CN101113872A - 直接回热燃烧的火焰式加热炉及工作方法 - Google Patents

Abstract

一种直接回热燃烧的火焰式加热炉及工作方法，属加热炉技术领域，用于解决现有蓄热式燃烧加热炉工作状态不断切换的问题。构成中包括炉体、换热装置、送风装置和排烟装置，特别之处是：炉体两侧分别设有空气燃料入口和高温烟气出口，其中每侧的空气燃料入口与另一侧高温烟气出口位置相对应设置。本发明方法炉体各口工作状态无需切换，工作状态稳定。本发明虽仍采用高温排烟方式，但换热过程采用直接回热方式，无需换向，炉温、炉压不再频繁波动，炉膛中燃烧过程非常稳定，从而，解决了因换向造成的炉体易开裂、预热器熔化、软化、变形、破裂、堵塞等问题，大大降低了炉子事故率，提高了炉子作业率，为加热炉稳定连续生产提供了有强有力的技术支持。

Description

直接回热燃烧的火焰式加热炉及工作方法

技术领域

本发明涉及一种带有高温烟气余热回收装置的火焰式加热炉及该加热炉的工作方法，属加热炉技术领域。

背景技术

目前，公知的带有高温烟气余热回收系统的火焰式加热炉采用的是蓄热式燃烧技术。蓄热式燃烧技术集蓄热系统、排烟系统、燃烧系统和炉体结构于一身，蓄热系统、排烟系统、燃烧系统对称布置在炉体两侧，当一侧处于排烟状态(热周期)时，另一侧处于燃料供应状态(冷周期)，过一段时间两侧状态进行切换。蓄热体处于排烟状态时，高温烟气流过蓄热体并向其放热，蓄热体获得热量被加热至高温，烟气放出热量温度下降至150℃左右排入大气；蓄热体处于燃料供应状态时，空气和燃料分别流过各自蓄热体并从蓄热体吸热，蓄热体放出热量温度下降，空气和燃料从蓄热体吸热温度上升至1000℃左右，然后进入炉膛进行弥漫式燃烧。两侧状态通过换向系统进行切换，一般情况下每小时有20~30个换向周期。蓄热式燃烧方式与传统的燃烧方式相比有许多优点。一是蓄热式燃烧方式具有先进的弥漫式燃烧方式，它可将火焰边界扩展到整个炉膛，使炉膛温度十分均匀，不易形成局部高温，不但提高了加热质量，而且可以降低了氧化率；二是蓄热式燃烧方式具有很高的余热回收率及温度效率，可将空、煤气均预热至800-1000℃，不但扩大了燃料的使用范围，使传统加热炉不能利用的劣质燃料(如高炉煤气)变成优质燃料，还大大降低了炉子的单位燃料消耗量，减少了有害气体的排放量；三是由于余热回收装置可以承受较高温度，炉子取消了预热段，这使得炉膛总体温度水平可以提高到加热过程允许的最高水平，使加热炉的单位生产率大大提高。由于以上优点，蓄热式燃烧方式被迅速推广应用于各种火焰加热过程中。

尽管蓄热式燃烧方式有很大优点，但是，自从该技术投入工业运行以来，大量生产实践证明，由于该技术自身的局限，蓄热式燃烧方式从一开始就存在了一些该燃烧方法自身难以解决的、对加热过程及加热设备有严重不利影响的缺陷。众所周知蓄热式燃烧方式属于切换回热燃烧方式，烟气与空气、煤气间的热量交换是通过中间热载体(蓄热体)来传递的，蓄热体工作中的冷、热周期，即蓄热、放热过程的切换必须通过换向系统频繁换向才能实现，这种频繁换向给火焰加热炉的工作过程带来以下几方面的不利影响：

(1)由于每个换向过程都要经历“切断煤气---换向---重新输入煤气”的过程，因此每次换向都会使炉内火焰消失一次，灭火时间一般在三分钟左右，火焰的频繁灭火与着火引起了炉温的频繁波动，这不但使传热温压频繁下降，造成传热速率的降低，还使整个炉衬工作温度频繁变化，引起炉衬温度应力加大，容易造成炉衬开裂，到处跑烟冒火，增加了炉子事故率，降低了炉子作业率，缩短了炉体寿命，严重影响炉子正常运行及生产过程。

