CN203833966U - 回火炉 - Google Patents

Abstract

一种回火炉，该回火炉包括具有燃烧器的外壳，燃烧器使用由中央回转再生器预热到约550℃的热空气，并且受开/关控制，其中，该回火炉沿纵向细分为：没有燃烧器的入口气闸；加热部分，加热部分配装有一排炉端燃烧器；加热结束和保温部分，加热结束和保温部分在其端部处配装有搅动涡轮机以及炉端燃烧器，加热结束和保温部分在上游被鼻形拱分离，而在下游被悬置的耐火分隔件分离；以及出口或均匀化气闸，出口或均匀化气闸配装有炉端燃烧器、炉膛燃烧器，还配装有搅动涡轮机。这些特征能使能耗达到相对较低，同时使在外壳内达到均匀加热。

Description

回火炉

技术领域

本实用新型涉及适用于处理诸如钢管的金属产品的回火炉。 

背景技术

回火炉必须能够处理由各种等级钢制成的管子，同时监控各种操作参数，尤其是： 

·合适的平均温度； 

·温度均匀性；以及 

·在由冶金学家确定的在温度范围内保持的时间。 

将该炉子及其控制/监控方法设计成：能够确保每个产品热力学上的成功和由此冶金学上的成功。 

该过程的关键因素是能够对所有产品都符合加热目标，同时使生产水平最大化，使运行成本最低(能量、维护、效用等)，以及使污染排放为最小。 

因此，炉子的生产力、炉子的加热质量、炉子的操作灵活性以及对污染排放的控制是回火方法的最重要的特征。 

生产力与以下有关： 

·加热设备使传递到产品的热量为最大同时在均匀性上符合于容差的能力。炉子长度和从烟气中回收的能量确定了炉子的工作效率，并需要按照代表性的生产技术规格书进行优化。选择用于炉子的加热设备和其如何安装在炉子内的方式也会影响到炉子的生产力；以及 

·炉子可用性，其主要取决于维护操作和各种中断，不管是计划的还是其它方式的。 

通过改进生产力，优化设计的炉子可实现非常显著的年度提高。 

为了高质量的加热，热处理需要在产品内、在产品的厚度和沿着其长度有一定水平的温度均匀性。根据处理目标和所要处理的产品，可以要求特殊的加 热曲线，例如，具有较长的、可达45分钟(min)的保温时间的加热曲线。 

加热质量主要取决于所用燃烧器的技术(燃烧区域的范围等)，取决于燃烧器在炉子内的位置(定位)，取决于外壳的形状，以及取决于燃烧器的控制系统。 

回火炉所需要的另一质量是操作灵活性。 

炉子的灵活性是其管理处理一连串批量产品的能力，其可在以下几方面变化： 

·产品的尺寸(直径、长度)； 

·钢的类型；以及 

·炉子内的位置(对中或交错)，同时符合于热处理目标(从炉子排出物的平均温度和均匀性)。 

提高灵活性对于热处理质量和炉子年产量有积极的影响。此外，更为灵活的炉子消耗较少的能量，因为燃烧器仅提供过程所需的刚好足够的能量。 

灵活性主要与过渡时间有关，该过渡时间可在两批产品之间达到。这取决于： 

·所选择的技术：在外壳中具有直接火焰的炉子(与保持部分内的循环涡轮机的条带有关)提供更好的灵活性，因为温度设定点的变化或负载形式的变化以及产量率对于加热要求有直接影响，而没有任何潜热的延迟；以及 

·炉子中燃烧器的构造，以及控制系统(1级和2级的优化)。限制就在于炉子的潜热和加热设备单独处理各批产品的能力。 

还有环境的限制，这些限制适用于运行的回火炉，尤其是涉及污染排放。标准化炉子是联合工厂中主要的排放源。两种化学物类要特别地关注： 

·CO₂，主要的温室气体；以及 

·NO_x，对于生态系统(酸雨、光化学污染、富养作用)、同温层臭氧层以及人类健康有不利影响。 

炉子产生的CO₂量与能耗直接相联系，而NO_x排放在高温下并针对特定的混合条件在烟气中形成。此外，烟气中高氧气水平有助于NO_x的排放。在低于900℃温度下运行的回火炉中，NO_x排放对于设计来说不是关键的元素，因 为火焰温度低于回转炉中的温度，例如低于1300℃。市场上出售的高速燃烧器可毫无困难地符合欧洲和法国的立法。 

