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天然气熔炼炉的蓄热式燃烧系统工作原理

(2019-08-15 17:19:39)
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节能熔炼炉

天然气熔炼炉

分类: 熔炼炉

燃烧系统性能是整个熔炼炉的最关键部分。

蓄热式燃烧器原理是交替换向蓄热使助燃风吸收了烟气余热,预热到低于炉膛温度 120左右,催化燃烧快速反应放出热量,降低排烟温度至 150以下排放到大气,但是以往并没有充分考虑热传递的过程和燃烧效率问题。怎样使燃烧的火焰加长和高温热烟气气流组织形程更长,增加的热传递时间和吸热的过程。在燃烧前助燃空气与燃料充分混合达到最佳空燃比,所谓的厌氧燃烧,只是助燃空气不过多,没有燃烧的燃料在气流形成中还具有很强的亲氧性,将炉膛剩余的氧气继续结合完全燃烧,没有过剩空气并且燃料热量全部释放。在调试燃烧过程中,火焰燃烧刚烈,燃烧效果好,这种情况属于明显的富氧燃烧,燃料燃烧充分,热量也全部释放。但是,过量的空气带走热量的同时,还会产生过多的污染物 NOx。同时,富氧燃烧缩短了燃烧过程,使得火焰形成短,不利于气流形成热传递,但冲击熔化速率高,能源消耗大且烧损率高。

蓄热式燃烧方式当前提出两种:换向燃烧与不换向燃烧。蓄热式燃烧的助燃风是周期性蓄热换向,燃料不换向燃烧,燃料直接送入炉膛再与助燃风混合燃烧,这种方式燃料与助燃风混合不均匀,燃料进炉膛密度大然后扩散,助燃风量中的氧必须远远大于反应需求量,否则燃烧不完全,同时受炉膛空间限制缩短了燃烧火焰长度,减少热烟气的行程也就降低热传递时间,两个方面降低燃烧效率(排烟气量加大和热传递时间缩短);燃料换向燃烧,燃料与助燃风在燃烧室混合后燃烧进入炉膛,火焰的根部在燃烧器的出口,既保证了充分燃烧,又拉长火焰和烟气在炉膛的行程。

蓄热室和燃烧器布置安装:根据燃烧和传热的过程原理,设计使燃烧器的火焰和气流组织的排烟过程延长,斜对角(气流组织形成最长)布置是效率最高的。一是送风与引风可以拉长燃烧火焰,二是传热时间长,炉膛受热均匀,熔化速率提高。对比同侧相邻的燃烧室布置,火焰和高温烟气易直接回流造成近距离温度高,远侧温度低,形成炉料熔化不均匀,熔化速率低延迟熔化时间,增加燃料消耗。燃烧器形成的火焰要具有一定的倾角,强制使火焰与金属快料间对流效果,也即使熔液快速脱离固体块料表面,加强向金属固体内部传热的速度而增加熔化速率。

两种燃烧器布置结构如下图:

天然气熔炼炉的燃烧器

天然气熔炼炉的燃烧器

自动化控制系统和运行调节方法

依据上面合理化设计并实施熔炼炉好后,炉的控制系统自动运行调节决定整个炉的效率和生产经济性。根据工艺过程和金属热工特性,动态调节炉膛温度适宜阶段化料需求,是实现经济生产自动化的标志。由于燃料随温度(炉膛和熔液)的动态变化,空燃比恒定调节是熔炼炉自动化关键技术(考验自动化调节稳定、精确度和实时性),由于炉内的烟气量不断变化气流组织很复杂,排烟含氧量也因此不一样,只有通过调试不同天然气流量多个点空燃比拟合成一条函数曲线,才能在燃烧过程中根据燃料量来调节助燃风量。随着助燃风和排烟管道在不同阶段的阻力不一样,使得风阀开度只能以满足在最不利情况测试的空燃比函数曲线为准。

随炉膛/熔液温度的变化调整燃气流量和助燃风量控制原理图:

助燃风量控制原理图


控制逻辑说明:天然气熔炼炉厂家哪家好?

1、 初期熔化阶段,由炉膛温度控制天然气阀供给燃料量,待金属固体原料全部熔化后由熔液温度控制燃料供给量。

2、排烟含氧量控制助燃风阀的空燃比。

3、排烟温度控制换向时间,一般排烟温度设置在 130 ~150 范围之间(排烟温度要用火用损分析来确定,并不是越低越好)。

4、炉膛压力控制引风机的排烟量,炉膛压力保持在 35Pa 左右为佳。

控制设备选择建议:

传感器:温度采用 S 分度热电偶+刚玉保护套管,熔液温度传感器保护套管要求耐高温和防腐蚀特种材质(变送器在高温环境下不适宜,若炉底有电磁搅拌器的磁场干扰很大,导致测试数据不准确),炉压仪表选用进口高精度微压+200pa 传感器(如横河);

燃气电磁阀门:需设计安全保护和高温环境工作的长久性,宜选用 MADAS、ELECTICGAS、KROM-SCHRODER、HONEYWELL 等品牌,调节阀门需要选用防爆型,密封好的阀体 EBRO、BELIMO 等。