(2)换向过程引起炉膛压力的大幅度波动。大量的生产实践证明，当换向切断煤气后炉压一般降至-30Pa左右，换向后炉压又会猛升至+75Pa以上，然后在数秒后缓缓回落，在每次换向周期中有两次炉压的大幅度波动。炉压的大幅频繁波动使加热炉自控系统对压力的控制难度加大，不能使加热炉炉压长期在某个稳定值之下工作，这就造成加热炉工作过程不够稳定，容易出现燃烧工况无法准确调节等各种各样的问题。

(3)蓄热体本身工作在很高温度下，频繁换向又使蓄热体温度也在频繁剧烈变化，在高温及巨大热冲击作用下，蓄热体经常出现熔化、软化、变形、破裂、堵塞等问题。在生产中，蜂窝式蓄热体使用寿命一般在3-6个月，甚至有一个星期就大量碎裂的情况。蜂窝体出现问题后使排烟和燃料、空气供应受阻，严重影响生产。

(4)加热炉换向时，换向阀与喷嘴之间管道中的煤气会被抽出炉外，造成燃料损失，换向周期越短，该项损失越大。

(5)由于在蓄热燃烧方式中，燃烧基本都处于不稳态工况下进行，这就使得炉膛内燃烧过程、传热过程、气体流动过程的复杂性大大增加，再加上生产条件的复杂多样性，因此很难建立起与生产实际相符合的、比较精确的加热模型，正因如此，时下绝大部分加热炉的自动控制及自动调节水平都很低，尽管自控系统的投入率很高，但使用率很低，有时甚至完全放弃自动控制改手动控制，使加热炉事故率大幅上升，炉子作业率大幅下降。

由以上分析可以看出，频繁换向是造成蓄热燃烧过程不稳定、加热炉事故率高，炉子作业率低的直接原因。

发明内容

本发明用于解决上述已有技术之缺陷而提供一种预热温度效率高、不需要换向、加热过程稳定的直接回热燃烧的火焰式加热炉及工作方法。

本发明所称问题是由以下技术方案解决的：

一种直接回热燃烧的火焰式加热炉，构成中包括炉体、换热装置、送风装置和排烟装置，其特别之处是：所述炉体两侧分别设有空气燃料入口-和高温烟气出口-，其中每侧的空气燃料入口与另一侧高温烟气出口位置相对应设置。

上述直接回热燃烧的火焰式加热炉，所述换热装置为位于炉体两侧的高效换热器4，每个高效换热器设有四个接口即：低温烟气出口、高温烟气进口、高温空气燃料出口、低温空气燃料进口，所述各高效换热器的高温烟气进口与炉体的高温烟气出口接通；高效换热器的高温空气燃料出口与炉体的空气燃料入口接通；高效换热器的低温烟气出口和低温空气燃料进口分别连通排烟装置的烟道和送风装置的冷风道及煤气管道。

上述直接回热燃烧的火焰式加热炉，所述高效换热器的高温烟气进口与低温烟器出口位置对应；高温空气燃料出口与低温空气燃料进口位置对应，所述高效换热器内设有蜂窝换热体，其内壁设有保温层。

上述直接回热燃烧的火焰式加热炉，所述排烟装置由相互连通的烟道、引风机、烟囱组成，所述送风装置由相互连通的送风机、冷风道组成。

上述直接回热燃烧的火焰式加热炉工作方法，冷空气及煤气由冷风道及冷煤气管道、高效换热器的低温空气燃料进口连续不断的进入高效换热器中，在其内吸热，被预热至800℃以上，经高温空气出口及位于同侧炉体上的空气燃料入口喷入炉膛进行扩散燃烧，炉内采用弥散燃烧方式，燃烧产物与炉内钢坯进行换热后离开炉膛由炉体另一侧的高温烟气出口及该侧高效换热器的高温烟气进口进入该侧高效换热器中并在其中放出余热，加热空气及煤气，燃烧产物温度降至150℃左右后经低温烟气出口由烟道进入引风机、烟囱排入大气。

