料温度变化不大，并且随着轴向方向的相变材料不断产生相变，使得传热有效面积越来越小，因此流体的出口温度变化越来越小，逐渐接近进口温度。放热时，流体出口温度的变化是初始时最高，然后下降较快，随着时间的增加，下降逐渐缓慢，曲线变得越来越平坦，最终接近进口温度。这是因为放热开始时，相变材料与流体之间温差大，自然对流的作用强，且凝固层薄，单位时间内传输给流体的热量多，相应地流体温度下降较快，随着时间的增加，流体与相变材料的温度差减小，凝固层较厚，导热与自然对流传热能力逐渐减小，流体出口 温度下降越来越慢。

                               
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　　图9、10给出了相同流体流速和不同进口温度下蓄热器充热、放热量随时间的变化曲线。从图中可以看出，充热、放热过程的热量随时间有类似的变化规律，都是先增加较快，然后曲线变化趋于平缓。这是因为：充热早期，相变材料与热流体之间的温差大，有利于导热；相变发生后，由于液 态区自然对流效应，使固态相变材料能及时吸收相变所需的大量热量，因此热量仍能以较快的速度随时间而上升；在后期，相变材料的温度较高，自然对流虽有一定加强，但因液态区域增大，换热能力减弱；相变完成之后，液体的导热热阻较大，温差越来越小，传热量也小，因此后期曲线趋于平缓。放热过程早期，因相变材料与冷流体之间的温差大，有利于换热；当凝固发生时，凝固层很薄，热阻小，导热能力大，再加上液态区的自然对流效应，使得早期曲线上升较快；后期，因凝固层不断增厚以及自然对流效应不断减弱，使曲线趋于平缓。

                               
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　　图11、12分别给出了不同流体流速相同进口温度时蓄热器充热、放热量随时间的变化曲线。曲线表明，同一时刻，进口温度与相变材料之间温差越大，换热越强，特别是因温差大使自然对流循环更强烈，则单位时间内自然对流循环传热能力大。由前面的分析可知，流体的进口温度越高，则充热过程的各传热环节都得到强化，从而换热量随时间上升越快。
　　从以上实验结果可以看出，充热、放热过程受到流体的流速、进口温度、充热或放热时间三个参数的综合作用和影响。

                               
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4　结　论
　　a）随着相变的不断进行，传热的有效面积逐渐减小。
　　b）流体的进口温度一定时，其流速越大，单位时间内充热和放热量越大；流体流速一定时，流体进口温度越高，过程终止越早；流体流速及进口温度都为定值时，在充热和放热早期，充热和放热量随时间的增加而很快增加，在后期它们的增加量越来越小，致使过程终止。
　　c）应用充热和放热的自然对流机理及传热学理论对上述结果进行分析，认为流体流速、流体进口温度及充热或放热时间三个因素，是通过影响流体与管壁的换热、固态层中的导热及液态相变材料层中的自然对流换热能力，来影响充热和放热量的大小及过程进行的快慢和完善程度的，因此，液态区中的自然对流是不能忽略的。

　
参考文献
［1］　Kengo Sasaguchi，et al．Effect of natural convection onmelting of a phase change material around a finned tube［J］．Heat Transfer，1990，8（5）：474－491．
［2］　G培克曼，PV吉利．蓄热技术及其应用［M］．北京：机械工业出版社．
［3］　康艳兵，张寅平，朱颖秋，等．相变蓄热同心套管传热模型和性能分析［J］．太阳能学报，1999，（1）．4
［4］　YCao，AFaghri．Astudy of thermal energy storage sys－tems with conjugateturbulentforced convection［J］．Jour－nal of Heat Transfer，1992，114∶1019．
［5］　Fernanda Coen Porisini．Salt hydrates used forlatent heatstorage：corrosion of metals and reliability ofthermal per－formance［J］．Solar Energy，1988，41（2）：193－197．
［6］　TETSUOIRATA AN HIDDDEKIUSDA．Heattransfer of latentthermal energy storage capsules arranged in align－ment with the fluid flow（Part I．Experiments on heattransfercharacteristics）［J］．Heat Transfer，1988，5（9）：92－104．
［7］　张寅平，胡汉平，孔祥东，等．相变贮能－理论和应用［M］．合肥：中国科学技术大学出版社，1996．

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内容简介:

    蒸汽蓄热器是利用水的汽－－液转换特性而达到节能目的的储能设备。

主要功能：

    １．较有效的解决企业的用汽矛盾。当锅炉产汽量多余生产需用量时，蓄热器将多余部份

的蒸汽以饱和水形式自动贮蓄起来。反之生产用汽量大于锅炉产汽量时，蓄热器又立即放出蒸

汽，自动补充生产用汽量的不足。既保证了生产用汽，又不增加新锅炉，起到储能、节能作用

。２．保证锅炉在稳定负荷下均衡运行和较高的热效率、降低操作人员的劳动强度。３．蓄热

器维修保养工作极少，不需专职值班人员。

    应用范围：

    凡用汽量变化频繁的部门，如食品行业（酒厂、糖厂罐头厂、食品厂等）、纺织行业（毛

纺厂、染织厂等）、制药和化工行业、造纸行业均可使用该产品节约能源、解决用汽矛盾。

    可提供技术服务或售产品。

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文章摘要：
      1 前言工业生产过程排出的余热一般波动很大，而且与用热负荷的波动并不同步，所以实现工业余热的回收利用时，通过蓄热以平衡波动是经常遇到的工作。笔者在完成某工厂的工业余热利用项目中选用了以水作为蓄热工质的自然分导冷热水置换式蓄热器，经过研究改进其构造获得了一些经验。本蓄热装置的任务是在余热高峰时蓄存来自...
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详细内容：
       1 前言工业生产过程排出的余热一般波动很大，而且与用热负荷的波动并不同步，所以实现工业余热的回收利用时，通过蓄热以平衡波动是经常遇到的工作。在能源应用工作者的努力下已产生了很多蓄热方法；但在选用时由于具体条件的要求和限制，常需进行原型的改善以获得可靠和经济的结构。笔者在完成某工厂的工业余热利用项目中选用了以水作为蓄热工质的自然分导冷热水置换式蓄热器，经过研究改进其构造获得了一些经验。
本蓄热装置的任务是在余热高峰时蓄存来自余热回收系统的95℃热水，在余热产量少于用热需求时将所存热水取出以填补差额。供暖季的用热负荷是房屋供暖，非供暖季是吸收式制冷所需热源。设计的回水温度是85℃。
2 自然分层冷热水置换式蓄热器自然分层热贮存箱是一个内部没有分隔物的单个箱体。它依靠密度差而不是分隔物来维持贮箱上部热液体与下部冷液体之间的分隔。箱上只有一个入口和一个出口，如图1所示。蓄热时来自余热回收装置的热水由上部进入，箱内原有冷水由下部排出，回到余热回收装置。放热时，来自余热利用装置的冷水由下部进入，箱内原蓄存的热水由上部排出，送至余热利用设备使用。无论箱内液体流动方向是自上而下还是自下而上的，均近似呈活塞状流动。箱内容积交替地全部贮存热水或全部贮存冷水；也可以同时贮存一部分热水和一部分冷水。箱内永远充满水，容积得到充分利用。

                               
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图1 蓄热与放热

这种蓄热器构造简单，制造和运行的技术容易掌握，所以技术可靠性易于保证。不过，它是以液体作显热贮存介质的蓄热器，其蓄热量与其容积和蓄热介质的进出口温度差成正比。在自然分层条件下，冷热水的混掺必然要发生，以致进出口温差减小。这种混掺在冷热水置换时尤其严重，因而就会降低蓄热效率使蓄存一定热量所需容积增大。并且，因取用时的热水温度降低而且不稳定，还需要采取辅助措施以满足用热设备对热水温度的要求。总之，混掺现象的轻重地影响余热利用的投资，并在需要过多增大贮存容积时会因场地限制百不能实施。为了保留自然分层冷热水置换式蓄热器在技术可靠性上易于保证优点，并减少其混掺现象的不利影响，笔者对它的构造细部进行了改进并取得了成功。
3 减小冷热水混掺的设计措施首先，在箱的顶部和底部设置了扩散器。扩散器的主要作用是减少蓄热介质在进入和排出箱体时引起的混掺。应尽可能使水流在箱体的整个横断面上均匀分布，减小紊流区厚度及主体段水流紊动。本文所述扩散器采用的是多孔板结构，水从众多小孔中喷出，流速分布均匀。
为尽量减小箱体两端紊流容积占总容积的比例，提高容积利用率，增大高径比是有利的。由于场条件限制，实际蓄热器外形尺寸为直径3.5m、高8m。又因余热回收系统特殊要求占用了一部分箱体容积，净蓄水容积不足70m3。高径比大于2。
在相同的供回水温差下，如果蓄热过程中介质流量偏小，在短暂的废热高峰期，来不及进入蓄热器的热量只能被排放掉。即使蓄热器作得再大也无济于事。所以增大介质流量有利于提高废热高峰时的蓄热能力，减少排放掉的热量，从而提高余热回收率。但在蓄热器箱体直径一定的情况下，增大流量势必增加两端扩散器及箱体横断面上的流速，导致紊流区加在和流体混掺加剧降低蓄热效率。本蓄热器介质流量设计为40t/h，箱体横断面平均流速为1.3×10-3m/s。
4 蓄热器的运行曲线与效率4．1 蓄热曲线 图2为根据1992年10月8日每50秒间隔微机采集记录的数据绘制的蓄热器询问和顶部水温变化曲线。从第0.1至0.8时共1.7个小时是一个蓄热过程，在充入温度为t5热水的整个过程中，底部冷水温度t6升高缓慢，只到蓄热过程即将结束时才明显地突然升高。这清楚地说明本蓄热器蓄热过程中的水流达到了自上而下地挖活塞状流动，混掺程度很小。

                               
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图2 蓄热温度曲线

4．2 蓄热效率 蓄热效率定义为实际充热量与理论充热量之比[2]。蓄热器的实际充热量按下式计算：

                               
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　　　　　　　　　（1）
式中，Cc--蓄热器的充热容量；
Wc--充热时蓄热介质的流量；
Ctf--流体的比热；
Τc--流热时间；
Tin，tout--流体进出口温度，此处分别等于t5和t6。
蓄热器的理论充热量为： （2）
式中 Cc*--蓄热器的理论充热量；
Tin*--进入流体的平均温度；
tout*--蓄热开始前蓄热器内水的平均温度。
蓄热效率ηc为：

                               
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　　　　　（3）
根据图2所示运行实测数据，按以上公式计算得到Cc=2984MJ，ηc =88%。
5 投资回收期按实际工程结算，蓄热装置投资为5万元。若蒸汽价格按30元/t计算，则蓄热总共蓄热2000小时就可收回投资。本余热回收系统全年运行，根据余热量波动情况，如果每天累积蓄热6～7小时，一年便可收回全部投资。
6 结论笔者研究改进蓄热器，将自然分层热贮存法成功地应用于工业余热回收系统中。实践表明，通过正确和精心的设计，可以实现在没有分隔物的情况下蓄热介质的混掺很小，达到较高的蓄热效率；同时做到构造和运行简单，投资回收期短。此外，因蓄热和减小了冷热水的混掺使热水温度和流量比较稳定，所以后续的热利用装置采用了通用型式吸收式制冷机而不必特殊改造。
参考文献1 Willian B Stine. Raymond W Harrigan. Solar Energy Fundamentals and Design with Computer Applications.
2 ASHRAE 标准94-74，以热力特性为基础的蓄热装置试验方法。

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文章编号：1001－2060（2000）03－0294-04

Optimization Study of Steam Accumulator Volume

Cao Jiacong　Zhong Wei
（China National Textile University, Shanghai, China, Post Code 200051）

An algorithm model was set up for minimizing the essential heat storage of a steam accumulator with a computer program being applied to a specific example to illustrate this approach. The results of computation indicate that with the help of the above-mentioned program one can determine a minimal heat storage capacity required, which is considerably less than that obtainable by a manual calculation. This makes it possible to attain a minimized heat storage capacity required of an accumulator, creating the necessary conditions for the optimization of a steam accumulator design. Key words: industrial boiler, steam accumulator, heat storage capacity, volume, optimization, computer program

1　前言

　　工业锅炉耗用煤炭占全国煤产量的三分之一强，其热能效率的高低对我国能源利用率或单位能耗的高低起着举足轻重的影响，而且对环境的污染也有相当大的影响。就全国而言，我国工业锅炉的实际运行平均热效率长期徘徊在60%左右的水平，普遍比锅炉产品鉴定效率低10%左右，全国工业锅炉每年因此多耗煤七千万吨以上［1，2］。多年来，锅炉制造行业及使用单位为此从锅炉房主辅机的角度作了许多改进和革新，提高了锅炉的热平衡试验效率。然而这些技术进步，并未从根本上改善工业锅炉实际运行时的平均热效率。可见工业锅炉的运行情况是造成实际运行效率远低于热平衡效率的根本原因。
　　大多数工业锅炉实际运行时负荷的波动很大。在我国99%以上燃煤工业锅炉是层燃炉，其动态特性有很大的时滞，当负荷扰动时，现有的热工调节系统仍难免一段时间内燃烧工况的恶化，各受热面的传热工况也会受到干扰。当负荷扰动较频繁，幅度较大时，锅炉热效率会出现较大的下降。图1为一燃气锅炉的负荷扰动(零到运行负荷之间)频率和负荷水平对其热效率的影响［3］。可见频率越高效率就越低。只有当负荷扰动周期长达2～4小时时，在高负荷区的热效率与稳定负荷下的热效率(热平衡试验效率)接近。负荷扰动幅度对锅炉热效率的影响可从图2看出。可见幅度越大，热效率越低［4］。锅炉容量越大以上现象越严重。

