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再熱爐的主要功能是將半成品鋼（鋼坯、大方坯、板坯或圓鋼）的溫度通常提高到1000攝氏度至1250攝氏度之間，直到其塑性足以在熱軋機中軋制出所需的截面、尺寸或形狀。出于冶金學和生產(chǎn)力的原因，再熱爐也必須在加熱率方面滿足具體要求和目標。在再熱爐中，有一個連續(xù)的材料流，當它通過爐子時被加熱到所需的溫度。

熱軋作業(yè)需要以最低的成本和軋機的最佳生產(chǎn)速度獲得高質(zhì)量的再加熱半成品鋼。熱軋廠用于加熱半成品鋼的再加熱爐消耗大量的能源，同時產(chǎn)生大量的污染物。正因為如此，有必要研究如何減少能源消耗和污染物，從而減少成本。這可以通過提高再加熱爐的燃料效率來實現(xiàn)。

復熱爐的燃燒系統(tǒng)對復熱半成品鋼的質(zhì)量和復熱所需的燃料量都有重大影響。今天，人們對再熱爐的重要期望不僅是降低污染物的排放和能源消耗，而且還希望提高被加熱鋼鐵產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性、均勻的溫度、熱流以及設備和人員的安全。所有這些都是對再熱爐的燃燒系統(tǒng)有相當大影響的關鍵因素。

啟動和維持燃燒所需的三個基本要素是：（i）燃料，（ii）氧氣和（iii）用于點火的足夠能量。如果燃料和氧氣能夠不受任何限制地相遇并發(fā)生反應，燃燒過程是最有效的。然而，在實際的加熱應用中，僅僅考慮有效的燃燒是不夠的，還要考慮到傳熱方面。以下是重新加熱爐中燃燒系統(tǒng)的重要參數(shù)。

需要傳給爐料的熱量。

爐內(nèi)產(chǎn)生的熱量不僅需要加熱爐料，而且還需要克服所有的熱量損失。

將部分可用的熱量從爐內(nèi)氣體轉(zhuǎn)移到加熱爐料的表面。

爐料內(nèi)部溫度的平衡。

爐子里的熱量通過門和墻等損失。

由廢氣攜帶的熱量。

由廢氣引起的污染物（如氮氧化物等）的排放。

由78%的氮氣和1%的氬氣稀釋的氧氣組成的空氣并不能為燃燒和傳熱提供最佳條件?？諝庵械牡獨庠谌紵^程中被加熱，為了避免轉(zhuǎn)移到氮氣中的能量損失，有必要回收這些能量，以節(jié)省燃料。

熱量通過對流、傳導和輻射轉(zhuǎn)移到固體產(chǎn)品表面。產(chǎn)品內(nèi)部的熱量傳遞只通過傳導。這意味著產(chǎn)品表面（加熱時隨時間變化）、半成品鋼的尺寸和材料以及爐子的內(nèi)部尺寸都很重要。

為了實現(xiàn)高效和均勻的加熱，爐內(nèi)的氣體成分和流動模式也很重要。傳統(tǒng)的、非優(yōu)化的加熱策略在穩(wěn)定狀態(tài)下可能是足夠的，但在生產(chǎn)中斷、產(chǎn)品等級或尺寸變化、或目標下降溫度變化的情況下，不能提供最佳的質(zhì)量和成本性能。在今天的情況下，需要一個解決方案，在所有條件下提供最高質(zhì)量和最低成本的加熱，對環(huán)境的影響最小。

如今，由于全球變暖，嚴格的環(huán)境法規(guī)要求盡量減少具體的燃料消耗，同時減少包括氮氧化物（NOx）在內(nèi)的污染物。在滿足生產(chǎn)要求的同時，最低能源消耗和污染物排放的目標相互沖突，這給操作人員和設備供應商帶來了挑戰(zhàn)，他們需要利用一切可用的技術來設計高效節(jié)能、符合環(huán)保要求的再熱爐燃燒系統(tǒng)。

在傳統(tǒng)的燃燒器設計中，這兩個目標往往是相互沖突的。然而，使用最新的技術和帶有擴散火焰燃燒技術的燃燒器設計，現(xiàn)在可以通過預熱燃燒空氣實現(xiàn)高水平的效率，并相應地減少氮氧化物的排放。