本发明在保留蓄热式燃烧技术优点的情况下，克服其存在的缺陷，它仍然采用高温排烟方式，但换热过程采用直接回热方式，无需换向，炉温、炉压不再频繁波动，炉膛中的燃烧过程非常稳定，从而，解决了因换向造成的炉体易开裂、预热器熔化、软化、变形、破裂、堵塞等问题，大大降低了炉子事故率，提高了炉子作业率，为加热炉稳定连续生产提供了有强有力的技术支持。另外，采用本发明技术，燃烧过程、传热过程、气体流动过程都接近稳态过程，过程参数间的关系比非稳态过程简单，可以建立比较精确的加热模型，有利于加热炉实现比较精确的自动控制及调节，使加热质量、加热过程都处于较优参数下，大大增加了加热炉的可控性、可调性、安全性、适应性。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是高效换热器结构示意图；

图3是图1的A-A剖视图。

附图中标号表示如下：1.烟囱；2.引风机；3.烟道；4.高效换热器；4-1.低温烟气出口；4-2.高温烟气进口；4-3.高温空气燃料出口；4-4.低温空气燃料进口；4-5.保温层；4-6蜂窝换热体；5.炉体；5-1.空气燃料入口；5-2.高温烟气出口；6.火焰；7.钢坯；8.水管；9.冷风道；10.送风机；11.煤气管道。

具体实施方式

参看图1，本发明直接回热燃烧的火焰式加热炉的构成中包括炉体5、换热装置、送风装置和排烟装置，炉体5两侧分别设有空气燃料入口5-1和高温烟气出口5-2，其中每侧的空气燃料入口与另一侧高温烟气出口位置相对应设置。加热炉炉体相同一侧的两个口的工作状态不同，且某一侧上部口处于排烟状态时，下部口处于燃料及空气供应状态，而另一侧上部口处于燃料及空气供应状态，下部口处于排烟状态。所述排烟装置由相互连通的烟道3、引风机2、烟囱1组成，送风装置由相互连通的送风机10、冷风道9组成。(注：图1中给出的是本发明直接回热燃烧的火焰式加热炉其中一个截面的结构示意图，在其它截面上的结构设置和工作状况亦如此。)

参看图1～3，所述换热装置为位于炉体两侧高效换热器4，每个高效换热器设有四个接口即：低温烟气出口4-1、高温烟气进口4-2、高温空气燃料出口4-3、低温空气燃料进口4-4，各高效换热器的高温烟气进口4-2与炉体的高温烟气出口5-2接通；高效换热器的高温空气燃料出口4-3与炉体的空气燃料入口5-1接通；高效换热器的低温烟气出口4-1和低温空气燃料进口4-4分别连通排烟装置的烟道3和送风装置冷风道9及煤气管道11。高效换热器的高温烟气进口4-2与低温烟气出口4-1位置对应；高温空气燃料出口4-3与低温空气燃料进口4-4位置对应，高效换热器内设有蜂窝换热体4-6，其内壁设有保温层4-5。高效换热器的作用是将高温烟气中的热量交换至煤气及助燃空气中，也就是将高温烟气余热返回加热炉中用来加热钢坯。

高温空气、煤气喷入炉膛后一边流动，一边进行弥漫式燃烧形成火焰6，火焰的实际边界扩展到整个炉膛周界，炉温非常均匀。火焰通过辐射及对流传热方式将热量传给钢坯7，钢坯在均匀、可控的炉温下按要求进行控制升温。水管8对钢坯有支撑作用，以便实现对钢坯的双面加热，水管的冷却方式有水冷却及汽化冷却两种方式。

本发明的工作方法如下：

带压冷煤气和经送风机10加压后的冷空气，由冷煤气管道11及冷风道9连续不断的经低温空气燃料进口4-4进入高效换热器4中，并在高效换热器中吸热，被预热至800℃以上，然后经由高温空气燃料出口4-3、空气燃料入口5-1喷入炉膛进行扩散燃烧。采用先进的弥散燃烧方式，火焰6的边界扩展到整个炉膛周界，炉膛内没有局部温度很高的火炬，所以炉温非常均匀，这非常有利于炉温的精确控制、减少钢坯的氧化、防止产生加热缺陷及避免粘钢事故。燃烧产物与钢坯7进行适当换热后离开炉膛，经炉体的高温烟气出口5-2和高效换热器的高温烟气进口4-2进入高效换热器4中并在其中放出余热用来加热空气及煤气，当燃烧产物温度降至150℃左右后经由低温烟气出口4-1、烟道3、引风机2、烟囱1排入大气。

