Soorten branders in opwarmovens

Soorten branders in opwarmovens

Momenteel staat de staalindustrie voor grote uitdagingen van de voortdurende vermindering van de milieu-emissies terwijl de economische levensvatbaarheid van de processen wordt verbeterd. Het opnieuw verwarmen van ovens vanwege hun hoge energieverbruik is een gebied waar de staalindustrie aandacht voor nodig heeft. Het zijn belangrijke apparaten die bijdragen aan de productiviteit en energie-efficiëntie van de staalfabriek.

Moderne herverhittingsovens zijn lopende straalovens waarbij de balken het ladingstaalmateriaal (knuppels, bloemen of platen) in de oven optillen en naar de volgende positie verplaatsen. De verwarming vindt in deze ovens plaats door directe verbranding van de brandstof zowel van boven als onder van het stalen laadmateriaal, met behulp van dakbranders (om het dak te verwarmen dat vervolgens de warmte uitstraalt naar het stalen laadmateriaal) en/of lange vlambranders ( zijwanden en/of voorwand). Veel voorkomende brandstoffen die in de opwarmovens worden gebruikt, zijn gemengd gas met een lage calorische waarde (hoogovengas gemengd met het cokesovengas en het convertorgas), cokesovengas, zware olie, laagzwavelige zware voorraad (LSHS) of aardgas.

De belangrijke parameters voor een heropwarmingsoven omvatten het verbrandingssysteem bestaande uit de gebruikte brandstof, de toevoer en de technologische toestand van de verbrandingslucht, de branders en hun locatie voor een goede warmteverdeling, voorverwarmen van verbrandingslucht en brandstofgas, afvalwarmteterugwinningssysteem, lucht-brandstofverhouding, regeling van de oventrek, het ovenuitlaatsysteem en het meet- en regelsysteem voor ovenparameters. Het verbrandingssysteem van de oven ondersteunt niet alleen het vereiste productiviteitsniveau van de oven, maar zorgt ook voor een efficiënt gebruik van de warmte-invoer, minder warmteverliezen, een efficiënte terugwinning van afvalwarmte, minimale schade aan de vuurvaste materialen van de oven en een lagere productie van broeikasgassen, met name NOx. Het verbrandingssysteem van de oven zorgt ook voor een ovenatmosfeer die de vorming van kalkaanslag op het staaloppervlak minimaliseert.

Warmteterugwinningssystemen worden op grote schaal gebruikt in staalfabrieken om de warmteverliezen door uitlaatgassen van herverhittingsovens te verminderen. Aangezien warmteverlies door uitlaatgassen verantwoordelijk is voor het hoge percentage thermisch verlies, wordt de efficiëntie van de oven verbeterd en wordt het brandstofverbruik verminderd door het gebruik van een warmteterugwinningssysteem. Er worden normaal gesproken twee soorten warmteterugwinningssystemen gebruikt, namelijk een gecentraliseerd systeem en een gedistribueerd systeem. Het gecentraliseerde warmteterugwinningssysteem verwarmt verbrandingslucht voor met een metalen recuperator door de warmte van de uitlaatgassen en wordt momenteel wijdverbreid gebruikt. De maximale temperatuur van de voorverwarmde lucht die met deze methode kan worden bereikt, is echter ongeveer 600 ° C met een oventemperatuur van ongeveer 1300 ° C vanwege materiaaltemperatuurbeperkingen. Het gedistribueerde warmteterugwinningssysteem bestaat uit een regeneratief brandersysteem van het schakelende type met het gebruik van keramische (meestal aluminiumoxide) kogels als regeneratief medium. Het levert voorverwarmde lucht met een hogere temperatuur dan die van het gecentraliseerde systeem.

Branders die worden gebruikt in de heropwarmingsovens vormen een van de belangrijke aspecten die de energie-efficiëntie van de heropwarmingsoven bepalen. Verschillende staalspecificaties vereisen verschillende temperatuurprofielen in de opwarmoven. Voor een goede warmteverdeling in de oven is het daarom belangrijk dat de branders flexibel zijn, zodat het bedienend personeel de verbrandingsparameters kan aanpassen aan de diverse procesomstandigheden. Branders moeten de juiste afslagverhouding, lage NOx-capaciteiten en een hoog rendement hebben.