在鋼鐵廠中，有很多類型的再熱爐正在運行。再生爐的結構由幾個區(qū)域組成。再生爐通常設計有多個加熱區(qū)，即（i）預熱區(qū)，（ii）加熱區(qū)，以及（iii）浸泡區(qū)。半成品鋼片被送入預熱區(qū)，并依次緩慢地移動到加熱區(qū)和浸泡區(qū)。鋼件在預熱區(qū)和加熱區(qū)大致被加熱到目標溫度，并在浸泡區(qū)浸泡，以保持整個鋼件的均勻溫度，鋼件主要通過周圍氣體的輻射傳熱進行加熱。每個區(qū)都有不同的目的，而且各區(qū)通常都有獨立的燃燒器控制，即使燃燒的產(chǎn)物通過前面的區(qū)來排出煙道。空氣與燃料的比例的設定通常是為了在煙氣中產(chǎn)生一個理想的過量氧氣水平。其目的是確保所有的燃料都在再熱爐內(nèi)燃燒，但同時也要避免燃燒空氣過多而降低爐子的加熱效率。

再熱爐的多區(qū)結構使得燃燒優(yōu)化非常困難，因為區(qū)間的相互作用、不斷變化的產(chǎn)品要求、不斷變化的提取速度以及提取棒材的行為本身。 有很多問題會導致最終結果的漂移。其中一些問題如下：

氣體或空氣的計量不準確

空氣濕度的變化

大量的燃料或氧氣從爐子的另一個區(qū)域遷移過來

在通過換熱器預熱空氣的情況下，可能存在（i）管道或換熱器的泄漏，（ii）溫度校正系數(shù)失準，以及（iii）季節(jié)性變化

閥門和執(zhí)行器的磨損或損壞

爐子的泄漏

此外，根據(jù)燃燒器的能力和所需的過量氧氣水平，每個區(qū)都需要固定的化學計量比率。由于以下兩個原因，各區(qū)的比例可能不同。

由于氧氣水平、溫度和水垢形成之間的關系，每個區(qū)所需的過量氧氣可能是不同的。

由于燃燒器的混合能力不同，可能需要對不同的燃燒器轉(zhuǎn)差率進行調(diào)整。

通常情況下，由于沒有實時的過程反饋，再熱爐的操作者不知道氧氣是否達到或接近所需的設定點。在這種不確定性水平下操作爐子的后果可能是很嚴重的。考慮到燃燒器的反應和理論上的燃燒產(chǎn)物，可能會出現(xiàn)化學計量偏離設定點的情況。如果煙氣中的實際氧含量超過了設定值，效率就會降低，增加不必要的燃料成本。如果實際氧含量低于設定值，那么一氧化碳含量就會增加，這就會造成不安全的操作條件，并由于未燃燒的燃料從爐子中流出而降低效率。此外，為了滿足不斷變化的爐子需求，再熱爐中的空氣-燃料比率控制器不斷調(diào)整其設定點，因此氧化狀態(tài)也一直在變化。在實踐中，再熱爐經(jīng)歷了某種程度的不完全燃燒。有幾個問題會導致混合不良。這些問題在下面給出。

燃燒器效率

轉(zhuǎn)速

空氣和燃料的速度無可比擬

比率控制失調(diào)

爐子漏氣

由于混合不良而造成的不完全燃燒也會導致一氧化碳和氧氣的共存。在實踐中，一氧化碳和氧氣同時存在是很常見的。因此，再熱爐的最佳操作需要通過合適的傳感器獲得實時的燃燒產(chǎn)物數(shù)據(jù)。

換熱器通常用在再熱爐中作為廢熱回收裝置，以實現(xiàn)高熱效率和節(jié)能?；厥盏挠酂嵊糜陬A熱燃燒空氣，然后將其送入燃燒器。預熱的空氣導致了能源節(jié)約和良好的燃燒性能。然而，其缺點包括加入大規(guī)模的余熱回收系統(tǒng)。此外，預熱空氣的溫度通常最多只有600攝氏度到700攝氏度左右。

最近，在半成品鋼的再加熱領域有兩個主要發(fā)展。這些發(fā)展是：（1）高溫空氣燃燒，和（2）氧氣燃料燃燒。

高溫空氣燃燒

高溫空氣燃燒（HiTAC）技術利用超過1000攝氏度的預熱空氣。在再熱爐中采用這種燃燒技術，可以使鋼鐵廠對同時減少能源消耗以及減少二氧化碳和氮氧化物的排放做出巨大貢獻。與傳統(tǒng)類型的爐子相比，利用HiTAC技術還可以減少再熱爐的物理尺寸。