回火炉是一种能量、机械和电气系统，其通常很复杂和维护费用昂贵。回火炉的特征在于： 

·多个控制和测量构件； 

·多个经受运动和高水平的热和热机械应力的部分；以及 

·可用性应尽可能接近100％。 

维护是获得优化的特性、同时使设备的可用性达到最大的关键要素。 

在设计阶段必须考虑炉子的维护，以纳入防范性的维护工具和能使空间维护活动尽可能隔开的各种功能。 

显然，加热器装置在炉子特性上占很重的位置。 

多种加热技术可用于该类型的应用： 

·冷空气燃烧器(端部或炉顶安装)； 

·使用由中央蓄热器(recuperator)或中央再生器(端部或炉顶安装)预 

热过的空气的燃烧器； 

·自回流式(recuperative)燃烧器(仅端部安装)； 

·再生式燃烧器(仅端部安装)；以及 

·含氧燃烧的燃烧器(端部或炉顶安装)。 

冷空气燃烧器不合适，因为获得的总能效低下。 

含氧的燃烧器不合适：氧气的成本导致高的运行成本，该运行成本并不能因效率提高而有利可图。此外，低流量的烟气不利于加热的均匀性，特别是在中等和/或低的温度时。 

再生式燃烧器不合适：能量节约是实在的，但该技术涉及使用双倍的功率(循环运行，任何时候只有一半的燃烧器在运行)。相关的额外成本难以获益，并导致燃烧器位置和加热均匀性的问题。 

顺理成章地，自回流式燃烧器自然是优秀之选。 

这些燃烧器的原理是吸回燃烧器头周围产生的大约80％的烟气。回流的烟气通过内部换热器，以预热燃烧空气。 

然而，该方案不适合于回火炉，基于以下原因： 

·自回流式燃烧器难以定位在炉子的中部，因为燃烧器较大的尺寸需要安装较长的炉顶鼻部，由此浪费加热长度。然而，中心区域可配装使用由小型中央蓄热器预热的空气的燃烧器；以及 

·上述混合式方案提供了等价于使用中央回流式换热器的热空气方案(预热到350℃)的能量效率。从以500℃以上的温度离开自回流式燃烧器的烟气中无法进一步获益，而烟气在低于400℃的温度下从蓄热器排出。 

实用新型内容

本实用新型要解决的是外壳内加热不均匀或者均匀度不够以及现有技术中能耗相对较大的技术问题。 

本实用新型的目的是提出一种回火炉和能改进回火方法特性的控制方法。 

为此目的，本实用新型提供一种回火炉，该回火炉包括具有燃烧器的外壳，燃烧器使用由中央回转再生器预热到约550℃的热空气，燃烧器受开/关的控制，其中该炉子沿纵向细分为：没有燃烧器的入口气闸；加热部分，所述加热部分配装有一排炉端燃烧器；加热结束和保温部分，所述加热结束和保温部分在其端部处配装有搅动涡轮机以及炉端燃烧器，所述加热结束和保温部分在上游被鼻形拱分离，而在下游被悬置的耐火分隔件分离；以及出口或均匀化气闸，所述出口或均匀化气闸配装有炉端燃烧器、炉膛燃烧器，还配装有搅动涡轮机。 

