蓄熱式加熱爐換向時(shí)間的實(shí)驗(yàn)研究

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 秦朝葵 李 鵬

0 前言

蓄熱式加熱爐利用高溫空氣燃燒技術(shù)，使用蓄熱式燒嘴(將傳統(tǒng)燒嘴和蓄熱室結(jié)合為一個(gè)整體)。一方面排出高溫的燃燒產(chǎn)物并進(jìn)行蓄熱，大量回收余熱，另一方面將助燃空氣預(yù)熱至高溫后組織燃燒。燒嘴一般成對(duì)布置，當(dāng)其中一個(gè)燒嘴進(jìn)行燃燒時(shí)，另一個(gè)燒嘴進(jìn)行排煙，一段時(shí)間過后進(jìn)行換向，原來燃燒的燒嘴開始排煙，原來排煙的燒嘴開始組織燃燒，兩種狀態(tài)交替進(jìn)行?？梢詫?shí)現(xiàn)高溫低氧燃燒，與傳統(tǒng)加熱爐相比，它具有高余熱回收、高溫空氣預(yù)熱以及低氮氧化物排放等優(yōu)點(diǎn)。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能耗激增，由燃料燃燒引發(fā)的環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，蓄熱式加熱爐具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

換向時(shí)間是蓄熱式加熱爐的一個(gè)重要操作參數(shù)，它在很大程度上決定著蓄熱室的溫度效率和熱效率，同時(shí)對(duì)加熱爐的爐溫波動(dòng)和火焰的燃燒狀況也有很大的影響。所以在生產(chǎn)過程中，選取合適的換向時(shí)間直接影響著蓄熱式加熱爐的熱效率及其加熱質(zhì)量。

1 換向時(shí)間的研究現(xiàn)狀

李偉等用數(shù)值模擬的方法對(duì)蜂窩陶瓷蓄熱體的三維模型進(jìn)行了周期性的動(dòng)態(tài)模擬，模擬結(jié)果顯示由于蓄熱量和放熱量的不平衡，蓄熱體從冷態(tài)啟動(dòng)到趨于穩(wěn)定工況需要經(jīng)過多個(gè)傳熱周期才能實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)地，排煙溫度、預(yù)熱空氣溫度和壓力損失也都逐漸升高，最后趨于穩(wěn)定。蓄熱體存在一個(gè)最佳的換向時(shí)間使蓄熱體的熱效率最高，但是蓄熱體的非穩(wěn)態(tài)最佳換向時(shí)間遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)最佳換向時(shí)間，只有在穩(wěn)定狀態(tài)下，才能比較蓄熱體的傳熱特性。

孟祥龍等實(shí)驗(yàn)研究了換向時(shí)間對(duì)預(yù)熱空氣溫度波動(dòng)和排煙溫度波動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)：與空氣(或煙氣)換熱時(shí)，在換向閥剛切換時(shí)傳熱速度是最快的，之后換熱速度變慢直至下一次切換前一刻，換熱速度降到最低。換向時(shí)間過長(zhǎng)，空氣預(yù)熱溫度和排煙溫度波動(dòng)變大，說明隨著換向時(shí)間的延長(zhǎng)，空氣預(yù)熱溫度是逐漸下降而排煙溫度是逐漸升高。對(duì)于工程應(yīng)用來講，燃料消耗會(huì)增大、排煙損失會(huì)增大。因此在條件允許情況下應(yīng)盡量縮短換向時(shí)間，但實(shí)際工程應(yīng)用并不能一味地縮短換向時(shí)間。對(duì)于蓄熱式廢氣焚燒爐，頻繁換向勢(shì)必增加換向過程中廢氣竄入排煙道，造成排放不達(dá)標(biāo)；頻繁的換向也使切換閥的壽命縮短，因此切換時(shí)間的選取需兼顧各方面的實(shí)際要求。

