河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院.doc

河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢 業(yè) 論 文論文題目：板帶材控制軋制和控制冷卻 系 別 材料工程系 專業(yè)年級 03 金屬材料 5班 學(xué)生姓名 齊朝 學(xué)號 37號 指導(dǎo)教師 張景進 職稱 教授 日 期 2006年4月11日 緒論用蓄熱室來預(yù)熱空氣和燃料是一項較早的技術(shù)，但由于其換向閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、控制系統(tǒng)不可靠、換向時間長、效率比較低，因此沒有得到重視，因而換熱器技術(shù)得到迅速發(fā)展。由于二十世紀七十年代的能源危機后，節(jié)能工作得到各個國家的重視，加之科學(xué)技術(shù)的不斷進步，出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，可靠性強的換向系統(tǒng)。因此近十年來蓄熱式燃燒技術(shù)得到長足發(fā)展，各個國家都在研究各種蓄熱式燒嘴和高效蓄熱式燃燒技術(shù)，以及高風(fēng)溫燃燒技術(shù)。蓄熱式步進加熱爐的最大特點是利用蓄熱體對空氣進行預(yù)熱，在加熱過程中兩個蓄熱體處于蓄熱與放熱不斷交替的狀態(tài)中，從而提高空氣預(yù)熱溫度，使排煙溫度控制在 100150。蓄熱式加熱爐工作的關(guān)鍵在于控制兩個蓄熱體在蓄熱與放熱狀態(tài)之間交換，如果兩個蓄熱體不能及時進行交換，就會使處于蓄熱狀態(tài)的蓄熱體溫度過高而失去從煙氣中吸收熱量的作用，同時，處于放熱狀態(tài)的蓄熱體溫度過低而失去對空氣進行預(yù)熱的作用。蓄熱式加熱爐應(yīng)用與改造及其發(fā)展趨勢摘 要 ：本文通過介紹蓄熱式加熱爐的應(yīng)用效果及特點等情況，表明高效蓄熱式燃燒技術(shù)應(yīng)用在燃油加熱爐上也是一項高效、節(jié)能和環(huán)保的先進技術(shù)，提出國內(nèi)蓄熱式加熱爐的發(fā)展方向及趨勢。關(guān)鍵詞 ： 蓄熱 燃油加熱爐 節(jié)能 環(huán)保 國內(nèi)蓄熱式加熱爐對比發(fā)展趨勢前言：步進式，其缺點是利用換熱器進行空氣預(yù)熱，預(yù)熱溫度低，排煙溫度高，抑制了加熱爐加熱能力的提高。隨著帶鋼生產(chǎn)節(jié)奏的不斷加快，加熱爐越來越不能適應(yīng)帶鋼生產(chǎn)，為此，2002年11月將原步進加熱爐改為蓄熱式步進加熱爐。用蓄熱室來預(yù)熱空氣和燃料是一項較早的技術(shù)，但由于其換向閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、控制系統(tǒng)不可靠、換向時間長、效率比較低，因此沒有得到重視，因而換熱器技術(shù)得到迅速發(fā)展。由于二十世紀七十年代的能源危機后，節(jié)能工作得到各個國家的重視，加之科學(xué)技術(shù)的不斷進步，出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，可靠性強的換向系統(tǒng)。因此近十年來蓄熱式燃燒技術(shù)得到長足發(fā)展，各個國家都在研究各種蓄熱式燒嘴和高效蓄熱式燃燒技術(shù)，以及高風(fēng)溫燃燒技術(shù)。為此，根據(jù)所了解的情況進行對比分析。1.1燃燒控制系統(tǒng)的主要功能及其結(jié)構(gòu)加熱爐燃燒控制系統(tǒng)的主要功能有：燃燒控制；爐膛壓力控制；助燃風(fēng)機及空氣壓力控制；換熱器保護控制。1.11系統(tǒng)可分為兩級。二級為監(jiān)控計算機系統(tǒng)，主要完成加熱爐最佳燃燒設(shè)定控制；一級由西門子公司的可編程控制器S5-155U(C-PLC)和操作員工作站(MMI)COROS-LB及其相應(yīng)檢測執(zhí)行元件系統(tǒng)來完成其功能的。系統(tǒng)采用遠程輸入輸出組件ET-200，通過L2-DP數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)來完成數(shù)據(jù)采集和設(shè)備驅(qū)動。通過操作員工作站的20幾幅畫面可對爐內(nèi)燃燒狀況進行監(jiān)視并進行相應(yīng)操作。通常C-PLC接受來自監(jiān)控計算機的溫度設(shè)定值進行溫控，亦可直接在MMI上人工設(shè)定溫度進行控制。助燃風(fēng)機控制采用西門子SIMOVERT-MASTER交直交變頻傳動控制裝置。燃燒控制系統(tǒng)共控制8個燃燒段，每段控制結(jié)構(gòu)基本相同，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。1.12加熱溫度曲線的確定最佳加熱溫度曲線實際上是由靜態(tài)的溫度加熱曲線和在實際控制中動態(tài)的修正以完成最佳加熱溫度控制的過程。在確定最佳加熱溫度曲線時，其控制要求呈多樣性，諸如最大的產(chǎn)量、最小的燃料消耗、耐火材料和換熱器的壽命、合適的出爐溫度以及最小的脫碳和氧化鐵皮損耗等等。顯然，各種要求是有著互相制約的關(guān)系的，系統(tǒng)只能根據(jù)某種原則來進行最佳控制。