这些特征能使能耗达到相对较低，同时使在外壳内达到均匀加热。 

根据可选地完全或部分结合的其它的特征： 

·炉子包括烟气回路和以低速将燃烧空气排入烟气回路的系统，以确保风扇和排气机适当的运行。这能够改进低速下的过程； 

·外壳配装有用于提供免于过高温度(热空气、热烟气)的保护的装置； 

·炉子包括中央再生器系统和强制排出低温烟气的排气机；以及 

·外壳设置有辅助排出烟囱中烟气的系统，烟气可能是“冷”的(低温自然排烟)。 

这可确保炉子优化的运行： 

·在高温(>750℃)形成过程中； 

·在处理温度过渡过程中； 

·在低温备用过程中；以及 

·当炉子启用和停用时。 

本实用新型还提供控制如此炉子的方法。 

该方法包括：用开/关脉冲控制燃烧器以优化燃烧器的点火顺序的步骤，以避免空气和气体管道中的压力波动，以及炉内压力的波动。 

此外，该方法还包括跟踪炉子能量特性、阀门循环次数、各个燃烧器的名义特性、阀门定位和其预期位置之间的匹配等的步骤。特别是，利用专用的气体流量算法和测量、通过调节空气/气体比例的自纠正回路提供对炉子的控制。此外，在炉子长度上监控加热曲线，以在保温过程中确保加热产品长度上的温度均匀性。其中，通过交叉检查对各部分计算的热空气流量(依赖于点火的燃烧器数量，以及运行压力和温度)与计算的和测量的气体流量，控制环路连续地用于纠正炉子的各个部分的空气/气体比例。较佳地，通过以名义速度在一小部分时间内进行脉冲来控制所述燃烧器，以对所述燃烧器进行点火。尤其是，横贯所述炉子的宽度控制加热曲线，从而不管炉子内加载的长度如何并且在所有速度下均确保良好的均匀性。 

阅读以下对本实用新型特殊的非限制性实施例的描述，可以明白到本实用新型其它的特征和优点。 

附图说明

参照附图，其中： 

图1是带有中央回转再生器的燃烧器组件的示意图； 

图2是给定配置中的该系统的桑基(Sankey)图； 

图3是回火炉外壳截面的示意图； 

图4是加热曲线图，沿炉子的各个位置以米为单元绘在横坐标上，温度绘在向上的纵坐标上； 

图5是显示炉子控制回路的示意图； 

图6是比较燃烧器比例控制与开/关脉冲控制的柱状图； 

图7是显示燃烧器点火的时间长度的时间图； 

图8是显示炉子外壳和其细分为多个控制区域的示意图；以及 

图9是类似于图4曲线的加热曲线图，该图绘出特殊实例中的加热曲线。 

具体实施方式

参照附图，特别设计了CMI Greenline回火炉，以满足那些组合专用技术的工业限制规定。 

炉子具有外壳，该外壳呈无燃烧器的入口气闸、鼻形拱(nose arch)、筛网以及出口气闸的形式，其设计成优化加热均匀性。 

外壳配装有前部高速燃烧器，其NO_x排放低，并能在低温下点火(与所谓的“无火焰”技术不同)，这些燃烧器使用由CMI开发的ONOFFSoft算法而处于开/关脉冲控制之下。该算法优化了燃烧器点火顺序，以避免空气和气体管道工程中的压力波动，并还避免炉压的波动。 

外壳沿纵向细分为三个区域，沿宽度细分为五个区域，总共15个加热区域，以使加热适应于宽范围的管子长度和直径。 

在炉子的端部处设置带有弧形碳化硅头的炉膛(hearth)燃烧器，以确保良好的热均匀性，同时能持久。 

炉子还在保持区域内设置有搅动风扇(stirring fan)，以确保均匀加热，尤其是对于具有40分钟以上的保持时间的难度高的加热曲线。 

这有利于更加精确地保证外壳内的均匀加热。 

使用中央回转式再生燃烧器能够提供特定消耗，该特定消耗比标准优化技术(中央蓄热器或自回流燃烧器)的消耗低至少10％，由此，每年显著地节约了天然气的消耗。借助于该方案，燃烧空气可预热到大约550℃以在700℃下进行回火，使系统的总体效率达到约80％。该系统基于众所周知的技术，该技术使用由氧化铝制成的多孔基体的再生器，在加热块、熔化铝、制玻璃炉子等的领域内，氧化铝具有很大工业应用。用于回火炉的该系统的很大优点是其在“低”烟气温度下运行。此外，大约550℃时产生的热空气完全与高速馈送的燃烧器相容，无需求助于特殊的非常高温的阀门。尤其是，近年来CMI已经提供了许多种使用550℃空气的带有脉冲燃烧器的炉子。 

CO₂排放达到最小，如此的排放与能耗有关。 

选择高速的外壳燃烧器来适应NO_x排放限制。应该观察到，脉冲控制可使 排放为最小，因为火焰总是在正常条件下运行。 

炉子设计包括以下元素： 

·用轻混凝土制造耐火材料，以减小炉子惯量或潜热； 

·使用直接火焰燃烧器的设计，即，直接加热炉子外壳的燃烧器，因此，使设定点的变化直接由加热设备无延迟地感知到；以及 

·很好地选定热电偶(TC)在外壳内的定位。举例来说，推荐使用两条热电偶，一条在区域的开始处，另一条在区域的结束处：使用区域结束处的TC，因为它们与管子的热成功目标有关，而区域开始处的TC用于预料各批之间的过渡。该定位应用到加热区域和加热结束区域及加热保持区域。 

