高效節(jié)能加熱技術(shù)的新奇葩
——自呼吸蓄熱式貧氧燃燒技術(shù)

文/馮娜，房賢卓·北京沃克能源科技有限公司

高效節(jié)能加熱技術(shù)的新奇葩
——自呼吸蓄熱式貧氧燃燒技術(shù)

文/馮娜，房賢卓·北京沃克能源科技有限公司

據(jù)統(tǒng)計，我國鍛造行業(yè)每噸鍛件綜合能耗1.2～1.5t標(biāo)煤，是能源消耗大戶。而鍛坯加熱和熱處理又是鍛件生產(chǎn)中能源消耗較大的環(huán)節(jié)，其中鍛坯加熱能耗約占鍛件總能耗的20％～25％，熱處理能耗約占鍛件總能耗的28％～35％，二者合計約為鍛件總能耗的一半。鍛造工業(yè)爐是鍛坯加熱和熱處理的重要設(shè)備，火焰爐的能耗占工業(yè)爐能耗的90％，在我國工業(yè)爐中發(fā)揮了舉足輕重的作用，所以提高鍛造工業(yè)爐的加熱技術(shù)和裝備水平對滿足鍛造工藝要求，提高鍛件質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，合理利用能源，保護(hù)環(huán)境具有決定作用，對整個鍛造行業(yè)的綠色發(fā)展有著重要的意義。

燃燒技術(shù)是火焰加熱爐的核心。高溫貧氧燃燒技術(shù)自問世以來，憑借其高效、節(jié)能和環(huán)保的技術(shù)特點，成為國際上迅速發(fā)展的先進(jìn)燃燒技術(shù)，并在世界上許多國家的工業(yè)爐上得到廣泛應(yīng)用。其在鍛造行業(yè)的典型是蓄熱式燃燒技術(shù)在鍛造加熱爐上的廣泛應(yīng)用。

然而，相對于鍛造加熱爐，熱處理爐作為鍛件熱處理工藝的關(guān)鍵熱工設(shè)備，工藝要求要嚴(yán)格得多。熱處理爐基本要求是根據(jù)熱處理工藝曲線，提供準(zhǔn)確的升溫、保溫和降溫操作，同時更要嚴(yán)格保證爐內(nèi)各處溫度的均勻性。隨著鍛件熱處理技術(shù)的不斷發(fā)展，對熱處理爐的性能要求也相應(yīng)提高，尤其是在爐溫的均勻性上提出了更高的要求，如爐內(nèi)溫差≤±5℃，甚至≤±3℃。傳統(tǒng)的蓄熱式燃燒技術(shù)由于其特點的限制很難滿足熱處理爐對溫度均勻性的嚴(yán)格要求，因此，在熱處理爐上的應(yīng)用也遠(yuǎn)沒有達(dá)到加熱爐的效果。

現(xiàn)在，自呼吸蓄熱式貧氧燃燒技術(shù)的誕生徹底解決了蓄熱式燃燒技術(shù)的溫度均勻性問題。自呼吸蓄熱式貧氧燃燒技術(shù)是在高溫貧氧燃燒技術(shù)的理論基礎(chǔ)上提出的一種全新的燃燒技術(shù)，其不僅具備傳統(tǒng)高溫貧氧燃燒技術(shù)高效、節(jié)能及環(huán)保的特點，更能最大限度地降低被加熱工件的氧化燒損，實現(xiàn)“節(jié)材”。同時，打破傳統(tǒng)蓄熱式燃燒技術(shù)成對布置，交替換向工作的方式，將兩個蓄熱箱的功能集中在一個燒嘴上，實現(xiàn)了連續(xù)燃燒，多點供熱，完全能夠保證爐內(nèi)溫度分布均勻，滿足熱處理爐要求。目前，自呼吸蓄熱式貧氧燃燒技術(shù)已成功應(yīng)用于鍛造熱處理爐，是完全符合“綠色鍛造”發(fā)展的燃燒技術(shù)。

原理及特點

技術(shù)原理

自呼吸蓄熱式貧氧燃燒技術(shù)，是將傳統(tǒng)蓄熱式燃燒技術(shù)的兩個蓄熱箱功能集中于一個燒嘴上，燃燒時燃料不間斷供入，燒嘴獨立實現(xiàn)了空氣、煙氣交替蓄熱的功能，且空氣進(jìn)入時卷吸部分爐內(nèi)煙氣，稀釋助燃空氣中的氧濃度，使燃燒區(qū)的含氧體積濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于21％，但總的氧含量依然能夠保證燃料的充分燃燒，使燃料在爐內(nèi)形成彌散燃燒。爐內(nèi)高溫?zé)煔饪啥啻沃貜?fù)循環(huán)進(jìn)入空氣通道，一方面極大沖淡了氧濃度，另一方面對空氣進(jìn)行再預(yù)熱，使燃燒在更高的助燃?xì)鉁睾拓氀鯛顟B(tài)下進(jìn)行，可以最大限度地節(jié)能和降低氧化燒損。