1.13 脫炭的計算 鋼氧化和脫碳現(xiàn)象的量化表述是坯料的氧化物的厚度和鋼坯上下表面脫碳的深度，脫碳深度可以從鋼坯的厚度角度來理解。氧化和脫碳分別以氧化層和脫碳層的形式動態(tài)擴散，系統(tǒng)用一組描述氧化和脫碳擴散動力學(xué)的微分方程同時解出氧化和脫碳的深度，其深度初始值一般設(shè)定為0。在方程中，爐壓和鋼種將作為其中的變量。1.4加熱爐和坯料的熱交換計算這主要基于爐內(nèi)相應(yīng)坯料的表面溫度和爐內(nèi)縱向相應(yīng)位置溫度的熱交換。如果我們設(shè)想爐內(nèi)是由許多溫度元素在加熱爐內(nèi)部進行熱量的傳遞交換，那么實際上，這些溫度元素之間的熱交換以及與相應(yīng)坯料的熱交換是不同的。各燃燒控制區(qū)段縱向相應(yīng)位置的熱電偶所采集的溫度實際上是火焰、爐膛、爐頂、燃燒煤氣和鋼坯之間的熱交換綜合效應(yīng)的反映。故可根據(jù)Stefan-Boltzmann輻射熱交換定律得出在爐內(nèi)溫度元素i和鋼坯j的熱交換Fij為Fij=Kij(Ti4Tj4)因為熱交換并不僅僅在機械物體上發(fā)生，在加熱爐和坯料之間也存在著熱傳遞和熱導(dǎo)現(xiàn)象。雖然對于相對于有效的熱傳遞，此類現(xiàn)象的影響不大，但也必須考慮。式中Kij作為可調(diào)整常數(shù)，可在調(diào)試時確定。1.5坯料內(nèi)部溫度計算鋼坯內(nèi)部的熱擴散過程可以用有限差分法解傅立葉差分方程的數(shù)學(xué)模型來描述：其中K為物料的熱傳導(dǎo)系數(shù)；Cp為比熱；D為鋼的密度；t為時間；T為鋼坯厚度方向的任意一點的溫度；參數(shù)K和Cp是溫度和鋼種的函數(shù)。坯料中的熱擴散方程如下：其中x和y是把鋼坯的橫截面作為坐標系其中的任意一點。方程式有解的條件是：時間t0時，溫度T=T0且0xhx；0yhy其中hx是坯料的厚度；hy是坯料的寬度。1.6由于上述各類因素所表征的爐況特性的實際性將使模型計算出的鋼坯溫度出現(xiàn)偏差。為了實時修正這個偏差，系統(tǒng)設(shè)置了溫度自適應(yīng)控制功能，即系統(tǒng)在鋼坯出爐后經(jīng)高壓水除鱗和開坯機軋制一道次后由紅外測溫裝置進行一次溫度測量，該測量值送監(jiān)控計算機，經(jīng)過對相應(yīng)鋼種的坯料一段時間測量后的統(tǒng)計計算，加之采集并考慮鋼坯出爐至測溫裝置的時間因素，計算出鋼坯實際出爐溫度并和數(shù)學(xué)模型所計算的出爐溫度比較得出修正值。當(dāng)這種補償經(jīng)過一定量的統(tǒng)計分析后，系統(tǒng)將自動產(chǎn)生對應(yīng)這個鋼種的有效補償數(shù)據(jù)而修正數(shù)學(xué)模型。溫度控制回路各段的溫度控制回路控制框圖如圖3所示。溫度控制回路的溫度設(shè)定可有二種方式，其一為遠程設(shè)置，其二為本地設(shè)置。遠程設(shè)置值來自監(jiān)控計算機系統(tǒng)。本地設(shè)置值來自C-PLC相應(yīng)的MMI跟蹤站，由操作工根據(jù)需要和經(jīng)驗設(shè)定。但監(jiān)控計算機仍然進行實際鋼溫和最佳加熱曲線所設(shè)計的鋼溫溫差計算，但僅作為顯示，不參與控制。遠程控制和本地控制通過選擇開關(guān)控制。爐膛溫度反饋通過雙支熱電偶采集后通過溫度變送器直接輸入C-PLC。其后的各種處理則均以軟件完成。溫度報警中可設(shè)定溫度的上下限值，當(dāng)此值達到并持續(xù)確定的時間，系統(tǒng)將使相應(yīng)的煤氣切斷閥動作，停止供熱。熱電偶兩路采集為可靠起見，操作工可通過檢測切換來選擇通路A或通路B或二者取高值者作為溫度實際值。系統(tǒng)根據(jù)遠程給定或本地給定和基于采集的溫度實際值進行相應(yīng)的數(shù)學(xué)計算產(chǎn)生的鋼坯實際溫度的偏差而給出控制調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)輸出量。煤氣空氣交叉限幅控制在通常的燃燒控制系統(tǒng)中，采用串級比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。溫度調(diào)節(jié)器的輸出直接作為空氣流量調(diào)節(jié)控制器的給定，然后空氣流量實際值除以空燃比作為煤氣流量調(diào)節(jié)控制器的給定。在穩(wěn)態(tài)時，煤氣量可按一定的空燃比跟隨空氣實際流量而動，但在動態(tài)時，如升溫、降溫等變化時，這種常規(guī)系統(tǒng)就無法保證煤氣量仍按一定的空燃比隨空氣量變化而變化。在型鋼加熱爐燃燒控制系統(tǒng)中，采用了軟件實現(xiàn)交叉限幅控制方式來保證無論在動態(tài)還是穩(wěn)態(tài)時，都能滿足一定的空燃配比性能。交叉限幅控制的基本原則是：升溫時，空氣先行；降溫時，煤氣先行。采用這種方式，使系統(tǒng)無論在穩(wěn)態(tài)還是在動態(tài)時，都可獲得較好的空燃比性能。同時由于沒有過氧燃燒和缺氧燃燒而起到節(jié)能降耗的效果。從圖4可見，系統(tǒng)通過高低選擇器及其相應(yīng)的空氣和煤氣實際反饋來完成升溫空氣調(diào)節(jié)先行，降溫煤氣調(diào)節(jié)先行的交叉限幅功能，達到控制目的。