De opstelling van branders in een opwarmoven is ook erg belangrijk voor de verwarmingseigenschappen van de oven. Afhankelijk van de positie van de branders in de oven, worden de opstellingen ingedeeld in drie verwarmingsmethoden, namelijk (i) gebruik van axiale branders in de voorwand, (ii) gebruik van zijbranders in zijwanden, en (ii) gebruik van vlakke vlamstralingsbranders in het dak. Elke verwarmingsmethode heeft zijn eigen kenmerken. Een bepaalde verwarmingsmethode of een combinatie van verwarmingsmethodes wordt gebruikt voor een herverhittingsoven die past bij de lokale omstandigheden in de staalfabriek. In staalfabrieken waar meerdere brandstoffen beschikbaar zijn, moeten de branders meerdere brandstoffen kunnen gebruiken.

De herverhittingsoven moet zo worden ontworpen dat binnen een bepaalde tijd het stalen laadmateriaal gelijkmatig wordt verwarmd tot een gewenste temperatuur met een minimale hoeveelheid brandstof. Aangezien de verwarming wordt uitgevoerd met behulp van branders, moet het volgende worden gegarandeerd voor een goede warmteverdeling.

• Het stoken van de herverhittingsoven moet worden gedaan door branders die zich aan het afvoeruiteinde van de oven bevinden en zich aan de boven- en/of onderkant van het stalen ladingsmateriaal bevinden.
• De vlam mag geen vast voorwerp raken of erdoor worden belemmerd. Elke obstructie zorgt ervoor dat de brandstofdeeltjes de-atomiseren, wat de verbranding beïnvloedt en zwarte rook veroorzaakt. Als de vlam het ladingsmateriaal van staal treft, nemen de schaalverliezen toe. Als de vlam vuurvaste materialen raakt, kunnen producten van onvolledige verbranding bezinken en reageren met de vuurvaste bestanddelen bij hoge temperaturen, waardoor de vuurvaste materialen van de oven beschadigd raken.
• De vlammen van verschillende branders moeten uit elkaar zijn, omdat kruisende vlammen een onvolledige verbranding veroorzaken. Het is ook wenselijk om de branders aan weerszijden te spreiden.
• De brandervlam heeft de neiging vrij te bewegen in de verbrandingsruimte net boven het materiaal. Om deze reden moet de as van de brander in de oven niet parallel aan de haard worden geplaatst, maar onder een opwaartse hoek. De vlam mag het dak van de oven echter niet raken.
• Grote branders produceren langere vlammen, die meestal moeilijk binnen de ovenwanden te houden zijn. Daarom wordt over het algemeen een groot aantal branders met een kleinere capaciteit gebruikt om een ​​betere warmteverdeling in de oven te verzekeren en ook om de levensduur van de oven te verlengen.

Branders die in de heropwarmingsovens worden gebruikt, hebben een lange vlam of een platte vlam.

Vlambrander

De platte vlambranders (FFB) worden meestal gebruikt op het dak van de naverwarmingsoven. Door deze branders vindt er indirect gerichte stralingswarmteoverdracht plaats. De warmte van de verbranding van brandstof wordt niet alleen rechtstreeks van de vlam naar het stalen ladingsmateriaal overgebracht, maar ook door de vuurvaste dakbekleding van de oven. De vlam, die normaal gesproken niet lichtgevend is, wordt gekenmerkt door een hoge temperatuur en een relatief laag emissievermogen, wat overeenkomt met selectieve straling van kooldioxide en waterdamp. Bij gebrek aan vlaminvloed op het stalen ladingsmateriaal staan ​​de FFB-verwarmde ovens bekend als indirecte verwarmingsovens.

De branders zijn ontworpen om de vlam in een dunne laag over het dakoppervlak te verspreiden. Omdat het debiet van de verbrandingsgassen in de richting van de branderas verwaarloosbaar is, wordt de temperatuur van het vuurvaste dak verhoogd door de intensieve warmteoverdracht van de vlam naar het dak. Op deze manier fungeert het vuurvaste dak als het belangrijkste uitstralende oppervlak.

Het gebruik van platte vlambranders wordt geschikt en voordelig geacht wanneer het stalen ladingsmateriaal in de herverhittingsoven een groot vlak oppervlak heeft, mogelijk evenwijdig aan het ovendak en wanneer de verwarmingstemperatuur van het staalmateriaal hoger is dan 900 °C. Hieronder volgen de belangrijkste voor- en nadelen van de FFB-gestookte ovens

De temperatuurverdeling in de FFB-ovenkamer en in het stalen ladingsmateriaal is uniformer. Er is een bevredigende temperatuurregeling van de afzonderlijke zones waardoor het benodigde ovenvermogen kan worden bereikt.

