CN116398878A - 一种用于轧钢加热炉的组合式全氧燃烧系统及其燃烧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于轧钢加热炉的组合式全氧燃烧系统及其燃烧方法，所述加热炉沿钢坯移动方向分为预热段、第一加热段、第二加热段和均热段，在第一加热段、第二加热段和均热段设置了不同组合形式的全氧燃烧器。第一加热段采用第一大功率高速全氧燃烧器和第一小功率低速全氧燃烧器联合使用的加热方式，第二加热段采用第二大功率高速全氧燃烧器和高速氧枪联合使用的加热方式，均热段采用第三大功率高速全氧燃烧器和第二小功率低速全氧燃烧器联合使用的加热方式。本发明组合方式能够提高轧钢加热炉内的燃烧均匀性，使轧钢加热炉内的火焰充满度好，在达到节能降耗目的的同时，还可令加热炉内的坯料受热更加均匀。
Description
技术领域
本发明属于轧钢加热炉技术领域，具体介绍了一种用于轧钢加热炉的组合式全氧燃烧系统。
背景技术
全氧燃烧技术是近代发展起来的节能燃烧技术，它是将传统的空气—燃料燃烧系统改为氧气—燃料燃烧系统。全氧燃烧时助燃剂仅为氧气，相比于空气燃烧和富氧燃烧，烟气中仅有CO2和H2O而无N2，因此烟气体积小、排烟热损失低。同时，全氧燃烧烟气中均为三原子气体，其辐射换热效果也得到提高。此外，全氧燃烧技术有助于减少NOx排放和CO2捕集。因此，全氧燃烧技术成为工业节能降碳的重要手段之一。
轧钢加热炉系统是钢铁行业生产环节中重要的高能耗热工设备。在轧钢加热炉的所有组成系统中，燃烧系统对能耗有着最直接的影响。全氧燃烧技术的特点是传热效率高，排烟损失低，应用于加热炉系统可大大降低能耗。但是，全氧燃烧技术也存在热量过于集中容易产生局部高温的问题，若在加热炉上采用常规燃烧系统的布置方式来安装全氧燃烧器，运行时炉内会出现明显的高温区，最终导致坯料的温度均匀性变差，严重时影响后续轧机的正常生产。
在现有空气助燃和富氧助燃的轧钢加热炉系统中，通常采用直焰烧嘴和平焰烧嘴相结合的方式来进行加热。直焰烧嘴的特点是火焰在炉体空间内的充满度高，加热效果好，但热量较为集中，平焰烧嘴的特点在于火焰搅拌能力强，火焰紧贴炉壁，炉内温度均匀，防止局部过热。但是，相比于空气助燃和富氧助燃的燃烧系统，全氧燃烧系统的火焰温度极高，采用平焰烧嘴进行燃烧容易导致烧嘴本身及炉壁烧损，因此在目前绝大部分的全氧燃烧轧钢加热炉上均采用直焰烧嘴进行加热，这也导致炉内温度均匀性控制难度极大。
目前已公开的轧钢加热炉全氧燃烧专利中涉及燃烧系统布置及组合的较少，中国专利CN114688868A：一种用于轧钢加热炉的全氧燃烧系统，该发明在加热段和均热段的侧墙上下分层，左右叠错布置全氧燃烧器，均热段上部加热段端墙布置单层全氧燃烧器。侧墙上布置的全氧燃烧器，由于热量过于集中，容易造成炉膛中部温度高，侧墙温度低，物料受热温差大的问题，虽在均热段端墙上部布置了单层燃烧器用于改善坯料温度均匀性，但改善时间和空间均有限，控制手段单一。
发明内容
为了解决背景技术提出的问题，本发明提供一种用于轧钢加热炉的组合式全氧燃烧系统，使得轧钢加热炉内的火焰充满度好，燃烧更加均匀，在达到节能降耗目的的同时，还可令加热炉内的坯料受热更加均匀。
为了达到上述目的，本发明采用以下全氧燃烧系统的组合方案来实现：