设置和布置若干个所谓的“智能保持”模块，例如，能够跟踪炉子的能量特性、开/关阀循环次数、每个燃烧器的名义特性、与阀预期的定位相比的阀定位之间的匹配等。 

炉子配装有用于卸载低速运行的燃烧空气扇的系统，以控制在所有速度下优化的空气压力和炉子控制。 

通过调节空气/气体比例的自纠正回路、通过专用的算法以及三个气体流量测量来控制该炉子。 

下面更详细地描述提供优点的炉子和工艺过程的设计。 

将炉子外形设计成提供加热均匀性，同时确定该方案在技术上和经济上是最佳的方案，表现在以下方面：能效、运行灵活性、维护方便，以及NO_x排放量。 

所提出的构造在于，将中央的再生(CR)系统与控制加热器设备的技术联系起来。 

举例来说，该CR系统就如人们从供应商嘉斯百有限公司(Jasper GmbH)的商标名ECOREG中所知道的，该系统显示在图1中。它按照以下原理运行： 

·圆柱形的多孔基体细分为四等分，该基体安装在连续转动的容器内，以形成回转的再生器； 

·从底部将冷空气馈送到该容器，冷空气垂直向上通过基体，根据炉子速度，空气离开的温度范围在500℃至550℃； 

·从顶部将来自炉子的烟气馈送到该容器，烟气垂直向下通过基体，根 据炉子速度，离开时的温度范围在120℃至250℃；以及 

·空气和烟气在容器内自然保持分离。 

该方案提供以下优点： 

·非常高的效率：可使用以650℃离开炉子的烟气将燃烧空气预热到550℃； 

·该系统比具有管束的回流换热气更加紧凑，因为多孔基体提供非常有利的每单位体积的热交换比例，需要有烟气排气机，但由于烟气是冷的，该排气机的尺寸是合理大小的；以及 

·空气温度在550℃，能够采用全是标准的管道网、阀门和仪表，无需求助于诸如不锈钢那样高质量的材料。燃烧器可有内衬，管道网可衬有外部绝热件。 

该组合是原创的，过去还未曾应用过。 

图2给出了以上条件下的能量平衡。 

炉子的外壳可细分为四个部分： 

·入口气闸，其中，烟气以取决于过程温度的比例通过辐射和对流传送其能量；在高于700℃下，辐射变为主导的； 

·加热部分，其中，产品和外壳之间的温差仍保持很高；在大部分生产情况下，该区域内的加热要求通常非常高； 

·加热结束和保温部分，其中，产品温度以无症状(asymptomatic)的方式趋于处理温度；有长的保温时间，该区域确保期望的均匀性；以及 

·最后，保温部分，其中，加热均匀性上的容差达到期望的平均过程温度。 

更具体来说： 

·入口气闸没有燃烧器； 

·加热部分配装有一排25个炉端燃烧器； 

·加热结束和保温部分具有25个炉端燃烧器，并在上游被拱端(arch end)分离，而在下游被悬置的耐火分隔件分离。该分隔件对于烟气在该部分内的流动的良好隔离是关键的。分隔件的高度根据所要处理管子的最大直径并加上安全裕度来确定。该部分的端部配装有五个搅动涡轮机，它们在长的保温时间期 间(40分钟至45分钟)用来保证温度的均匀性；以及 

