TW200821389A - Method of reheating in a furnace using a fuel with a low calorific value, and furnace employing this method - Google Patents

Description

200821389 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種以一具有低熱值、通常稱為“貧氣”之 燃料來控制一再加熱火爐，詳言之用於再加熱例如板链、 中述、鑄錠或小埋之鐵及鋼產品的火爐，使欲經再加熱之 ‘ 產品可能達至輥軋所需溫度之方法。 . 【先前技術】 術語’’貧氣"表示熱值在2700 kJ/Sm3與4000 kJ/Sm3之間的 ® 氣態燃料。 該等貧氣一般由一大部分諸如氮氣及二氧化碳之惰性氣 體組成，該等惰性氣體充當壓載氣體且必須在燃燒中經再 加熱，且因此限制理論燃燒溫度。 為舉例，下文中將更詳細描述以一具有低熱值之氣態燃 料(例如鼓風爐氣）來操作的情況。 鼓風爐氣來自鼓風爐，其以生鐵熔煉過程之副產物形式 0 而於此處產生。其主要優點在於其’’免費’f可得，因此具有 將其用作燃料來為位於鋼鐵煉造地點之火爐進料的益處。 然而，由於其包含高含量惰性氣體（亦即N2及co2)之化學 " 組成，因此具有約3 5 0 0 kJ/Sm3之低熱值。為使欲經再加熱 . 之產品一旦自火爐排出即達到輥軋所需溫度，亦即約 1150°C至1280°C，有必要使爐壁及燃燒氣體處於高溫下， 約1300°C至1400°C。根據先前技術，當僅使用貧氣時由理 論燃燒溫度難以達成該等溫度。理論燃燒溫度為在燃燒結 束時可由氣體獲得之最大溫度。其係藉由測定起初以化學 124058.doc 200821389 計量比例或以定義比例採用，且已在恆壓下經受瞬時絕熱 燃燒且與其環境無熱交換之燃料/氧化劑混合物的最終狀 態來計算。因為一方面燃燒從未即刻發生，且另一方面火 焰始終與其環境換熱，所以在火爐中不能獲得理論燃燒溫 度。因此，在特定條件下，事實上僅可能獲得低於理論溫 度之實際火焰溫度。此實際溫度與理論溫度之比值稱 為π高溫效率”。此概念例如在1981年4月公開於Revue Generale de Thermique 第 232 期之文章"Combustibles pauvres dans les fours continus de siderurgie [Lean fuels in continuous iron and steelmaking furnaces(在連續鋼鐵製造 火爐中之貧氣燃料）]’’中經詳細解釋。例如，鼓風爐氣之高 溫效率為0.80。此值係經採用來解釋技術問題，本發明對 此技術問題提供一種解決方案。 因此，火爐中所存在之煙道氣具有對應於實際火焰溫度 之最大溫度。 已知一種增加理論燃燒溫度之方法在於在燃燒器喷嘴上 游預熱燃燒空氣或燃料。 根據先前技術所使用之方法在於經由位於煙道氣線路中 之復熱器或經由蓄熱燃燒器之蓄熱器來預熱參與燃燒之兩 種流體中之一者。 附圖之圖1至圖4為鼓風火爐類型之貧氣燃料之值的表， 其以體積計之組成如下：56.7% N2 ; 24.5% CO ; 16.7% C02 ; 2.0% H2及0.1%其他氣體。於各表頂部指示條件。 圖1中指示之計算值展示藉由預熱燃燒空氣，1250°C之 124058.doc 200821389 空氣溫度並不足以獲得可與富氣所獲得之溫度（亦即 1400°C及更高）相比之煙道氣溫度。此水平之空氣再加熱 溫度且因此更加高之水平並不能藉由位於煙道氣線路中之 工業復熱器而達成。 蓄熱燃燒器（因其而可能將空氣再加熱至高溫）使煙道氣 與經預熱氣體之間可能獲得約15(TC之溫差。然而，以蓄 熱燃燒器再加熱空氣之極限溫度在1150°C與1200°C之間。 因此，不可能藉由僅預熱燃燒空氣而獲得足以將產品再 加熱至1200°C之爐壁溫度。 圖2中指示之計算值展示藉由預熱貧氣，為獲得可與富 氣所獲得之溫度（1400°C及更高）相比之煙道氣溫度，有必 要將其預熱至l〇〇〇°C之溫度。此溫度水平可藉由在蓄熱燃 燒器内進行預熱而達到。然而，因為使此解決方案難以施 行之技術問題，諸如此氣體溫度水平之内在風險及由氣體 在該等溫度下裂化引起之問題的内在風險，所以並未以工 業規模採用此解決方案。因此，不可能僅藉由預熱貧氣而 在工業規模上獲得足以再加熱產品為1200°C之爐壁溫度。 另一種增加理論燃燒溫度之方法在於過氧化燃燒空氣， 亦即增加其氧含量。 圖3中指示之計算值（其中氧化劑處於450°C)展示當甚至 藉由將氧化劑預熱至450°C時，此解決方案仍未令人滿 意，為達成接近1400°C之煙道氣溫度需要氧化劑中之氧含 量為80%。出於安全原因，將幾乎純氧預熱至此溫度並不 以工業規模進行。此外，視工廠及m3氧氣成本而定，此解 124058.doc 200821389 決方案之收益性將極具可變性。出於相同原因，較低之氧 含$與預熱貧氣組合並非一種令人滿意之解決方案。 因此，先前技術中所使用之解決方案僅藉由一種低熱值 燃料並不能令人滿意地使欲經再加熱之產&達至輥乳；需 之溫度。 而 【發明内容】 一種控制一再加熱 中迷、轉鍵或小述