一种用于轧钢加热炉的组合式全氧燃烧系统，助燃系统中的助燃剂采用全氧，所述加热炉沿钢坯移动方向分为预热段、第一加热段、第二加热段和均热段，
所述第一加热段包括第一大功率高速全氧燃烧器和第一小功率低速全氧燃烧器，两种燃烧器各一只上、下布置组成一组燃烧器，每组燃烧器中所述第一小功率低速全氧燃烧器离钢坯的距离相比于所述第一大功率高速全氧燃烧器离钢坯距离要近，多组燃烧器在第一加热段侧墙沿第一加热段轴线方向上、下交错布置；
所述第二加热段包括第二大功率高速全氧燃烧器和高速氧枪，所述第二大功率高速全氧燃烧器和高速氧枪各一只组成一组燃烧器，高速氧枪布置在以所述第二大功率高速全氧燃烧器为中心，半径为R的范围内，每组燃烧器在第二加热段侧墙沿第二加热段轴线方向上、下交错布置；
所述均热段包括第三大功率高速全氧燃烧器和第二小功率低速全氧燃烧器，所述第三大功率高速全氧燃烧器在均热段侧墙沿均热段轴向上下交错布置，所述第二小功率低速全氧燃烧器在均热段端墙上、下水平布置；
所述第一大功率高速全氧燃烧器、第二大功率高速全氧燃烧器以及第三大功率高速全氧燃烧器，上述三种大功率高速全氧燃烧器额定功率下燃烧产生烟气的初始流速均大于100m/s；
所述第一小功率低速全氧燃烧器和第二小功率低速全氧燃烧器，上述两种小功率低速全氧燃烧器额定功率下燃烧产生烟气的初始流速均小于80m/s；
所述高速氧枪，其额定功率下氧气喷射流速为超音速。
每组燃烧器中所述第一小功率低速全氧燃烧器离钢坯的距离相比于所述第一大功率高速全氧燃烧器离钢坯距离近100~500mm。
所述R的取值范围为1000-2000mm。
所述预热段采用烟气逆流加热方式。
所述第二大功率高速全氧燃烧器和高速氧枪喷射的总氧气流量为理论需氧量的1.02-1.05倍，其中30%~80%的氧气流量由所述第二大功率高速全氧燃烧器提供，剩余部分由高速氧枪提供；所述理论需氧量是根据所述第二大功率高速全氧燃烧器的燃料喷射量和燃料的组成计算得来。
本发明进一步公开了一种基于所述用于轧钢加热炉的组合式全氧燃烧系统的燃烧方法，包括以下步骤：
（a）第一加热段中，通过第一大功率高速全氧燃烧器使第一加热段中部温度快速上升，通过第一小功率低速全氧燃烧器使第一加热段靠侧墙位置的物料得到有效加热，这种双燃烧器的组合方式使得第一加热段内的火焰充满度增大，物料受热面积增大，以使刚入炉的冷物料得到快速均匀加热；
（b）第二加热段中，通过第二大功率高速全氧燃烧器在缺氧条件下进行燃烧，由于大量可燃物未完全反应，其火焰燃烧温度大幅降低，高速氧枪将剩余的氧气以超音速喷入炉膛，卷吸大量靠近侧墙的低温烟气与未燃尽的可燃物进行弥散燃烧；
（c）均热段中，通过均热段侧墙上的第三大功率高速全氧燃烧器对炉膛中部物料进行加热，通过端墙上的第二小功率低速全氧燃烧器对物料各段的上下表面进行加热，同时低于80m/s的烟气流速能够减少对侧墙上第三大功率高速全氧燃烧器火焰的冲击，实现更好的均热效果。
本发明采用组合式全氧燃烧系统，通过多种调控方式实现加热炉内温度场的均匀分布，避免局部高温，提高坯料的温度均匀性，提升产品质量：