另外，加熱爐燃燒控制系統(tǒng)還包括有：爐膛壓力控制。為了保證爐內(nèi)有一個穩(wěn)定的壓力，使外界對爐內(nèi)加熱影響最小，需要對爐膛壓力進行控制。避免壓力過大造成向外噴火，浪費能源；壓力過小造成爐外冷氣吸入，降低爐溫，也浪費能源。所以要把爐內(nèi)壓力控制在比爐外大氣壓略高一點的微正壓。變頻助燃風(fēng)機及壓力控制。加熱爐燃燒需要助燃空氣，對于助燃空氣，不僅有流量要求，還有壓力要求。如果助燃空氣壓力不穩(wěn)定，對燃燒的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。換熱器保護控制。換熱器安裝在水平煙道內(nèi)利用加熱爐排出的高溫廢氣對助燃空氣加熱，使其從20上升到600。但若廢氣溫度過高達到一定溫度時，勢必損壞換熱器。其換熱器保護系統(tǒng)有三個部分：稀釋風(fēng)控制回路；熱風(fēng)放散控制回路；加熱爐預(yù)熱段偏置回路。步進式，其缺點是利用換熱器進行空氣預(yù)熱，預(yù)熱溫度低，排煙溫度高，抑制了加熱爐加熱能力的提高。隨著帶鋼生產(chǎn)節(jié)奏的不斷加快，加熱爐越來越不能適應(yīng)帶鋼生產(chǎn)，為此，2002年11月將原步進加熱爐改為蓄熱式步進加熱爐。蓄熱式步進加熱爐的最大特點是利用蓄熱體對空氣進行預(yù)熱，在加熱過程中兩個蓄熱體處于蓄熱與放熱不斷交替的狀態(tài)中，從而提高空氣預(yù)熱溫度，使排煙溫度控制在100150。蓄熱式加熱爐工作的關(guān)鍵在于控制兩個蓄熱體在蓄熱與放熱狀態(tài)之間交換，如果兩個蓄熱體不能及時進行交換，就會使處于蓄熱狀態(tài)的蓄熱體溫度過高而失去從煙氣中吸收熱量的作用，同時，處于放熱狀態(tài)的蓄熱體溫度過低而失去對空氣進行預(yù)熱的作用。因此，蓄熱式加熱爐燒鋼控制的關(guān)鍵技術(shù)在于自動換向系統(tǒng)?？刂圃?。2.蓄熱式步進加熱爐工作原理21 工作原理 控制原理蓄熱式步進加熱爐換向控制系統(tǒng)的換向控制是基于時間的控制。如圖1所示，在燃燒狀態(tài)下，來自鼓風(fēng)機的常溫助燃空氣首先由換向閥進入左側(cè)通道，通過蓄熱體時被加熱，在極短時間內(nèi)達到接近爐膛溫度（一般為爐膛溫度的80%90），煤氣由通斷閥向稀薄高溫空氣附近注入燃料，燃料在貧氧狀態(tài)下實現(xiàn)燃燒；與此同時，爐膛內(nèi)燃燒后的熱煙氣通過另一側(cè)蓄熱體時將熱量儲存在蓄熱體內(nèi)，然后以低于150的低溫?zé)煔饨?jīng)過換向閥由引風(fēng)機引出。通過規(guī)定的時間后換向閥自動換向，常溫助燃空氣變?yōu)橛捎覀?cè)通道經(jīng)蓄熱體進入，熱煙氣從左側(cè)通道排出，兩個蓄熱體自動進行蓄熱與放熱狀態(tài)的切換，從而達到節(jié)能和環(huán)保的目的。圖1蓄熱式步進加熱爐工作原理2換向控制系統(tǒng)2.1系統(tǒng)配置蓄熱式步進加熱爐換向控制系統(tǒng)采用可編程控制器S7-300；上位機選用工控機PentiumIV1.7G，內(nèi)存128M，軟件平臺MicrosoftWindows；采用功能強大的STEP-7軟件包進行軟件開發(fā)，以實現(xiàn)計算機控制換向系統(tǒng)的各種功能；采用WinCC(WindowsControlCenter)組態(tài)軟件建立人機界面。2.2控制功能蓄熱式步進加熱爐換向系統(tǒng)的控制功能有：（1）空氣、煙氣換向閥順序控制，換向周期、順序間隔周期設(shè)定。（2）煤氣通斷閥順序換向，換向周期、順序間隔周期設(shè)定時間與空氣/煙氣換向閥相對應(yīng)。（3）排煙溫度實時檢測、顯示，參與燒嘴換向控制。（4）排煙溫度超溫報警、強制換向，報警溫度人工設(shè)定。（5）空氣/煙氣換向閥和煤氣通斷閥的閥位顯示、閥位故障報警。2.2.1開機初始化在開機初始狀態(tài)，系統(tǒng)自動對各個換向閥和通斷閥進行狀態(tài)檢測，只有確認24套空氣/煙氣換向閥均處于通空氣位置，24套煤氣通斷閥均處于斷煤氣位置時，才允許進行下一步操作。2.2.2手動狀態(tài)（爐溫低于800烘爐階段）系統(tǒng)具有手動、自動、遠程控制三種控制方式，在爐溫低于800的烘爐階段采用手動控制。手動控制是在控制柜面板上先通過通道選擇器設(shè)定需要操作的閥，再順序操作“進空氣（通煤氣）”、“排煙氣（斷煤氣）”按鈕來實現(xiàn)對每個換向閥或通斷閥的控制，為確保加熱爐的安全運行，在事故狀態(tài)下手動優(yōu)先。2.2.3自動狀態(tài)（爐溫高于800）當(dāng)爐溫高于800時，啟動自動控制程序。自動換向燃燒控制采用定時原則，根據(jù)工藝要求將換向周期、換向間隔分別設(shè)為90s、4s。蓄熱式步進加熱爐的整個加熱過程分為均熱段、加熱段和加熱段三部分，每一段均有8個空氣/煙氣換向閥，它們的換向控制原理相同。為了便于操作，將爐膛兩側(cè)相對的兩個換向閥設(shè)為一組，每一段的8個空氣/煙氣換向閥與煤氣通斷閥設(shè)為一段。一般情況下，每一段有4個煤氣通斷閥和4個空氣/煙氣換向閥開通或關(guān)斷，經(jīng)過規(guī)定的周期后，換向閥自動切換，完成蓄熱體在蓄熱狀態(tài)與放熱狀態(tài)之間的切換。在異常情況下，例如排煙溫度超過設(shè)定值時，可強制換向。