                               
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图1　锅炉负荷波动与热效率的关系 　　适当设计的蒸汽蓄热器系统能滤掉供热系统负荷的波动，使锅炉的蒸汽出力和压力保持不变，从而保证了锅炉外部理想的运行条件，使其热效率趋近热平衡试验效率，为大大提高我国工业锅炉实际运行热效率提供了可能。因此，蒸汽蓄热器在1983年10月的第三次全国节能技术情报交流会上被列为值得推广的十项节能技术之一；1987年国家经委计委进一步将该项目列为推广的通用节能技术。然而十多年后，此项技术并未得到令人满意的推广。事实表明，相对大的初投资以及要求较大的场地是影响蒸汽蓄热器顺利推广的主要的客观原因之一。由于蒸汽蓄热器工程的初投资直接取决于蓄热器本体的价格，若能够在保证蓄热器的技术与热工性能要求的条件下，令其容积最小化，就能尽可能减少投资，促进蒸汽蓄热器的顺利推广。

                               
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图2　锅炉负荷扰动幅度对热效率的影响 2　蓄热器容积的优化 2.1　确定蓄热器容积的基本方法 　　设在所考虑的锅炉房热负荷周期内，热负荷为q(t)，平均负荷为Qav。则平均负荷相对于热负荷的盈亏为ΔQ=Qav－q(t)，于是积分曲线                                 登录/注册后可看大图 　(1) 就代表了从规定的起始时刻起到时刻t为止累计的蓄热器应当蓄存或放出的蓄热量。Q(t)在整个负荷周期内的最大值与最小值之差即为所求的必需蓄热量。由此可很容易算得蓄热器的理论容积和实际容积。 　　众所周知，当适当地将热负荷周期加以分段后分别应用式(1)，在整个热负荷周期内可将必需蓄热量显著降低，从而可大大减少相应的必需容积［4］。问题是在保证锅炉房热效率基本上为最高的前提下，这个必需蓄热量应是最小的。 2.2　蓄热器必需蓄热量优化的计算机程序 　　考虑工业锅炉房的日负荷曲线，其周期长度为24小时。将负荷曲线等时间间隔地记取24R个负荷记录，依次给予顺序号S(S=1，2，..，24R)，R即每小时选取的负荷记录个数。设每工作日能允许的最多负荷调整次数为N，此即最多允许分段数。由实际经验知，层燃炉的相隔2或3小时的两次负荷调整对燃烧效率的影响甚小。设此间隔为M(不小于2或3小时)。在满足上述N、M、R和S的条件下有众多的可行分段方案。从其中(可行域)找出必需蓄热量为最小，同时各稳定运行分段区间内的平均负荷都能保证使各锅炉运行在高效率的负荷范围内的最优分段方案。 　　考虑任意第k次分段方案。设将编号为S的负荷记录作为所考虑的日负荷周期的起点，第i段的起始及终止时刻分别为Ti－1和Ti，则在该段的时刻t，式(1)可改写为：                                 登录/注册后可看大图 (Ti－1≤t≤Ti)　(2) 实际上负荷曲线q(t)一般不易用解析式表达，将上式离散化，有时可使计算更快捷方便：                                 登录/注册后可看大图 　(3) 式中，j即负荷记录的S系列号，bi和ei分别为第i段的起点和终点的S系列号。一组bi和ei(i=1，2，…，N)决定了一个分段方案k。当S取遍1—24R时，分段方案可达K个：                                 登录/注册后可看大图 　(4) 　　对于一定的M和N，必需蓄热量Q(M，N)min的最小化问题可表述如下：                                 登录/注册后可看大图 　(5) 这个非线性规划问题最简捷可靠的寻优策略是用网格法找整体最优解。可很快从穷举的可行方案中得到最优的分段方案及其相应的最小必需蓄热量Q(M，N)min。 2.2.1　计算程序的N－S图

                               
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图3　计算程序N－S图 2.2.2　指令系统模型 　　要穷举所有可行的分段方案，必须有一个指令系统统筹可行域的计算。先考虑分成两段进行积分计算。这是个基本的过程P(Ⅰ，Ⅱ)(图4)。24小时的时间区间可分成Ⅰ和Ⅱ两段。

                               
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图4　基本过程P(Ⅰ，Ⅱ) 　　每段自起点b1、b2分别至终点e1、e2对负荷曲线应用式(3)。从A方案起，分别逐次改变e1和b2，重复过程P(Ⅰ，Ⅱ)，直至B方案为止。然后按负荷记录系列S依次改变起点b1和终点e2以改变24小时负荷周期的起终点。使b1从S=1、2、3到24R为止，相应地e2从S=24R、1、2到24R－1为止。重复上述过程，就可覆盖分成两段的所有可行方案。当分段数为N时，只要对过程P进行递归调用(图5)，并使b1在S=1到S=24R之间循环，就可获得穷举的结果。考虑到任意第i分段的起点和终点的范围分别可用式(6)和式(7)描述，不难实现以上过程。

                               
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图5　分段数为N时对过程P的递归调用                                 登录/注册后可看大图 　(6)                                 登录/注册后可看大图 　(7) 3　蒸汽蓄热器容积最优化计算实例 　　上海重型机器厂将一个155立方米的蒸汽蓄热器用于有短时蒸汽负荷大幅度脉动的供热系统中，取得了良好的节能效果［6］。该厂24小时蒸汽负荷如表1［6］。使用本文介绍的计算机程序，读入此24小时负荷记录，取M=3，得到当分段数N=4、5、6时，最小必需蓄热量为9.0～10.42吨蒸汽。本文列出N=5和6时的结果(表2、表3)，其最小必需蓄热量分别为9.9和9.0吨蒸汽，比该厂的计算结果减少了17.5%和25%；蓄热器的容积也因此分别仅需128和116立方米，比厂家使用方案减少了17.4%和25.2%(见表2)。按本文的计算结果，该项目的投资应该有显著减少。计算机还给出了优化的锅炉房负荷分段方案及锅炉房运行工况调节的参考方案(表3)。 表1　上海重型机器厂24小时蒸汽负荷

时间	1∶00～2∶00	2∶00～3∶00	3∶00～4∶00	4∶00～5∶00	5∶00～6∶00	6∶00～7∶00	7∶00～8∶00	8∶00～9∶00
蒸汽负荷／t.h－1	16	16	16	27.25	16	16	17.125	20.5
时间	9∶00～10∶00	10∶00～11∶00	11∶00～12∶00	12∶00～13∶00	13∶00～14∶00	14∶00～15∶00	15∶00～16∶00	16∶00～17∶00
蒸汽负荷／t.h－1	20.5	19.375	17.125	20.5	31.75	19.375	16	27.25
时间	17∶00～18∶00	18∶00～19∶00	19∶00～20∶00	20∶00～21∶00	21∶00～22∶00	22∶00～23∶00	23∶00～24∶00	24∶00～1∶00
蒸汽负荷／t.h－1	16	16	16	16	27.25	16	16	16

表2　蓄热器计算结果

	蓄热量(蒸汽)/t	充热压力/MPa	放热压力/MPa	单位容积蓄热量／kg.m－3	充水系数	容积／m3
重机厂方案	12	1.5	0.4	86	0.9	155
本文计算方案Ⅰ	9.0	1.5	0.4	86	0.9	116
本文计算方案Ⅱ	9.9	1.5	0.4	86	0.9	128

表3　上海重型机器厂锅炉运行工况分段调节方案

方案Ⅰ	分段区间	1∶00～5∶00	5∶00～11∶00	11∶00～14∶00	14∶00～17∶00	17∶00～22∶00	22∶00～1∶00
	锅炉房运行负荷工况／t.h－1	18.813	18.25	23.125	20.875	18.25	16.00
方案Ⅱ*	分段区间	5∶00～9∶00	9∶00～14∶00	14∶00～17∶00	17∶00～22∶00	22∶00～5∶00
	锅炉房运行负荷工况／t.h－1	17.406	21.85	20.875	18.25	17.607

*计算时锅炉负荷率取为0.7～1.1。 　　如果把本文介绍的计算机程序略作改动，此程序尚能用来在线控制锅炉房的负荷分配，从而随时获得优化的运行工况。事实上，如蓄冷和某些设备系统的生产调度等具有类似模型的系统的优化，在原则上也可以应用这个程序。 4　结论 　　(1)负荷的频繁波动及低负荷率是我国燃煤工业锅炉实际平均运行热效率长期远低于热平衡效率的主要原因之一。蓄热器是解决此难题的有效手段，然而其较大的投资是此项技术未能顺利推广的重要原因。 　　(2)借助于本文所述的蒸汽蓄热器容积最优化的计算机程序，能得到合乎技术要求的蓄热器最小容积，从而使蓄热器工程的初投资有望得到较大的降低。 　　(3)本文所述计算机程序原则上还可以应用于已有蒸汽蓄热器的锅炉房优化负荷分配的在线控制等其它场合。 作者简介：曹家枞(1943-)，男，上海市人，东华大学教授. 曹家枞（东华大学 环境科学与工程学院，上海　200051）　 钟伟（东华大学 环境科学与工程学院，上海　200051）　 参考文献 〔1〕张素刚.引进国外先进技术，提高工业锅炉产品水平，工业锅炉，1998，(4)：2～5. 〔2〕蒋耀祖，徐　谦，沈秋月.工业锅炉房燃烧优化控制的研究，动力工程，1987，(5)：31～36. 〔3〕Tanton D M,Cohen R R， Probert S D,Improving the effectiveness of a domestic central-heating boiler by the use of heat storage.Applied Energy,1987，27：53～82. 〔4〕程祖虞.蒸汽蓄热器的工程设计与应用，机械工业出版社，1985，77～78，12，15. 〔5〕盖永光，张超杰.热电联产效益分析及系统构成分析，山东电力技术，1994，(2)：20～23. 〔6〕瞿道和.变压式蒸汽蓄热器在“蒸汽自供”系统中的应用及节能效果.能源研究与信息，1997，(4)：26～31.

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蒸汽蓄热器
蒸汽蓄热器是一种新型产品，适用于汽负荷波动较大而要求压力较稳定的单位。其作用
是均衡锅炉出力恒定与供汽负荷瞬时波动之间的矛盾，可用锅炉保持在经济负荷下运行，并
保持供汽压力稳定。将蒸汽蓄热器并入锅炉供汽系统后即成为锅炉与用汽部门之间的热平衡
库。它以水为介质，储蓄热能，当锅炉供汽能力高于生产用汽负荷时，可把多余的蒸汽以高
压水的形式自动储蓄在蓄热器内，当用汽负荷大于锅炉供汽能力时，蓄热器能自动送汽补充
锅炉供汽的不足，从而能保持对用汽设备均衡供汽，而锅炉也可处于稳定工况下运行。其优
点是稳定锅炉压力，提高热效率，改善蒸汽品质，稳定蒸汽出口压力节约用煤，提高蒸汽产
品数量。主要技术指标：１、热效率：９７．２％；2、蒸汽干度：≮９８；　　３、蒸汽
压力波动：　≯２ｋｇｆ／ｃｍ2；４、节煤率：＞５％；５、本体散热损失：＜５％。
效益分析：按企业用汽量及波动范围的大小而设计，若波动大可节省一台锅炉。按设计一年
即可收回投资。

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变压式蒸汽蓄热器由蓄热罐、蒸汽分配管、AVA自动控制阀门组（包括Ｖ1阀、Ｖ2阀、进出口指挥阀）等组成。当用汽负荷小时，进口指挥阀开启，蒸汽进入蓄热罐的水中，凝结放热，将水加热，罐内的温度和压力同步升高，即“充热过程”。当用汽负荷大于锅炉供汽时，Ｖ2阀开大，出口指挥阀开启，蓄热器产生蒸汽补充高峰用汽需要，蓄热罐内压力，温度同步下降，即“放热过程”或“产汽过程”。在生产过程中蒸汽负荷频繁波动，蓄热器必须随之“充热”或“放热”。AVA自动控制阀门组是蓄热器系统的指挥中枢。
在生产用汽负荷波动大的热力系统中，合理设置蓄热器，可以起到“削峰填谷”的作用，使锅炉在平均负荷工况稳定运行，既不需要时而赶火，时而压火，也不必按“大马拉小车”来配置锅炉。可节省燃料５～１５％，而且大大减少设备事故率。同时，由于能保证蒸汽量和蒸汽压力稳定（Ｐ±0.01Mpa），使生产工艺过程参数稳定，保证产品质量，增加产量。