• De snellere verhittingssnelheden, als gevolg van FFB, verkorten de tijd dat het staalmateriaal wordt blootgesteld aan hoge temperaturen. Daardoor wordt het optreden van oppervlakte-oxidatie of de verschijnselen zoals ontkoling en grofkorrelige staalstructuur sterk verminderd.
• Een aanzienlijke vermindering van het brandstofverbruik tot bijna 40% kan worden bereikt na een vermindering van 100% tot 50% van het ovenvermogen.
• Intensieve vermenging van gasvormige brandstof en verbrandingslucht zorgt voor een snelle en volledige verbranding van het mengsel bij een laag luchtoverschot.
• Een fundamenteel nadeel van dakverwarming is het risico van oververhitting van het oppervlak van het stalen materiaal als gevolg van een plotselinge verandering in het ovenvermogen.
• Een overmatige verhittingssnelheid aan het begin van de ovenkamer kan ongewenste thermische spanningen en structurele vervormingen in het stalen ladingsmateriaal veroorzaken.

Lange vlambranders

Er is een grote verscheidenheid aan branders met lange vlam met verschillende kenmerken en verschillende capaciteiten op de markt verkrijgbaar. Deze branders zijn verkrijgbaar in verschillende capaciteiten en voor gebruik van verschillende brandstoffen zoals olie, gas of meerdere brandstoffen.

In de herverhittingsoven met de lange vlambranders, aangezien het grootste deel van de verwarming van het stalen ladingsmateriaal plaatsvindt door convectie, draagt ​​de recirculatie van verbrandingsproducten aanzienlijk bij tot de snelheid van verwarming en temperatuuruniformiteit. Branders met een lange vlam produceren gassen met hoge snelheid die de verbrandingsgassen meevoeren en recirculeren om een ​​gelijkmatige temperatuur in de oven te bereiken met een minimum aan overtollige lucht.

De branders aan de voorwand van de opwarmoven hebben gewoonlijk een langere vlam, terwijl die aan de zijwand van de oven een kortere variabele vlam hebben. De branders aan de voorwand van de herverhittingsoven zijn normaal gesproken van het type met axiale stroming en hebben een breed aanpassingsbereik nodig. Het zijn branders met een groot vermogen en hebben een beperking van de lengte per zone in de richting van de ovenlengte. De stroom van brandende gassen in de oven is gelijkmatig over de lengte van de oven. De neusdelen van de branders maken de opbouw van de oven ingewikkeld. Bij deze branders is er een gelijkmatige verwarming over de ovenbreedte, maar de temperatuur heeft de neiging om bij de neusdelen te dalen in de richting van de ovenlengte. De verwerkbaarheid is relatief goed, behalve rond branders in een lager gebied waar de temperatuur relatief hoog is.

De branders aan de zijwand hebben een klein aanpassingsbereik nodig. Deze branders hebben ook een grote capaciteit en hebben een beperking in de richting van de ovenbreedte. De stroom verbrandingsgassen heeft de neiging te drijven aangezien de richting van de branders haaks staat op de richting van de ovenlengte. Omdat deze branders geen neusgedeelte hebben, maken ze de ovenstructuur niet ingewikkelder. De branders hebben een goede uniformiteit in de richting van de ovenlengte, maar een slechte uniformiteit in de richting van de ovenbreedte. De verwerkbaarheid is relatief goed met deze branders.

Regeneratieve en recuperatieve branders

Een regeneratieve brander is voorzien van een warmteterugwinningssysteem dat de afvalwarmte van het uitlaatgas van de oven terugwint om de verbrandingslucht op te warmen die nodig is voor de verbranding van de brandstof bij de brander. Het gebruik van regeneratieve branders voor het opwarmen van ovens kan aanzienlijke energiebesparingen opleveren.

De regeneratieve branders zijn ontworpen om de warmte terug te winnen naar de inlaatlucht door de warmte van het uitlaatgas over te dragen aan de inlaatlucht die bij de verbranding moet worden gebruikt. De regeneratieve brander heeft twee set branders met elk een regenerator en de omkeerklep. De regenerator gebruikt de keramische (meestal aluminiumoxide) ballen om de warmte op te vangen. Terwijl de eerste regeneratieve brander stookt, voert de andere de ovengassen uit. Het uitlaatgas wordt door het regeneratieve branderlichaam geleid en geeft de warmte af aan de keramische kogels. Daarom wordt de warmte van het uitlaatgas overgedragen aan de inlaatlucht, aangezien het door de verwarmde keramische kogels wordt geleid. De omkeerklep bepaalt de richting van de luchtstroom die de branderkop binnenkomt, waardoor de inlaatluchttemperatuur vergelijkbaar is met de bedrijfstemperatuur. Door een hoge voorverwarmende verbrandingsluchttemperatuur kan de regeneratieve brander de brandstof besparen en de verbranding met een hoog rendement maken.