HiTAC技術的基本概念是，通過高循環(huán)再生器最大限度地回收廢熱，并控制高度預熱的燃燒空氣與燃燒氣體的混合，產(chǎn)生均勻和相對低溫的火焰。

HiTAC技術中使用的再生式燃燒器具有獨特的燃燒特性。這些特性導致了高效和清潔的火焰，具有均勻的溫度和熱通量曲線。這些特性導致了生產(chǎn)率的提高和產(chǎn)品質(zhì)量的改善，并為爐子部件提供了更溫和的環(huán)境。 HiTAC技術可以使運行成本降低。

HiTAC技術在所有的燃料-空氣混合物（包括非常稀薄的燃料混合物）中提供了明顯更高的火焰穩(wěn)定性，更高的傳熱，以及從煙囪中的低熱量損失（廢熱）。該方法提供了一種利用適當?shù)臒峤粨Q方法將熱量從高溫側(cè)（燃燒的氣體）再循環(huán)到未燃燒的混合物側(cè)的方法。預熱給未燃燒的混合物提供了額外的焓值，而不會被燃燒產(chǎn)物稀釋。

采用HiTAC技術后，火焰特征明顯不同，火焰穩(wěn)定，排放減少，并能顯著節(jié)省能源。發(fā)現(xiàn)火焰顏色與通常觀察到的藍色或黃色有很大不同。在某些條件下，使用典型的碳氫化合物燃料已經(jīng)觀察到藍綠色和綠色的火焰。相反，還觀察到燃料的無焰（或無色）氧化。

以下是HiTAC技術的主要特點。

使用燃燒器中的再生器，以非常高的空氣預熱溫度燃燒碳氫化合物。

廢氣產(chǎn)品的顯熱被用來加熱燃燒空氣（溫度大于1000攝氏度）。該技術試圖使空氣預熱接近目標爐溫。

廢氣溫度約為150攝氏度至200攝氏度。

提取燃料中的大部分能量用于加熱過程。

有50％（替換冷空氣）和30％（替換來自換熱器的空氣）的燃料節(jié)省。

爐內(nèi)有非常均勻的熱量分布。

氮氧化物的產(chǎn)生非常少。

在蓄熱式燃燒器中，有一對配置，每個燃燒器在燃燒和排煙之間循環(huán)。助燃空氣在燃燒器的兩組通道之間循環(huán)。它通過一組進入，從燃燒器中的再生材料中獲取熱量。燃燒產(chǎn)物的氣體通過另一組出口，將再生器材料加熱到高溫。在下一個循環(huán)中，燃燒空氣和燃燒產(chǎn)物交換路徑。

圖1說明了HiTAC的概念，并與傳統(tǒng)的再熱爐燃燒作了比較。如果燃料和高溫新鮮空氣之間發(fā)生直接燃燒，通常會在爐子里產(chǎn)生極高的溫度火焰。由于修改了爐子的幾何形狀，不僅基礎火焰的熄滅是通過高速入口空氣的剪切運動發(fā)生的，而且在燃燒前必須通過分離燃料和空氣入口來稀釋空氣中的燃燒氣體（BH）。需要注意的是，這些都是普通燃燒無法在環(huán)境溫度的空氣中持續(xù)的條件。此外，單獨注入爐內(nèi)的燃料也會在爐內(nèi)夾帶燃燒的氣體，如果有的話，在這個準備階段，燃料會發(fā)生一些變化，如熱解、分解和液體燃料的汽化。燃料和夾帶的產(chǎn)品（B*F）之間可能會發(fā)生弱的燃燒反應，而主要的燃燒則是在燃料和稀釋空氣的混合區(qū)發(fā)生的，其中有大量的燃燒氣體（B*F*BH）。由于燃燒氣體的高回收率導致氧氣濃度低，火焰的變化可能會產(chǎn)生一個擴大的反應區(qū)，在那里可能會發(fā)生相對緩慢的反應。在沒有預熱空氣的既定燃燒中，燃料和新鮮空氣（F*A）之間的直接燃燒發(fā)生在燃燒器的近場。此后，在火焰的下游部分，由于再循環(huán)的燃燒氣體被進入的燃燒空氣夾帶，可能會出現(xiàn)一些稀釋狀態(tài)下的燃燒。燃燒器附近的燃燒（F*A）顯示出爐子里的最高溫度，從爐子里排放出的大部分氮氧化物都是在這里形成的。然而，這個區(qū)域的燃燒對于維持爐內(nèi)的燃燒至關重要，如果這部分發(fā)生熄滅，整個火焰就無法存在。

圖1 采用HiTAC技術的混合和燃燒的概念

盡管使用了高度預熱的空氣，HiTAC的平均溫度和瞬時峰值溫度比普通燃燒要低得多。

全氧燃燒系統(tǒng)

