沈文建
高温空气燃烧（HighTemperatureAirCombustion，HTAC）理论在上世纪90年代后期产生于先进技术发达的西方国家。我国在上世纪末本世纪初开始研究、开发和应用。
高温空气燃烧技术是使燃料在高温、低氧体积浓度气氛中燃烧。它包括两项基本技术措施：(1)采用热效率高达95%、热利用率达80％以上的蓄热式换热装置，极大限度地收集燃烧产物中的显热，用于预热助燃空气，使其温度达到800～1000℃、甚至更高。(2)采取燃料分级燃烧和高温气流卷吸炉内燃烧产物，稀释反应区的含氧体积浓度，获得体积浓度为15％～30％的低氧气氛。由于高温空气燃烧技术具有高效节能和超低NOX排放等多种优点，符合我国经济发展的要求，因此在我国冶金、机械加工及其他使用燃气（料）加热的生产领域得到迅速推广和使用。
锻造加热炉的工件加热一般要达到1100～1300℃，对于高合金钢要达到1300℃以上；烟道内排烟温度根据实测高达900～1000℃，这部分热量白白浪费实在可惜。几年前曾在烟道上安装换热器，用于解决冬季锻锤动力压缩空气结霜问题，但改为电液锤后，此装置没有再使用。现决定在锻造加热炉上应用HTAC技术。
一、蓄热式燃烧器的燃烧技术
蓄热式锻造加热炉的燃烧系统主要由燃烧器、蓄热体和切换系统构成。在加热炉两侧共设置两对四个双预热蓄热式燃烧器，成对的燃烧器作周期性交互使用。如图1所示，当一个燃烧器进行燃烧时，另一个燃烧器则作为炉内烟气排放的通道（炉内烟气采用引风机强制排烟，否则烟气即从炉门间的缝隙中渗出，烟气的热量就不能得到利用，节能效果也就无法体现）。煤气经蓄热体得到预热后进入燃烧器A，在炉膛内燃烧。而高温烟气通过燃烧器B由蓄热体吸收其热量后排出。在下一个周期，切换阀（切换时间为14～16s）动作，煤气进入燃烧器B燃烧，燃烧器A则作为高温烟气排放烟道，空气则利用原先蓄热体吸收的热量得到预热后进入燃烧器B。如此周而复始进行切换燃烧（图2）。
二、蓄热式燃烧器对炉体的要求
根据生产厂家的双预热蓄热式燃烧器说明，其主体构件的寿命为5年（其中蓄热体使用寿命为1年），因此加热炉炉体的寿命也要相应达到5年。过去，加热炉炉体砌筑材料一般选用普通耐火砖、耐火预制块、莫来石浇注料等，但寿命最长不超过2年。另处炉体围护结构采用的是16#槽钢。当加热炉使用到1.5年以上，炉体围护结构变形，砌体材料烧损严重，并出现垮塌现象。经过充分论证，新的加热炉炉体钢结构的支撑选用22#槽钢，与旧炉体相比，在结构易变形处合理安装支撑。在砌筑材料的选用上，对炉体易受损的部位如炉内后墙、炉门口侧墙以及两个燃烧器间的炉墙采用刚玉浇注料，并在浇注料内掺入不锈钢纤维，增强炉体耐磨性（耐火度达2000℃），炉内顶部及其他炉内部分采用耐火度达1800℃的特级高铝浇注料和部分轻质砖，炉墙采用硅酸铝纤维毡、漂珠轻质砖和特级高铝浇注料。这些材料保温性能好、使用寿命长及整体性好。另处，为了取得更好的钢坯加热效果和节能效果，采用了厚280mm的钢炉门结构，在炉门内表面加焊厚10mm不锈钢板（炉门中间为整体高铝浇注料），用于替代原铸铁炉门（铸铁炉门寿命只有半年时间）。这些措施加强了新炉体的刚度和强度，延长了炉体寿命。
三、烘炉
新炉子建成后的烘炉过程至关重要，它直接决定今后炉体的工作状况和炉体寿命。因此，经过查找有关方面资料以及炉体砌筑材料的性能，制订出186h加热炉炉体烘炉曲线（图3）。
首先，炉体浇注完毕后自然干燥48h，然后进行烘炉，在12h内，每小时升温10℃左右，在炉温升至140～150℃，保温36h，在后续的12h内，每小时升温15℃左右，在350～360℃时继续保温36h，然后以每小时15℃升温24h，到达600～650℃后，保温24h。这时已到达中温区（此温度段为关键保温区，要十分注意控制温度）。24h后，将以每小时25℃左右的速度持续24h到达1350℃的高温区，再保温12h，最后在6h内将温度降至1100～1200℃的工作温度，整个烘炉过程即告结束。
