北京市高新技术成果转化项目可行性报告

北京市高新技术成果转化项目可行性报告内容摘要：

并具有 HTAC技术与产品体系的知名高技术企业。 本项目“ 蓄热式高温空气燃烧工业炉窑 ”包括理论研究和工业应用两方面：理论研究方面主要是新型工业炉窑（如热处理炉、烘干炉、垃圾焚烧炉、乙烯化工裂解炉等）燃烧器烧嘴、换向与自控系统、炉 １２ 型与炉体结构的试验研究和新产品研制。 工业应用方面主要是对蓄热体在工业炉燃烧运行中变形、裂 纹烧蚀损坏及工作寿命的研究，蓄热体运行中出现沉积物堵塞及蓄热体加工、安装技术的研究等。 特别将针对国内轧钢工业炉加热设备陈旧、能耗高、污染严重、热效率低和生产成本高等诸多问题，采用 HTAC 技术对其进行脱胎换骨的技术改造。 对于采用低热值燃料应用和推广 HTAC 技术，进行深入的理论研究和产业化开发。 就目前国内市场来看，北京神雾公司 HTAC 技术已处于领先地位，具有较强的技术优势，发展前景广阔。 高温空气燃烧系统由一对高效蓄热室（内装蜂窝陶瓷蓄热体或陶瓷小球）、一对燃烧器（烧嘴）、一组换向机构和一套控制系统组成。 本项目 拟重点开展的 HTAC 关键技术及产品研发内容主要有：蓄热体、换向机构、炉温和换向自动控制系统 等 三大部分。 （ 1）蓄热体 20 世纪 90 年代初，日本工业炉株式会社田中良一领导的研究小组开始采用热钝性小的蜂窝式陶瓷蓄热体，取得了良好的效果。 与球形蓄热体相比，蜂窝式陶瓷蓄热体在比表面积、重量、压力损失、换向时间等方面具有很大的优越性。 在我国，蜂窝式蓄热体在蓄热式燃烧系统中的工业应用得到了越来越多的重视。 本项目拟对蜂窝式蓄热体的热工特性进行深入研究，以期寻求增加蜂窝式蓄热体比表面积（国外先进水平能达到 1400 23/mm，国内目前一般只能达到 600～ 700 23/mm），提高耐温性的最优化方案。 对蓄热体在工业炉燃烧运行中出现的变形、裂纹、烧蚀损坏以及 １３ 工作寿命问题进行系统性研究；对蓄热体在工业炉燃烧运行中出现沉积物（如积炭或沉积磷、硫化合物等）堵塞蓄热体故障进行研究。 以期找到解决上述诸多问题的良好方法。 （ 2）换向机构 换向机构是蓄热式高温空气燃烧技术中很重要的一个组成部件。 由于在工作期间换向机构要进行频繁换向，因此，它的工作可靠性 将直接影响到工业炉窑的工作性能。 目前国内投产的加热炉大多数采用大型四通换向阀分段集中换向方式，其优点是换向阀数量较少，控制简单，相对而言故障率较低。 但由于大型四通换向阀一般布置在炉子一侧，连接到炉子两侧的管道长度不一样，即不对称，这样会造成整个燃烧系统燃烧时的不对称。 在双预热系统燃气的换向过程中，由于燃气和废气交替经过同一管道，管道的长短将直接影响燃气的耗量及燃烧效果。 随着换向阀技术的进步，出现了连接每相邻两个烧嘴的小型化四通换向阀分散换向方式。 此方式由于换向阀紧邻烧嘴，克服了集中换向的不足，但炉膛烟气 沿炉宽方向的扰动不如集中换向的面对面换向方式强烈。 为解决这一问题，可采用安装在每一个烧嘴上的小型三通阀分散换向方式。 此方式既消除了小四通换向阀的不足，又可根据需要实现烧嘴间的灵活配对。 但使用小三通换向阀最大缺点是数量多，相对故障率较高；而且其安装在烧嘴附近，一旦因某种原因发生超温而未及时处理，将很容易损坏。 本项目拟开展各种换向机构安全稳定运行研究以及疲劳试验研 １４ 究等，以期达到提高各种换向机构使用可靠性，延长各种换向机构使用寿命的目标。 另外，本项目还拟开展大型卧式四通换向阀的研制工作，以期解决现有四通换向阀 “不对称性”所引起的炉内换向时出现的剧烈压力波动和气流波动。 这将有利于火焰的稳定燃烧和缩短火焰在炉内燃烧的间断时间，便于炉内温度和压力的精确检测，从而为加热炉的自动控制打下良好的基础。 （ 3）炉温和换向自动控制系统 采用 HTAC 技术的工业炉窑中自动控制系统主要包括炉温控制和换向控制两部分内容，换向控制独立于炉子的其它控制回路。 换向控制采用定时（如 70s）和定温（如 150C）双控制单元。 优先采用定温控制逻辑，即达到设定温度就进行换向。 如果炉温很低（比如在烘炉阶段），废气的排除温度在设定的最大时间内仍没有达到预设的换向温度，则在这一时刻也进行换向，这样可以保证蓄热室始终运行在最佳工作状态下。 