自呼吸蓄熱式貧氧燒嘴主要是由蓄熱體、燃料噴口、高溫空氣噴口、絕熱管道和換向閥等組成。通常，在燒嘴上安裝有四個蓄熱室和相應(yīng)的四個獨立的氣體通道，相對的兩個蓄熱室和氣體通道組合成一個工作組。這樣，一個工作組在噴射火焰，另一個工作組就起排煙蓄熱的作用，經(jīng)過一段時間后通過換向閥進(jìn)行切換，見圖1、2。

圖1自呼吸蓄熱式燒嘴結(jié)構(gòu)示意圖

圖2自呼吸蓄熱式燒嘴在熱處理爐的工作示意圖

自呼吸蓄熱式貧氧燒嘴工作時，高溫?zé)煔庠谝L(fēng)機的作用下，通過排煙通道，在蓄熱室中將熱量傳給蓄熱體，使煙氣溫度降至150℃左右排出。當(dāng)蓄熱體蓄熱接近飽和時，通過換向閥切換，使空氣由相反方向進(jìn)入蓄熱室。高溫蓄熱體對助燃空氣進(jìn)行加熱，而蓄熱體則被冷卻。

通過高溫空氣燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化，自呼吸蓄熱式貧氧燒嘴能夠最大限度地回收高溫?zé)煔獾挠酂?，將助燃空氣預(yù)熱溫度僅低于爐溫150℃左右，使排煙熱損失降低到最大限度，提高熱回收效率。空氣被預(yù)熱到高溫，增加了單位空氣量送入爐內(nèi)的顯熱，提高了火焰溫度，減少了排煙損失，具有明顯的節(jié)能效果。

圖3溫度場對比

技術(shù)特點

⑴火焰溫度場分布均勻。自呼吸蓄熱式貧氧燃燒技術(shù)通過卷吸爐內(nèi)煙氣稀釋助燃空氣中的氧濃度，可以確保燃料在貧氧氣氛中燃燒，反應(yīng)時間延長，火焰體積成倍擴大，使得燃料燃燒的釋熱速率及釋熱強度有所延緩和減弱，火焰中不再存在傳統(tǒng)燃燒的局部高溫高氧區(qū)，火焰峰值溫度降低溫差減少，爐內(nèi)溫度場的分布也相對均勻。同時由于卷吸爐膛內(nèi)高溫?zé)煔馀c助燃空氣混合后再從燒嘴噴出，速度一般可達(dá)到60～120m/s以上，相當(dāng)于目前熱處理爐廣泛應(yīng)用的高速燒嘴的氣流速度。依靠高速氣流所產(chǎn)生的擾動和卷吸，不僅大大加快爐氣與工件的熱交換過程，使?fàn)t內(nèi)對流傳熱效率大幅提高，而且對爐內(nèi)各點溫度分布的均勻性、改善工件受熱條件（消除背火面等）都是十分有利的。尤其在650℃以下階段，表現(xiàn)更加明顯。再結(jié)合完善的控制工藝和手段，完全可以確保爐內(nèi)溫差≤±5℃，滿足熱處理工藝要求。

⑵降低氧化燒損。工件在高溫加熱過程中，其表層金屬容易與爐氣中的氧化性氣體O2、CO2、H2O、SO2（主要是O2）等發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氧化物，造成金屬的損失，這種現(xiàn)象稱為工件的氧化燒損。氧化燒損必然降低工件的成材率，甚至影響成品的質(zhì)量。工件的氧化燒損主要由兩方面決定：

①加熱溫度控制對氧化燒損的影響。一般低合金結(jié)構(gòu)鋼的加熱溫度在1200～1250℃，正好處在氧化燒損量生成很高的溫度段。溫度是影響氧化鐵皮生成的主要因素，但要完成工藝要求我們必須達(dá)到這么高的溫度，所以調(diào)整溫度減少氧化燒損潛力有限。

袁闊成把長篇小說《暴風(fēng)驟雨》《烈火金剛》《林海雪原》《紅巖》《野火春風(fēng)斗古城》《呂梁英雄傳》《保衛(wèi)延安》等改編為評書。與此同時，他通過生活體驗和反復(fù)觀察，摸索出“氣、音、字、節(jié)、手、眼、身、法、步”等評書表演要點，至而形成了“漂、俏、快、脆”的鮮明表演風(fēng)格。

②爐內(nèi)氣氛對氧化燒損的影響。爐氣的氧化能力取決于氧化性氣氛的濃度與還原性氣氛的濃度之比，氧化性氣體含量越多，爐氣的氧化能力越強，被加熱金屬的氧化燒損越嚴(yán)重。而在所有氧化性氣體中氧氣與金屬反應(yīng)生成的氧化物所占的比例最大。金屬在加熱的情況下，即使氧氣濃度很小，也能使其氧化。所以爐氣中盡可能除去自由氧，以減少工件的氧化。