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运用傅立叶级数计算蒸汽蓄热器的必需蓄热量

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罗国民1，温志红2，张少忠2，苍大强3

摘要：对蓄热式燃烧技术在不同工业炉上的应用进行了分析，介绍了蓄热式轧钢加热炉的几种应用形式及其优缺点，指出了目前应用中存在的一些问题，同时提供了优化设计的一些建议。
关键词：蓄热式,高温空气燃烧,工业炉,应用
1   引言
        20世纪90年代初始，蓄热式余热回收技术得到了快速发展：在蓄热体材质、构造、蓄热性能等方面都得到了许多改进；单位体积的传热面积由过去的10-40m2/m3提高到200-1300 m2/m3，因而体积显著减小；换向阀和控制系统可靠性也得到改善，换向时间由过去的30min左右缩短至几分或几十秒钟，热效率大幅提高至80％一90％左右，助燃空气预热温度大幅提高至1000℃以上，而排出的烟气温度可降低至200℃以下，接近烟气的露点温度。
        由于助燃空气预热温度高达1000℃,远高于传统的500 --- 6001C，从而改变了传统的燃料燃烧方式，出现了一项全新的燃烧技术—高温空气燃烧(HTAC)技术。该技术的关键在于通过高效的蓄热式余热回收可实现高温低氧的燃烧过程，形成与传统燃烧迥然不同的火焰特性，从而达到节能与环保的双重效益。
        随着90年代末期该技术的逐步推广应用，近两年迅速成为一项炙手可热的节能环保新技术，在不同工业炉上得到快速应用。至2002年已投产各种蓄热式工业炉50多台。本文通过对目前应用情况的分析，为使用者提供一些参考。
2  在不同炉型工业炉上的应用分析
        目前该技术已应用于推钢式连续轧钢加热炉、步进式连续加热炉、室式加热炉、台车炉、钢管连续退火炉、钢包烘烤器、罩式炉以及倒焰窑等。现在以连续轧钢加热炉为主，其产生的经济效益也最明显，投资回收期最短，尤其是“以气代油”的企业，基本在半年内就可收回全部投资。
2.1推钢式连续加热炉
        该炉型主要用于普线厂、部分中板厂和中型厂，加热钢种以普钢和低合金钢为主，也有优质碳素钢和高合金钢。3种蓄热实现形式都有，各有其优缺点。
2.1.1普线厂
        普线厂由于加热无特殊要求，故采用集中蓄热、集中换向的方式较多，优点是设备简单，可靠性好，操作方便。最有代表性的有韶钢三轧厂2＃加热炉［1］。其主要特点是：
        (1)取消了在普通加热炉上用来回收烟气余热的预热段，使被加热钢坯在最大可能的辐射温压下进行快速加热，缩短钢坯在炉内的加热时间，减少钢坯的氧化烧损。
        (2)在砌体结构的设计上，针对炉墙有内通道、温度高且变化频繁的特点，为确保砌体的严密和寿命、减少散热损失和保证施工质量，采用了内衬整体浇注的复合炉体结构。
        (3)根据蓄热式换向燃烧的特点，使煤气喷口紧贴钢坯表面布置，让钢坯表面形成相对稳定的还原气氛附面层，从而减少钢坯的氧化烧损，提高金属收得率。
2.1.2中板厂
        中板厂由于有调节钢温的需要，目前主要是采用蓄热烧嘴式，有集中换向和分散换向两种。分散换向的优点是调节手段灵活，能满足中板加热需要，缺点是设备复杂，操作和维护难度大。
2.1.3合金钢加热
        合金钢加热主要采用蓄热烧嘴加常规烧嘴结合的形式，优点是能解决合金钢热裂等问题，但蓄热系统和常规系统之间的工况相互干扰，影响系统运行。
2. 2 步进式加热炉
        主要用于高线厂、小型连轧厂。大多采用外置蓄热装置式，有集中蓄热集中换向和分散蓄热分散换向两种。集中蓄热集中换向的有广钢高线加热炉和合钢小型连轧厂加热炉。分散蓄热分散换向有唐钢高线加热炉。从使用情况来看这3座加热炉的效果都不错，均达到国内先进水平。其中唐钢高线加热炉采用转炉煤气双预热，单位能耗仅为0.81GJ/t,氧化烧损低于0.7%，热效率在70％以上。其主要特点是：采用最先进的组合换向技术，不但减少了换向煤气损失，而且确保了换向过程的安全。采用优化后的相对分散蓄热和喷口布置，保证实现空间燃烧，炉内没有局部高温，也没有火焰盲区。
2. 3 室式加热炉
        主要是指室式锻造用加热炉、室式均热炉、室式热处理炉等。国内蓄热式技术应用于这几种室式加热炉都取得了不错的效果。这些室式加热炉不是单台长期连续使用，比较适合蓄热式燃烧这项燃烧技术的开发应用。另外由于加热量小，既可用集中孔洞式，又可用蓄热烧嘴式，还可变化其他布置形式。但由于公共设备（如换向阀和控制系统）是必备的，所以投资回收期较长。若要进一步推广应用，需研究实用可靠、价格更便宜的设备。
2．4 钢包烘烤器
        将蓄热式热回收装置、换向阀、鼓风机、排烟和燃料引入装置安装在钢包盖上，取代常规烤包烧嘴（套管式烧嘴和旋流式烧嘴等）用于钢包烘烤，目前已成功应用于武钢、莱钢、宝钢、唐钢等钢厂。其优点是能大幅节能50％以上，提高烤包温度和烤包均匀性，减少排烟污染。目前应解决如何降低设备造价，提高换向设备的可靠性等问题。
2.5钢管热处理炉
        由于温度不高，供热量小，主要采用茧青石质陶瓷蜂窝体小型蓄热烧嘴，但这对温度控制提出了更高的要求。
2. 6 应用分析
        蓄热式高温空气燃烧技术在不同炉型工业炉上的应用也走过了一个不断讨论—怀疑—再讨论—推广的过程。最初在室式加热炉的应用由于局部设备的不成熟，曾引起过怀疑，没有受到应有的重视。1997年在轧钢加热炉上应用时也曾出现过讨论，后来在推钢式加热炉上获得成功后，能否在步进式加热炉上应用又受到怀疑。现在此项技术已得到广泛应用，并且有进一步拓展应用领域的试验研究，包括燃煤倒焰窑（利用蓄热室实现高温烟气除尘和二次风的预热）、辐射管热处理炉、垃圾焚烧炉、燃料气化炉、热风炉及有色冶炼反射炉等等。
        能否在所有火焰炉内高效地利用蓄热式高温空气燃烧技术，这需要进一步加强应用研究，尤其是要结合不同的炉型、不同的燃料、不同的加热钢种作最优化设计。另外还有待进一步提高高温空气燃烧中实现低氧，以降低NOx产生的应用水平。
3  蓄热式轧钢加热炉的几种应用形式
        近几年，蓄热式轧钢加热炉在国内得到快速推广应用，在应用中出现了几种不同的结构形式，取得的效果也不尽相同。下面对几种不同结构的蓄热式加热炉进行介绍。
3. 1 蓄热烧嘴式加热炉
        蓄热式烧嘴在国外应用较早，20世纪80年代初英国的Hot Work公司和英国煤气公司合作开发了称为RCB(Regeneratice Ceramics Burner）型的烧嘴［2］。随后美国也开发了类似的蓄热式烧嘴，又叫双蓄热床烧嘴系统。日本很快也研制出这种蓄热式烧嘴技术，并大力推广。中国的研究进展虽然与国外同步，但应用较晚。蓄热式烧嘴的主要特点是将燃烧器与蓄热室余热回收装置集成一体配成一对类似常规烧嘴的燃烧系统，每个蓄热式烧嘴周期性使用。1座炉子往往由多对蓄热式烧嘴供热。
        据有关资料介绍，国外普遍采用蓄热烧嘴式加热炉，就蓄热技术而言，其应用水平已相当成熟。但国外使用蓄热式烧嘴烧低热值煤气（如高炉煤气）的工业炉较少。从蓄热体使用的材料来看，国外使用陶瓷球、陶瓷蜂窝体、瓦砾等，特别是陶瓷蜂窝体蓄热式烧嘴以其结构小巧得到重视。国内蓄热体则主要使用陶瓷球和陶瓷蜂窝体这2种。国内在大型加热炉上使用蓄热式烧嘴是近两年才开始的，在烧嘴的结构布置上做了一些改进，主要是将蓄热体部分埋进了炉墙，克服了原结构“皮厚囊小”的弊病。
        蓄热式烧嘴以其调节灵活性，炉型选择的多样性，对不同工艺要求的适应性等优点成为蓄热式高温空气燃烧技术未来发展的一种很重要的方式。尤其是结构简单、体积小的单体自身蓄热烧嘴（国内已有专利）更具竞争力，对于旧炉子改造有投资省的优点。
3. 2 集成式蓄热加热炉
        这是国内应用较早的一种形式，是我国的北岛能源技术发展有限公司90年代初开发的高效蓄热式余热自回收系统专利技术的应用。其特点是把蓄热室安装在炉子底部，同时在炉墙浇注出通道和喷口，并与高效余热回收装置结合成一体，形成集供热、排烟和余热回收于一体的集成式加热炉。
        其优点是把蓄热室、介质通道和喷口都集中在炉体内，减少了外部高温管道，占地少，系统布置简单，加热能力不受设备体积和布置方式的限制，供热能力设计余地大。由于喷口的简化为喷口的设计提供了多种选择以满足加热质量的需要。如通过喷口的设计可以在加热物料表面形成相对还原气氛，减少氧化烧损。其缺点是炉墙较厚，基础基建量大，对旧炉改造受到场地和土建基础限制。另外由于较集中的换向控制和蓄热，使供热调节受到一定程度限制，加热能力受燃料供入压力的影响较大。
        集成式加热炉特别适合燃用低热值煤气，可采用双预热、分段集中蓄热和换向。该结构的加热炉由于炉墙内有煤气、助燃空气通道，因而内模结构复杂，浇注料施工难度大。故炉体采用复合炉体，整体浇注，选用莫来石自流浇注料可确保炉体质量。利用自流料浆体具有高触变性，施工时不需振动，可自行流动、脱气、密实，减少了因施工带来的孔洞和裂缝。另外通过提高材料理化指标性能，确保炉体热震稳定性好，重烧线变化小，从而保证了通道之间的密封性好，炉体的整体性好，消除了产生煤气泄漏的安全隐患。
3. 3 外王蓄热器式加热炉
        这是介于集成式加热炉和蓄热烧嘴式加热炉之间的一种结构形式。其特点是把集成式加热炉的蓄热室和高温通道放在炉体外，通过与炉内喷口的直接连接形成外置蓄热系统，采用分段换向和相对集中的蓄热室。
        这种结构形式给系统设计带来许多有益的变化，比前面两种更具灵活性。首先是蓄热室的设计可以根据现场需要灵活设计，同时可以增加上下蓄热室的调节手段。其次喷口的设计更灵活，同时带来喷口换向燃烧方式的灵活，既可异侧换向，也可同侧换向。喷口燃烧组合也更具多样性。另外，对蓄热系统设备的选择适应性也广。
3. 4 三种结构的对比分析
        以上三种结构形式是按该技术的核心部分一蓄热室的布置来分类的。蓄热室因集供热、排烟和余
热回收于一体而成为该技术的中枢。其他设备和工艺的变化都必须以此为基础。国内三种应用形式都有应用，各有其优缺点，其本身无优劣之分。用户在选用结构形式时要综合考虑燃料种类、场地大小、投资额度等因素，选择适合自己的炉型结构。因为其基本原理都一样，只是部分设备形式、材料与结构布置的变化不同而已。
        通过对国内蓄热式加热炉几种不同结构形式的分析，可知该技术要进一步推广应用，必须针对具体的炉型结构、燃料条件、加热工艺作相应的优化设计，提高设备的可靠性，才能真正发挥该技术节能环保的作用。
4  蓄热式加热炉在设计中应考虑的几个问题
        (1) 蓄热室结构参数优化
        蓄热室结构参数（主要是蓄热室固定床的蓄热体堆积参数）的热力特性和阻力特性与介质压力、流量和换向时间有密切关系，应需定量计算。
        (2)炉体结构优化
        对于采用墙内通道集中蓄热方式的加热炉，炉体的整体性、气密性及喷口的布置很关键，直接影响到能否正常生产和燃烧效果。对于蓄热式烧嘴，设计对蓄热室结构提出了更严格的要求，根据具体生产单位加热炉的炉膛尺寸，选择合适的蓄热箱结构和蓄热体材质与形状至关重要。
        (3)以上优化设计措施是针对蓄热式加热炉的，但并不影响传统加热炉的一些先进设计方法在蓄热式加热炉上的应用。
5  结论
        本文通过对蓄热式高温空气燃烧技术在不同炉型的工业炉上的应用分析认为应用可进一步的拓展。分析了蓄热式烧嘴加热炉、集成式蓄热加热炉和外置蓄热器式加热炉的优缺点。选择何种形式最优化要根据不同的炉型，不同的燃料条件，不同的加热工艺作相应的设计，作为其核心设备之一的换向阀和蓄热体结构及材料也有多种选择。

参考文献:

[1]张少忠,罗国民.蓄热燃烧技术在韶钢加热炉上的应用[J].轧钢,2001,(4).55～57.
[2]许维成,林揆新.蓄热式技术在加热炉上的应用[J].工业加热,2000,(3):12～13.