王皆騰等對(duì)換向時(shí)間對(duì)蓄熱體換熱的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在正常運(yùn)行過程中，每當(dāng)換向時(shí)，總有某一側(cè)蓄熱體與換向閥之間管路中的空氣(總體積為V)不能進(jìn)入蓄熱體而排放到大氣中，另一側(cè)煙氣回流并將熱量帶回爐膛。為了計(jì)及這個(gè)因素，他引入供風(fēng)效率ηa的概念，即在一個(gè)周期內(nèi)，能夠進(jìn)入蓄熱體的風(fēng)量占總供風(fēng)量Q的比例。圖1為供風(fēng)效率和換向時(shí)間的關(guān)系，從圖1可見換向時(shí)間越短，供風(fēng)效率越低，但熱回收率越高。實(shí)際上，熱回收率高是一個(gè)假象，因?yàn)榇嬖诠╋L(fēng)效率的緣故。必須在考慮供風(fēng)效率的基礎(chǔ)上，對(duì)熱回收率進(jìn)行修正。實(shí)際熱回收率ηreal應(yīng)是上述幾方面影響的函數(shù)，如圖1所示，實(shí)際熱回收率的最高值對(duì)應(yīng)的最佳換向時(shí)間才具有參考意義。

圖1 供風(fēng)效率和換向時(shí)間的關(guān)系

劉慧在考慮了蓄熱室空隙體積對(duì)換向時(shí)間影響的基礎(chǔ)上，研究了在保持較高余熱回收效率的情況下如何尋求最佳換向時(shí)間。首先整理了換向時(shí)間與余熱回收效率之間的關(guān)系，并建立了一個(gè)數(shù)學(xué)關(guān)系式，對(duì)關(guān)系式進(jìn)行求導(dǎo)找出了合理的換向時(shí)間，得到了最高余溫回收率。隨后再對(duì)蓄熱小球的透熱時(shí)間利用fluent軟件進(jìn)行仿真模擬，得出蓄熱小球的透熱時(shí)間。最后將前兩步計(jì)算的換向時(shí)間進(jìn)行比較，得出最佳換向時(shí)間。

對(duì)于換向時(shí)間對(duì)蓄熱式加熱爐的影響，前人做了比較基礎(chǔ)的研究，確定存在最佳的換向時(shí)間，研究了換向時(shí)間影響著加熱爐的熱效率、鋼坯的加熱質(zhì)量、排煙溫度及預(yù)熱空氣溫度、換向閥的壽命等，但是前人所進(jìn)行的研究結(jié)論都具有一些局限性，或者進(jìn)行了大量的簡(jiǎn)化，只適合一些特殊的、小范圍的工況，并不適用于實(shí)際生產(chǎn)的工況。本文將在實(shí)際的生產(chǎn)工況下進(jìn)行熱態(tài)實(shí)驗(yàn)，研究換向時(shí)間對(duì)蓄熱式加熱爐的影響，首先確定換向時(shí)間是否對(duì)加熱爐產(chǎn)生重大影響，然后確定換向時(shí)間對(duì)加熱爐的影響具體有多大。

2 實(shí)驗(yàn)介紹

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)室搭建了小型蓄熱式加熱爐，對(duì)鋼坯進(jìn)行加熱，研究蓄熱式加熱爐在額定生產(chǎn)工況下的性能。加熱爐包括以下幾個(gè)部分：供風(fēng)系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、換向控制系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、物料傳動(dòng)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等，圖2為試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)體照片。

圖2 小型蓄熱式加熱爐試驗(yàn)臺(tái)

爐體長(zhǎng)4 m、寬1.2 m、高1.4 m，搭配兩個(gè)額定功率300 kW的蓄熱式燒嘴，燒嘴沿加熱爐的縱向布置。爐墻和爐頂保溫材料為高溫隔熱纖維模塊加硅酸鋁棉纖維毯，厚 300 mm。爐底材料為耐火水泥，厚 500 mm。供風(fēng)系統(tǒng)使用的鼓風(fēng)機(jī)流量為1000 m3/h、全壓為4.5 kPa，使用比托管陣測(cè)流量，管道上有蝶閥可調(diào)節(jié)流量。排煙系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，第一部分為通過蓄熱式燒嘴的低溫?zé)煔?，此部分煙氣占總煙氣量的絕大部分，其余熱已經(jīng)蓄熱體極限回收，溫度控制在200 ℃以內(nèi)，使用的排煙風(fēng)機(jī)流量為2 000 m3/h、全壓為4 kPa；另一部分煙氣從物料進(jìn)出口逸漏出來，占總煙氣量的一小部分，由于未經(jīng)余熱回收，這部分煙氣的溫度很高，是限制加熱爐熱效率的主要因素?？刂茡Q向系統(tǒng)由4個(gè)氣壓換向閥承擔(dān)，并設(shè)1個(gè)控制箱，可以手動(dòng)換向或自動(dòng)換向。燃燒系統(tǒng)由一對(duì)蓄熱式燒嘴承擔(dān)，將空氣進(jìn)行高溫預(yù)熱后噴入爐膛與燃?xì)饣旌?，組織燃燒，還配有長(zhǎng)明燈和火焰檢測(cè)器，防止火焰熄滅。物料傳動(dòng)系統(tǒng)為導(dǎo)軌式傳動(dòng)，利用氣缸將鋼坯沿著導(dǎo)軌逐個(gè)向前推進(jìn)。冷卻系統(tǒng)是為了保護(hù)燃?xì)庑竟?，避免火焰檢測(cè)器燒壞等，冷卻風(fēng)機(jī)最大流量為145 m3/h、最大風(fēng)壓為12 kPa。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