為解決此技術問題，本發明主要在於 火爐’洋吕之為用於再加熱例如板远、 之鐵及鋼產品的火爐，使欲經再加熱之產品可能達至輥軋 所需溫度之方法，該火爐裝備有一復熱器，其特徵在於： -該火爐主要裝備有包括蓄熱器且以開/關模式來操作 之蓄熱型燃燒器； -燃燒器以時間調變方式來操作； -一部分燃燒氣體穿過蓄熱燃燒器之蓄熱器以預熱參與 燃燒之流體中之一者（燃料或氧化劑）；且 -燃燒氣體之剩餘部分穿過復熱器以預熱除在蓄熱器内 經預熱流體以外之參與燃燒之流體。 有利地，僅使用貧氣作為燃料，且將預熱參與燃燒之流 體中之一者至高溫（當其流經燃燒器之蓄熱器時獲得）與預 熱參與燃燒之其他流體（當其流經復熱器時獲得）相組合， 且使得離開火爐之產品可能已經再加熱至所需溫度。 測定煙道氣穿過蓄熱燃燒器之蓄熱器的流速以獲得離開 蓄熱燃燒器之煙道氣的所需溫度及相應地欲經預熱之流體 在已穿過蓄熱器後之所需溫度。 124058.doc 200821389 較佳地’對於在任一對燃燒器之兩個蓄熱燃燒器之間切 換的恆定循環時間而言，對每一循環調節各蓄熱燃燒器以 加熱器模式之操作時間以便燃燒器傳送所需熱值。 為在火爐之點燃階段期間或當未以滿額量操作時違成足 夠火焰溫度，藉由使用位於最接近該復熱器之火爐燃燒器 或藉由使用一或多個輔助燃燒器，使來自復熱器之流體溫