·出口或均匀化气闸配装有25个炉端燃烧器，同样地配装有五个搅动涡轮机，以及用于补偿向下损失的七个炉膛燃烧器，尤其是通过炉子排放辊子。 

该细分为多个部分的做法能使加热曲线在炉子长度上得到精确的控制。 

在保温期间，沿管子的温度均匀性通过以下方式得到保证： 

·外壳内燃烧器的构造以及相关的控制和监控(如下文中解释的，控制级联)；以及 

·在分离器壁各侧上的两个热电偶条带和五个涡轮机，能使烟气循环并在炉子端部处搅动烟气。 

该组合确保达到要求的保温均匀性水平，通过保温部分可靠地在±3℃内，在炉子端部处达到±2.5℃内。 

确定每部分加热器功率和涡轮机速度，以在不同确定的生产情形中使产品达到热力学上的成功。加热曲线显示在图4中。 

以下段落解释控制和监控方法如何能够在宽范围的保温时间上获得管子良好的加热均匀性，同时对燃烧(空气/气体比)实现精细的控制。 

控制级联概括了加热设备运行的方式，从燃烧空气扇和天然气膨胀器到每个燃烧器。 

如图5所示，在该级联中实施四个调节回路： 

·在称之为ONOFFSoft方法的燃烧器控制方法的控制之下，燃烧器单独地受到控制(见下文)； 

·过程区域能够控制横贯炉子宽度的加热曲线(见下文)； 

·每个部分(加热、加热结束和保温，以及然后保温)的空气/气体比例在精细控制之下(见下文)；以及 

·最后，不管来自炉子的要求如何，独立地调节空气和气体的运行压力(见下文)。 

自然地，该组合符合有关燃烧装置的EN746-2的安全标准。 

控制级联的优点总结在图5中。这些优点评论如下。 

所有燃烧器经受开/关操作，该操作提供以下优点： 

·火焰始终具有相同的形状：不管炉子加载和温度水平如何，对炉端燃 烧器而言长度相同，对拱式燃烧器而言覆盖范围相同；因此，加热质量恒定不变； 

·由于燃烧器始终在名义工况下运行，NO_x排放降到最小； 

·加强了产品下方烟气的流动，由此，还提高了加热均匀性；以及 

·由于区域热电偶不依赖于燃烧器的设定，由区域热电偶进行的测量更加可靠。长度可在短或长之间变化的火焰可对热电偶有局部的影响，这样，它不考虑该区域的实际平均温度水平。 

开/关控制在于，在名义工况下、在一小部分时间内对炉子燃烧器进行点火。平均来说，释放到外壳内的能量与按比例受控的燃烧器相同(比较图6)。 

开/关控制常见的困难主要是：在相对于燃烧器的压力上游(空气和气体)和压力下游(外壳内)上对燃烧器点火/熄火的潜在影响(波动效应)。 

为了消除这些缺点，考虑各个炉端燃烧器或燃烧器组(炉顶燃烧器四个一组)相对于点火顺序为独立的。ONOFFSoft方法用于： 

·恢复对由加热控制器管理的每个燃烧器的热要求；以及 

·在限制下实施ONOFFSoft优化算法，以寻求优化的点火顺序，从而确保在空气/气体歧管内和烟气回路内“平稳”的平均流量。该ONOFFSoft方法确定最佳循环周期，可选地“细分”点火顺序以获得更佳的优化(比较图7，其中，数字1、2、、…8表示对应的燃烧器或燃烧器组)。 

ONOFFSoft方法由安装在专用服务器(标准配置，无需大的CPU资源)上的程序执行，其与加热控制器通讯。应该观察到，将“紧急”或备份算法编程到控制器内，于是，燃烧器没有ONOFFSoft方法也可继续运行，但性能没有如此之好。 

不管加载的长度如何，为了确保在所有比率下均有良好的均匀性，控制横贯炉子宽度的加热曲线是重要的。 

为此目的，在三个加热部分的每个部分中，横贯炉子宽度将炉子“细分”为五个区域，从而给出总共为20个过程区域。 

每个过程区域均具有热电偶。热电偶并未是双份的，因为如果其中一个失效的话，则网络细到足以在等待将故障的热电偶更换掉时使用邻近的热电偶。 

燃烧器与每个处理区域(每个处理区域五个燃烧器)相连，但每个处理区 域没有附加的阀门和/或仪表，因为燃烧器经受单独的开/关控制。图8示出所建议的细分为过程区域。 

该组合导致真实的加热灵活性，因为如果必要的话，则可改变燃烧器与热电偶的连接，以使加热曲线更细化。 

为了对装置的空气/气体比例达到更好的控制，三个加热部分配装有各自专用的气体馈送歧管，每个歧管具有“自纠正”调节阀和流量测量。 

在燃烧空气的那侧，还规定借助于三个馈送歧管中的每个内的隔膜来测定流量。 

通过交叉检查针对区域所计算的热空气流量(依赖于点火的燃烧器数量，以及运行压力和温度)与计算的和测量的气体流量，伺服控制回路用来连续地控制各个加热部分内的空气/气体比例。 