蓄熱式加熱爐的主要影響因素有蓄熱體設(shè)計(jì)參數(shù)和操作參數(shù)，前者包括蓄熱體的物性參數(shù)和蓄熱體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如蓄熱體的比熱容、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、孔道形狀、孔道尺寸、孔道壁厚和蓄熱體長(zhǎng)度等；后者包括換向閥的切換時(shí)間和蓄熱體內(nèi)氣體速度等。蓄熱式加熱爐的設(shè)計(jì)參數(shù)在設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)選定，操作參數(shù)中的氣體流速需要根據(jù)產(chǎn)量和燃燒狀況決定，所以在實(shí)際生產(chǎn)中，唯一具有可控性的參數(shù)就是換向時(shí)間。在其他參數(shù)均已確定的前提下，最佳換向時(shí)間可以使蓄熱式加熱爐處于最佳的工作狀態(tài)，最好地發(fā)揮高溫空氣燃燒技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

實(shí)驗(yàn)裝置的工作原理圖如圖3所示，分別對(duì)蓄熱室的進(jìn)出口空氣及煙氣的溫度進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)測(cè)量加熱爐的爐膛煙氣溫度和爐膛內(nèi)工件中心溫度。研究換向時(shí)間對(duì)預(yù)熱空氣溫度、排煙溫度、爐膛溫度和加熱工件溫度等參數(shù)的影響。加熱爐為額定功率300 kW，加熱工件為圓柱狀鋼坯，直徑60 mm，長(zhǎng)150 mm，質(zhì)量為3.3 kg，一共兩排共52個(gè)，數(shù)據(jù)從點(diǎn)火開始記錄。實(shí)驗(yàn)中，保持燃燒功率不變，只改變換向時(shí)間，每個(gè)換向時(shí)間對(duì)應(yīng)一組試驗(yàn)。研究不同換向時(shí)間對(duì)蓄熱式加熱爐熱性能的影響。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)原理

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

保持燃燒功率不變，讓換向時(shí)間在30～90 s之間變化，經(jīng)過多組實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示：設(shè)定為30 s時(shí)，換向時(shí)間太短，會(huì)造成燃燒不充分、冒黑煙及容易熄火等問題；設(shè)定為75 s和90 s時(shí)，換向時(shí)間太長(zhǎng)時(shí)，預(yù)熱空氣溫度降低，難于進(jìn)行高溫低氧燃燒，而且排煙溫度會(huì)變高，容易燒壞排煙風(fēng)機(jī)。結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)情況，經(jīng)常使用的換向時(shí)間在45～60 s，所以本實(shí)驗(yàn)選取在45 s和60 s的工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。

3.1 換向時(shí)間對(duì)預(yù)熱空氣溫度和排煙溫度的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，剛點(diǎn)火時(shí)蓄熱室的預(yù)熱空氣溫度和排煙溫度每個(gè)周期都有較大的升高，均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，蓄熱體從冷態(tài)啟動(dòng)到趨于穩(wěn)定工況需要經(jīng)過多個(gè)傳熱周期才能實(shí)現(xiàn)，直到每個(gè)周期蓄熱室的預(yù)熱空氣溫度和排煙溫度變化曲線接近，可認(rèn)為達(dá)到了周期性穩(wěn)態(tài)。只有在周期性穩(wěn)態(tài)下，才能比較蓄熱式加熱爐的性能。圖4和圖5分別是從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中篩選出來的典型數(shù)據(jù)。