上述直接回热燃烧的工作方法与现有蓄热式燃烧工作方法相比最大的区别在于：蓄热式燃烧技术中，加热炉同侧的上、下部喷口都有换热设备且工作状态相同，即同时为排烟状态或燃料供应状态，加热炉两侧状态定期进行换向。本发明直接回热燃烧方法中，炉体上、下部口共用同一个换热器，换热连续不间断进行，同侧上部口与下部口的工作状态不同，这就使每个口的工作状态恒定，作为燃料及空气供应的口可以永远作为燃烧入口，作为排烟的口永远作为排烟口，各口工作状态不用切换，火焰没有中断现象，燃烧过程、气体流动过程、传热过程均为稳态过程，消除了炉温、炉压频繁波动的现象，使加热炉燃烧过程控制及调节、传热过程控制及调节的精度大大提高，钢坯的加热质量有了较好的保证条件，同时加热炉生产率有大幅度提高，自控系统的有效使用率也大大提高。另外，炉温、炉压稳定后，炉体、换热器不再在热振状态下工作，事故率大大降低了，寿命大大延长了，炉子作业率也大大提高了。

Claims (5)

1.一种直接回热燃烧的火焰式加热炉，构成中包括炉体、换热装置、送风装置和排烟装置，其特征在于：所述炉体(5)两侧分别设有空气燃料入口(5-1)和高温烟气出口(5-2)，其中每侧的空气燃料入口与另一侧高温烟气出口位置相对应设置。

2.根据权利要求1所述的直接回热燃烧的火焰式加热炉，其特征在于：所述换热装置为位于炉体两侧的高效换热器(4)，每个高效换热器设有四个接口即：低温烟气出口(4-1)、高温烟气进口(4-2)、高温空气燃料出口(4-3)、低温空气燃料进口(4-4)，所述各高效换热器的高温烟气进口(4-2)与炉体的高温烟气出口(5-2)接通；高效换热器的高温空气燃料出口(4-3)与炉体的空气燃料入口(5-1)接通；高效换热器的低温烟气出口(4-1)和低温空气燃料进口(4-4)分别连通排烟装置的烟道(3)和送风装置的冷风道(9)及煤气管道(11)。

3.根据权利要求2所述的直接回热燃烧的火焰式加热炉，其特征在于：所述高效换热器的高温烟气进口(4-2)与低温烟气出口(4-1)位置对应；高温空气燃料出口(4-3)与低温空气燃料进口(4-4)位置对应，所述高效换热器内设有蜂窝换热体(4-6)，其内壁设有保温层(4-5)。

4.根据权利要求3所述的直接回热燃烧的火焰式加热炉，其特征在于：所述排烟装置由相互连通的烟道(3)、引风机(2)、烟囱(1)组成，所述送风装置由相互连通的送风机(10)、冷风道(9)组成。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的直接回热燃烧的火焰式加热炉工作方法，其特征在于：冷空气及煤气由冷风道(9)及煤气管道(11)、高效换热器的低温空气燃料进口(4-4)连续不断的进入高效换热器(4)中，在其内吸热，被预热至800℃以上，经高温空气燃料出口(4-3)及位于炉体同侧的空气燃料入口(5-1)喷入炉膛进行扩散燃烧，炉内采用弥散燃烧方式，燃烧产物与炉内钢坯(7)进行换热后离开炉膛由炉体另一侧的高温烟气出口(5-2)及该侧高效换热器的高温烟气进口(4-2)进入该侧高效换热器中并在其中放出余热，加热空气及煤气，燃烧产物温度降至150℃左右后经低温烟气出口(4-1)由烟道(3)进入引风机(2)、烟囱(1)排入大气。

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