度有利地維持在最小水平上。辅助燃燒器較佳置於復熱器 上游之煙道氣線路中。 有利地使用穿過復熱器之煙道氣的比例來精確控制火爐 内之壓力，以限制空氣之吸入量。 有利地，使貧氣在燃燒器之蓄熱器内預熱至6〇(rc與 8〇〇°C之間的溫度；貧氣具有2700 kJ/Sm3與4000 kJ/Sm3之 間的熱值，氧化劑係藉由在復熱器内預熱至4⑽。◦與6〇〇。〇 之間溫度之空氣而形成，以獲得高於13〇(rc之煙道氣溫 度，使得欲經再加熱之產品可達到U5(rc與128〇<t之間的 溫度。 蓄熱型燃燒器較佳置於火爐之相對側且經分組為相互面 對的燃燒器對，位於_側之—對燃燒器係經控制以交替地 作為燃燒器及作為煙道來操作，而位於另一側之另一對燃 燒器係經控制以交替地作為煙道及作為燃燒器來操作。蓄 熱型燃燒II之數目大於另—類型燃燒器之總數。 在任一對燃燒11之兩個蓄熱燃燒ϋ之間切換的恆定循r 時間有利地在40秒鐘與_、鐘之間且調節每—循環= 熱燃燒器以加熱H模式之操作時間，讀燃燒㈣送所需 124058.doc -10 - 200821389 熱值。 本發明亦係關於一種用於再加熱例如板坯、 或小坯之鐵及鋼產品，使欲經再加熱之產品可能達至輥軋 所需溫度之再加熱火爐，其包括一復熱器，特徵在於其勺 含： 。、匕 _ 一方面，主要地為包括蓄熱器且以開/關模式來操作 之蓄熱型燃燒器； μ

-用於使燃燒器以時間調變模式來操作之構件； -以便使一部分燃燒氣體穿過蓄熱燃燒器之蓄熱器來預 熱參與燃燒之流體中之一者或另一者（燃料或氧化劑 件；及 以便使燃燒氣體之剩餘部分穿過復熱器以供預熱未在 蓄熱器中經預熱之流體（氧化劑或燃料）的構件。 【實施方式】 作為本發明之一例示性實施例’圖4中之表展示在蓄熱 器中將貧氣預熱至7m：之中等溫度與在復熱器中將㈣ 空氣預熱至靴相組合’使得可能達成再加熱產品所需 之火焰溫度。 本發明方法之-特徵在於煙道氣經分布於兩個獨立線路 :，使得視線路而定可能預熱燃料及氧化劑，且該等煙道 孔線路中之至少一者穿過自火爐輸出之煙道氣汲取埶量之 復熱器。 一本發，月方去之另一特徵在於，預熱參與燃燒之流體中之 -者(當其流經燃燒器之蓄熱器時獲得)與預熱參與燃燒之 124058.doc 200821389 另一流體（當其流經復熱器時獲得）相組合由 而使得欲經再加熱之產品可能在離開僅使用貧氣之火姨皿 達到所需溫度 【 需溫度 本發明方法之另-特徵在於，測定穿過蓄熱 熱器之煙道氣的流速以獲得在蓄熱燃燒器出口處之所需: :乳溫度及相應地欲經預熱之流體在已流經蓄熱器後之所

