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蓄热式加热炉用蓄热室性能检测技术开发
饶文涛 顾德仁 何平显
(研究院 环境与资源所 上海 201900)
摘要:对国内目前关于蓄热体的研发现状进行了介绍和分析。针对目前对蓄热体的研究主要集中在蓄热体的开发和设计方面,而在蓄热体投用后的性能等却缺乏研究的特点,提出了一种蓄热体的性能诊断技术。其原理是通过温度成像实现对表面温度的精确测定,在大型蓄热加热炉上应用该技术后,得到了蓄热室外表面的温度分布,为蓄热室确定定修时间等提供了技术依据,有利于提高炉子的生产率。
关键词:蓄热体性能;在线诊断;加热炉
中图分类号:TK02 文献标识码:B 文章编号:1008-0716(2006)04-0056-05
0 前言
蓄热燃烧技术是目前节能效果最明显的节能技术,其核心是蓄热体技术,高温烧嘴实际上只是一个气体的通道。蓄热燃烧技术的基础是蓄热体,热交换的成败完全取决于该技术。以往对于蓄热体技术的研究,主要针对材质选择和结构设计,对于蓄热体投用后的状态没有进行过研究;蓄热体又是一个损耗件,实际上装有蓄热体的蓄热室是一个随时间不断变化的设备;同时对于蓄热室由于缺乏监测手段,存在由于蓄热室堵塞造成停炉的事故隐患;而对于蓄热体的更换,更是采取非常盲目的定期更换办法。针对以上现状,利用最新的红外技术,开发了蓄热式加热炉用蓄热室性能诊断新技术,实现了对蓄热室的在线监测,对于炉子设计、烧嘴调节、蓄热室更换提供了最有力的手段。
1 蓄热体主要研发现状
蓄热体是蓄热式燃烧技术最关键的部件,直接影响蓄热室的大小、热效率和经济效益的高低。评价蓄热体的性能时,热效率、温度效率、阻力损失、使用寿命、清灰难易等都是重要指标。一般来说,蓄热体要求蓄热量大,换热速度快,高温下结构强度高,可承受较大热应力,频繁冷热变换时无脆裂、脱落和变形,性价比高等。常用的蓄热体形状有球状、蜂窝状、片状和管状等,材质有粘土质、高铝质、莫来石质、碳化硅质和铸铁等。
国内目前对蓄热体的研究主要在蓄热体材质、蓄热室(体)的结构、蓄热体的破损机理、蓄热室的模拟等4个方面进行。
(1)蓄热体材质的研究
上海交通大学的李茂德等对陶瓷蓄热体的材料进行了研究,研究结论认为其中BeO的热物理性能最好。但是在实际应用过程中,这种材料的抗热震性和耐热强度较差,不能单独使用,需要与Al2O3、SiO2或其他一些陶瓷原料组合使用。
镇江船艇学院的胡定军[2]等对制备蜂窝陶瓷的原料进行了分析,认为采用六边形结构,选择使用以莫来石为主原料,同时添加“三石”(蓝晶石、红柱石、硅线石),可以满足高温使用的性能要求,并实现了相对低廉的成本。
(2)蓄热体和蓄热室结构的研究
上海交通大学的李茂德等还对陶瓷蓄热体的结构进行了研究,对正排列球体、正方形蜂窝体、三角形蜂窝体、圆管形蜂窝体和正六边蜂窝体等5种蜂窝体结构进行了研究,发现正方形蜂窝体的比表面积和开孔率最大,几何结构特性最好。
北京科技大学冶金与生态工程学院的吴光亮等[3]对小球和蜂窝体的比表面积进行了比较,上海理工大学和上海711研究所热能工程部的钟水库、眭向荣等[4]做了同样的工作,并对两种典型陶瓷蓄热体的比表面积也进行了比较。他们认为:①在相同的条件下,获得同样的换热量,蜂窝陶瓷蓄热体的体积与球状陶瓷蓄热体相比可以少2/3;另外,蜂窝陶瓷蓄热体阻力损失一般在1kPa左右,而陶瓷球蓄热体的阻力损失通常达到4kPa以上。②切换时间会影响预热温度。他们得到了蜂窝蓄热体长度为250mm时切换时间与预热温度之间的变化关系。
山东工业陶瓷研究设计院的沈君权等对蓄热体大小与热震性的关系、直径对阻力损失的影响等进行了确定。
(3)蓄热体破损机理的研究
鞍钢技术中心的贾丽娣等[5]把蜂窝体破损的原因归纳为三个方面:①氧化铁鳞降低了蓄热体耐火度;②炉内燃烧区高温辐射和个别情况下不完全燃烧的废气进入蓄热体出现二次燃烧造成损坏;③为了追求比表面积大,选用过于细小的孔眼结构,影响强度并且容易被灰尘堵塞。他们认为耐火材料本身已经可以满足工艺要求,提出的解决办法是由于①和②是客观存在,无法避免;通过设计一种新型蓄热室结构来解决③的问题,在蓄热室的前端有一段采用大圆孔厚壁结构,对内部蜂窝体可以起到屏蔽作用,同时一旦有可燃成分进入蓄热室,它又可起到抑制燃烧、吸收热量的作用,而自身不易损坏。蓄热室其余部分采用常规蜂窝体。