圖4 換向周期為45 s時(shí)預(yù)熱空氣及排煙溫度

圖5 換向周期為60 s時(shí)預(yù)熱空氣及排煙溫度

換向周期為45 s，達(dá)到周期性穩(wěn)態(tài)時(shí)，預(yù)熱空氣溫度為 850～960 ℃，溫度波動(dòng)幅度為 110 ℃，排煙溫度溫度為 40～150 ℃，溫度波動(dòng)幅度為110 ℃；換向周期為60 s，達(dá)到周期性穩(wěn)態(tài)時(shí)，預(yù)熱空氣溫度為 860～980 ℃，溫度波動(dòng)幅度為120 ℃，排煙溫度為 40～160 ℃，溫度波動(dòng)幅度為120 ℃?？梢园l(fā)現(xiàn)，換向時(shí)間越長(zhǎng)，預(yù)熱空氣溫度和排煙溫度的波動(dòng)幅度越大，但是從45 s到60 s，換向時(shí)間增加了33%，預(yù)熱空氣溫度和排煙溫度波動(dòng)只有 9%，可見在正常的換向時(shí)間范圍內(nèi)，換向時(shí)間對(duì)預(yù)熱空氣溫度和排煙溫度的影響很小。

3.2 換向時(shí)間對(duì)爐膛溫度的影響

沿爐長(zhǎng)方向在加熱爐上布置了七個(gè)熱電偶，見圖3實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)原理圖，測(cè)量加熱爐在運(yùn)行中各個(gè)位置上的溫度變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，換向周期分別為45 s和60 s的兩種工況下，爐膛的最高溫度均到達(dá)了1 200 ℃以上，各個(gè)位置的溫度非常接近，唯一不同之處在于各個(gè)位置上溫度波動(dòng)的幅度不同。爐膛各位置的溫度波動(dòng)情況見圖6。

圖6 爐膛各位置的溫度波動(dòng)對(duì)比

由圖可知，由于加熱爐的進(jìn)料口和出料口敞開，容易發(fā)生冷風(fēng)滲漏及冒火，所以加熱爐的兩端溫度波動(dòng)幅度最大，越靠近中間溫度波動(dòng)越小，在爐膛中間溫度幾乎保持不變。換向時(shí)間為45 s時(shí)。爐膛的平均溫度波動(dòng)為20 ℃，換向時(shí)間為60 s時(shí)，爐膛的平均溫度波動(dòng)為 26 ℃。換向時(shí)間越長(zhǎng)，爐膛溫度波動(dòng)的幅度越大，但是對(duì)于加熱爐而言，此溫度波動(dòng)處于非常低的狀態(tài)，爐膛溫度可認(rèn)為穩(wěn)定。

3.3 換向時(shí)間對(duì)工件溫度的影響

實(shí)驗(yàn)中的加熱爐的燃燒功率均為300 kW，其他條件保持不變，唯一變化的就是換向時(shí)間。在45 s和60 s的換向時(shí)間下，工件中心溫度快速上升，在730 ℃附近開始奧氏體化，最后均可以加熱到1200 ℃，可見所搭建的小型蓄熱式加熱爐滿足對(duì)工件的熱處理要求，可應(yīng)用于工業(yè)加熱領(lǐng)域。工件中心溫度的變化曲線如圖7所示。換向時(shí)間分別為45s和60 s的情況下，工件中心溫度的上升曲線幾乎完全重合，可見換向時(shí)間的改變對(duì)工件的加熱過程的影響已經(jīng)可以忽略。

圖7 工件中心溫度變化曲線

4 結(jié)語

換向時(shí)間直接影響了預(yù)熱空氣溫度，預(yù)熱的高溫空氣參與燃燒，進(jìn)而影響到爐膛內(nèi)的煙氣溫度，爐膛內(nèi)煙氣通過對(duì)流換熱及輻射等方式向工件傳熱，最后影響到工件溫度。換向時(shí)間越長(zhǎng)，預(yù)熱空氣溫度、排煙溫度及爐膛溫度的波動(dòng)越大，繼而影響加熱爐的加熱性能，所以換向時(shí)間不宜太長(zhǎng)。但是在這個(gè)過程中，改變換向時(shí)間對(duì)預(yù)熱空氣溫度、排煙溫度、爐膛溫度、工件溫度帶來的影響逐步減小，既改變換向時(shí)間對(duì)蓄熱式加熱爐的影響并不是很大，在合適的換向時(shí)間范圍內(nèi)，換向時(shí)間的變化對(duì)工件加熱過程的影響甚至是可以忽略的。較短的換向時(shí)間并不能提高蓄熱式加熱爐的性能，考慮到燃燒的穩(wěn)定性，換向閥的壽命等因素的情況下，實(shí)際生產(chǎn)中建議換向時(shí)間在合適區(qū)間內(nèi)取較大值。