系統(tǒng)可實現(xiàn)本地及遠程控制，本地操作即在換向系統(tǒng)上位機進行換向操作，遠程控制即在燃燒系統(tǒng)上位機進行換向操作。無論哪種操作均可實現(xiàn)組開、組關(guān)、段開、段關(guān)等控制。2.2.4安全保護功能本系統(tǒng)設(shè)有換向連鎖、數(shù)值檢測、報警、故障顯示、急停等安全保護功能。換向連鎖條件是：開始時先通空氣，后開煤氣；換向時先關(guān)煤氣，后排煙氣。系統(tǒng)運行過程中，如果出現(xiàn)煤氣通斷閥開不到位或空氣換向閥開不到位時，系統(tǒng)自動關(guān)斷煤氣通斷閥，同時，蜂鳴器報警，上位機畫面上各加熱段狀態(tài)圖中顯示相應(yīng)閥位“開不到位”或“關(guān)不到位”，操作人員通過故障指示及時找到故障閥，并采取相應(yīng)的處理措施，可避免在換向過程中因閥位不到位引起的各類安全問題。在自動換向過程中，如果一組燒嘴中一側(cè)出現(xiàn)故障時，自動切除該側(cè)燒嘴，另一側(cè)燒嘴作為常規(guī)燒嘴燃燒。當(dāng)發(fā)生異常情況時，可點擊上位機“緊急停爐”按鈕，使加熱爐所有空氣/煙氣換向閥和煤氣通斷閥恢復(fù)初始狀態(tài)，即通空氣、斷煤氣。加熱爐的排煙溫度通過埋于加熱爐兩側(cè)的16只熱電偶全過程檢測，超過設(shè)定值時，蜂鳴器報警，并強制換向。并且排煙溫度在上位機畫面上可以通過棒圖、表格兩種形式實時顯示或打印。2.2.5人機界面系統(tǒng)通過MPI多點通訊接口實現(xiàn)主站S7-300PLC和上位機之間的數(shù)據(jù)通訊，采用WinCC組態(tài)軟件開發(fā)建立了換向主畫面、燒嘴溫度監(jiān)控、閥位控制與報警等畫面。本系統(tǒng)人機界面的特點是界面友好，簡潔直觀，便于操作。通過主畫面可以直觀的了解點火和加熱過程中燒嘴的燃燒狀態(tài)及切除/投入情況、換向閥和切斷閥的運行情況。在該畫面中，操作工可以很方便的進行手動/自動切換、組控、段控、急停等操作。并且各畫面之間的切換便捷迅速，當(dāng)出現(xiàn)報警信號時，無論當(dāng)前處在哪個畫面都可以迅速切換到想要顯示的報警畫面，為操作工人和技術(shù)人員處理問題提供便利。運行過程中，還可以隨時采集打印排煙溫度等各種參數(shù)，便于生產(chǎn)管理人員對工藝參數(shù)及時分析、修正，使加熱爐的工況達到最佳。3運行效果萊鋼軋鋼廠蓄熱式加熱爐自2002年12月5日改造完成投入使用以來，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，排煙溫度控制在150以下（見表1），爐內(nèi)鋼坯受熱均勻，加熱能力由100t/h提高到140t/h（冷坯），對提高帶鋼產(chǎn)量和質(zhì)量、延長加熱爐壽命、降低氧化燒損起到了積極作用。節(jié)能效果按下式計算：A=（B-C）/B式中A-噸鋼煤氣節(jié)約量，%；B-改造前噸鋼煤氣消耗，1.4GJ/t；C-改造后噸鋼煤氣消耗，1.2GJ/t。計算得，A為14.3%。表1煙氣采樣表但該控制系統(tǒng)在運行過程中存在以下問題：（1）因閥位狀態(tài)判斷失誤容易引起系統(tǒng)誤動作。由于系統(tǒng)要求快速通斷閥的響應(yīng)必須迅速，在零點幾秒之內(nèi)完成開/關(guān)動作，即認為閥已開到位或關(guān)到位，否則就認為閥開不到位或關(guān)不到位?？焖偻〝嚅y在使用一段時間后，響應(yīng)速度變慢，經(jīng)常發(fā)出虛假的開不到位或關(guān)不到位信號，而引起系統(tǒng)誤動作。（2）閥體與閥桿脫落引起系統(tǒng)不換向。目前的解決辦法只能是定期檢查更換快速通斷閥和換向閥，但很難保證所有閥都能處于良好的運行狀態(tài)，而且也增加了工人的勞動強度和設(shè)備維修費用。另外，由于該控制系統(tǒng)是基于時間的控制，換向周期是人為設(shè)定的，因此，其控制效果受人為因素影響較大，排煙溫度和空氣預(yù)熱溫度只能控制在一定范圍內(nèi)。若能綜合蓄熱體溫度、排煙溫度、燃燒狀況等因素，采用基于溫度的人工智能控制方法，由蓄熱體和煙氣溫度決定換向，控制效果可能會更好。.加熱爐改造方案2.1燒嘴蓄熱式燃燒系統(tǒng)的主要特點 高效蓄熱式燃燒/熱回收系統(tǒng)由蓄熱體、換向系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成燒嘴由燒嘴殼體、蓄熱室和燒嘴磚共同組成。蓄熱室放置經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的陶瓷蜂窩狀蓄熱體或陶瓷小球，它具有優(yōu)良的傳熱特性和阻力特性。燃油蓄熱式燒嘴的燒嘴結(jié)構(gòu)和工作原理與燃氣蓄熱式燒嘴基本相同。 燃油、燃氣蓄熱式燒嘴在加熱爐上使用，具有如下特點： （1）蓄熱式燒嘴的結(jié)構(gòu)形式類似普通燒嘴，能直接安裝在爐墻上，安裝維護方便。爐墻為通常的厚度。 （2）燒嘴設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，蓄熱體裝卸都很方便，易于維護和蓄熱體更換。 （3）可對單個燒嘴進行在線維護，降低了故障風(fēng)險。 （4）容易分段供熱，各段熱負荷調(diào)節(jié)方便，可以按照加熱工藝的需要，靈活調(diào)節(jié)加熱爐溫度。