（a）第一加热段采用第一大功率高速全氧燃烧器和第一小功率低速全氧燃烧器联合使用的加热方式，第一大功率高速全氧燃烧器可以使第一加热段中部温度快速上升，第一小功率低速全氧燃烧器可以使第一加热段靠侧墙位置的物料得到有效加热。这种双燃烧器的组合方式使得第一加热段内的火焰充满度增大，物料受热面积增大，有利于刚入炉的冷物料得到快速均匀加热，同时也有利于实现部分炉窑增产的需要。
（b）第二加热段采用第二大功率高速全氧燃烧器和高速氧枪联合使用的加热方式，第二大功率高速全氧燃烧器在30%~80%的氧气流量下工作，即缺氧条件下进行燃烧，由于大量可燃物未完全反应，其火焰燃烧温度大幅降低，高速氧枪将剩余的氧气以超音速喷入炉膛，卷吸大量靠近侧墙的低温烟气与未燃尽的可燃物进行弥散燃烧，而第二加热段的运行温度通常较高，可保证可燃物完全反应。该种组合方式改善了第二大功率高速全氧燃烧火焰温度高、热量集中的问题，同时高速氧枪增加了该区域的烟气扰动和循环。
（c）均热段采用第三大功率高速全氧燃烧器和第二小功率低速全氧燃烧器联合使用的加热方式，侧墙上的第三大功率高速全氧燃烧器可对炉膛中部物料进行加热，端墙上的第二小功率低速全氧燃烧器可对物料各段的上下表面进行加热，同时较低的烟气流速可减少对侧墙上第三大功率高速全氧燃烧器火焰的冲击，实现更好的均热效果。
附图说明
图1是本发明所述的一种轧钢加热炉及组合式全氧燃烧系统的外部结构示意图；
图2是本发明所述的一种轧钢加热炉及组合式全氧燃烧系统A-A剖面示意图；
图3是本发明所述的一种轧钢加热炉及组合式全氧燃烧系统B-B剖面示意图；
图4是本发明所述的一种轧钢加热炉及组合式全氧燃烧系统C-C剖面示意图；
图中：1. 预热段；2. 第一加热段；3. 第二加热段；4. 均热段；5. 钢坯；6-1. 第一大功率高速全氧燃烧器；6-2.第二大功率高速全氧燃烧器；6-3.第三大功率高速全氧燃烧器；7-1. 第一小功率低速全氧燃烧器；7-2. 第二小功率低速全氧燃烧器；8. 高速氧枪。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，一种用于轧钢加热炉的组合式全氧燃烧系统，将加热炉分为预热段1、第一加热段2、第二加热段3和均热段4。
预热段1采用烟气逆流加热方式。
第一加热段2采用第一大功率高速全氧燃烧器6-1和第一小功率低速全氧燃烧器7-1联合使用的加热方式，第二加热段3采用第二大功率高速全氧燃烧器6-2和高速氧枪8联合使用的加热方式，均热段4采用第三大功率高速全氧燃烧器6-3和第二小功率低速全氧燃烧器7-2联合使用的加热方式。助燃系统中的助燃剂采用全氧。
第一加热段2采用额定功率下燃烧产生烟气的初始流速为120m/s的第一大功率高速全氧燃烧器6-1和额定功率下燃烧产生烟气的初始流速为60m/s的第一小功率低速全氧燃烧器7-1联合使用的加热方式。第一大功率高速全氧燃烧器6-1和第一小功率低速全氧燃烧器7-1各一只上下布置组成一组燃烧器，每组燃烧器中第一小功率低速全氧燃烧器7-1离钢坯5较近，第一大功率高速全氧燃烧器6-1离钢坯5较远，每组燃烧器在第一加热段侧墙上下交错布置，如图1和图3所示。
第二加热段3采用额定功率下燃烧产生烟气的初始流速为120m/s第二大功率高速全氧燃烧器6-2和高速氧枪8联合使用的加热方式，第二大功率高速全氧燃烧器6-2和高速氧枪8各一只组成一组燃烧器，高速氧枪8布置在第二大功率高速全氧燃烧器6-2附近1000mm位置，每组燃烧器在第二加热段侧墙上下交错布置，如图1和图2所示。