全氧燃燒是指用氧氣完全替換空氣作為燃燒的氧化劑來源，而氧氣可以通過低溫技術或吸附技術產(chǎn)生。用氧氣替換空氣的一般優(yōu)點是，幾乎或完全消除了與空氣一起帶入燃燒過程的氮氣量。減少燃燒中的氮氣可以提高火焰溫度和燃燒效率，因為較低的燃燒氣體體積減少了從火焰中獲取并流失到排氣中的熱量。因此，與空氣燃料燃燒相比，使用全氧燃燒的優(yōu)勢如下：

減少能源消耗

提高加熱率，從而提高產(chǎn)量（在不增加爐溫設定點的情況下）。

減少爐子的排放

除上述優(yōu)點外，與其他提高效率的方法（如換熱器或排放控制設備）相比，使用全氧燃燒有時可以降低資本投資。由于更好的控制和更短的加熱時間，全氧燃燒還可能導致更少的水垢損失。

與空氣燃料相比，全氧燃燒的兩種燃燒產(chǎn)物CO2和H2O的分壓高得多。這提高了傳熱率。由于廢氣沒有被氮氣稀釋，氣相在傳熱過程中發(fā)揮了更積極的作用，這不僅是因為CO2和H2O的傳熱傳導率和熱容量更高，而且還因為它們都是高熱輻射的三種原子氣體。

與空氣燃料相比，全氧燃燒爐的流動模式是有利的。由于沒有氮氣的存在，并由于節(jié)省了燃料，廢氣量減少了70％至80％。因此，氣體的停留時間更長，有更多的時間將熱量傳遞給產(chǎn)品。事實上，產(chǎn)品被浸泡在由二氧化碳和水組成的氣態(tài)廢氣中，也就是說，濕潤的環(huán)境具有更高的傳熱能力。

當比較純氧爐和空氣燃料爐時，兩者都設置在相同的爐溫下，材料在純氧爐中更快達到設定值。這是因為氣體的特性。

與空氣燃料燃燒相比，全氧燃燒的可用熱量大大增加?？捎脽崃康脑黾优c能源消耗的減少和爐子產(chǎn)量的增加直接相關。

可利用的燃燒熱量的增加意味著更少的熱量損失到廢氣中，總能量輸入的更大比例被留在再加熱爐中做功。因此，當可用熱量增加時，做恒定數(shù)量的工作所需的總能量輸入量就會減少。

節(jié)能效果因燃料類型、現(xiàn)有燃燒比和燃燒空氣溫度而異。其他因素，如煙道口尺寸的減少和輻射損失，會影響全氧燃燒的實際能量減少率。全氧燃燒提高燃燒效率的另一個影響是能夠提高加熱率，獲得更多的爐子吞吐量。

產(chǎn)量增加的實際限制取決于半成品鋼材料的吸熱能力以及半成品鋼材料受熱的時間和溫度。各種氧燃氣裝置的經(jīng)驗表明，在大多數(shù)操作中，材料吞吐量可以增加，而不需要增加爐子的溫度設定點，但已經(jīng)滿足設定溫度斜率限制的爐子除外。除了可用熱量的增加，更高的全氧燃燒火焰溫度和燃燒氣體的輻射潛力對加熱能力和生產(chǎn)率有積極影響。

氧燃料火焰溫度一般比空氣燃料火焰溫度高500攝氏度至800攝氏度。由于輻射傳熱取決于從源頭到接收器的溫度差的四次方，全氧燃燒導致火焰對物質(zhì)的輻射勢大幅增加。全氧燃燒的燃燒產(chǎn)物也是更好的輻射傳熱來源。這是因為空氣燃料的燃燒產(chǎn)物大部分是氮氣，它不像二氧化碳和水蒸氣那樣是一種有效的輻射傳熱機制，而二氧化碳和水蒸氣構成了全氧燃燒的大部分產(chǎn)物。

在某些情況下，爐子的生產(chǎn)受到允許出爐的氣體排放量的限制。全氧燃燒也可以成為減少爐子排放的一種手段，并允許在允許的排放上限內(nèi)提高生產(chǎn)能力。

