第44卷 第3期 2009年3月钢铁Iron and SteelVo l.44,N o.3M ar ch 2009双预热蓄热式环形加热炉炉压控制及换向对炉内压力波动的影响潘良明1, 季洪春1, 程淑明2, 伍成波3, 雍海泉2(1.重庆大学动力工程学院,重庆400044; 2.重庆赛迪工业炉有限公司,重庆400012;3.重庆大学材料科学与工程学院,重庆400044)摘 要:蓄热式燃烧技术中,炉压控制和换向时造成的炉压波动是一个非常重要的问题。
根据模化理论,发现在各个流量工况下,各段内的压力均可以通过改变各段的鼓风量和排烟量来调节,控制尾部烟道排烟是最佳的控制方法。
当加热段段内集中换向时,各段压力波动幅度平均在3~5Pa;换向周期中,压力最低点均出现在内环鼓风,外环抽风的工况下,而压力最高点则出现在第2加热段第二次换向的过程中;炉压总体波动不大,对加热炉安全运行影响不大。
如采用单个烧嘴时序换向,则其对炉压的影响可以降到最低。
关键词:空煤气双预热蓄热式;环形加热炉;燃烧换向;压力波动;炉压控制中图分类号:T G 307 文献标识码:A 文章编号:0449 749X(2009)03 0085 05Pressure Fluctuation Caused by Switchover and Pressure Control Method of Large Scale Regenerative Heating Annular FurnacePAN Liang ming 1, JI H ong chun 1, CH ENG Shu ming 2, WU Cheng bo 3, YONG H ai quan2(1.School of P ow er Engineering ,Chongqing U niv ersity ,Chongqing 400044,China; 2.CISDI Industr ial FurnaceL td.,Co.of Chongqing,Chong qing 400012,China; 3.Schoo l o f Science of M at erial and Eng ineering ,Chongqing U niv er sity ,Chongqing 400044,China)Abstract:Fo r H T A C (Hight T emper atur e A ir Combustion)technolog y,pressur e contr ol and pr essure fluctuation during combustion sw itchov er are v ery impo rtant t o t he fur nace reliability and stability.A cco rding to modeling theo r y,it w as found that the pr essure contr ol co uld be realized by contr olling the ratio o f blasting capacity and induced dr aft ca pacity ,and the best w ay is to co ntr ol the induced dr aft of the tail duct.When the heat ing zones wer e sw itched ov er simultaneously,t he aver age pr essure fluctuation wer e w ithin 3 5pascals in the w hole perio d,the lo w est pressur e was observ ed w hile o uter r ing was at blasting and inner r ing was at induced draft stage.T he highest pr essure w as observ ed in N o.2heating zo ne at the seco nd sw itchov er.T he general pressure fluatuat ion was no t hig h enoug h to affect the r eliability o f the furnace.W ith sequential sw itchover o f all individual bur ner s,the effect o n fur nace pr essure w ill be minimized.Key words:air gas dual r egenerative combust ing techno lo gy ;annular fur nace;combustion switcho ver;pressur e fluctuation;furnace pr essure contr ol作者简介:潘良明(1970 ),博士,教授; E mail :cneng@cqu edu cn; 修订日期:2008 06 08高温空气燃烧技术(H igh T em perature Air Co mbustio n,简称H TAC)是20世纪90年代以来国际燃烧领域研究开发并大力推广应用的一项全新高效节能环保燃烧技术,该技术的基本思路是利用高温烟气借助于高效蓄热体使助燃空气预热到800 以上的高温,最终使排烟温度降低到200 以下,从而实现高温烟气显热的极限回收,具有节能及降低NO x 排放等多重优越性[1]。