安徽工业大学的李朝祥等[6]对蜂窝体破损的原因也进行了研究,认为一是蓄热体材料由于体积密度与抗热震稳定性平衡不好而损坏,黏土质、高铝质材料抗热震稳定性较好,因此成为首选蓄热材料;二是蓄热陶瓷材料损坏的原因与烟气中的氧化铁鳞有关,加热炉炉气烟尘中的氧化铁鳞,在加热炉的温度条件下,形成低共熔物,降低材料的软熔温度,而造成材料的软化或熔化使蓄热器内气流不畅,严重时气流不通,热交换器无法正常工作,以致球形蓄热体材料相互粘结成块,蜂窝状陶瓷的气孔全部被软熔物质堵塞,不得不停炉检修,更换材料。
(4)蓄热室模拟的研究
武汉科技大学的刘光临等[7]对该校研制的90t蓄热式钢包烘烤系统的蓄热体建立了动态模型,研究结果表明:①蓄热室各处温度随换向时间增加而上升;换向时间过长或过短,都会导致蓄热室温度效率下降;系统平均排烟温度随着换向时间的增加而上升,对于该系统认为最佳换向时间为20s左右。②增加蓄热体长度,可降低蓄热体各处温度变化幅值,延长蓄热体寿命,提高蓄热室效率和系统热效率。但蓄热体长度的增加也会导致流动阻力增大,提高了对送风机、引风机的要求。对于蓄热室长度的上限没有说明。
由上可见,目前对于蓄热体技术的研究,主要集中在材质、结构设计和温度分布的模拟研究等几个方面。在应用方面的工作主要是设法找出破损的原因,但在优化设计到经使用破损的过程中少了一个中间环节,就是蓄热室在投用后是如何逐步损耗的,而这个过程无论对于蓄热室的设计者、耐材的供应商还是炉子的使用者而言都是非常重要的,本文的研究主要着力于解决这个问题。
2 蓄热体性能在线诊断技术
蓄热室在投用后是一个逐渐劣化的过程,无论是蓄热体的数量还是蓄热能力都在逐步减少对于这个变化最直观的反应参数就是蓄热体的温度。对于蓄热室设计和耐材供应商,这个温度可以反映蓄热室设计是否合理,材质选择是否得当对于炉子的使用者,这个温度的变化可以反应出蓄热体是否堵塞、是否需要更换等信息。但是,在实际的应用过程中很难在线得到这个温度。通过数值模拟计算可以得到某些特定工况下的蓄热体温度分布,可是这些数据只能用于指导设计,对于实际操作没有意义。另外,这些数据本身也因为缺乏实验数据检验,使其可靠性下降。
现在随着20世纪90年代后期非制冷红外焦平面技术进入实用化,本文开发出一种蓄热室性能在线检测技术,为解决以上问题提供了有效的手段。
2.1 蓄热体性能在线诊断技术的原理
蓄热体性能在线诊断技术的原理是:对于一套已经应用在加热炉上的蓄热室来说,其结构由外到内通常为钢板、耐火纤维、耐火砖、蓄热体,投入使用后这些都不变。而烟气带入蓄热室的热量Q可分成如下几个部分:①蓄热体吸收的热量;②维护结构吸收的热量;③通过维护结构散失的热量;④烟气带走的热量。在蓄热室投入使用且稳定后,其中②③都可以视为常数,只有蓄热体吸(放)收的热量和烟气带走的热量发生变化,而这些热量引起的温度变化都可以从蓄热室外表面温度的变化反应出来。所以,只要采用一种方法能够测得蓄热室外表面的温度,并分析比较就可以了解蓄热室的变化。另外,应用传热学理论,在得到蓄热室外表面温度的情况下,可以计算出内表面的温度,具体的计算方法如下:
依据如上热量平衡分析可得:通过维护结构散失的热量等于通过外壁与空气对流换热所交换的热量,方程描述如下:
综上所述,蓄热室表面的温度分布是该技术的关键,使用红外测温的办法可得到温度的分布。红外测温系统一般由光学系统、红外探测器、信号处理器和显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内目标的红外辐射能量,红外能量聚焦在红外探测器上并转化成电讯号,该信号传到处理电路后通过处理计算得到表面温度或温度分布,实现对目标进行远距离热状态图像成像和温度测量。但是该技术受制于点测温的定位,导致测温精度不高,同时由于价格高而很难实现民用。随着其通用组件的批量生产,使其成本降低到可以实现民用,同时通过准确测定物体表面的发射率,提高了测量的精度。该技术主要包括蓄热室表面发射率确定技术、蓄热室各平面测定方法、蓄热室热像数据库等几部分。