作者简介：罗国民（1969-)，男，湖南益阳人，工程硕士，高级工程师，主要从事高温空气燃烧技术的应用研究。

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Application of Reheating Furnace in Middle Section Mill of Tangsteel Wu Daohong1   Ding Futong2 1 Beijing Shenwu Thermal Energy Technology Co., Ltd. 2 TangShan Iron & Steel Co.,Ltd. TangShan, Medium Section Plant ABSTRACT: The structure, property and control system of regeneration reheating furnace in Tangsteel Medium Section Plant are described in this paper. The result of reconstruction is introduced. KEY WORDS: furnace; blast furnace gas; regenerative burning system  1 前言     在钢铁工业中，加热炉是主要的耗能设备之一。合理解决加热炉的燃料问题，提高燃料利用率，对于降低能源消耗，减少钢坯氧化烧损，提高加热质量从而进一步提高整个轧线生产过程的经济效益，具有非常重要的意义。     唐钢中型厂是一个生产矿用支撑钢、矿用工字钢、角钢、轻轨、槽钢、圆钢、方坯等9个品种，70多个规格的中型轧钢厂，年产量50多万吨。原有推钢式加热炉两台，设计加热能力62t/h，采用重油、高炉煤气混烧。2001年单耗重油38.43kg/t、高炉煤气167m3/t。油气混烧，油气比、空燃比都不易控制，这就造成能源的浪费，同时又污染了环境，造成了经济效益和社会效益的双重损失，同时也增加了工人的操作难度。     由于中型厂的两台加热炉要完成16个钢种、70多个规格钢材的钢坯加热任务，加热钢种杂、规格多，因此加热炉产量波动大，随着产量的波动，其热负荷也随之波动，产量越低，吨钢热消耗明显升高。并且由于两炉交叉出钢，常处于待轧、待温状态，加热时间长，氧化烧损增大。     随着公司对两火成材的淘汰，中型厂的开坯任务逐渐取消，年产量由过去的材坯总量 55～60万吨降低到全型钢40万吨。开一座加热炉加热能力不够，开两座加热炉燃料浪费严重。因此将中型厂加热炉改为一座适应能力强，且能耗低的加热炉很有必要。 2 改造蓄热式加热炉的理论基础     蓄热式高温空气燃烧技术，19世纪中期就开始用于高炉热风炉、平炉、焦炉、玻璃熔炉等规模大且温度高的炉子。其原理是采用蓄热室余热回收装置，交替切换烟气和空气，使之流经蓄热体，达到在最大程度上回收高温烟气的显热，提高助燃空气温度的效果。但传统的蓄热室采用格子砖作蓄热体，传热效率低，蓄热室体积庞大，换向周期长，限制了它在其他工业炉上的应用。新型蓄热室，采用陶瓷小球或蜂窝体作蓄热体，其比表面积高达200～1000m2/m3，比老式的格子砖大几十倍至几百倍，因此极大地提高了传热系数，使蓄热室的体积可以大为缩小。另外，由于换向装置和控制技术的提高，使换向时间大为缩短，传统蓄热室的换向时间一般为20～30min，而新型蓄热室的换向时间仅为0.5～3min。新型蓄热室传热效率高和换向时间短，带来的效果是排烟温度低（200℃以下），被预热介质的预热温度高（只比炉温低100～150℃）。因此，废气余热得到接近极限的回收，蓄热室的温度效率可达到85%以上，热回收率达80%以上[1]。     由于唐钢一铁厂的高炉煤气热值仅为725×4.18kJ/m3，理论燃烧温度只有1100℃左右，实际燃烧温度更低，采用常规燃烧技术不能满足轧钢加热炉的温度需要。而高温空气燃烧技术将空气和煤气都预热到1000℃以上，高炉煤气的理论燃烧温度达到2000℃以上从而使纯高炉煤气的燃烧温度满足轧钢加热炉炉温1200℃以上的要求。 3 改造方案及技术特点     根据中型厂的生产波动大，而加热炉区域场地较窄的特点，并结合一铁外供煤气量的大小（30000～35000m3/h）。本着安全可行，调节灵活。节能效果突出的原则，采用招标的方式，最终选择了和北京神雾科技公司的合作，采用北京神雾公司的“蓄热式烧嘴”技术。根据中型厂年产型钢40万吨，不同品种轧机生产能力在45～80t/h之间，设计加热炉最大加热能力85t/h。 3.1 加热炉主要参数和技术性能  加热钢种：碳素结构钢、低合金钢、合金钢      钢坯规格：断面140mm×140mm、165mm×165mm、165mm×225mm、165rnm×280mm      长    度：最小2600 mm，最长3200mm      钢坯入、出炉温度：常温入炉，出炉1050～1220℃      钢坯加热温差：≤50℃      炉    型：端进、端出推钢式连续加热炉，双排装料      炉子加热能力（最大）：85t/h      炉子的主要尺寸：         炉子有效长：22820mm         炉子总长（砌体长度）：24792mm         炉子内宽：7300mm         炉子总宽（砌体宽度）：8348mm 燃料：高炉煤气 低位发热值（标态）725×4.18 kJ/m3 煤气消耗量（标态）：33650m3/h 空气消耗量（标态）：22120m3/h 烟气生成量（标态）：48795m3/h 空气预热温度：≥1000℃ 煤气预热温度：≥1000℃ 吨坯单位热耗：1.20GJ 炉底管冷却方式：汽化冷却 3.2 技术、结构特点 3.2.l 蓄热式燃烧器 加热炉每侧外部安装17个煤气蓄热和19个空气蓄热式燃烧器，每个空气蓄热器与煤气蓄热器相邻布置，蓄热式燃烧器分为单喷口和双喷口两种，以适应不同位置的蓄热式燃烧器布置。一个空气喷口和一个煤气喷口，组成一个燃烧单元。蓄热器中的蓄热体采用陶瓷小球和陶瓷蜂窝体的复合蓄热结构，它具有换向时间适中（中型厂设计换向时间2min），耐急冷急热性好、导热性能好等优点；每个燃烧器前的煤气和空气连接管上都安有手动调节阀，从而使得各个燃烧器、特别是上部与下部燃烧器的能力能够按需要进行调节；维修方便，可以在不影响炉子正常生产的情况下利用常规检修更换蓄热体。 3.2.2 引火烧嘴 中型厂的产品中有一部分合金钢，这些品种对预热段的加热炉温有上限要求。如 09CuP要求预热段炉温低于800℃，而高炉煤气的安全燃烧温度需高于800℃，为解决这一矛盾，在预热段增加12支使用转炉煤气的引火烧嘴，以保证高炉煤气在800℃以下的安全稳定燃烧。12支引火烧嘴小时耗气量低500m3/h，采用电子打火点燃，使用安全可靠。 3.2.3 自动控制 炉温控制系统采用在工业炉窑控制中广泛使用的双交叉限幅控制方式，为保证各个供热区温度的可控性，首先对各区设置独立的，以温度为主环，空煤气流量调节为副环的炉温控制回路。根据工艺的供热分配情况，共分为3个温度调节回路，分别对应预热段、加热段和均热段3个供热区。炉膛压力控制为减少换向对炉压调节的干扰采用手动调节煤气烟道及空气烟道的废气调节阀门，保证炉膛压力稳定在给定范围。 3.2.4 换向控制 换向采用四腔四通换向阀，换向燃烧控制按定时的原则，并按规定的换向时序，控制3个煤气换向阀和3个空气换向阀的动作，也可手动控制换向。 3.2.5 安全保护系统 仪表控制安全连锁逻辑保护系统在煤气总管压力过低、空气压力过低、仪表气源压力过低、电源故障情况下，发生自动停炉；当发生自动停炉时，系统完成如下动作：总管煤气立即切断，并在10min后停引风机，鼓风机则需要手动停止。另外还有紧急手动停炉：手动停炉系统为独立于PLC控制的硬件连锁系统。用于在特殊情况下，如控制系统故障时，由操作员通过操作台的急停按钮，完成停炉操作。 4 加热炉改造效果 4.1 运行情况 中型厂加热炉自2001年12月3日烤炉以来，使用情况良好，较大幅度地减轻了烧火工的劳动强度。在正常使用中，通过电视画面可以了解到加热炉的运行情况、炉温控制非常容易，各班烧火工普遍反映调节准确、方便。氧化烧损明显减少，加热炉扒渣工作由过去的每班一次改为每次检修扒渣一次。由于有各种报警记录，出现问题可以及时发现。对于热工方面的问题，也可以通过分析各种记录及时找出问题的所在，很快得以解决。自动停炉控制系统的设立，当出现异常情况时，可以及时自动停炉，对防止大事故的发生起到了很好的保护作用。经实践证明这套系统运行稳定。     经过3个月的运行，加热炉运行基本稳定，目前加热炉的均热段炉温控制在1200～1300°C之间，加热段炉温在1100℃左右，排烟温度仅120°

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摘  要  本文简述了蓄热式高温空气燃烧技术的原理、技术优势以及在我

                               
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的应用前景，着重介绍我国在蓄热式高温空气燃烧技术领域的基础研究进展及其在我国工业加热行业的推广应用与发展情况。
关键词　蓄热室,高温空气,换向阀,燃烧,氮氧化物
1 前言
高温空气燃烧技术在日、美等国家简称为HTAC技术，在西欧一些国家简称为HPAC（Highly Preheated Air Combustion）技术，亦称为无焰燃烧技术（Flameless combustion）。其基本思想

                               
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让燃料在高温低氧浓度（体积）气氛中燃烧。它包含两项基本技术措施：一项是采用温度效率高达95%，热回收率达80%以上的蓄热式换热装置，极大限度回收燃烧产物中的显热，用于预热助燃空气，获得温度为800～1000℃，甚至更高的高温助燃空气。另一项是采取燃料分级燃烧和高速气流卷吸炉内燃烧产物，稀释反应区的含氧体积浓度，获得浓度为15% ～3%（体积）的低氧气氛。燃料在

                               
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种高温低氧气氛中，首先进行诸如裂解等重组过程，造成与传统燃烧过程完全不同的热力学条件，在与贫氧气体作延缓状燃烧下释出热能，不再存在传统燃烧过程中出现的局部高温高氧区。这种燃烧是一种动态反应，不具有静态火焰。它具有高效节能和超低NOX排放等多种优点，又被称为环境协调型燃烧技术[1-2]。
高温空气燃烧技术自问世起，立刻受到了日本、美国、瑞典、荷兰、英国、德国、意大利等发达国家的高度重视，其在加热工业中的应用得到迅速推广，取得了举世瞩目的节能环保效益[3]。
2 HTAC技术的发展
国内外各种工业炉和锅炉的节能技术发展都经过了废热不利用和废热开始利用的两个阶段。在最原始的年代，炉子废热不利用，炉尾烟气带走的热损失很大，炉子的热效率在30% 以下，如图1所示。
从六七十年**始，国内外较普遍地采用了一种在烟道上回收烟气的装置—空气预热器（或称空气换热器）来回收炉尾烟气带走的热量，如图2所示。
采用这种办法可以降低烟气温度，增加进入炉膛的助燃空气的温度，这样做达到了一定的节能效果，但仍存在以下问题：（1）其回收热量的数量有限，炉子热效率一般在50%以下；（2）空气预热器一般采用金属材料和陶瓷材料，前者寿命短、后者设备庞大、维修困难；（3）从燃烧器的角度来看，助燃空气的温度提高以后，火焰区的体积越来越小，火焰中心的温度也越来越高，炉膛内存在局部的高温区，这样对于工业炉来说，容易使加热制品局部过热，也影响了工业炉的局部炉膛耐火材料和炉内金属构件的寿命，对于锅炉来说影响其换热效率和水冷壁的寿命，甚至引起爆管等事故；（4）助燃空气温度的增高导致火焰温度增高，NOX的排放量大大增加（甚至可以达到103ppm以上），对大气环境造成了严重的污染。

         

                               
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   图1  废热不利用的炉子示意图                           图2 安装空气预热器的炉子示意图

  八十年代初，美国的British Gas公司与Hot Work公司开发出一种在工业炉和锅炉上节能潜力巨大的蓄热式燃烧器，产生了高温空气条件下的“第一代再生燃烧技术”，用于小型玻璃熔窑上。其后，这种燃烧器被应用于美国和英国的钢铁和熔铝行业中，尽管这种燃烧器具有NOX排放量大和系统可靠性等问题，但由于它能使烟气余热利用达到接近极限的水平，节能效益巨大，因此在美国、英国等国家得以推广应用。
进入九十年代以后，国内外学术界将蓄热式燃烧器的节能与环保相抵触的难题提到科技攻关的地位，对其进行了深入的基础性研究，旨在同时达到节能和降低CO2、NOX排放。日本工业炉株式会社田中良一领导的研究小组采用热钝性小的蜂窝式陶瓷蓄热器，取得了很好的效果[1]。由于能高效回收烟气余热的蓄热材料和高频换向设备问题的解决，产生了高温低氧条件下的“第二代再生燃烧技术”即现在所谓的“高温空气燃烧技术”。

3 蓄热式高温空气燃烧技术的原理及技术优势
蓄热式高温空气燃烧技术的原理如图3所示。

                               
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                                                              图3  安装蓄热室的炉子

当常温空气由换向阀切换进入蓄热室1后，在经过蓄热室（陶瓷球或蜂窝体等）时被加热，在极短时间内常温空气被加热到接近炉膛温度（一般比炉膛温度低50~100°C），高温热空气进入炉膛后，抽引周围炉内的气体形成一股含氧量大大低于21% 的稀薄贫氧高温气流，同时往稀薄高温空气附近注入燃料（燃油或燃气），这样燃料在贫氧（2~20%）状态下实现燃烧；与此同时炉膛内燃烧后的烟气经过另一个蓄热室（见图中蓄热室2）排入大气，炉膛内高温热烟气通过蓄热体时将显热储存在蓄热体内，然后以150~200°C的低温烟气经过换向阀排出。工作温度不高的换向阀以一定的频率进行切换，使两个蓄热体处于蓄热与放热交替工作状态，常用的切换周期为30~200秒。蓄热式高温空气燃烧技术的诞生使得工业炉炉膛内温度分布均匀化问题、炉膛内温度的自动控制手段问题、炉膛内强化传热问题、炉膛内火焰燃烧范围的扩展问题、炉膛内火焰燃烧机理的改变等问题有了新的解决措施。
由上所述，蓄热式空气燃烧技术的主要优势在于：（1）节能潜力巨大，平均节能25% 以上。因而可以向大气环境少排放二氧化碳25% 以上，大大缓解了大气的温室效应。（2）扩大了火焰燃烧区域，火焰的边界几乎扩展到炉膛的边界，从而使得炉膛内温度均匀，这样一方面提高了产品质量，另一方面延