四、炉体运行
炉体运行是依靠一台电控仪表柜进行控制，其控制系统采用PLC。为了确保加热炉炉体运行安全，采用了鼓风机与主煤气管道连锁，当鼓风机出现故障时主煤气管道自动连锁切断。另外，烟气管道与引风机连锁，在实际运行过程中，烟气温度设定值为220℃，如果烟气温度超过220℃，则引风机自动关闭，从而确保设备不被高温烟气烧损。加热炉炉温采用炉膛顶部的热电偶与温控仪相连接，并设两个温度设定值：一为600℃，当炉温升至600℃时，引风机开启（低于600℃则不能打开）；二为设定钢坯或钢锭所需要的加热温度值。当实际炉温达到设定温度值后，由控制系统自动给出110℃温差值。这时炉体运行则为降温一达到设定值一升温，往复运行。即当实际温度超过设定温度10℃后，加热炉两侧蓄热式燃烧器停止燃烧，处于保温状态。接着炉温就会很快下降，当炉温下降值达到设定温度10℃以下，燃烧器又会重新启动燃烧。如此重复运行，直到重新装进冷料后，炉温才会有较大幅度的下降，于是又重新进行加热。
蓄热式燃烧器与原加热炉高压喷射式烧嘴相比，具有以下两项比较明显的特点：一是传统的锻造加热炉将燃烧器设置于某一固定位置作连续性燃烧，这种加热方式的热量与温度分布和热通量的分布一样，其最高点均位于火焰基部，然后沿着火焰中心轴往下游方向逐渐降低，温度分布不均匀。蓄热式锻造加热炉则采用二个燃烧器作间歇式对烧，若从整个炉体的空间分布来看，每一个区域在某一瞬间的热通量因燃烧器的开启而增加，在下一个瞬间又因燃烧器的关闭而下降，如此周期交互切换的结果，热通量的时间平均值分布相当均匀，更有利于对锻件均匀加热；二是传统的锻造加热炉常应用间壁式换热器来收集高温烟气中的热量，这类换热器的热效率约为40%。蓄热式加热炉的蓄热体则应用非稳定传导模式，随着燃烧器的切换动作，蓄热体起到周期性的自高温烟气吸收热量以及将热量传给空气的作用。由于此种传热方式的最大热通量在高热通量（高传热效率）的环境下运行，当系统设计合理并在煤气、空气流量供应及控制系统处于最优状态时，其热效率可达90％以上，并将烟气排放温度控制在200℃以下。
五、使用效果
蓄热式锻造加热炉运行至今已近半年时间，整体运行效果较好。从节能效果来讲，应分成两个阶段。第一个阶段是加热炉从点火升温至锻件达到设定温度值。这时从常温升至600℃引风机开始工作前，由于温度较低，空气吸收烟气中的热量很少。当引风机打开直到炉温达到设定温度值，空气吸收烟气中的热量逐渐多起来，低于200℃的烟气便从烟道中排放掉。这时的节能效果只表现为空气吸收烟气的热量。第二阶段，当炉内实际温度接近设定温度时，这时将温差范围定在设定温度值士10℃，当炉内温度上升至设定温度值加10℃时，燃烧器将全部关闭。燃烧器关闭后炉温逐渐下降，当达到设定温度值减去10℃时，燃烧器则全部开启，如此往复运行。因此这一阶段的节能效果表现为瞬时关闭燃烧器节约的煤气量加上空气吸收烟气中的热量。
六、经济效益
为了获得准确的节能效果数据，在加热炉改造前煤气主管上安装了煤气流量仪表。从安装运行至炉体改造前共使用62天，加热炉每天工作时间20h,累计使用煤气量约47万时，其平均流量为380m3/h；改造后连续统计了31天，煤气消耗量为6136m3，按同口径计算，改造后的蓄热式加热炉煤气用量为198m3/h，其节能率为47.9%，按每年4800h工作时间和煤气价格计算，年节约煤气费用10万元左右。
七、结束语
在小型锻造加热炉上采用HTAC技术，武钢仅此一家，在全国可能也少见。它的燃烧工况比较复杂，在实际运行中还有一些问题，如空气和煤气的比例调整，烟气排放温差的调整，要想将炉况调整到最佳程度，需要时时进行跟踪。另外一个问题是钢坯烧损率较大，这是一个亟待解决的问题。