2.2 系统的组成及测量方法
检测系统的硬件包括热像仪、红外辐射测温仪、温度计。具体的办法是先使用表面热电偶测定出蓄热室表面的温度,并作为基准温度,当热成像仪在同一点的测量温度值相同时,确定出对应的发射率,后续的测量中就把该发射率作为蓄热室表面的发射率。红外辐射测温仪用做辅助测试,现场空气温度由温度计测得。测试时,开启仪器,当仪器完成自检后即可开始读取数据。对每个端面采取定时扫描的方法,每20s采集一次数据,每个面的测试时间不少于3min。
2.3 应用及分析
应用蓄热室性能在线诊断技术对热轧2050大型蓄热式加热炉蓄热室(分布见图1)进行了测试,该加热炉小时产量为350t,燃烧为混合煤气。第二加热段全部使用蓄热烧嘴,共有20个蓄热室,每边分布10个,测量时分别对每个蓄热室的端面和侧面进行测量,端面测量时对应的烧嘴结构见图2。
对以上的检测结果进行如下的分析:
(1)10#蓄热室在从热端到冷端的前半段(从1到61)温度几乎不变,后半段降低了60℃,说明高温段蓄热体的换热效果不佳,使得较多的蓄热体不得不承受高温,而中低温段必须承受较大的热震性。
(2)4#蓄热室在从热端到冷端的前半段(从1到41)温度几乎不变,高温区要低于10#蓄热室,测量点40到120的温度降低60℃,降温速率小于10#蓄热室。 (3)2#蓄热室在入口前段测量偏差不考虑,其热端的温度最高,长度与10#接近,冷端温度下降的速率与10#接近,但是其热端的入口温度要高于4#和10#。通过传热学的计算,可以得到2#,4#,10#的入口烟气温度分别为1400,1200和800℃,说明蓄热室抽吸烟气不均匀。该类同时使用蓄热烧嘴和常规烧嘴的加热炉可能在烟气的分布上存在不均匀,主要原因是该炉子经部分改造后炉子内部既存在宽度方向流动的炉气,又存在长度方向流动的炉气,而在炉子的不同部位,两股炉气流的相互影响不一样,导致沿炉长不同位置的蓄热室吸入的炉气量不同。因此,后续设计必须优化。由于入口烟气有差别,2#,4#的出口烟气温度达到600℃,烟气的余热没有被充分回收,要实现有效回收,可能需要对蓄热室进行单独设计。
3 结论
(1)得到了蓄热室外表面沿烟气流动方向的温度分布曲线,该曲线与以往研究得到的蓄热体沿烟气流动方向的规律完全一致,说明通过蓄热室外表面的温度分布完全可以获得蓄热室内蓄热体的温度分布,为今后研究蓄热体的温度分布提供了最直接的检测手段。
(2)使用蓄热室性能检测技术后,可以发现原来无法发现的不同蓄热室烟气分布不均匀的问题,为炉子设计人员进行供热点布置优化及操作人员确定重点点检对象提供了依据。
(3)通过持续的蓄热室性能检测,可以建立蓄热室从开始使用到损坏更换的热成像经验数据库,在后续的使用中通过热成像对比检索可以确定蓄热体大致的更换时间,为合理确定炉子的定修时间等提供了技术依据,有利于提高炉子的生产率。
致谢:本文在成文过程中得到热轧厂陈玉龙助理的指导,现场实验得到秦建超区工、俞云勋作业长的大力配合,在此特致谢意!
参考文献
[1] 李茂德,程惠尔.高温空气燃烧系统中陶瓷蓄热体传热特性分析研究[J].热科学与技术,2004,(3):255-260.
[2] 胡定军,石红梅.新型蜂窝陶瓷的研制[J].山东陶瓷,2004,(3):5-8.
[3] 吴光亮,李士琦,郭汉杰等.高温低氧空气燃烧(HTAC)技术在我国冶金工业中应用的现状分析[J].钢铁,2004,(9):69-73.
[4] 钟水库,马宪国,赵无非等.蜂窝陶瓷蓄热体换热器热性能的实验分析[J].上海理工大学学报,2004,(4):333-335.
[5] 贾丽娣.蜂窝蓄热体易损原因分析及其解决措施[J].工业加热,2004,(1):37-39.
[6] 李朝祥,王雪松,王志贵.陶瓷蓄热材料的损坏机理[J].冶金能源,2003,(4):43-45.
[7] 刘光临,王玺堂,李俊等.蓄热室三维非定常流动与传热数值研究[J].武汉科技大学学报(自然科学版),2005,(2):148-151.编辑 刘宏娟
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