                               
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了炉膛寿命。（3）对于连续式炉来说，炉长方向的平均温度增加，加强了炉内传热，导致同样产量的工业炉其炉膛尺寸可以缩小20% 以上，换句话说，同样长度的炉子其产品的产量可以提高20% 以上，大大降低了设备的造价。（4）由于火焰不是在燃烧器中产生的，而是在炉膛空间内才开始逐渐燃烧，因而燃烧噪声低。（5）采用传统的节能燃烧技术，助燃空气预热温度越高，烟气中NOX含量越大；而采用蓄热式高温空气燃烧技术，在助燃空气预热温度非常高的情况下，NOX含量却大大减少了。（6）炉膛内为贫氧燃烧，导致钢坯氧化烧损减少。（7）炉膛内为贫氧燃烧，有利于在炉膛内产生还原焰，能保证陶瓷烧成等工艺要求，以满足某些特殊工业炉的需要。
4. 我国在蓄热式高温空气燃烧技术领域的基础研究
4.1 高温空气燃烧技术的机理研究[1,4-6]
1999年10月，在萧泽强教授的积极倡导下，北京神雾科技有限公司作为主要支持单位之一与中国科学技术协会工程学会联合会在北京举办了“高温空气燃烧新技术国际研讨会”。自此，“高温空气燃烧技术”的概念正式传入我国并引起我国科技工作者的高度重视。清华大学、中南大学、东北大学、北京神雾科技有限公司等科研院所对高温空气燃烧的机理和低污染特征进行了一系列研究。
高温空气燃烧技术的基本思想是让燃料在高温低氧体积浓度气氛中燃烧。它包含两项基本技术措施：一项是采用温度效率高、热回收率高的蓄热式换热装置，极大限度回收燃烧产物中的显热，用于预热助燃空气，获得温度为800～1000℃，甚至更高的高温助燃空气。另一项是采取燃料分级燃烧和高速气流卷吸炉内燃烧产物，稀释反应区的含氧体积浓度，获得浓度为15% ～3%（体积）的低氧气氛。燃料在这种高温低氧气氛中，首先进行诸如裂解等重组过程，造成与传统燃烧过程完全不同的热力学条件，在与贫氧气体作延缓状燃烧下释出热能，不再存在传统燃烧过程中出现的局部高温高氧区。
这种燃烧方式一方面使燃烧室内的温度整体升高且分布更趋均匀，使燃料消耗显著降低。降低燃料消耗也就意味着减少了CO2等温室气体的排放。另一方面抑制了热力型氮氧化物（NOX）的生成。氮氧化物（NOX）是造成大气污染的重要来源之一，各工业企业都在设法降低NOX的排放。NOX主要有热力型和燃料型。HTAC烧嘴主要采用气体燃料，其中含氮化合物少，因此燃料型NOX生成极少。由热力型NOX生成速度公式[1]可知，NOX的生成速度主要与燃烧过程中的火焰最高温度及氮、氧的浓度有关，其中温度是影响热力型NOX的主要因素。在高温空气燃烧条件下，由于炉内平均温度升高，但没有传统燃烧的局部高温区；同时炉内高温烟气回流，降低了氮、氧的浓度；此外，气流速度大，燃烧速度快，烟气在炉内停留时间短。因此NOX排放浓度低。
4.2 陶瓷球蓄热室热工特性的研究[7]
八十年代初新型小陶瓷球蓄热室技术问世以后，引起了我国热工界的高度重视。我国从八十年代中后期开始对新型蓄热室技术进行开发研究，建立了专门的陶瓷球蓄热室实验装置，着重对陶瓷球蓄热室的阻力特性和换热特性进行了系统的实验研究，得出了蓄热室阻力特性和换热特性与蓄热室的结构

                               
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数和操作参数之间的基本规律，为蓄热室的合理设计奠定了基础。
进行实验的陶瓷球蓄热室如图4所示。

                               
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图4  陶瓷球蓄热室示意图

4.2.1 阻力特性实验研究
气体流经蓄热室的阻力损失是蓄热室设计的重要技术指标，了解蓄热室在冷态和热态的阻力特性，是合理选择工业炉的供风系统和排烟系统设备的重要前提。
4.2.1.1 蓄热室冷态阻力特性的实验结果
实验结果表明：陶瓷蓄热室的阻力损失与蓄热室的高度成正比；阻力损失与陶瓷球直径的增大而减小；气体流经蓄热室的阻力损失与空塔流速之间呈幂函数关系。
根据实验结果，采用回归的方法，得出陶瓷球蓄热室在冷态条件下的阻力特性方程为：

                               
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(1)
式中：DP—阻力损失；
  H—蓄热体高度；e—蓄热室孔隙率；u—空塔流速；d—陶瓷球直径；m—流体的动力粘度系数； r—流体的密度；A、B—系数。
4.2.1.2 蓄热室内热态阻力特性的实验结果
蓄热室热态阻力特性实验主要研究蓄热室内空气和烟气在单位长度上的阻力损失与温度、气体的流速以及陶瓷球直径之间的关系。实验结果表明：温度对空气和烟气阻力损失的影响成线形关系；阻力损失随空塔流速的增大而增大，其变化规律为幂函数关系；阻力损失随着陶瓷球直径的增大而减小，其变化规律近似反比关系。据此得出的热态阻力特性方程如下：   

                               
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                        (2)
式中：r0——标准状态下的气体密度；A——由实验确定的系数；t——空气或烟气在周期内的平均温度；其他符号意义同上。
4.2.2 陶瓷球蓄热室换热特性的研究
    蓄热室的工作过程是周期性地通过被预热介质（助燃空气或煤气）与烟气，也就是周期性地处于放热和吸热状态。在整个过程中，烟气温度、空气温度、蓄热体温度不仅是时间的函数，也随位置的不同而变化。陶瓷球蓄热室内换热过程是包括对流、辐射和传导在内的复杂的非稳定态传热过程。我国学者对陶瓷球蓄热室这种周期性非稳定态的换热过程的主要特性进行了较为深入、系统的研究。
4.2.2.1 陶瓷蓄热室温度分布特性
    通过实验，掌握了如下规律：
a)     空气出口温度随着时间的延长而逐渐降低，其规律近似成线性变化；
b)     在一个周期内排烟温度随着时间的延长而升高，其规律也近似成线性变化；
c)     蓄热体表面温度在冷却期随着时间的延长而逐渐降低，其规律近似成线性变化；
d)     蓄热体表面温度在加热期随着时间的延长而逐渐升高，其规律近似成线性变化；
e)     蓄热室内部烟气温度和空气温度沿高度方向的变化也近似成线性变化；
f) 蓄热体表面温度的变化与空气和烟气温度的变化规律基本一致，在同一位置，球的表面温度比空气温度高40～60℃，比烟气温度低45～55℃，球的直径大时，球与气体之间的温差较大、球径小时，球气温差较小。
4.2.2.2 陶瓷球的综合热交换系数
从实验结果得知，随着换向时间的增加，综合热交换系数的值减小，随着球径的增大，综合热交换系数的值亦减小。根据有关的热交换理论和实验的结果，我国学者提出如下的综合热交换系数的表达式：

                               
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                      （3）
式中：K —综合热交换系数；ah—加热期气—球之间的换热系数；ac—冷却期气—球之间的换热系数；d —球的直径；l —球体的导热系数；F0 —傅立叶数:

                               
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(

                               
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：导温系数，t：换向时间)；A—实验所确定的系数；  。
4.2.2.3球—气之间的换热系数
    通过实验，得出了球—气之间的换热系数与气体温度、空塔流速、球的直径的关系，对实验数据进行数学回归以后得出如下关系式：
    空气：

                               
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             （4）
    烟气：

                               
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            （5）
    A,B—系数
4.3 蜂窝型蓄热体的热工特性的研究
    九十年代初，日本工业炉株式会社田中良一领导的研究小组开始采用热钝性小的蜂窝式陶瓷蓄热器，取得了很好的效果。与球形蓄热体相比，蜂窝型蓄热体在比表面积、重量、压力损失、换向时间等方面具有极大的优越性[1]。在我国，蜂窝型蓄热体在蓄热式燃烧系统中的工业应用得到越来越多的重视，欧俭平等

                               
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[4]通过数值模拟，对蜂窝型蓄热体的热工特性进行了研究，本文对其研究结果进行简要介绍。
4.3.1蓄热体格孔壁面应力特性
    蓄热体在使用中，由于格孔孔壁双面受热或冷却，除受温度作用外，还受各种应力作用，很容易遭受损坏。造成蓄热体损毁的因素很多，如高温空气和燃烧产物的化学作用、温度急变和热膨胀等物理作用以及气流冲刷和高温荷重等机械作用等等。上述各种因素往往同时存在，但对于某一特定的工作环境，必有一个主要原因。经对国内某厂生产现场被替换的蓄热体进行研究，发现大部分蜂窝体单元出现不同程度的裂纹和剥落。显然，脆性应力破裂是造成这一问题的主要原因。
    计算结果表明，无论是加热期还是冷却期，蜂窝体格孔壁面主要受到法线方向的应力作用，其切向和轴向所受应力分别不到法向应力的1/200和万分之一。加热期应力指向壁面，对蓄热体孔壁产生挤压，表现为挤压应力；冷却期壁面受力方向指向流体，对壁面产生拉曳，表现为拉应力。显然，如果蓄热体的壁面所受应力大于其所能承受的最大应力，将导致应力脆裂。频繁的蓄热和释热过程变换，使得蓄热体格孔壁面交替地受到拉应力和挤压应力的作用。流体的流速越大，应力变化越大；换向时间越短，蓄热体受拉应力和挤压应力交替作用的影响越大。
4.3.2 蜂窝型蓄热体的传热特性
    对蜂窝型蓄热体传热特性的研究结果表明，蓄热体壁面和气体间的换热强烈，狭长的格孔通道对流动和换热有一定的影响。换向时间对蓄热体的传热特性的影响较大，换向时间越长，烟气出口温度越高，蓄热室的温度效率和热回收率越低。气体流速对蓄热体的传热特性也有影响。气体的流速越高，烟气出口温度越高，余热回收率越低。
5 蓄热式高温空气燃烧技术在我国的发展
    2002年，全国的钢产量达1.8亿吨，全国冶金行业的加热炉达千座以上，年处理钢坯可达2亿吨，目前我国轧钢加热炉的平均能耗为60Kg标煤/吨钢，国际先进水平的加热炉平均燃料单耗为51kg标煤/吨钢。表1列出了日本NKK钢管公司福山热轧厂230t/h热轧步进式加热炉1996年采用HTAC技术前后的技术参数[7]。   
    从表1参数不难看出，日本NKK钢管公司福山热轧厂改造前的平均能耗为48.6kg标煤/吨钢，比我国的轧钢加热炉少耗能19% ；而改造后NKK公司的轧钢加热炉又比改造前节能25% 。按我国每年加热钢坯1亿吨计算，全国的轧钢加热炉改造后达到平均能耗40kg标煤/吨钢，相当于平均节能33% ，改造后全国钢铁行业仅轧钢加热炉一项每年可少消耗200万吨标煤，另外，热处理炉、钢包、中间包烘烧器等设备由于工艺上的特殊性，目前的能源利用率更差，其节能的潜力将更大。此外, 还将对钢铁行业降低氧化烧损、减少环境污染、降低设备造价，增加单炉产量等方面起到重要的作用。
表1  230吨/小时热轧步进式加热炉采用HTAC技术前后的技术参数

加热炉各部分

热消耗

改 造 前

改 造 后

能耗百分比

实际能耗

kg标煤/吨钢

能耗百分比

实际能耗

kg标煤/吨钢

钢坯带走的显热

50.6%

24.6

50.6%

24.6

水冷及炉墙散热损失

15.8%

7.7

13.4%

6.5

排烟热损失

33.6%

16.3

11%

5.3

吨钢能耗

100%

48.6

75%

36.4

    综上所述，新型蓄热式技术应用在工业炉上可以获得显著的节约能源和减少环境污染的效果。我国工业炉窑种类繁多，数量巨大，在我国推广应用这项新技术，将会带来巨大的经济效益和社会效益。北京神雾公司自1995年底成立以来，利用自己研制开发的新型节能燃油、燃气燃烧器已在全国冶金、机械、石化、陶瓷、玻璃、火力发电等行业的近八百余家企业的各种工业炉和锅炉上推广了WDH系列节能燃烧器，因此对这些行业的工业炉和锅炉的设备状况有了较全面的了解。从1996年开始，本公司积极跟踪国外的先进技术，组织了燃烧、工业炉、热工自动控制、机械等方面的技术专家集中对蓄热式高温空气燃烧技术在工业炉和锅炉上的应用进行开发研究。由于该技术的推广应用不单纯是一个燃烧问题，尤其在工业炉领域，由于工业炉种类繁多，工艺要求千差万别，如果不与具体的工业炉工艺要求相匹配，就不可能开发出实际应用的成熟产品。通过几年的开发研究，在钢铁、机械及有色金属工业的各种工业炉上的应用研究进展较大，本公司已能为企业提供成熟的技术。在此，以轧钢加热炉为例，对我公司开发的技术作一介绍。
5.1空气、煤气双预热
    我国多数轧钢加热炉使用发热值较低的混合煤气、转炉煤气甚至高炉煤气作为燃料。在燃用低热值煤气的情况下，如果单预热空气，对废气余热的回收是不充分的。燃用低热值煤气和高热值煤气，单预热空气和空气、煤气双预热时对废气余热的回收利用情况参见表2 。
   由表2可以看出,在燃混合煤气的情况下,如果只预热空气,仍有约34% 的可回收热没有得到利用,这是很可惜的；同时也可以看出,燃用低热值煤气时,空气和煤气双预热的效果,比燃用高热值煤气时双预热的效果大.此外,燃用低热值煤气时空气和煤气双预热,炉子的烟气可以全部经空气蓄热室和煤气蓄热室排出,炉子无须设置排多余高温烟气的烟道和烟囱,使炉子的构造和布置简单化。

表2  几种情况下废气余热回收率的比较

项
目

混合煤气（2000´4.18kJ/m3）

天然气（8430´4.18kJ/m3）

预热空气

预热空气

和煤气

预热空气

预热空气和

天然气

燃烧空气需要量，m3/1m3煤气
2.08
2.08
10.45
10.45
燃烧产物量，m3/1m3煤气
2.89
2.89
11.46
11.46
进蓄热室烟气温度，°C
1250
1200
1250
1200
出蓄热室烟气温度，°C
200
200
200
200
空气预热温度，°C
1100
1000
1100
1000
煤气预热温度，°C
0
1000
0
1000
烟气可回收热量，kJ
1175
1115
4630
4390
空气吸收热量，kJ
780
689
3751
3471
煤气吸收热量，kJ
0
373
0
632
总回收热量，kJ
780
1062
3751
4103
可回收热的回收率，%
66.38
95.25
81.02
93.46