此係因為，為以本發明之貧氣來達成所需火焰溫度而預 熱氧化劑及燃料。為使欲經預熱之流體在離開蓄熱器時達 到所需溫度，有必要使後者(蓄熱器)能夠向該流體傳送相 應熱能。若蓄熱器在先前燃燒器以煙道模式操作期間已達 到足夠溫度，則此係可能的。特定言之，對於給定之蓄敎 =物體*t，此溫度對應於蓄熱器中所儲存之一定量能 ϊ ’在燃燒器以加熱器模式之後續操作期間，—旦欲經預 熱之流體流經蓄熱器，該能量即能夠經轉移至該流體。 根據本發明之該特徵，將在以煙道模式操作期間流經蓄 熱器之煙道氣流速限制為在蓄熱器上達到所产 流速。過量煙道氣流藉由穿過預熱其他參與燃燒之流體的 管狀復熱器而移除至火爐外部，因此有助於使火爐具有良 好之總熱效率。 本發明方法之另一特徵在於，對於在任一對燃燒器之兩 個蓄熱燃燒器之間切換的恆定循環時間而言，調節每一循 環之各蓄熱燃燒器以加熱n模式之操作時間以便燃燒器傳 送所需熱值。 124058.doc -12- 200821389 ^燒器之操作循環時㈣含域器模式之操作時間加上 式之操作時間。對於恆定循環時間而言，由於較低 熱需求而減少加敖哭措γ 士 之㈣㈣，其反映為煙道模式 ==時間增加。由於燃燒器以煙道模式之此較長操 此流經蓄熱器之煙道氣流減小，以使蓄埶考中 =存：能量的量限制為欲經預熱流體在燃燒器以加熱器 =^續操作期間所需之能量。又，過量煙道氣流穿過 立、—他*與燃燒之流體的管狀復熱器而經移除至火料 和因此有助於使火爐具有良好之總熱效率。 «本發明之_例示性實施例’燃燒器之值定循環時間 ’、、、〇 s(60秒鐘）’其中3〇 s之加熱器模式基本操作時間及別 模式操作時間。當燃燒器所需熱值為其標稱值之 T U 益以加熱器模式操作3 0 s ’ j_隨後以煙道模 作3〇 S。當燃燒器所需熱值為其標稱值之50%時，燃 W以加熱#式#作15 s ’且隨後以煙道模式操作45 $。 因為使燃燒器進入加勃ι哭伊> , 、 運入加熱為杈式工作需要一定量之時間，所 以存在加熱器模式之最小操作時間，例如$ s。因此，視敎 需求而定’加熱器模式之操作時間將在5 _〇 s之間，對 =〇:之怪定循環時間而言’加熱時間之至少每秒鐘為煙 道杈式之操作時間增加一秒鐘。 :發：方法之另一特徵在於，穿過管狀復熱器之煙道氣 ^财利地用於精確控制火爐内之壓力，以限制空氣之 吸入篁。根據本發明，經 流係受限的。此導致火濟中器排出之煙道氣 此¥致火爐中存在較大量之煙道氣，其藉由 124058.doc -13- 200821389 作用於煙道氣穿過記錄器或排氣器之抽取速率而有利地用 於控制火爐之壓力水平，其電動馬達經由變頻器來控制以 改變源電流之頻率。 圖5說明本發明之一例示性實施例，展示例如管狀復熱 裔之置於火爐1外部煙道B中之復熱器A的裝置。因此，預 熱燃燒空氣及/或燃料遠離蓄熱型燃燒器2a、2b(圖幻、其 上游而進行。在蓄熱燃燒器2a、㉛中，煙道氣與欲經預熱 流體之間的能量傳遞直接於燃燒器内部進行，或在其緊接 附近，在由#熱材料之壓實塊形成之蓄熱器3a、3b中進 行。 在所示例示性實施例中，預熱燃燒t氣。此係自風扇4 經=進料導管5而傳送至進料嘴6,進料嘴將空氣分布於各 自t備有兩個連續替n蓄六Μ 咬只芰逋道父換态之四條平行線路上。一旦 離開復熱器’經預熱之空氣即由歧管7吸收而經由進料管8 m燃燒煙道线路中，煙道Μ許自火 之煙道氣經帶人復熱器Α，其於彼處經冷卻，向辦 k二軋放出熱量，隨後由煙_9排出。 ‘、、、 現將更詳細地描述蓄熱燃燒器之操作原理。 將㈣熱燃燒心、213成對絲於火爐1上。 '态文裝於火爐之相對縱壁上，成ff·彼jf h + 來，—料 ·" 成對彼此相向。反過 卞—良&器中之—者充當煙道而另一者加熱。 量：C含有詳言之由一電磁閱形成之控制燃料吸人 之悔，“a、4b，詳言之由一節流閱形成之控制經由管8 …吸入量的部件Η’及詳言之由-節流闊形 124058.doc -14- 200821389 成之使得燃燒氣體排出的部件6a、6bu音，同 (例如三通閥)可提供部件5及部件6之兩種功能。 一部件 如圖6所不，當燃燒器2b充當煙道時，排氣部件6b為開 :工氣吸入部件5七為關閉的。燃燒氣體穿過蓄埶p 3b 且隨後排出至大氣中’有利地經由如圖5所示之獨：線 路，穿過線路1 〇排出至煙_ 11。