自呼吸蓄熱式貧氧燃燒技術(shù)通過大量爐膛回流煙氣與助燃空氣混合，較大幅度降低了燃燒區(qū)域以及整個爐膛的氧濃度，實現(xiàn)了低氧燃燒。減少了被加熱工件表層金屬與爐氣中的氧化性氣體接觸發(fā)生氧化反應(yīng)的機會，從而減少氧化燒損，提高成材率且大大提高成品的表面質(zhì)量。

⑶節(jié)約燃料消耗。從工業(yè)爐的熱平衡分析可以得知：從爐內(nèi)排出的煙氣溫度通常高達(dá)900～1150℃，帶走的熱量約占總熱量的60％～70％。因此，利用好這部分熱量是工業(yè)爐節(jié)能降耗最直接有效的途徑。

一般而言，預(yù)熱空氣溫度每提高100℃，可使理論燃燒溫度提高50℃，并節(jié)能5％左右。自呼吸蓄熱式貧氧燃燒技術(shù)通過回收煙氣余熱，可使空氣預(yù)熱溫度達(dá)煙氣溫度的80％，能夠最大限度地回收高溫?zé)煔獾奈锢頍?，從而達(dá)到大幅度節(jié)約能源（一般節(jié)能10％～70％），提高熱工設(shè)備熱效率的目的。

⑷提高單位產(chǎn)能。根據(jù)爐內(nèi)氣體與工件的對流傳熱計算公式可以得出，當(dāng)爐內(nèi)氣體流動速度每增加1倍，則對流換熱系數(shù)增加0.8倍。自呼吸蓄熱式貧氧燃燒技術(shù)通過大量卷吸爐膛中煙氣，一方面增大煙氣循環(huán)倍率，另一方面大幅增加了燒嘴噴出的氣體速度，進(jìn)而使?fàn)t內(nèi)氣體對工件的對流換熱系數(shù)得以成倍提高（特別在中低溫階段）。這樣大大加快了爐氣與工件的熱交換過程，縮短工件加熱時間，改善工件受熱條件。簡而言之，相同加熱爐生產(chǎn)條件下，提高氣體對工件的對流換熱速度可以提高工件的產(chǎn)能。

圖4氧濃度場對比

圖5NOx分布對比

⑸減少NOx排放。燃燒礦物燃料如煤、原油、天然氣容易生成氮氧化物等污染物質(zhì)。一般的，NOx的生成速度主要與火焰中的最高溫度、氧和氮濃度及氣體在高溫下的停留時間等因素有關(guān)。由于自呼吸蓄熱式貧氧燃燒火焰峰值溫度及燃燒區(qū)含氧體積濃度降低，NOx的生成大大減少。因此，貧氧燃燒生成的NOx量是十分少的，而且，燃燒氣氛中氧濃度越低，生成的NOx量越少。

在綠色鍛造中的實際應(yīng)用

目前，自呼吸蓄熱式貧氧燃燒技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于鍛造加熱爐和熱處理爐，并且取得了很好的實際效果。自呼吸蓄熱式貧氧燃燒器的結(jié)構(gòu)形式類似普通燃燒器，能直接安裝在爐子側(cè)墻上。燃燒器的結(jié)構(gòu)緊湊、密閉性好，安裝、維護(hù)非常方便。

爐子用途：鍛件熱處理；

加熱鋼種：合金結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼和不銹鋼等；

最大裝載量：200t；

升溫速度：30～100℃/h；

爐內(nèi)最大溫差：±5℃；

燃料種類：天然氣；

燒嘴型式：自呼吸蓄熱式貧氧燃燒器；

控制系統(tǒng)：PLC自動控制；

噸鋼能耗：65Nm3天然氣/t。

結(jié)束語

自呼吸蓄熱式貧氧燃燒技術(shù)具有高效、節(jié)能、環(huán)保和節(jié)材的技術(shù)特點，不僅適用于鍛造加熱爐，其均勻的火焰溫度場使其完全能滿足鍛造熱處理爐的工藝要求。該技術(shù)在鍛造行業(yè)工業(yè)爐上的應(yīng)用有助于降低鍛件成本，提高鍛造企業(yè)經(jīng)濟效益和市場競爭力；有助于鍛造企業(yè)“節(jié)能減排”效果的提高，對“綠色鍛造”的發(fā)展必將起到很強的推動作用。

馮娜，碩士，工程師，研究方向為加熱爐的節(jié)能燃燒。

圖6自呼吸蓄熱式貧氧燃燒技術(shù)在綠色鍛造中的實際應(yīng)用