    另一方面, 煤气和空气双预热, 可以使高炉煤气达到足够高的燃烧温度, 因而为加热炉单一使用发热值很低的高炉煤气创造了条件, 这样可以使钢铁厂副产品——高炉煤气得到更充分的利用。
    空、煤气双预热的加热炉，分别设置空气蓄热室和煤气蓄热室以及相应的空气换向阀和煤气换向阀，经空气换向阀排出的烟气和经煤气换向阀排出的烟气由各自的引风机抽出。
    蓄热式空、煤气双预热的推钢式加热炉和步进式炉简图见图5与图6。

                               
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图5 蓄热式推钢加热炉简图

                               
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图6  蓄热式步进加热炉简图

5.2蓄热室的群合式配置
所谓蓄热室的群合式配置，即1个空气蓄热室以及1个煤气蓄热室对应一群烧嘴，而不是1个蓄热室对应1个烧嘴，其组合形式参见图7。群合式布置方式可以简化管路系统和减少换向装置数量，燃烧自动控制系统也简化了，特别是在空、煤气双预热的情况下，这些优点更显突出。蓄热室布置在炉子两侧，一般每侧分别设4~6个空气蓄热室和煤气蓄热室。推钢式连续加热炉将蓄热室直接放在炉底下面，而步进式加热炉则将蓄热室摆放在炉墙外侧。

                               
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  图7 群合式蓄热室布置图                 图8 蓄热室群合式布置的烧嘴结构

5.3集中换向装置
    在群合式配置蓄热室的基础上，换向阀的配置进一步集中，采取多个蓄热室配一个换向阀。其管路系统参见图9。
    为开发蓄热式加热炉，我公司专门投入人力、物力研制开发出了加热炉专用的升降开闭式四通换向阀，其原理结构参见图10。
    空气或煤气与烟气在阀内分流并定时换向，阀中采取特殊结构使每个阀板紧密关闭，保证可靠密封。采用气缸或液压缸驱动，均带有缓冲性能，以保证开关阀门稳定及减小冲击。阀门4个进出风口通径最大达700 mm。每个进出风口可有3~4个方向任意设置，因此在现场安装十分方便，可以安放在炉旁，也可以装在炉顶之上。

                               
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图9   集中换向装置管路系统图                图10 四通换向阀简图

    换向时间以定时控制为主，在出蓄热室的烟气温度超温的情况下，则根据温度信号强制换向，换向时间一般为1.5~3.0分钟。
5.4燃烧器的布置
    燃烧器布置在炉子的两侧，两侧的烧嘴交替进行燃烧和排烟。燃烧过程主要在炉内进行，高速气流使炉内气体产生很强的搅混作用，炉内气流的主导流向是从一侧到另一侧，并且不断的正反变向，这些特点都使得炉膛宽度方向温度均匀化，有利于提高钢坯长度方向加热均匀性，因此蓄热式燃烧器布置在侧墙上完全克服了一般侧烧嘴固有的缺点，尤其是炉膛宽度大的炉子，在炉子侧向布置蓄热式燃烧器的优点更加突出。
    燃烧器几乎沿整个炉长均匀布置，取消了传统的推钢式和步进式连续加热炉的不安装烧嘴的预热段，这样能充分发挥整个炉子的加热作用。炉长方向的炉温制度不再是明显的三段式炉温制度，但仍然可以分为几个加热区，可根据加热的品种和产量灵活调整各段的温度。燃烧器设置的数量，根据炉子热负荷的分配以及适当的燃烧器间距来确定。为了起炉的需要，还在炉子的适当位置布置一定数量的常规烧嘴。蓄热式加热炉中烧嘴的布置方式见图11。

                               
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图11 蓄热式烧嘴的布置方式

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摘 要：本文介绍了新型蓄热式燃烧技术及原理，及其在南钢中板厂的应用情况，对新型蓄热式加热炉的应用和技术优势及应注意的问题进行分析。 关键词：新型蓄热式燃烧技术 蓄热体 加热炉 1 蓄热式燃烧技术发展 蓄热式燃烧技术是一项传统技术，早在十九世纪中期就开始应用于高炉、热风炉、焦炉等规模大且温度高的炉子，但传统的...
     
摘  要：本文介绍了新型蓄热式燃烧技术及原理，及其在南钢中板厂的应用情况，对新型蓄热式加热炉的应用和技术优势及应注意的问题进行分析。
关键词：新型蓄热式燃烧技术  蓄热体  加热炉  
1 蓄热式燃烧技术发展
蓄热式燃烧技术一项传统技术，早在十九世纪中期就开始应用于高炉、热风炉、焦炉等规模大且温度高的炉子，但传统的蓄热室采用格子砖为蓄热体，传热效率低，蓄热室体积庞大，换向周期，限制了它在其它工业炉上的应用。
1982年，英Hot Work  Development公司和British  Gas研究院合作，成功开发第一座使用陶瓷小球作为蓄热体的新型蓄热式加热炉，节能效果显著。
新型蓄热室采用陶瓷小球或陶瓷蜂窝体作为蓄热体，其比表面积高达200～1000m2/m3，比传统的格子砖高几十至几百倍，因此，极大地提高传热效率，使蓄热室的体积可以大为缩小。另外，由于换向装置和控制技术的提高，使得换向周期大为缩短，传统蓄热室的换向周期一般为30分钟至数小时，而新型蓄热室的换向周期仅为0.5～3分钟。新型蓄热室传热效率高和换向周期短，带来的效果是排烟温度低（200℃以下），被预热节制的预热温度高（约为炉温的80～90%）,因此，废气余热得到接近极限的回收，蓄热室的温度效率可达85%以上，热回收效率达80%以上。
二十世纪九十年代以来，国际上在蓄热式燃烧技术的研究或应用方面取得很大进展，并把节能和环保结合起来，提升为“高温空气燃烧技术”（HTAC）[1]。
2 新型蓄热式燃烧技术原理
蓄热式高温空气燃烧技术原理如图1所示。
图1蓄热式HTAC技术原理示意图[2]  
新型蓄热式燃烧呈对布置(A、B状态)，从鼓风机出来的常温空气由换向阀切换进蓄热式燃烧器B后，再经过蓄热式燃烧器B（陶瓷小球或蜂窝体）时被加热，在极短时间内常温空气被加热到接近炉膛温度（一般为炉膛温度的80－90％），被加热的高温热空气进入炉膛后，卷吸周围炉内的烟气形成一股含氧量大大低于21％的稀薄贫氧高温气流，同时往稀薄高温空气附近注入燃料，燃料在贫氧状态下实现燃烧；与此同时，炉膛内燃烧后的热烟气经过另一个蓄热式燃烧器A排入大气，炉膛内高温热烟气通过蓄热式燃烧器A时将显热储存在蓄热式燃烧器A内的蓄热体，然后以低于150℃的低温烟气经过换向阀排出。工作温度不高的换向阀以一定频率进行切换，使得两个蓄热式燃烧器处于蓄热与放热状态交替工作，从而达到节能和降低NOX排放量等目的。常用换向周期30－180s。
3 蓄热体性能比较
陶瓷小球一般采用φ15～φ25mm小球，材质要求稍低；蜂窝体壁薄、孔距小，能在较短时间积蓄和释放热量，但对材质要求高，要求材质抗高温蠕变性能稳定。需要指出，采用小球蓄热，热空气温度将比炉温低150～200℃，而蜂窝体蓄热，热空气温度接近炉温。用φ20mm球体与100孔蜂窝体相比较，传热面积相差7倍，传热能力相差5倍，压力损失大三倍。

4 应用案例
南钢中板厂采用蓄热式燃烧技术对1＃加热炉大修改造，由北京神雾热能技术有限公司总承包。2001年11月3日开工，至2002年1月20日投产，采用蜂窝体为蓄热体的蓄热式烧嘴加热炉技术，加热炉长30m，宽4.64m，钢坯规格 (150～220)×(800～1200)×(1300～2050) (mm3)，加热能力75t/h，加热钢温1180－1230℃，空气预热温度达1100℃（仪表记录显示），燃料为高、焦炉混合煤气，热值为（8000—9196）kJ/Nm3，改造前的吨钢能耗为2.1GJ/t以上。改造后经济效益分析如下。
（1）中板厂改造前1#加热炉单耗2.1GJ/t材（其中煤气1.85 GJ/t材，重油7kg/ t材× 0.04 GJ/ kg  =0.28 GJ/t材）,成本:1.82 GJ/t材×11.52元/GJ+7 kg/t材×1.265元/kg=29.821元/t材；
改造后成本: 1.68 GJ/t材×11.52元/GJ=19.35元/ t材；
按年加热能力30万吨计：年节能效益:30×(29.821-19.35)=314.1万元
（2）降低氧化烧损效益：
改造后可降低氧化烧损0.3%，效益:30×0.3%×(1610-200)=126.9万元；
（3）1#加热炉技改后小时产量提高15t/h，年增产3万吨，每吨效益200元计，年增产效益：3×200=600万元。
效益合计：314.1+126.9+600=1041万元。
（4）改造后烟气中有害成份NOx的排放浓度小于100´10-6，环保效益显著。
5 新型蓄热式加热炉的技术优势
（1）节能潜力巨大，节能15－30％，同时大大缓解了大气的温室气体排放，CO2的排放量降低约30％。
（2） 蓄热式燃烧是一种先进的弥漫式燃烧方式，扩展火焰燃烧区域，火焰的边界几乎扩展到炉膛的边界，从而使得炉膛内温度分布均匀，不易形成局部高温，一方面提高了加热质量，另一方面延长了炉膛寿命。
（3）炉膛的平均温度增加，加强了炉内传热，在相同产量情况下，加热炉的尺寸可以缩小10－20％，对于相同尺寸的加热炉，蓄热式加热炉的产量可以提高10－15％，解决了旧炉改造的问题，提高了产量和旧炉子的装备水平。
（4）由于火焰不是在烧嘴产生的，而是在炉膛空间内才开始燃烧，因而燃烧噪声低。
（5）采用传统的节能燃烧技术，助燃空气预热温度越高，烟气中的NOx含量越大；而采用蓄热式高温空气燃烧技术，在助燃空气预热温度高达1000℃情况下，由于燃料在贫氧（2－20％）状态下燃烧，炉内NOx生成量反而大大减少，NOx排放量可达50－150ppm，达到国家一级排放标准以上。
（6）炉膛内为贫氧燃烧，使得加热炉加热的钢坯氧化烧损大为减少，钢坯氧化烧损约降低0.3％。
6 新型蓄热式加热炉应注意的问题
（1） 由于蓄热式燃烧方式使得加热炉的炉压较难控制，必须通过炉型的优化及控制系统的升级解决炉压控制问题
（2）排烟温度较低（低于150℃），必须注意烟气的露点腐蚀问题。
（3）采用大四通换向阀集中换向，造成燃烧间断时间较长；同时，使得加热炉两侧不对称布置，造成两侧燃烧间断时间不同，影响加热炉控制水平。
（4）换向过程为自动控制，编制控制程序时应避免向炉内单独供应燃料或空气的情况发生，防止爆炸或氧气浓度过大。

[ 本帖最后由 qimingxing 于 2007-11-25 09:59 编辑 ]

qimingxing

摘要：本文简要介绍了蓄热式换热技术的原理及特点，详细分析了蓄热换热技术在熔铝炉上的应用情况及节能效果。
关键词：蓄热式换热技术、熔铝炉、蓄热式烧嘴
1．蓄热技术概述
随着设备与材料的进步，蓄热式换热技术有了革命性的发展和长足的进步。目前在冶金企业的加热炉和钢包烘烤器上得到了广泛的应用。本文通过介绍蓄热技术在熔铝炉上的应用，说明了蓄热式换热技术对提高化铝质量，加快化铝速度，减少污染物排放，降低能耗等方面的优势。蓄热式换热技术在有色冶金行业上也将有广阔的应用前景。