上述控制方式是比较简单的一种控制方式，在较为复杂的工况下，例如在炉温波动频繁时，若采用这种控制方式，则炉温控制和换向控制之间的协调比较困难。 本项目拟开展 L2 过程控制系统（在线二级过程控制系统）的研发及其在工业炉窑燃烧和换向自动控制系统中的应用工作。 ① L2 过程控制系统介绍 在钢材的热加工成型过程中，将钢坯从装料温度升温到适于轧制 １５ 的出料温度是加热炉所完成的功能。 不仅温度必须在正确的范围内，而且所加热钢坯温差也必须减到最小。 由于无法通过直接测量获得这些信息，所以加热过程的准确控制是很困难的。 加热炉 L2 过程控制系统包括了一个加热炉内热传导的精确计算数学模型，这个模型计算二维矩阵每一位置的钢温，所以钢坯整体温度及其分布就可以求得，这个模型的精度已在许多应用中得以测试和确认。 通过加热炉 L2 过程控制系统可以优化钢坯的加热。 ② L2 过程控制系统的预期目标： ●按照对各种钢坯预定的“最佳工艺 ” 来加热，可以完成对包括过渡期和延误期加热炉整个范围的过程控制； ●由于知道实际钢坯温度，所以可以改进控温炉段的供热控制精度； ●减少炉子的燃料消 耗； ●改善出料温度的控制； ●减少被加热钢坯的氧化和脱碳。 ③ L2 过程控制系统的预期效益 ●减少燃料消耗； ●减少铁皮生成 ,对提高产量会有直接影响； ●最精确控制所需平均出料温度。 2．项目技术指标与国内外同类技术全面综合对比情况 自 20 世纪 80 年代中期以来，国内热能与燃烧领域科研院所和高 １６ 等学校相继开始对 HTAC 技术进行基本理论研究。 针对陶瓷球蓄热体的阻力特性和换热性能进行了冷热态试验，得到了陶瓷球蓄热体阻力特性和换热特性与蓄热室结构参数间的基本规律，为陶瓷球蓄热体燃烧器烧嘴的合理设计奠定了理论基础。 但 到目前为止，国内研究开发的 HTAC 技术多数仅是 HTAC 的单项技术，比如单一的部件产品 —— 烧嘴等，还不能大规模工业化应用。 本项目针对工业炉窑的 HTAC 关键技术进行了系统的研究试验和系列新产品研制开发工作；同时对于蓄热体在工业炉燃烧运行中变形、裂纹、烧蚀损坏及工作寿命研究，以及蓄热体运行中出现沉积物堵塞和蓄热体及烧嘴加工、安装技术等进行了研究和技术改进。 特别针对国内轧钢工业炉加热设备陈旧、耗能高、污染严重、热效率低、生产成本高诸问题，采用 HTAC 技术对其进行全面的技术改造以及采用低热值燃料和推广 HTAC 技术方 面，都已取得显著效益。 日本在 90 年代投入上亿美元，由政府倡导，大学、研究所和企业共同参与开发， 94 年开始推广应用，目前已推广应用数百座大型工业炉，取得节能 35%以上的效果。 英国、美国也投入开发多年，技术产品均比较成熟。 国外产品一方面价格昂贵，企业运行成本高；另一方面国外 HTAC 技术仅适用于优质燃气燃油，不适应国内普遍应用的重柴油、重渣油和低热值燃气。 在国内， 北京神雾公司 组积极对国外技术和信息进行调研，在实验室进行热工特性和可行性分析，认为 HTAC 技术应用于我国，将给各企业节能和改善环境带来巨大经济和社会 效益。 国外一些企业出于 １７ 赢利，对中国实行长期信息和技术封锁。 北京神雾公司 努 力通过国内外调研和收集，填补了国内这项燃烧领域的信息和技术空白， 在 HTAC燃烧的理论研究方面结合中国实际做了很多工作，在 HTAC 燃烧的数值计算方面超过了国外承担 HTAC 数值计算的日本研究组水平，例如最先完成了换向下火焰结构的模拟。 北京神雾公司引入并结合中国实际，研发了多项 HTAC 在中国炉窑上的应用技术，建立了先进的技术开发和设备制造系统，目前已是国内向企业提供 HTAC 成套技术和装备最大的企业。 2020 年营业额已达十几亿元。 瑞典国家钢铁 公司 SSAB 代表参观中国 HTAC 技术后，已委托北京神雾公司为 SSAB 提供 HTAC 技术和装置。 3．本企业或技术依托单位、合作单位的研究开发实力 北京神雾公司是我国开展高温空气燃烧研发与应用的主要企业，占有国内份额一半以上。 到目前为止，已有 180 家钢铁企业和有色、石化企业应用北京神雾公。