同一段中的上部下部燒嘴的供熱量也可調(diào)節(jié)，便于改變上、下熱負荷分配。從而減少鋼坯上下表面溫差。 （5）爐墻兩側(cè)留有便于檢修的檢修門和扒渣門，可及時清理氧化鐵皮。減少了因爐底氧化鐵皮升高引發(fā)的停爐打渣。 （6）爐墻不加厚，耐火材料用量少，爐墻既可以砌磚，也可以澆注，爐墻施工簡單方便，烘爐時間短，爐子升、降溫速度快，可縮短檢修停爐時間。 2.1.2燃料供應(yīng) 燃燒系統(tǒng)的改造，經(jīng)多次計算論證，確定均熱段采用空、煤氣雙蓄熱燃燒技術(shù)，燃用僅有的少量高爐煤氣（通常40005000Nm3/h，最大6000 Nm3/h），可以滿足鋼坯均熱需要；而加熱段采用空氣單蓄熱燃燒技術(shù)，燃用渣油。這樣供熱方案主要是基于如下幾點考慮： （1）均熱段全燒高爐煤氣，加熱段全燒渣油，便于燒嘴集中布置、維護和控制； （2）均熱段全燒高爐煤氣，避免了在均熱段由于用渣油作燃料而產(chǎn)生的局部高溫區(qū)，從而避免了鋼坯在高溫區(qū)、段的氧化燒損，同時也避免了由于燃用渣油不易調(diào)節(jié)、加熱工操作不慎而造成的燒粘鋼現(xiàn)象。 （3）將煤氣和渣油分段供應(yīng)，可以實現(xiàn)該爐點火或升溫時先開煤氣燒嘴，待爐溫升到一定溫度后再開渣油燒嘴，從而避免燃油燒嘴普遍存在的冷爐升溫便黑煙滾滾的現(xiàn)象。 各區(qū)段燒嘴布置及供2#加熱爐供熱分配表 燃料種類 燒嘴數(shù)量（個） 單個燒嘴能力 該段總供熱能力 預(yù)熱段 0 0 0 加熱段 上部 焦油或重油 5 120（kg/h） 1350（kg/h） 下部 5 150（kg/h） 均熱段 上部 高爐煤氣 6 600（Nm3/h） 7600（Nm3/h） 下部 5 800（Nm3/h2.1.2燃料供應(yīng) 燃燒系統(tǒng)的改造，經(jīng)多次計算論證，確定均熱段采用空、煤氣雙蓄熱燃燒技術(shù)，燃用僅有的少量高爐煤氣（通常40005000Nm3/h，最大6000 Nm3/h），可以滿足鋼坯均熱需要；而加熱段采用空氣單蓄熱燃燒技術(shù)，燃用渣油。這樣供熱方案主要是基于如下幾點考慮： （1）均熱段全燒高爐煤氣，加熱段全燒渣油，便于燒嘴集中布置、維護和控制； （2）均熱段全燒高爐煤氣，避免了在均熱段由于用渣油作燃料而產(chǎn)生的局部高溫區(qū)，從而避免了鋼坯在高溫區(qū)、段的氧化燒損，同時也避免了由于燃用渣油不易調(diào)節(jié)、加熱工操作不慎而造成的燒粘鋼現(xiàn)象。 （3）將煤氣和渣油分段供應(yīng)，可以實現(xiàn)該爐點火或升溫時先開煤氣燒嘴，待爐溫升到一定溫度后再開渣油燒嘴，從而避免燃油燒嘴普遍存在的冷爐升溫便黑煙滾滾的現(xiàn)象。 各區(qū)段燒嘴布置及供熱分配如下表： ）3.改造后的運行情況及效果 加熱爐改造后，正式投產(chǎn)，基本達到了該爐改造的預(yù)期目標。 （1）均熱段全燒僅有的少量高爐煤氣，完全滿足了均熱段爐溫在1250左右的要求，達到了設(shè)計的預(yù)期要求。 （2）滿足生產(chǎn)產(chǎn)量要求。軋制冷鋼時，小時產(chǎn)量達到設(shè)計值70t/h，軋制熱鋼時，小時產(chǎn)量可達到100t/h以上。 （3）鋼溫均勻，表現(xiàn)在上下表面溫差小，表面與中心溫度溫差小。出鋼后翻鋼時，“陰陽面”不明顯，軋制幾道后，鋼溫?zé)o較大降溫，軋鋼工人普遍反應(yīng)該爐燒的鋼“透”。8月份驗收時，測試鋼表面溫差為32。 （4）氧化燒損也明顯減少，過去一般兩個月就因爐底升高而必須停爐打渣，現(xiàn)在已正常生產(chǎn)三個月年，均、加熱段爐底升高均不足200mm，經(jīng)驗收測試，燒損率僅為1.1%，比原來的1.6%下降了40%。 （5）燃料消耗低，從8月份生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)（驗收）來看，燃料單耗（冷坯）在1.31GJ/t，屬于原冶金部特等爐標準。全月平均燃料單耗為：焦油22kg/t、高爐煤氣80Nm3/t，折合燃料單耗在1.10GJ/t左右。 （6）均熱段高爐煤氣充分燃燒，火焰均勻，無明顯過高溫度區(qū)，鋼坯加熱均勻，投產(chǎn)后從未發(fā)生原加熱爐經(jīng)常發(fā)生的粘鋼事故，提高了作業(yè)率。 （7）空氣、煤氣以及渣油換向控制系統(tǒng)運行良好，可靠。 當(dāng)然，將蓄熱式燃燒技術(shù)應(yīng)用于燃油軋鋼加熱爐畢竟是第一次，改造之前，雖然在燒嘴結(jié)構(gòu)、燃油換向控制系統(tǒng)及燃燒系統(tǒng)控制等方面做了很多的分析研究和試驗工作，也對其在燃燒過程中可能出現(xiàn)的問題（如油槍結(jié)焦）做了充分細致的考慮，但將其真正應(yīng)用于生產(chǎn)實踐，也還是出現(xiàn)了一些這樣或那樣的問題，如初選的蜂窩體容易堵塞、蒸汽不足時油槍易結(jié)焦等，但這些問題都不是蓄熱式燃油系統(tǒng)和技術(shù)本身問題，更不是什么致命問題，而是在生產(chǎn)中通過不斷調(diào)整、摸索和不斷總結(jié)經(jīng)驗就可以解決的問題。如北京神霧公司對油槍結(jié)構(gòu)進行調(diào)整；軋鋼廠也加強了渣油過濾，通過制定規(guī)章制度來保證油壓、蒸汽壓力穩(wěn)定等具體措施。