该简单的和原创的系统对空气/气体比例提供连续的自纠正，由此，导致以下的优点： 

·优化调整空气/气体比例，由此，避免不希望的过度消耗； 

·将炉子内的氧气水平保持在要求的水平上；以及 

·确保燃烧器良好燃烧，以使NO_x的排放量最小，没有任何CO排放。 

最后，在控制级联的头部处，将天然气和燃烧空气的运行压力调节到恒定的设置点上，设置点取决于： 

·加热部分内所需的最大空气/气体比例； 

·燃烧空气的温度；以及 

·空气和气体的参考压力。 

用燃烧空气扇的百叶窗和天然气膨胀器下游的头阀调节这些压力。 

应该观察到，在低速时，即使完全关闭燃烧空气扇的百叶窗，也不能保持燃烧空气扇的设定点压力。为了避免该问题，冷空气和烟气道之间的排放阀确保风扇最小的速率。 

排放系统的另一优点是：甚至在非常低的速度下，该系统也能合适地控制炉子内的压力，使空气排放到烟道内，用来“增压”烟气排气机。 

模拟一个参考的运行，以便建立炉子的加热曲线和量化能量特性。 

运行工况总结在下表中。 

级别	低碳钢
		尺寸	244.5mm×11.99mm×14100mm
目标生产力	58吨/小时(60管/小时)
		处理温度	696℃
保温时间	10分钟

图9给出加热曲线。 

单位消耗量仅为每(公)吨144千瓦(kWh/t)，因为所用的原创方案能够从烟气中回收很大比例的能量。在该计算中，烟气以大约150℃离开，进入烟囱而没有稀释。然后将空气预热到550℃。 

回火炉用来处理多批的管子，管子具有各种特征： 

·格式； 

·级别； 

·目标保温时间，这与冶金学相关；以及 

·处理次数(一次或两次)。 

因此，炉子的年产量与下面有关： 

·炉子每批的最大可能产率：这取决于炉子长度和每个区域内安装的功率。这一点已在上面描述； 

·生产线的编程的或未编程的停工量；以及 

·相继两批管子之间所需的“距离”，以确保所有管子成功地被处理。 

这最后一点以不可忽略的方式促使年度生产量的丢失。因此必须考虑使管子的相继两批之间所需的“距离”为最小： 

·当组织生产时，以使各批之间的过渡尽可能地小(例如，在相继两批之间，避免从550℃的保持温度过渡到800℃)；以及 

·炉子的设计。 

这些选择应能使两批管子之间的距离缩短到小于炉子长度的一半，即，大约10米。 

当然，本实用新型不局限于所述的实施例，但还涵盖落入本实用新型范围 之内的任何变体。 

炉子并不需要以上在优选实施例描述中规定的所有特征。 

Claims (5)

1.一种回火炉，所述回火炉包括具有燃烧器的外壳，所述燃烧器使用由中央回转再生器预热到550℃的热空气，所述燃烧器受开/关的控制，所述炉子沿纵向细分为：没有燃烧器的入口气闸；没有燃烧器的入口气闸；加热结束和保温部分，所述加热结束和保温部分在其端部处配装有搅动涡轮机以及炉端燃烧器，所述加热结束和保温部分在上游被鼻形拱分离，而在下游被悬置的耐火分隔件分离；以及出口或均匀化气闸，所述出口或均匀化气闸配装有炉端燃烧器、炉膛燃烧器，还配装有搅动涡轮机。 

2.如权利要求1所述的回火炉，其特征在于，包括烟气回路和以低速将燃烧空气排入所述烟气回路的系统。 

3.如权利要求1或2所述的回火炉，其特征在于，所述外壳配装有用于提供免于热空气、热烟气的过高温度的保护的装置。 

4.如权利要求1或2所述的回火炉，其特征在于，所述炉子包括中央再生器系统和强制排出低温烟气的排气机。 

5.如权利要求1或2所述的回火炉，其特征在于，所述外壳设置有辅助排出烟囱中烟气的系统。