换向阀:四通换向阀相比过去四个碟阀组合工作操作简单,一个阀就解决过去四个阀的问题,也可采用两个三通阀组合到达四通阀的效果。

先进的熔炼炉控制系统只有合理的控制逻辑设计和可靠的硬件产品相结合才能到达连续性精确控制燃烧效率使天然气耗最低、提高熔化率和减少氧化烧损率。

增强外围辅助设备应用

由于熔炼炉中的固体原料熔化后,为了改善炉内合金熔体的成分均匀性及温度均匀性,若采用机械搅拌,炉内温度高人工操作困难,同时打开炉门热量损失大。采用电磁搅拌装置可以通过熔体的搅拌流动,显着缩短铝锭熔化时间,从而节约能源,减少金属烧损。实践表明,熔铝炉采用电磁搅拌装置后,炉子熔化化速率约可提高 15%,能源消耗可降低 15%~20%,此外炉内熔体成分的均匀性及温度均匀性也有显着提高,因此电磁搅拌装置在常规熔铝炉生产上同样有良好的使用效果。

熔液温度直接测量参与自动控制也是控制系统一个棘手问题,由于熔液温度传感器没法直接安装在熔池里,在装料、搅拌和扒渣时易碰撞损坏,而埋在炉墙内测温误差大不能直接反应熔液温度,那么控制燃烧系统会造成工艺温度误差大,因此设计传感器自动探测装置,在需要测熔液时液压传动或气动将传感器插入熔池,在打开炉门时自动拔出。既保护了温度传感器也可准确测量熔液温度,根据熔液温度精确控制燃烧系统,实现熔炼炉最大节能能源和提高工艺品质。

天然气蓄热式熔炼炉生产过程操作方法

熔炼炉的操作人员水平差异也影响燃气能耗和熔炼炉使用寿命。就算熔炼炉设计和施工质量都很理想,自动化控制系统都按到前述实现,但操作人员并不按操作规程要求作业,熔炼炉的能耗也不能达到理想状态。尤其是以下几个方面在操作过程中影响熔化率和能耗:

1、加料时间过长,快速加料减少炉膛热量损失。

2、炉门关闭不严,既加大热量散失也烧坏炉门,应严格按照规程操作。

3、二次加料延误,浪费燃烧时间,堆料合理和提前加料,勤多次搅拌。

4、减少配料次数,争取一两次产品合格。

5、合格熔液出炉过长时间。

天然气蓄热式熔炼炉要建设或改造成为高效节能的生产设备,按照上述六个方面综合考虑建设,基本可以达到当前行业的先进水平。本类高效节能的熔炼炉建设或改造相比传统方式成本约高 1/3,但是投入运行后的节能投资回报期不超过 6 个月。从长久性和节能减排的角度,不管是经济性还是对社会的环保方面都具有非常重要的意义。因此,建议采用传统技术的熔炼炉生产企业,为了促进企业经济循环发展,根据自身情况参考本方案进行建设或改造,使企业市场竞争实力进一步得到提升。


天然气蓄热式熔炼炉的燃烧系统工作原理

蓄热式烧嘴成对布置,相对的两个烧嘴为一组(A、B烧嘴)。从鼓风机出来的常温空气由换向阀切换进蓄热式烧嘴A后,在流过蓄热式烧嘴A陶瓷小球蓄热体时被加热,常温空气被加热到接近炉膛温度(一般为炉膛温度的80%~90%)。被加热后的高温空气进入炉膛后,卷吸周围炉内的烟气形成一股含氧量大大低于21%的稀薄贫氧高温气流,贫氧高温空气与注入的燃料混合,实现燃料在贫氧状态下燃烧;与此同时,炉膛内的热烟气经过蓄热式烧嘴B排出,高温热烟气通过蓄热式烧嘴B时将显热储存在蓄热式烧嘴B内的蓄热体内,然后以低于150的低温烟气经过换向阀排出。当蓄热体储存的热量达到饱和时进行换向,蓄热式烧嘴A和B变换燃烧和蓄热工作状态,如此周而复始,从而达到节能和降低NOX排放量等目的。

蓄热式燃烧技术改变了传统的燃烧方式,主要表现为燃料与空气以适当速度从不同的喷嘴通道进入炉内,并卷吸炉内的燃烧产物,空气中的O2含量被稀释,燃料在炉膛中高温(1 000以上)低氧浓度场(5%~6.5%)工况下燃烧,此种燃烧方式带来了许多优点:

(1)节能效果显著,比传统熔化炉平均节能25%以上

由于蓄热体“极限回收”了烟气中大部分的余热,并由参与燃烧的介质带回炉内,大大降低了炉子的热支出,所以采用蓄热式燃烧技术的炉子比传统熔化炉节能。

(2)消除了局部高温区,炉温分布均匀

燃料在高温低氧浓度工况下燃烧,在炉内形成没有明显火焰的弥漫燃烧,消除了火焰产生的局部高温区,火焰边界几乎扩大到整个炉膛,使炉温更加均匀。蓄热式烧嘴工作状态频繁交换,使燃烧热点的位置及炉气流动方向频繁改变,强化了炉气对流,减小炉内死角,也使炉温更加均匀。

(3)提高加热质量

均匀的炉温使铝锭加热更均匀,降低了局部高温以及富氧环境对铝液的挥发和氧化作用。 

(4)延长炉子耐火材料使用寿命

炉温均匀和消除局部高温区使耐火材料受热均匀,并保证耐火材料始终工作在合理的使用温度范围内。

(5)减少温室效应气体CO2排放量及NOX生量

燃料节省25%,相应的CO2排放量也减少25%。由于局部高温区的消除,有效的降低了NOX的生成量。


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