目前，油槍結(jié)焦頻率基本等同于過去普通燒嘴，蓄熱體堵塞現(xiàn)象也有明顯改善。 本項目實施后所創(chuàng)造的效益具有巨大的綜合性，多項國內(nèi)先進節(jié)能技術(shù)的綜合運用，不僅可為公司帶來可觀的直接經(jīng)濟效益，而且在環(huán)保方面也可有效地減少煙氣對大氣的污染程度，大大改善人們的生活和工作環(huán)境，促進文明生產(chǎn)的發(fā)展。名稱單位改造后計算數(shù)據(jù)改造前數(shù)據(jù)爐子用途 鋼坯軋前加熱鋼坯軋前加熱加熱鋼種 碳素鋼及合金鋼碳素鋼及合金鋼坯料尺寸mm180220（30003500） 1802203000 鋼坯入爐溫度常溫，400常溫，400鋼坯加熱溫度1150125011501250爐子產(chǎn)量T/h7050燃料 渣油，高爐煤氣渣油，高爐煤氣燃料發(fā)熱量KJ/kg KJ/Nm3渣油：90004.186 高爐煤氣：8004.186渣油：90004.186 高爐煤氣：8004.186最大燃料消耗量kg/h Nm3/h渣油:1200高爐煤氣：6000渣油:1500高爐煤氣：6000介質(zhì)預(yù)熱溫度空、煤氣10001100空氣350燒嘴形式 空、煤氣雙蓄熱式燒嘴燃油蓄熱式燒嘴普通高爐煤氣燒嘴普通燃油燒嘴平均單耗kg/t Nm3/t渣油:22高爐煤氣：85渣油:35高爐煤氣：1004.3 改造后的效益 （1）爐子加熱能力的提高使產(chǎn)量提高產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。 （2）蓄熱式燃燒是一種先進的彌散式燃燒方式，爐溫均勻，減少鋼坯上、下表面溫差，以及表面與內(nèi)部溫差。提高加熱質(zhì)量，從而可以提高產(chǎn)品質(zhì)量。 （3）環(huán)保上，由于燃油僅用于加熱段，空氣可預(yù)熱到1000C左右，可以確保煙囪不冒黑煙，CO2排放量很低，NOX也達到了國家標準，具有良好的社會效益。 國內(nèi)蓄熱式加熱爐的對比及發(fā)展趨勢2國內(nèi)蓄熱式燃燒技術(shù)情況 中國自二十世紀八十年代開始有國外譯文介紹，八十年代中后期國內(nèi)熱工界也開始研究新型蓄熱式技術(shù)，建立了專門的陶瓷球蓄熱式實驗裝置。東北大學(xué)、北京科技大學(xué)、機械部第五設(shè)計研究院、冶金部鞍山熱能研究院等對此技術(shù)都有研究，但是工業(yè)應(yīng)用很少。1998年9月萍鄉(xiāng)鋼鐵有限責(zé)任公司首次和大連北島能源技術(shù)有限公司合作采用蓄熱式燃燒技術(shù)進行軋鋼連續(xù)式加熱爐燃燒純高爐煤氣技術(shù)的開發(fā)研究，并率先在萍鋼棒材公司軋鋼加熱爐上應(yīng)用，在國內(nèi)首次實現(xiàn)了蓄熱式技術(shù)燃燒高爐煤氣在連續(xù)式軋鋼加熱爐上的應(yīng)用。此爐作為國內(nèi)第一座蓄熱式軋鋼加熱爐，盡管在許多方面還不盡人意，但應(yīng)該說為國內(nèi)蓄熱式燃燒技術(shù)應(yīng)用在冶金行業(yè)連續(xù)式加熱爐開辟了先河；此后，國內(nèi)有多家公司開展蓄熱式燃燒技術(shù)的研究和在國內(nèi)的推廣應(yīng)用，蓄熱式燃燒技術(shù)逐漸成熟。如北京神霧公司的蓄熱式燒嘴加熱爐，秦皇島設(shè)計院的蓄熱式加熱爐等。在蓄熱式燃燒技術(shù)方面形成了一套較完善的設(shè)計思想和方法，蓄熱式技術(shù)在工業(yè)爐上的應(yīng)用，實現(xiàn)了高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、少污染和高自動化水平，達到了燃燒工業(yè)爐三高一低（高爐溫、高煙溫、高余熱回收和低惰性）的發(fā)展方向的要求。從90年代至今我們可以這樣認為，蓄熱式燃燒技術(shù)發(fā)展可分為下面幾個階段： （1）簡單蓄熱式燃燒系統(tǒng)，此系統(tǒng)蓄熱室和燃燒器是分開的，換向系統(tǒng)龐大，換向控制系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性差，換向時間長，熱效率不高。 （2）從自預(yù)熱燒嘴發(fā)展的蓄熱式燒嘴，此燒嘴在國外得到重視并發(fā)展到較高水平。如英國的RCB型燒嘴，美國的雙蓄熱床燒嘴等等。廣泛應(yīng)用于各種火焰爐，并取得了不錯的效果。 （3）把蓄熱室和爐體有機結(jié)合一體，并有可靠換向系統(tǒng)的高效蓄熱式燃燒技術(shù)，北島公司在90年代初就有研究和應(yīng)用，而國內(nèi)首次成功地利用該技術(shù)燃用低熱值的高爐煤氣則是萍鄉(xiāng)鋼鐵有限責(zé)任公司1999年建成的棒材軋鋼加熱爐，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。在此之前國內(nèi)尚無在軋鋼連續(xù)式加熱爐上燃燒純高爐煤氣先例。 （4）把蓄熱室和燒嘴有機結(jié)合一體，并有可靠換向系統(tǒng)的高效蓄熱式燃燒技術(shù)，北京神霧熱能技術(shù)有限公司于2000年成功的研制開發(fā)出適應(yīng)國內(nèi)工業(yè)爐窯的蓄熱式燃燒器系列，形成了北京神霧蓄熱式燒嘴技術(shù)體系，國內(nèi)第一次應(yīng)用該技術(shù)的企業(yè)是邯鄲鋼鐵公司中板廠2000年改造的中板加熱爐，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。