均热段4采用额定功率下燃烧产生烟气的初始流速为120m/s的第三大功率高速全氧燃烧器6-3和额定功率下燃烧产生烟气的初始流速为60m/s的第二小功率低速全氧燃烧器7-2联合使用的加热方式，第三大功率高速全氧燃烧器6-3在侧墙上下交错布置，第二小功率低速全氧燃烧器7-2在端墙上下水平布置，如图1和图4所示。
助燃系统中的助燃剂采用全氧；
所述第一大功率高速全氧燃烧器、第二大功率高速全氧燃烧器以及第三大功率高速全氧燃烧器，上述三种大功率高速全氧燃烧器额定功率下燃烧产生烟气的初始流速均大于100m/s；
所述第一小功率低速全氧燃烧器和第二小功率低速全氧燃烧器，上述两种小功率低速全氧燃烧器额定功率下燃烧产生烟气的初始流速均小于80m/s；
所述高速氧枪，其额定功率下氧气喷射流速为超音速。
一种基于所述用于轧钢加热炉的组合式全氧燃烧系统的燃烧方法，包括以下步骤：
（a）第一加热段中，通过第一大功率高速全氧燃烧器使第一加热段中部温度快速上升，通过第一小功率低速全氧燃烧器使第一加热段靠侧墙位置的物料得到有效加热，这种双燃烧器的组合方式使得第一加热段内的火焰充满度增大，物料受热面积增大，以使刚入炉的冷物料得到快速均匀加热；
（b）第二加热段中，通过第二大功率高速全氧燃烧器在缺氧条件下进行燃烧，由于大量可燃物未完全反应，其火焰燃烧温度大幅降低，高速氧枪将剩余的氧气以超音速喷入炉膛，卷吸大量靠近侧墙的低温烟气与未燃尽的可燃物进行弥散燃烧；
（c）均热段中，通过均热段侧墙上的第三大功率高速全氧燃烧器对炉膛中部物料进行加热，通过端墙上的第二小功率低速全氧燃烧器对物料各段的上下表面进行加热，同时低于80m/s的烟气流速能够减少对侧墙上第三大功率高速全氧燃烧器火焰的冲击，实现更好的均热效果。
进一步优选的，所述第二大功率高速全氧燃烧器和高速氧枪喷射的总氧气流量为理论需氧量的1.02-1.05倍，其中30%~80%的氧气流量由所述第二大功率高速全氧燃烧器6-2提供，剩余部分由高速氧枪8提供；所述理论需氧量是所述第二大功率高速全氧燃烧器的燃料喷射量和燃料的组成计算得来。
以高炉煤气为例：
大功率高速全氧燃烧器燃料为高炉煤气，其喷射量是100Nm3/h，其成分为2.3%H2，23.4%CO，14.6%CO2，54.7%N2以及5%H2O。
高炉煤气内的H2和CO会发生以下反应：
2H2+O2=2H2O
2CO+O2=2CO2
根据方程式，1Nm3氢气燃烧需要0.5Nm3氧气，1Nm3一氧化碳燃烧需要0.5Nm3氧气，则100Nm3/h高炉煤气完全燃烧需要的理论需氧量为12.9Nm3/h的O2。
以甲烷为例
大功率高速全氧燃烧器的燃料为甲烷，喷射量是100Nm3/h，成分为CH4，CH4燃烧发生以下反应：
CH4+2O2=CO2+2H2O
根据方程式，1Nm3甲烷燃烧需要2Nm3氧气，则100Nm3/h CH4理论上完全燃烧需要200Nm3/h的O2。
Claims (6)
1.一种用于轧钢加热炉的组合式全氧燃烧系统，助燃系统中的助燃剂采用全氧，所述加热炉沿钢坯移动方向分为预热段、第一加热段、第二加热段和均热段，其特征在于，