另外,将如高炉煤气等低热值的燃料预热到1000 后,提高了其理论燃烧温度,因此,可以将低端燃料用于高端应用。
目前,蓄热燃烧技术在供热负荷对称的推钢式加热炉、板坯加热炉、均热炉、退火炉等工业炉上得到了广泛的运用[2]。
但是,由于传统应用中对称热负荷的限制,以及燃烧器布置位置的限制,还未在环形加热炉上使用过,赛迪工业炉有限公司在供热负荷不对称的环形加热炉上运用蓄热燃烧技术,却是世界首创。
将H T AC 技术应用于环形管坯加热炉时,由于炉子的结构特点,使炉内的炉压组织出现很多不确定性[3]。
炉内压力的控制是加热炉经济运行的保证,对其安全稳定运行也有非常重要的影响。
因此针对某管坯大型空煤气双蓄热式环形加热炉(中径38.5m),对炉内流场和压力场及其换向对炉压的影响进行了深入研究,为加热炉的合理设计和安全运行提供了参考依据。
在该项工作的基础上所设计钢 铁第44卷建造的环形炉已经投产运行。
1 实验原理与设备1.1 蓄热式燃烧技术换向原理如图1所示,从鼓风机排出的常温空气由换向阀切换进入蓄热式燃烧器后,在经过蓄热体(陶瓷球或蜂窝体等)时被加热,在极短时间内常温空气被加热到接近炉内温度(一般比炉温低50~100 ),被加热的高温热空气进入炉膛后,卷吸周围炉内的烟气形成一股含氧量(体积分数,下同)大大低于21%的稀薄贫氧高温气流,同时往稀薄高温空气附近注入燃料(燃油或燃气),燃料在贫氧(2%~20%)状态下实现燃烧,与此同时,炉膛内燃烧后的热烟气经过另一个蓄热式燃烧器A 排入大气,炉膛内高温热烟气通过蓄热式燃烧器A 时,将热量储存在其中,然后以低于150 的低温经过换向阀排出。
工作温度不高的换向阀以一定的频率进行切换,使两个蓄热式燃烧器处于蓄热与放热交替工作状态,从而达到节能和降低NO x 排放量等目的,常用的切换周期为30~200s。
图1 HTAC 技术的基本原理图Fig.1 Schematic of HTAC technology1.2 换向控制系统以某钢管厂177管坯环形加热炉为原型,按照10 1的比例建立了如图2所示的冷态模拟实验系统。
该炉由1个热回收段,3个加热段和1个均热段构成,均热段采用传统的平焰烧嘴供热,而加热段采用空、煤气双预热蓄热烧嘴供热,并采用分段集中换向的方式进行换向。
换向系统由空压机、四通换向阀、电磁阀、PLC 组态控制软件、工业控制机等构成。
借助于各段所安装的微压力变送器对压力进行实时检测,动态了解换向造成的各段压力变化,研究换向所产生的压力波动情况。
另外,由于在实际操作中,换向操作采用的是全分散换向技术时序进行。
为了了解极端工况下的压力波动情况,本文采用分段集中换向的方法。
换向1-风机; 2-换向阀; 3-风箱; 4-热回收段;5-加热1段; 6-加热2段; 7-加热3段; 8-均热段;9-尾部烟道口图2 双预热蓄热式环形炉冷态实验系统组成示意图Fig.2 Schem atic of dual preheating annular furnacefor cold state simulation时间为10s 和20s,通过时序控制两侧的烧嘴进行整体换向,如通过分段集中换向能满足操作要求,则分布式时序换向对压力的影响更小,可以满足操作的安全性和稳定性的要求,也为今后的简化控制策略和降低建造成本提供评估手段。
2 压力波动模拟实验的理论依据2.1 模型炉膛压力与原炉炉膛压力之间的换算关系冷态运行时,由于空气和烟气的物理性质及几何尺寸的差异,使压力波动的绝对值与实际加热炉有很大的差异,根据流体力学的相似原理,该压力波动可以采用欧拉准则数相等的原则来换算。
设原型炉以下标0表示,模型炉参数用下标m 表示,则具体的换算方法如下:根据欧拉准则数相等的原则,有Eu 0=Eu m(1)即:(p 0 u 2)0=( p mu 2)m (2)则p 0=(p m m u m2)! 0u 02(3)原型炉:取烟气标态密度0g =1.34kg/m 3炉膛中心温度取1400 ,则烟气密度 0=0.22kg/m3通过对实际流动分析,炉膛内断面实际平均速度u 0=2.99m/s模型炉:环境温度取10~20 ,空气密度 m =∀86∀第3期潘良明等:双预热蓄热式环形加热炉炉压控制及换向对炉内压力波动的影响1.2kg/m3则模型炉速度为:u m =Q mS m=4.03m /s (4)则压力换算常数为:p 0=p m m u 2m! 0u 20= p m1.2!4.032!0.22!2.992=0.10092 p m(5)2.2 炉压控制及换向压力波动的研究方法在设备操作中,一般采用控制烟道抽力的方法来控制炉压。
在环形炉中,除了尾部烟道外,还在每个段有一半数量的工作状态为排烟的烧嘴。
因此,为了控制炉内的压力,不仅需要控制好尾部烟道的抽力,还需要控制好各个加热段的抽力配置。