此后該公司又開發(fā)了多種蓄熱式燒嘴，分別應(yīng)用不同的燃料及行業(yè)，為蓄熱式燃燒技術(shù)在國內(nèi)各個行業(yè)的應(yīng)用做出了突出的貢獻。3對比分析 從1999年至今，國內(nèi)蓄熱式燃燒技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，基本分為兩大系列，一是以北京北島能源技術(shù)有限公司為代表的內(nèi)置通道式加熱爐（即北島爐），二是以北京神霧熱能技術(shù)有限公司為代表的蓄熱式燒嘴加熱爐，下面以這兩種爐型作一對比分析：兩種蓄熱式加熱爐對比表項目名稱內(nèi)置通道式燒嘴式蓄熱式系統(tǒng)工作原理相同相同蓄熱式燃燒系統(tǒng)把蓄熱室和爐體有機結(jié)合一體把蓄熱室和燒嘴有機結(jié)合一體蓄熱體形式陶瓷小球蜂窩體、陶瓷小球換向閥形式兩位五通閥四腔四通閥、小型三通閥換向時間180秒40180秒可調(diào)換向控制集中控制集中控制、分散控制燃燒控制簡單，一般加熱爐名義上是三段控制，實際是二段控制，且上、下熱負荷無法調(diào)節(jié)，控制水平低，適合對加熱溫度要求不高的鋼種較復(fù)雜，可根據(jù)需要，對加熱爐進行三段多點進行控制，且上、下熱負荷可調(diào)節(jié)，控制水平高，可用計算機控制，適合鋼種范圍廣燃料預(yù)熱形式雙預(yù)熱雙預(yù)熱、單預(yù)熱燃料適應(yīng)范圍低熱值氣體燃料（高爐煤氣、發(fā)生爐煤氣）氣體燃料（高爐煤氣、發(fā)生爐煤氣、混合煤氣、焦、轉(zhuǎn)爐煤氣、天然氣、液化氣），液體燃料（重油、柴油）對燃料的要求對水分，焦油有要求對焦油有要求爐型結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，爐墻厚達lm與普通加熱爐相同管路及排煙相同簡單較復(fù)雜對耐火材料的要求爐墻要求材料理化指標性能高，強度合適，熱震穩(wěn)定性好，重?zé)€變化小，體積穩(wěn)定性好，從而確保通道之間的密封性和普通加熱爐相同，對耐火材料無特殊要求施工程度爐墻內(nèi)有多個蓄熱室和煤氣、助燃空氣通道，內(nèi)模結(jié)構(gòu)復(fù)雜，澆注料施工難度大和普通加熱爐一樣施工自動化程度低高維修維護若爐墻出現(xiàn)問題，無法維修，且維修時間長即使一個燒嘴出問題，可在正常生產(chǎn)的情況下更換適應(yīng)行業(yè)冶金、機械行業(yè)冶金、機械、石油化工、陶瓷、建材4發(fā)展趨勢 通過以上對比可以看出，兩種蓄熱式加熱爐雖然各有優(yōu)、缺點，且在國內(nèi)治金行業(yè)都有實際應(yīng)用的實例，但總的發(fā)展趨勢是朝著燒嘴式蓄熱式加熱爐方向發(fā)展，因為有以下幾個原因： 印蓄熱式燒嘴加熱爐和原普通加熱爐相比，都是靠調(diào)整燒嘴熱負荷來調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度，對于工人來講易于接受。 每個燒嘴的可單獨調(diào)節(jié)特點和上下加熱燒嘴能力的合理搭配，使加熱爐各段上下加熱溫度的調(diào)節(jié)非常方便。 爐墻兩側(cè)留有便于檢修的人孔門和扒渣門，這是唯有采用燒嘴結(jié)構(gòu)形式才能做到的。 對于高熱值氣體燃料，可直接冷爐點火升溫，不需要單獨的點火燒嘴。 燒嘴式結(jié)構(gòu)可以采用集中換向和分散換向，分散換向則由于換向閻靠近燒嘴，換向閥與燒嘴之間的連接管道短而小，燃燒間斷時間短，因此換向時管道內(nèi)殘留煤氣損失較少，更有利于節(jié)能。 維護工作量稍大，但檢修時間短，停爐時間短。 對于現(xiàn)在講品種、講效益的時代，一個加熱爐的自動化水平的高低和燃燒器形式的多樣性，決定了該加熱爐適應(yīng)的品種、燃料及行業(yè)。5結(jié)論 國內(nèi)蓄熱式加熱爐發(fā)展到現(xiàn)在，還不能講那一種形式是最先進、最成熟的，都多多少少存在一些問題，還有待我們?nèi)ヌ剿鳎绺鳠峁?shù)之間和設(shè)計結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系，控制系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的最優(yōu)化，燃氣質(zhì)量與蓄熱體之間的關(guān)系，蓄熱體的壽命，蓄熱式加熱爐的壽命等；但燒嘴式蓄熱式加熱爐是一種發(fā)展方向。高溫空氣燃燒技術(shù)是最新發(fā)展起來的先進燃燒技術(shù)，具有高效節(jié)能和超低NOX排放等多種優(yōu)點，又被稱為環(huán)境協(xié)調(diào)型燃燒技術(shù)。該技術(shù)自問世起，立刻受到了西方發(fā)達國家的高度重視，其在加熱工業(yè)中的應(yīng)用得到迅速推廣，取得了舉世矚目的節(jié)能環(huán)保效益1-2。最近幾年，以北京神霧熱能技術(shù)有限公司為代表的企業(yè)單位對該項技術(shù)作了創(chuàng)造性的應(yīng)用和發(fā)展，取得了一系列具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)于蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)的研發(fā)成果3-4。