2．蓄热式换热技术原理
蓄热式烧嘴成对布置，相对两个烧嘴为一组(A组、B组烧嘴)。从鼓风机出来的常温空气由换向阀切换进蓄热式烧嘴1、4后，在经过蓄热式烧嘴1、4陶瓷小球时被加热，在极短时间内常温空气被加热到接近炉膛温度（一般为炉膛温度的80－90％）。被加热的高温热空气进入炉膛后，卷吸周围炉内的烟气形成一股含氧量大大低于21％的稀薄贫氧高温气流，同时往稀薄高温空气附近注入燃料，实现燃料在贫氧状态下燃烧；与此同时，炉膛内的热烟气经过另两个蓄热式烧嘴2、3排入大气，炉膛内高温热烟气通过蓄热式烧嘴2、3时将显热储存在蓄热式烧嘴2、3内的蓄热体内，然后以低于150℃的低温烟气经过换向阀排出。当蓄热体储存的热量达到饱和时换向进行切换，蓄热式烧嘴在蓄热与工作状态之间进行交换，从而达到节能和降低NOX排放量等目的。
蓄热式换热技术改变了传统的燃烧方式，主要表现为燃料与空气以适当速度从不同的通道进入炉内，并与炉内燃烧产物混合，空气中21%的O2被稀释，燃料在炉膛中高温（1000℃以上）低氧浓度场（5～6.5%）工况下燃烧，此种燃烧方式带来了许多优点。
（1）节能效果显著，比传统熔炼炉节能30%以上
由于蓄热体“极限回收”了烟气中大部分的余热，并由参与燃烧的介质带回炉内，大大降低了炉子的热支出，所以采用蓄热式换热技术的炉子比传统熔炼炉节能。
（2）消除了局部高温区，炉温分布均匀
燃料在高温低氧浓度工况下燃烧，在炉内形成没有稳定火焰的扩散火焰，消除了稳定火焰产生的局部高温区；火焰几乎充满整个炉膛，使炉温更加均匀。蓄热式烧嘴工作状态频繁交换，使火焰的位置及炉气流动方向频繁改变，强化了炉气对流，减小炉内死角，也使炉温更加均匀。
（3）提高加热质量
均匀的炉温使铝锭加热更均匀，降低了局部高温以及富氧环境对铝液的挥发和氧化作用。
（4）延长炉子耐火材料使用寿命
炉温均匀和消除局部高温区使耐火材料受热均匀，并保证耐火材料始终工作在合理的使用温度范围内。空气在进入炉膛之前被预热到接近炉膛温度，使炉内耐火材料减轻了热振影响。
5）减少温室效应气体CO2排放量及NOX生量
燃料节省30%，相应的CO2排放量也减少30%。由于局部高温区的消除，有效的降低了NOx的生成量。
4．应用及效果
目前资源和环境问题日益突出，要求各企业必须全面推行高效、节能、清洁的生产技术，蓄热式换热技术是目前世界上先进的技术，可以很大程度地提高企业能源利用率，对低热值煤气进行合理利用，最大限度地减少污染物的排放。近几年来我国也成功地将这项技术应用在熔铝炉上了。
下面就以某厂30 t/ch熔铝炉为例介绍蓄热式换热技术在熔铝炉上的应用情况。此炉采用两组蓄热式烧嘴（单个烧嘴最大燃气能力200 Nm3/h），燃料为天然气（8500 kcal/Nm3）。蓄热体采用陶瓷小球，直径18mm。换向时间180s。
由于生产工艺的需要，空炉升温到800 ℃以后开始装料，装料量15 ton，装料时间大约30 min,炉温降至600 ℃左右。熔炼过程大体分为三个阶段：
第一阶段，炉温和加入的铝温度都较低，炉子处于升温阶段，此时燃气量300 Nm3/h，这一阶段需要60 min。
第二阶段，炉温达到上限（900 ℃~950 ℃），炉子开始保温，此时燃气量160 Nm3/h，这一阶段需要120 min。
第三阶段，铝液达到设定温度以前，炉子开始降温，此时燃气量85 Nm3/h，这一阶段需要30 min。
从热平衡角度来说，采用蓄热式换热技术的熔炼炉燃料节约率与炉子砌体的蓄热量、炉体的表面散热损失有关。因为烧嘴是通过烟气回收余热的，炉体的蓄热量减小，表面散热损失越少，则排烟余热量越大，燃料节约率就越高。
同时，由于熔铝炉间歇性工作特点，在不同工作状态时炉温、蓄热体中空气流速、烟气出口温度有较大波动。这样烧嘴换向时间也应随工作状态变化而变化，优化蓄热体的利用率，使余热回收达到更好的效果。
由于空气通过蓄热体后温度升高，带进炉内大量显热，使得燃料的理论燃烧温度显著提高。在采用相同的炉型和燃料时，蓄热炉比常规炉有更高的综合加热温度和更快的加热速度。
采用蓄热式换热技术，带来的直接经济效益主要是节省燃料。天然气按2.6元/m3计算，燃料节约率55%，则每熔化一吨铝节省255.4元。按年产32500吨，则每年燃料节省的费用是，830.05万元。由于消除局部高温区，炉温分布均匀，使耐火材料使用寿命延长，同时提高了加热质量，减少了氧化烧损。由这些因素带来的经济效益也是相当可观的。
从环境保护角度来说，燃料节省55%，烟气中CO2等温室气体总量也相应减少了55%。同时由于燃料在高温空气贫氧环境下，降低了NOX的产生。
总之，蓄热技术应用到熔铝炉上，起到了很好的节能效果；也降低了CO2和NOX的排放，减轻环境污染。同时，蓄热技术还有待进一步研究，达到更好的节能、环保效果。
5．参考文献
1．祁海鹰等：高温空气燃烧技术的研究进展 高效蓄热式工业炉应用学术会议论文集 2001
2．工业炉设计手册 第2版 机械工业出版社 1996.8
3．任泽霈 蔡睿贤 主编 热工手册 机械工业出版社 2002.3
作者：余强 张学湛

qimingxing

晨怡热管 (北京神雾热能技术有限公司,北京100083) 杨泽耒
关键词:蓄热式燃烧技术;加热炉;探讨
中图分类号:TG(155.1 文献标识码:B
1 概述
20世纪80年代,随着新型蓄热体——陶瓷小球和陶瓷蜂窝体的出现,使原本古老的蓄热式燃烧技术焕发出无限强大的生命力,继而发展成为一种被称为"高温空气燃烧技术(HTAC)"的全新概念燃烧技术,它把高效燃烧与极大限度的回收烟气余热及降低NOr(r下标)排放等技术有机地结合起来,实现了极限节能和极限降低NO(r下标)排放量的双重目的.
轧钢加热炉是用能大户,其连续式的炉型比较适合采用蓄热式燃烧技术,尤其是高温空气燃烧技术使原本无法作为轧钢加热炉燃料的高炉煤气一跃成为"优质燃料",所以说"蓄热式燃烧技术给轧钢加热炉带来了一场革命".
然而,除轧钢加热炉外,还有哪些工业炉可以采用蓄热式燃烧技术来进行改造呢我们在以下几种炉型上使用,并取得了成功.
2 采用蓄热式燃烧技术改造非轧钢炉的实例
2.1 大型台车式加热炉
重机,军工行业有许多与水压机及大型锻压设备配套的台车式加热炉,它们的最高炉温一般要求达到1 300℃以上,如果使用发热值只有1 200×4.18 kJ/m(3上标)的发生炉煤气作燃料(建国初期所建厂一般如此,近年来该种燃料的使用又多了起来),炉子在高温段升温困难,于是便要求空气与煤气双双经预热后燃烧.传统的做法是在炉后装设空气换热器与煤气换热器,而实际情况则因煤气质量问题,煤气换热器的寿命往往很短,许多厂家在尝够苦头之后,最后舍弃不用.在煤气不能预热的情况下,即便空气换热器将助燃空气预热到500℃也解决不了炉温问题.也有的工厂为了将空气能预热到600℃以上,在炉子两侧的地下建设庞大的以格子砖为蓄热体的老式蓄热室.
新型蓄热式烧嘴的出现无疑给上述工厂带来福音.公司在邢台轧辊厂3 000 t水压机车间的一台29.7m2(2上标)台车式加热炉上进行了蓄热式燃烧技术的改造.该炉两侧共装设8对空气单预热的蓄热式烧嘴,炉子分前后两区控制,设立两个供空气/烟气换向用的两位四通换向阀和两个煤气快速切断阀,并采用可编程序控制器对炉子的热工参数和换向程序进行自动控制.因为蓄热式烧嘴能将空气预热到只比当时炉温低50-100℃的高温,也就是在炉温升用手也搓不出氧化皮来(该厂工艺只要求"可视少氧化",并没有具体的化验指标,所以没做氧化烧嘴减少量的数据测试).
敞焰少氧化加热一直是热处理行业关注和潜心研究的重要课题,然而利用蓄热式烧嘴来实现却是公司独自辟出的一条蹊径.洪都钢厂辊底式炉的剖面图见图1.
从图中可见,被处理的钢管搁在位于炉膛中部的辊道上,辊道上下都安装蓄热式烧嘴,每个烧嘴由煤气蓄热室,空气蓄热室和点火小烧嘴组成.上加热烧嘴的煤气蓄热室置于空气蓄热室下方,下加热烧嘴则与之相反.这样一来,从烧嘴喷出的火焰都是以贫氧的气氛接近工件,自然钢材的氧化烧损会减少.如果安装常规烧嘴的炉子也这样来组织火焰,势必会造成燃料的不完全燃烧和炉内积炭等问题.而蓄热式燃烧技术的基本思想就是让燃料在高温低氧体积浓度气氛中燃烧,火焰在刚刚离开烧嘴喷向工件表面时是贫氧的还原性气氛,但是在随后的延缓状燃烧过程中能通过分级燃烧和高速气流卷进燃烧产物等措施将可燃成分燃烧干净,不但不会积炭,而且还会收到均匀炉膛温度,减少NO.排放的效果.
东钢的链条式球墨铸铁管材热处理炉分加热段,急冷段和缓冷段.所用燃料为高垆煤气,加热段炉温900℃,原设计使用普通烧嘴,用装设在加热段烟道中的换热器将空气和煤气预热后燃烧.因高炉煤气热值只有740×4.18KJ/m3(3上标),用换热器预热的介质温度也有限,恐难满足加热段温度的要求.公司至1 100℃后,助燃空气的人炉温度超过1 000℃,自然炉子高温段的温升问题迎刃而解,同时也达到了降低燃耗的目的.
2.2 敞焰加热的连续式热处理炉
小型成批的工件热处理一般采用连续式炉,炉内无特殊气氛要求,燃料在炉膛内燃烧,燃烧产物可直接接触工件的炉型称为敞焰加热式炉(相对隔焰加热而言).根据工件在炉内传动方式的不同有辊底式炉,链条式炉,铸造链板式炉,隧道式炉等,它们的共同点是根据热处理工艺曲线的要求,沿炉子长度方向设立若干个区段,如预热段,加热段,保温段,冷却段等,每区段使工件的升温速度与保温温度衡定,即每区段炉温基本不变,炉子连续工作.从热工制度来看,连续式热处理炉与轧钢加热炉有相同之处,但是连续热处理炉的温度制度一般更加严格,同一断面炉内的温度均匀性要求更高.
公司设计改造了两台连续式热处理炉:洪都钢厂的辊底式钢管热处理炉和东钢的链条式球墨铸铁管材热处理炉.
洪都钢厂的辊底式钢管热处理炉用于钢管退火,燃料为冷发生炉煤气.采用空气,煤气双预热的组合蓄热式烧嘴和小型三通换向阀等公司专利技术,取得了节能20%和减少钢管表面氧化烧损的明显效果.以前的炉子烧出的钢管表面附着一层氧化皮,现在出炉钢管表面光亮,看不见氧化皮,冷却后接触到这个项目后,提出使用蓄热式燃烧系统来替换原设计的供热系统.公司采用空气,煤气双预热的高炉煤气蓄热式烧嘴已经在多座轧钢加热炉上使用,得到了巨大的经济效益和社会效益,现在将此技术移植到热处理炉上是完全有把握的.预计会收到保证炉温,降低燃耗和减少氧化烧损等多方面的效果.
综上所述,在敞焰加热的连续式热处理炉上使用蓄热式燃烧技术是很有发展前途的,它所收到的减少氧化烧损的效益恐怕比节约燃料所得到的经济效益还要大得多.
2.3 安装蓄热式辐射管的工业炉
有些工业炉为了炉内气氛或工件洁净的需要,要将燃烧产物与工作气氛分开,通常的做法是让燃料在单独的管子空间内燃烧,然后靠管于表面的高温辐射对炉内供热,此种管子称为"辐射管".安装辐射管的工业炉有各种保护气氛的热处理炉,真空热处理炉,搪瓷行业的搪烧炉等.
燃气辐射管一般使用优质气体燃料,最早的燃气辐射管没有余热回收装置,由于炉内温度水平和炉温均匀性的要求,沿管子长度上的温差不能过大(一般不能超过150～200℃),所以辐射管排烟温度只能比管壁温度低150～200 ℃.
对于燃用热值口Qd=4 130×4.18KJ/m3(3上标)的焦炉煤气,管壁温度为1 100 ℃的辐射管,排烟温度以900℃计,此时排烟热损失Qy(y下标)为
在忽略冷态介质显热和散热等其他热损失的前提下(这部分热量很少),辐射管的热效率为
辐射管技术进一步发展,在排烟端装设间壁式的空气换热器,因安装地点受限和换热效率低,空气预热温度一般只有200℃左右,此时排烟温度也只能降至650℃左右,相应排烟热损失口Qy(y下标)为
此时辐射管的热效率为
可见,辐射管的节能潜力很大,但要进一步降低排烟温度,则非蓄热式燃烧技术莫属.蓄热式辐射管同蓄热式烧嘴一样能近乎极限地回收烟气余热,以排烟温度200℃计,此时的排烟热损失Qy(y下标)为
相应辐射管的热效率升至
蓄热式辐射管除节能外,还有能使沿管子长度方向上的温度均匀性得以改善和因消除燃烧局部高温而带来的其它效益:延长管子寿命和减少NOr(r下标)排放等.
公司2002年即着手蓄热式辐射管的开发研制工作.在取得实验室阶段的成功后,马上转入成批制造并投入现场使用.2003年底,批量安装了神雾蓄热式辐射管的一台用于钢板热处理的塔式辊底炉,一次投产成功.为保护气氛热处理炉的节能高效发展开拓了一条新路,目前这一项新技术正在迅速推广使用.
3 非轧钢炉上采用蓄热式燃烧技术一些值得探讨的问题
对于轧钢加热炉上采用蓄热式燃烧技术已经没有什么疑义.本文前述非轧钢炉上使用蓄热式燃烧技术也已获得成功,在同类炉子上应该推广.但并不是所有工业炉都适合蓄热式燃烧技术.笔者根据以往遇到的情况和自己的经验发表如下看法.
3.1 周期式中温热处理炉不适合采用蓄热式燃烧技术
周期式中温热处理炉的最高炉温为900℃左右,而采用蓄热式燃烧的炉子在升温期间的低温段是不启动蓄热换向系统的,只有炉温升至燃料的着火温度,一般700℃以上才开始换向而进入正常的蓄热式燃烧状态.也就是说,中温炉只在700～900℃期间才可发挥蓄热式燃烧的节能效益.另一方面,周期热处理炉必须严格执行热处理工艺曲线,常规的炉于在降温阶段靠调节烟道闸门来控制降温速度,而蓄热式炉采用引风机强制排烟,不但费电还给降温阶段的温度控制带来麻烦.
周期式中温热处理炉最合理的炉型是全纤维炉衬与高速烧嘴相结合.因为用重质耐火材料砌筑的炉子,其炉体蓄热损失在炉子热平衡中占很大比例,改为纤维炉衬后能减少90%的蓄热损失,而这点蓄热式炉不易做到,因为蓄热式烧嘴的烧嘴砖不好与纤维炉衬相配合.高速烧嘴的气流喷出速度高达100m/s以上,高速气流的强烈扰动使工件得到均匀的加热,而蓄热式烧嘴喷口因为要同时兼顾排烟的原故,喷出速度不能太大.
3.2 排烟余热可以用来预热物料或工件的炉于
有些工业炉,高温段的烟气余热可以用来预热进炉物料或工件,使其直接变为工艺有效热,这样比预热助燃空气或燃料本身的节能效果来得更直接,更有效:因此,用烟气余热去预热炉料只要能将排烟温度降到一定程度,哪怕达不到排烟极限温度(比如说300,400℃排烟)也是可取的,因为最后烟气留有一定的热量排人烟囱会加大烟囱抽力,这时可以不装设引风机.不过,由于预热空气,煤气后,可以提高燃烧温度,从而提高炉温,当炉温不够高时还是要考虑预热空气或燃料.
建材,化工等行业这类型炉子很多,如各种焙烧炉,回转窑,隧道窑等.
3,3 采用蓄热式燃烧系统时要注重全面经济效益分析
机械行业的室式锻造加热炉的热效率很低,甚至小于5%.从理论上讲,用蓄热式燃烧技术对其进行改造最为合适.但为数不少的锻造加热炉的工作状况是这样的:早上上班时用儿左右烧出"一炉活",然后锻打几个h;下午再烧一炉就完事.如果花不少的财力物力对这些炉子进行了蓄热式改造,当时测试的热效率指标也会令人满意,但长期下来,算起设备的维修,电能的消耗等就不一定合算了.
4 有些热效率已经很高的炉子用蓄热式燃烧技
术进行改造是为了简化炉子结构和节省钢材
以加热热水或蒸汽为目的的炉子称为"锅炉",以加热空气而得到热风的炉子称为"热风炉"(多用于干燥行业),以加热油为目的的炉子称为"油介质锅炉"或"导热油炉";这类炉子的特点是,它们用各种方法将热量一级一级地利用,例如:锅炉的主炉膛周围布满水冷管壁,称之为"辐射受热面",随后安排了"对流受热面",再后面还有空气预热器,省煤器,直到排烟温度降到200 ℃以下.从热能利用的程度来看,这些炉于已到达极限,它们的热效率已达85%～90%.但如果用蓄热式燃烧技术来完成这些工艺,其炉子结构就简单多了:日本早几年就出现了蓄热式锅炉,其钢材用量只是传统锅炉的一半,当然还可得到蓄热式燃烧技术所特有的环保效益等.
图2为一台以煤气为燃料的蓄热式热风炉示意图.产生热风的部分是一台常规的"钢管式空气换热器",它们置于一个两头装有蓄热式烧嘴的炉膛内.蓄热式烧嘴能轻而易举地将排烟温度降到200℃以下,也就是这台简单的热风炉的热效率可达85%以上.而传统的热风炉,要用几级换热的办法,耗费大量的钢材才能得到较高的热效率.