所述第一加热段包括第一大功率高速全氧燃烧器和第一小功率低速全氧燃烧器，两种燃烧器各一只上、下布置组成一组燃烧器，每组燃烧器中所述第一小功率低速全氧燃烧器离钢坯的距离相比于所述第一大功率高速全氧燃烧器离钢坯距离要近，多组燃烧器在第一加热段侧墙沿第一加热段轴线方向上、下交错布置；
所述第二加热段包括第二大功率高速全氧燃烧器和高速氧枪，所述第二大功率高速全氧燃烧器和高速氧枪各一只组成一组燃烧器，高速氧枪布置在以所述第二大功率高速全氧燃烧器为中心，半径为R的范围内，每组燃烧器在第二加热段侧墙沿第二加热段轴线方向上、下交错布置；
所述均热段包括第三大功率高速全氧燃烧器和第二小功率低速全氧燃烧器，所述第三大功率高速全氧燃烧器在均热段侧墙沿均热段轴向上下交错布置，所述第二小功率低速全氧燃烧器在均热段端墙上、下水平布置；
所述第一大功率高速全氧燃烧器、第二大功率高速全氧燃烧器以及第三大功率高速全氧燃烧器，上述三种大功率高速全氧燃烧器额定功率下燃烧产生烟气的初始流速均大于100m/s；
所述第一小功率低速全氧燃烧器和第二小功率低速全氧燃烧器，上述两种小功率低速全氧燃烧器额定功率下燃烧产生烟气的初始流速均小于80m/s；
所述高速氧枪，其额定功率下氧气喷射流速为超音速。
2.根据权利要求1所述的用于轧钢加热炉的组合式全氧燃烧系统，其特征在于，每组燃烧器中所述第一小功率低速全氧燃烧器离钢坯的距离相比于所述第一大功率高速全氧燃烧器离钢坯距离近100~500mm。
3.根据权利要求1所述的用于轧钢加热炉的组合式全氧燃烧系统，其特征在于，所述R的取值范围为1000-2000mm。
4.根据权利要求1所述的用于轧钢加热炉的组合式全氧燃烧系统，其特征在于，所述预热段采用烟气逆流加热方式。
5.根据权利要求1所述的用于轧钢加热炉的组合式全氧燃烧系统，其特征在于，所述第二大功率高速全氧燃烧器和高速氧枪喷射的总氧气流量为理论需氧量的1.02-1.05倍，其中30%~80%的氧气流量由所述第二大功率高速全氧燃烧器提供，剩余部分由高速氧枪提供；所述理论需氧量是根据所述第二大功率高速全氧燃烧器的燃料喷射量和燃料的组成计算得来。
6.一种基于权利要求1~5中任一所述用于轧钢加热炉的组合式全氧燃烧系统的燃烧方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）第一加热段中，通过第一大功率高速全氧燃烧器使第一加热段中部温度快速上升，通过第一小功率低速全氧燃烧器使第一加热段靠侧墙位置的物料得到有效加热，这种双燃烧器的组合方式使得第一加热段内的火焰充满度增大，物料受热面积增大，以使刚入炉的冷物料得到快速均匀加热；
（b）第二加热段中，通过第二大功率高速全氧燃烧器在缺氧条件下进行燃烧，由于大量可燃物未完全反应，其火焰燃烧温度大幅降低，高速氧枪将剩余的氧气以超音速喷入炉膛，卷吸大量靠近侧墙的低温烟气与未燃尽的可燃物进行弥散燃烧；
（c）均热段中，通过均热段侧墙上的第三大功率高速全氧燃烧器对炉膛中部物料进行加热，通过端墙上的第二小功率低速全氧燃烧器对物料各段的上下表面进行加热，同时低于80m/s的烟气流速能够减少对侧墙上第三大功率高速全氧燃烧器火焰的冲击，实现更好的均热效果。
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