其中最具代表性的是蓄熱式加熱爐技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。 加熱爐的工作空間較大，合理的燒嘴結(jié)構(gòu)和布置是實現(xiàn)蓄熱式高溫空氣燃燒、確保加熱效果的關(guān)鍵。以往，燃燒室和工業(yè)爐的設(shè)計主要靠直觀和經(jīng)驗以及大量實驗。70年代以來，由于大型計算機以及CFD、計算傳熱學(xué)以及計算燃燒學(xué)的迅速發(fā)展，目前已能用數(shù)學(xué)模型和數(shù)值計算方法預(yù)測三維湍流兩相有化學(xué)反應(yīng)流動，可以預(yù)報燃燒室和工業(yè)爐中流場、壁面熱流、燃燒及污染物排放等各種場的分布細節(jié)，有效地提供了進行最優(yōu)化設(shè)計及放大設(shè)計的新方法5。數(shù)學(xué)模擬或計算機模擬可大大減少實驗所用的人力、物力和財力。 本文通過對國內(nèi)某鋼廠蓄熱式加熱爐內(nèi)的流體流動、燃燒與傳熱過程進行三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬研究，得到了一系列符合爐子實際的速度場、溫度場和濃度場分布情況。這對進一步優(yōu)化蓄熱式加熱爐設(shè)計具有十分重要的指導(dǎo)意義，對生產(chǎn)現(xiàn)場燒爐工藝操作參數(shù)優(yōu)化也具有非常重要的意義。 2 物理模型 以采用神霧蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)改造的國內(nèi)某鋼廠的空氣-煤氣雙預(yù)熱蓄熱式加熱爐為研究對象，爐膛尺寸為2549081505000mm，該爐采用蓄熱室的群合式布置方式，以高爐煤氣為燃料。圖1為工作原理示意圖，噴口對稱布置在爐子兩側(cè)，兩側(cè)的噴口交替進行噴氣和排煙，噴口分布情況如圖2所示。 AA 圖1 空氣-煤氣雙預(yù)熱蓄熱式加熱爐 圖2 噴口分布 工作原理示意圖 3 數(shù)值模擬 3.1 基本方程 3.1.1 流動模型 對流動過程，采用標準 - 湍流模型，其模型由下述控制方程組（數(shù)學(xué)表達式）表示。 連續(xù)性方程： (1) 動量方程： (2) Reynolds應(yīng)力張量（ij）為： (3) 紊流動能 和紊流耗散速率 的傳輸方程為： (4) (5) Gk為剪切產(chǎn)生項： (6) Gb是體積力產(chǎn)生項。若忽略旋轉(zhuǎn)與阻力產(chǎn)生項，則： (7) 3.1.2 燃燒模型 燃燒過程采用混合燃燒模型，它假設(shè)燃料和氧化劑在瞬間不能并存，瞬時的質(zhì)量分數(shù)以下列關(guān)系式由瞬時的混合分數(shù) 給出。 當(dāng) 時 (8) 當(dāng) 時 (9) 且： 產(chǎn)物的質(zhì)量分數(shù)由下式給出： (10) 式中：f為瞬時質(zhì)量分數(shù)，Yp為燃燒反應(yīng)產(chǎn)物的質(zhì)量分數(shù)，YF為燃料質(zhì)量分數(shù)，YO為氧化劑質(zhì)量分數(shù)，YPC是碳燃燒產(chǎn)生的含碳氣體的質(zhì)量分數(shù)，i為燃料與氧化劑混合比。 采用即混即燃模型時，需要求解平均混合分數(shù)與混合分數(shù) 的脈動值g的方程，即： (11) (12) 3.1.3 NOx模型 NOx產(chǎn)物模型可以和混合燃燒模型一起使用。NOx模型通過解傳輸方程求得體系內(nèi)的NO質(zhì)量分數(shù)。在采用HTAC燃燒技術(shù)時，應(yīng)求解HCN的質(zhì)量分數(shù)方程。采用熱力NOx反應(yīng)模型，考慮三個附加的反應(yīng)機理15：一個反應(yīng)緣于燃燒裂解產(chǎn)物HCN等；一個反應(yīng)緣于HCN轉(zhuǎn)化為NO；一個是NO和HCN相結(jié)合的NO消耗反應(yīng)。 NO和HCN的傳輸方程為： （13） 瞬間的反應(yīng)速率 和 在各個物種的溫度和質(zhì)量分數(shù)的脈動值的基礎(chǔ)上計算。平均反應(yīng)速率通過對假設(shè)的概率密度函數(shù)的積分而建立。 3.1.4 輻射模型 在燃燒過程中，輻射換熱是基本的傳熱方式之一?？紤]燃燒氣體為灰體介質(zhì) ,按照吸收和散射介質(zhì)輻射換熱的基本原理，傳熱遵循以下輻射傳遞方程： （14） 方程右邊第一項為介質(zhì)吸收和散射引起的輻射強度 的減弱，第二項為介質(zhì)自身的容積輻射強度，第三項為各方向進入微元體的熱輻射在 方向的散射。 本文采用蒙特卡洛法求解，光子數(shù) 10萬個。 3.2 邊界條件 3.2.1 進口條件 進口采用Dirichlet條件，直接設(shè)定進口速度（或流量）。進口湍動能和動能耗散系數(shù)的值對于進口截面可以作如下假設(shè)： （15） （16） 這里，uint為進口平均速度，cp1和cp2為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，根據(jù)速度不同而有所不同，Dh為水力直徑，Dh=4A/L，A為進口