qimingxing

摘　要 介绍了一种利用高温空气燃烧技术改造W型燃气辐射管加热装置的方案,并通过计算举例,论证了其可行性,分析了新型燃气辐射管的技术性能。蓄热式改造后的装置具有热效率高,表面温度分布均匀,使用寿命延长,污染物排放浓度降低等特点。
关键词  高温空气燃烧；燃气辐射管；节能；低污染
1        前言
    高温空气燃烧（High Temperature Air Combustion,简称HTAC）技术是20世纪90年代初燃料燃烧领域中诞生的一项新技术，它具有高效节能与低NOx、CO2排放等多重优越性。日本、美国及欧洲一些发达国家已将该技术推广应用于冶金、钢铁、机械、化工、陶瓷等众多领域，取得了显著的节能与环保效益[1]。采用HTAC技术改造传统燃气辐射管加热装置也已成为工业加热技术中的热门课题。本文根据HTAC技术的特点，对燃气辐射管加热装置的蓄热式改造方案进行初步探讨。理论计算及分析结果表明改造后的辐射管加热装置热效率提高，表面温度分布均匀，NOx排放浓度显著降低，加热质量提高，装置使用寿命延长，燃烧噪音减弱，具有显著的经济效益及环保效益。
2  传统的燃气辐射管加热装置
    燃气辐射管加热装置是在密封套管内燃烧，通过受热的套管表面以热辐射为主的形式把热量传递到被加热物体，燃烧产物不与被加热物体接触，不会造成燃烧气氛污化或者影响产品质量，炉内气氛及加热温度便于控制和调节，非常适用于产品质量要求高的场合。
    辐射管加热技术最初源于1936年的德国，随着耐热材料的不断开发，产品质量的不断提高，热处理技术的不断进步，美国、日本及欧洲等各国也广泛地采用这一间接加热技术[2]。近几十年来，该技术在我国冶金、机械、轻工等行业中也逐步得到了应用。
    辐射管加热装置主要由管体、烧嘴和废热回收装置等组成。管体是将燃料燃烧释放的热能辐射给被加热物体的关键部件。由于其内表面与燃烧火焰及高温烟气直接接触，工作环境恶劣，容易被局部灼烧、氧化；若沿管体长度方向存在较大的温差，则会产生较大的热应力，同时燃烧时气流的冲击，也会产生一定的震动。因此管体应具有良好的耐热性能，较高的导热系数，强的抗高温氧化能力，小的热膨胀系数，较高的结构强度以及良好的密封性能等。烧嘴是辐射管加热装置的核心，它控制着辐射管的功率、温度分布、热效率及使用寿命。传统的辐射管烧嘴常见的形式有平行流烧嘴和旋流烧嘴，二者均采用常温或预热至200℃~300℃的空气与气体燃料扩散混合燃烧。这种燃烧会产生局部高温区，燃烧的峰值温度较高，辐射管沿长度方向存在较大的温差，对辐射管内表面造成局部高温灼烧及氧化腐蚀；若助燃空气被预热后，燃烧形成的NOx排放浓度也将显著增加。废热回收装置是提高辐射管加热装置热效率的重要部件。早先使用的辐射管加热装置，由于没有设置烟气余热回收装置，排烟热损失较大，其热效率不足50%[2]。后来人们为提高辐射管加热装置的热效率，在辐射管的排烟端设置了废热回收装置，回收排烟余热来预热助燃空气，如图1所示。但是由于废热回收装置采用的是普通的间壁式结构，热回收效果不很理想，空气预热温度仅200~300℃，烟气余热回收率仅30%左右。传统燃气辐射管加热装置的热效率难以突破75%[2]。
3  采用HTAC技术的W型燃气辐射管
    辐射管加热装置有多种形式，如直管型、套管型、U型、W型、P型、O型等，其中以带废热回收装置的U型辐射管加热装置应用较为广泛。由于W型管的形状具有双U型的特点，适当加长其中间段长度可形成双U型辐射管。因此本文以W型辐射管加热装置为例，采用HTAC技术，对其进行技术改造。蓄热式改造主要从高温烟气的高效回收以及高温低氧燃烧两个方面着手，改造方案如图1所示。

图1 采用HTAC技术的W型辐射管结构示意图

（1）采用具有高效余热回收的蜂窝陶瓷蓄热体替代传统的废热回收装置
    回收排烟余热预热助燃空气已被实践证明是一项卓有成效的节能措施。传统的废热回收效率较低，排烟显热损失仍很大，若采用先进的余热回收装置，“极限” 回收辐射管装置的排烟余热，则可大大提高装置的热效率。近些年来开发的蜂窝陶瓷蓄热式换热装置是HTAC技术的关键部件之一[1]。该装置具有蓄热量大，换热速度快，结构强度好，耐高温高压，抗氧化与腐蚀，阻力损失小，经济耐用等特点。其材料主要成分为氧化铝。由于其多孔性结构，换热体积比表面积非常高，高达1389mm2/m3。蜂窝通道呈直线，压力损失小，不易发生粉尘堵塞，由于该蓄热体的高速蓄热与释热，使得切换时间可设定为20~30s。采用该装置，可将1000℃以上的高温烟气降低到200℃以下，常温空气预热到接近高温烟气温度（典型的相差仅50~150℃）。该装置的热效率可达到80%以上[3]。由于该类型蓄热体具有非常高的换热比表面积，蓄热体需要量大幅减少，以至于添加蓄热体后对辐射管的体积影响并不大。文献[4]以炉温为900℃，长度为3m的燃气辐射管加热装置为例进行了理论计算。以焦炉煤气为燃料，过剩空气系数为1.02。选用蜂窝陶瓷蓄热体，其单元间距为1.4 mm×1.4mm，壁厚0.5mm，横截面积为50 mm×50mm。通过计算表明，只需200mm长的这种蓄热体就可将烟气温度降低到200℃，空气温度从室温预热到850℃。与采用传统的空气预热器将空气温度预热到300℃相比，可实现节能21.55%。
（2）采用高温低氧燃烧代替传统的普通空气燃烧
    高温空气燃烧技术主要包含两项基本技术手段：一是将助燃空气预热到较高的温度，达到燃料自燃点以上；一是利用燃烧烟气回流等措施控制燃烧区的含氧体积浓度，使之低于15%，甚至更低。由于助燃空气预热温度很高，燃料除了与氧发生支链反应以外，还伴随着高温分解和热裂化，因而其反应机理十分复杂。中南大学蒋绍坚等人对其燃烧特性进行的实验研究[5]表明高温低氧燃烧火焰具有体积成倍增大，亮度降低，颜色变浅，峰值温度降低，温度场分布均匀，稳定燃烧范围扩大，燃烧噪音低，不存在传统火焰的局部高温高氧区等特点；由于峰值温度降低，燃烧形成的热力型NOx大大减少。
4 改造后燃气辐射管装置的技术性能评价
    如前所述，以蜂窝陶瓷作蓄热体，采用蓄热式燃烧技术，在辐射管出口两端均设置蓄热室，通过四通阀的高频切换，“极限”回收高温烟气余热，实行助燃空气的高温预热。由于高温助燃空气流速很高，卷吸辐射管内的燃烧产物回流，稀释助燃空气，从而降低反应区的含氧体积浓度，实现高温低氧燃烧。同时，可采取空气喷口偏心设置等措施，以延长燃烧火焰的长度。由于助燃空气在入口处形成一股高速贴壁喷射流，大量的助燃空气沿辐射管壁流动，减少了入口段与燃料反应的空气量，使部分燃料发生不完全燃烧。这样，一方面可降低入口段辐射管的壁面温度，有利于均匀整个辐射管的管壁温度，另一方面可增加火焰的辉度，增强其辐射能力。其基本技术性能体现在以下几个方面。
4.1       热效率
    燃气辐射管的热效率是辐射管的一项重要技术性能指标，其计算公式[2]为：
   

                               
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                （1）
式中：η——燃气辐射管热效率，%；
      Qg——燃气输入热量，kJ；
      Qa——预热空气带入热量，kJ；
      Qf——烟气带出热量，kJ。
    以文献[4]中的举例为对象，假设改造前空气预热温度为300℃，改造后空气预热温度升高到850℃，改造前后均采用1.02的过剩空气系数，通过计算，改造前的燃气辐射管加热装置的热效率只有62.21%，而改造后的热效率为85.30%，热效率提高了23.09 %。  高温空气燃烧比常温普通空气燃烧所需的过剩空气系数通常要小一些，比如采用高温空气燃烧只需1.02的过剩空气系数，而采用常温普通空气燃烧可能就需要1.1甚至更高的过剩空气系数。若炉温更高，以及考虑过剩空气系数对热效率的影响，改造前后热效率的增大幅度还会更大。

4.2     辐射管表面温度分布
    燃气辐射管表面温度分布的均匀性也是一个十分重要的技术性能指标，它影响辐射管的加热能力、加热质量以及辐射管的使用寿命。辐射管表面温度分布的均匀性可由其温度不均匀系数[2]来表征，温度不均匀系数越小，温度分布越均匀。工程上通常用辐射管温度分布的偏差来判断其表面温度分布的均匀程度。
    传统的U型辐射管温度分布的差值通常为±20~±50℃[2]。而采用HTAC技术改造后，由于高温空气燃烧火焰自身温度分布的均匀性以及预热空气与高温烟气的高频切换，使辐射管内气流流动频繁换向，辐射管的管壁温度分布更趋均匀，辐射管温度分布的差值其表面温度分布的差值可降低到±10℃左右[4]。
4.3       辐射管的使用寿命
    辐射管的使用寿命受许多因素的影响，燃气辐射管的表面温度分布对辐射管使用寿命影响是不可忽略的。如果辐射管表面温度存在较大的温度差，则由于温度差引起的应力变形或局部过热将造成辐射管损坏，同时也影响辐射管表面输出功率的不均。例如，若辐射管输出功率比额定输出功率增大了一倍，则辐射管的使用寿命将缩短到原来的1/10左右。采用HTAC技术后，这一问题得到了很好的解决。此外，由于采用低过剩空气系数燃烧及燃烧产物回流，降低了辐射管内气氛的氧化性，这对延长辐射管的使用寿命也是十分有利的。
4.4 污染物的排放
    蓄热式高温空气燃烧可大幅度节约燃料，燃烧产物中CO2显著降低，因而减少了温室气体的排放。此外，燃气辐射管排烟中的NOx主要为热力型NOx，因而其NOx的排放浓度主要与炉温、炉内气氛的含氧浓度及高温烟气在炉内的停留时间有关。采用HTAC技术改造后，由于高温空气燃烧火焰的峰值温度降低，温度场分布均匀以及采用低过剩空气系数燃烧及燃烧产物回流降低了燃烧气氛的含氧浓度，热力型NOx的形成受到抑制[1]。同时，辐射管内气流高速流动，缩短了高温烟气在炉内的停留时间，也有利于降低NOx的生成。
5 结论
    蓄热式高温空气燃烧技术应用于燃气辐射管加热装置，可使辐射管表面温度分布更趋均匀、加热能力和加热质量均得到提高,热效率大幅度提高，辐射管使用寿命延长，污染物排放量显著降低。