.:燃燒器孔加熱時，各部件之位置顛倒，且此時燃燒空 氣牙過蓄熱器，隨後與欲燃燒之燃料混合。 口此’各燃燒H交替地以加熱器模式操作，其中循環時 間由持_時間—般在3G秒鐘與12()秒鐘之間之加熱階段與 煙道組成。此時間取決於蓄熱器之容積及其能夠聚積 之熱容量，以及本文未描述之其他參數。 _在圖6中所示之實施例中’燃燒空氣藉由穿過蓄熱器而 經預熱。在另一實施例中’燃料藉由穿過蓄熱器而經預 、根據火爐中之需熱量來調節由加熱器模式之燃燒器所傳 遞之能量。第一調節模式在於藉由在燃燒器以加熱器模式 操作時間期間改變燃料流速來調整燃燒器之功率。有利 地’本發明之調節模式在於保持燃料流速恒定且在於調整 燃燒器以加熱器模式之操作時間。 【圖式簡單說明】 除上述規定以外’本發明由τ文中將關於參考附圖詳細 描述之例轉實施例更明確地解釋之大量其他規定組成， 然而該等例示性實施例絕非限制性的。在該等圖示中： 124058.doc 200821389 圖至圖為政風火爐類型之貧氣燃料的計算值表，其以 體積計之組成如下：56.7% N2; 24 5%⑶；16>7%⑶^ 2·〇% H2及〇.1%其他氣體，其中操作係根據先前技術之方 法； 外與圖1至圖3類似’圖4為鼓風火爐類型之貧氣燃料的計 异值表，其中操作係根據本發明之方法； 圖5為本發明之再加熱火爐的平面示意圖；且 圖6為圖5之火爐穿過兩個面對之蓄熱燃燒器的垂直剖面 圖。 【主要元件符號說明】 火爐 2a、2b 3a、3b 4 4a、4b 5a、5b 6a、6b 蓄熱型燃燒器/蓄熱燃燒器 蓄熱器 風扇 控制燃料吸入量之都杜/田μ 里之口Μ牛/用於使燃燒器以時 間調變模式操作之構件 進料導管 控制燃燒空氣吸入量之部株/ 〈w件/用於使燃燒器 以時間調變模式操作之構件 進料嘴 使燃燒氣體排出之部俥/你 w 1件/使一部分燃燒氣體 穿過蓄熱燃燒器之蓄熱芎 裔M預熱參與燃燒 之流體中之一者或另一者（ 可V然科或氧化劑）的 構件 124058.doc -16- 200821389 7 歧管 8 進料管 9 煙囪 10 線路 11 煙囪 — A 復熱器 • B 煙道 • 124058.doc -17

Claims (1)