全氧燃燒的廢氣量大大降低。全氧燃燒的總廢氣量一般比空氣燃料的總廢氣量少70％至90％。在很多情況下，僅廢氣量的減少就能帶來好處，特別是在現(xiàn)有污染控制設備有限和/或顆粒物排放令人擔憂的情況下。全氧燃燒的一個更重要的結果是降低某些廢氣成分的排放。使用全氧燃燒最明顯的結果是減少了燃料消耗。隨著燃料消耗的減少，在一定時間內(nèi)或每單位加熱的半成品鋼材料中，二氧化碳的排放也會降低。雖然二氧化碳的產(chǎn)生目前不是一個主要問題，但正在發(fā)生的全球變暖和氣候變化表明，在即將到來的未來，更嚴格的二氧化碳排放條件可能是一個因素。很多爐子經(jīng)營者更直接的關注是氮氧化物的排放。通過全氧燃燒，燃燒產(chǎn)物中的氮氣分壓大大降低，即使在火焰溫度升高的情況下，也會降低形成氮氧化物的可能性。很多因素影響全氧燃燒爐的氮氧化物排放率。氧氣產(chǎn)品的純度就是這樣一個因素。然而，最大限度地減少全氧燃燒氮氧化物排放的主要因素是爐壓控制。二次空氣泄漏與高氧燃燒火焰溫度相結合，可以大大降低全氧燃燒作為氮氧化物控制技術的影響。

與空氣燃料火焰相比，純氧燃料火焰具有更高的溫度，而體積和長度卻更小。在設計應用于鋼鐵材料再加熱的全氧燃燒器系統(tǒng)時，需要考慮全氧燃燒器的火焰特性。一般來說，鋼鐵的再加熱需要均勻的溫度分布，以避免在再加熱的鋼鐵產(chǎn)品中出現(xiàn)局部過熱或加熱不足。全氧燃燒器的類型和位置取決于再加熱爐的類型以及火焰與半成品鋼材料的接近程度。

燃燒產(chǎn)物的再循環(huán)促進了氣體在加熱室中的運動，從而使溫差最小化。另外，燃燒氣體再循環(huán)進入氧燃氣火焰，降低了火焰的峰值溫度，促進火焰輻射曲線更加均勻，以保護最靠近燃燒器的產(chǎn)品不會被過度加熱。有幾種純氧燃燒器的設計可以獲得再循環(huán)的效果，包括獲得專利的噴嘴以及其他利用純氧火焰動力產(chǎn)生氣體再循環(huán)的設計。

在為效率提供巨大好處的同時，全氧燃燒的低量燃燒產(chǎn)物在設計燃燒控制系統(tǒng)時需要一些特別的關注。燃燒比的適當控制對于再加熱過程至關重要，因為燃燒的產(chǎn)物構成了加熱氣氛，并最終影響到水垢形成的速度和類型。在空氣燃料燃燒系統(tǒng)中，與空氣一起進入燃燒過程的大量氮氣提供了一個阻尼器或安全因素，以防止空氣與燃料比率的變化。在全氧燃燒中，這種阻尼器幾乎完全被消除了。這意味著全氧燃燒中氧氣與燃料比例的百分比變化對加熱爐氣氛的影響比空氣燃料燃燒的相同變化要大。

與空氣燃料燃燒相比，全氧燃燒對爐內(nèi)氣氛的良好控制需要控制系統(tǒng)有更高的精確度。通常需要進行質(zhì)量流量補償，以滿足全氧燃燒保持良好爐內(nèi)氣氛的精度要求。全氧燃燒控制的另一個重要變量涉及爐子排氣和壓力控制系統(tǒng)。

全氧燃燒的廢氣量比空氣燃料燃燒的廢氣量減少10％至30％，這取決于熱效率的提高。這意味著現(xiàn)有的用于控制空氣燃料燃燒的爐子壓力的設計，在大多數(shù)情況下不足以在轉(zhuǎn)換為全氧燃燒時保持良好的爐子壓力控制。具體來說，在空氣燃料燃燒中使用的較大的煙道口和風門尺寸的壓力控制儀器的控制范圍減少到對全氧燃燒的排氣量無效的程度。因此，在轉(zhuǎn)換為全氧燃燒時有必要減小煙道口尺寸，或者在設計新的再熱爐裝置時對較低的排氣量進行補償。缺乏良好的爐壓控制會導致三級空氣泄漏，這可以為額外的氮氧化物形成提供氮源，從而最大限度地減少或消除減少排放的可能性。進入再熱爐的空氣泄漏也會影響爐內(nèi)氣氛，給鋼材表面質(zhì)量控制帶來麻煩。

不管是哪種類型的燃燒系統(tǒng)，水垢形成的速度和類型是鋼鐵再加熱爐操作的一個重要考慮因素。除了鋼的合金類型外，爐內(nèi)氣氛和加熱速度是制約水垢形成的主要因素。為了保持對水垢形成和鋼材表面質(zhì)量的控制，需要對燃燒比和爐壓進行良好的控制。然而，即使在理想條件下，全氧燃燒產(chǎn)生的氣氛也與空氣燃料燃燒的氣氛不同。.