1. 200821389 十、申請專利範圍： 一種控制—用於再加熱例如板链、中述、鑄錠或小堪之 鐵及鋼產品之再加熱火爐，使欲經再加熱之產品可能達 至輥軋所需溫度之方法’該火爐裝備有一復熱器 徵在於： ^該火爐主要裝備有包括蓄熱器（3a、3b)且以開/關模 式操作之蓄熱型燃燒器（2a ·、2fc>); -該等燃燒n以時間調變模式來操作； _ 一部分燃燒氣體穿過該等蓄熱燃燒器之該等蓄埶哭 以預熱參與燃燒之流體中之一者（燃料或氧化劑广且 -該等燃燒氣體之剩餘部分穿過該置於該火爐外部一 煙這⑻中之復熱器㈧以預熱除在該等蓄熱器内經預孰 ，流體以外之流體（該氧 2.如請求項！之方法，其特徵在於： -僅使用一貧氣作為燃料；& -將預熱參與該燃燒之該等流體中之一者至高溫(當其 流經該等燃燒_ 70裔之5亥專蓄熱器（3a、3b)時獲得）與預埶泉 與該燃燒之另一流體r杏甘+ . _ (田/、》瓜經該復熱器（A)時獲得）相组 合，且使得離開該火谕夕 现之δ亥專產品可能已經再加熱至該 所需溫度。 3·如請求項1或2之方法 * ▲ # ’/、特徵在於測定該等煙道氣穿過 一畜熱燃燒器之訪苦為_ ^ ^ ^ ^ w…、器的流速以獲得離開該蓄熱燃燒 裔之該寻煙道氣的雨 而〉皿度及相應地該欲經預熱之流體 任匕芽過§亥蓄執哭公 *、、、裔後之所需溫度。 124058.doc 200821389 明求項1或2之方法，其特徵在於對於在任一對燃燒器 之兩個蓄熱燃燒器之間切換的一恆定循環時間而言，調 1每循環之各蓄熱燃燒斋以加熱器模式之操作時間以 便該燃燒器傳送所需熱值。

   月求項1或2之方法，其特徵在於為在該火爐之點燃階 段期間或當未以滿額量操作時達成一足夠火焰溫度，藉 由使用位於最接近該復熱器之該（等）火爐燃燒器或藉由 使用一或多個辅助燃燒器使來自該復熱器（A)之流體溫度 維持在一最小水平上。 6.如請求項5之方法，其特徵在於該等輔助燃燒器係經置 於該復熱器（A)之煙道氣線路上游。 7·如請求項1或2之方法，其特徵在於該穿過該復熱器（A)之 煙運氣的比例有利地用於精確地控制該火爐内之壓力， 以限制空氣之吸入量。 8. 如請求項2之方法，其特徵在於： • _在該等燃燒器之該等蓄熱器中將該貧氣預熱至600。〇 與800°c之間之溫度； •該貧氣具有2700 kJ/Sm3與4000 kJ/Sm3之間之熱值；且 "亥氧化劑係藉由在該復熱器（A)中經預熱至4〇〇。〇與 600 C之間之溫度以獲得高於13〇〇艺之煙道氣溫度，使得 該欲經再加熱之產品可達到i丨5〇〇c與128〇〇c之間之溫度 的空氣而形成。 9. 如請求項1或2之方法，其特徵在於該等蓄熱型燃燒器 (2a、2b)之數目大於另一類型燃燒器之總數。 124058.doc 200821389 11 如睛求項⑷之方法，其特徵在於在任一對燃燒器之兩 個畜熱燃燒器之間切換的該Μ循環時間在4g秒鐘與8〇 心鐘之間’且調節每_循環之各f熱燃燒器以加熱器模 式之操作時間以便該燃燒器傳送該所需熱值。 -㈣於再加熱例如板链、中述、鑄錠或小链之鐵及鋼 產品’使該欲經再加熱之產品可能達至該親軋所需溫度 之再加熱火爐，其包括—復熱器，其特徵在於其包含：

   -一方面’主要為包括蓄熱器（3a、3b)且以開/關模 式操作之蓄熱型燃燒器（2a、2b); •用於使得該等域器（2a、2_時間㈣模式操作 之構件（4a、5a ; 4b、5b); '以便一部分該等燃燒氣體穿過該等蓄熱燃燒器之 該等蓄熱器（3a、3b)以㈣參與該燃燒之該等流體中之 一者或另一者（該燃料或該氧化劑）的構件（6a、6b);及 -以便該等燃燒氣體之該剩餘部分穿過置於該火爐 外部一煙道（B)内之該復熱器（A)以預熱未經在該等蓄熱 器中預熱之該流體（該氧化劑或該燃料）的構件（b)。 12.如請求項11之火爐’其特徵在於該等蓄熱型燃燒器伽、 2b)之數目大於該等其他燃燒器之數目。 124058.doc