In het geval van een recuperatieve brander is de structuur van de brander vergelijkbaar met de stralingswarmtewisselaarbuis die de inlaatlucht verwarmt tot de hogere temperatuur (ongeveer 750 ° C) door de warmte van het uitlaatgas terug te winnen naar de inlaatlucht. Daarom kan de uitgewisselde warmte in de brander het verbrandingsrendement verbeteren en de brandstofkosten ongeveer 25% tot 30% besparen.

Het principe van de regeneratieve brander is weergegeven in Fig. 1. De eerste brander staat in de stookmodus terwijl de tweede brander in de uitputtende modus staat. De eerste brander stookt terwijl de warme verbrandingslucht over zijn brander blaast. De tweede brander ontvangt het hete uitlaatgas uit de oven naar zijn keramische kogels om de warmte in de brander te houden. Pas nadat het zijn warmte heeft doorgegeven, komt het uitlaatgas vrij. Na een periode van een halve minuut tot een minuut wordt de tweede branders in brandmodus geschakeld terwijl de eerste brander het hete uitlaatgas begint te ontvangen. De ontstekings- en ontvangstmodus van de brander werkt afwisselend en continu totdat de herverhittingsoven wordt gestopt. De hoge voorverwarmde luchttemperatuur maakt het verbrandingsproces zeer efficiënt.

Het recuperatieve branderprincipe wordt ook getoond in Fig. 1. De temperatuur van de inlaatlucht wordt voorverwarmd vóór de verbranding in de oven door de warmtewisselingstechniek. Het uitlaatgas stroomt door de brander die is uitgerust met een warmtewisselaar die in de brander is geïnstalleerd. De warmte van het uitlaatgas wordt uitgewisseld met de inlaatlucht voordat het uit de brander stroomt. Het uitlaatgas stroomt door het gebied rond de buitenkant van de brander en de warmte wordt binnen in de brander uitgewisseld.

Afb. 1 Principes van regeneratieve en recuperatieve branders

Oxybrandstofbranders

  Oxy-brandstof verwijst naar de praktijk om lucht volledig te vervangen als de bron van oxidatiemiddel voor verbranding door zuurstof van industriële kwaliteit. Oxy-brandstofverbranding vermindert of verwijdert stikstof in verbrandingslucht en vermindert aanzienlijk de afvalwarmte die wordt uitgevoerd met rookgas. De autogeenbranders kunnen worden gebruikt in herverhittingsovens op hoge temperatuur waar temperatuuruniformiteit van cruciaal belang is en extreem lage NOx-emissies gewenst zijn.

  Het algemene voordeel van het vervangen van lucht door industriële zuurstof is dat het stikstofgehalte dat aanwezig is in de lucht die naar het verbrandingsproces wordt gebracht, bijna of volledig wordt geëlimineerd. Vermindering van stikstof in de verbranding zorgt voor een hogere vlamtemperatuur en verbrandingsefficiëntie, aangezien een lager verbrandingsgasvolume de hoeveelheid warmte die aan de vlam wordt onttrokken en verloren gaat in de uitlaatgassen vermindert.

De voordelen van het gebruik van zuurstofgas in vergelijking met verbranding van luchtbrandstof zijn namelijk (i) verminderd energieverbruik, (ii) hogere verwarmingssnelheid resulterend in een hogere productie zonder verhoging van het instelpunt van de oventemperatuur, en (iii) verminderde ovenemissies

Oxy-brandstofvlammen hebben een hogere temperatuur met minder volume en lengte dan luchtbrandstofvlammen. Er moet rekening worden gehouden met de vlamkarakteristiek met autogeenbrandstof bij het ontwerpen van autogeenbrandersystemen voor toepassingen voor het opwarmen van staal. Over het algemeen vereist het verwarmen van staal een gelijkmatige temperatuurverdeling, zodat plaatselijke oververhitting of onderverhitting in het product wordt vermeden. Het type en de plaatsing van autogeenbranders hangt af van het type oven en de nabijheid van de vlammen tot het staalproduct.

Oxy-brandstofvlammen hebben een hogere temperatuur met minder volume en lengte dan luchtbrandstofvlammen. Er moet rekening worden gehouden met de vlamkarakteristiek met autogeenbrandstof bij het ontwerpen van autogeenbrandersystemen voor toepassingen voor het opwarmen van staal. Over het algemeen vereist het verwarmen van staal een gelijkmatige temperatuurverdeling, zodat plaatselijke oververhitting of onderverhitting in het product wordt vermeden. Het type en de plaatsing van autogeenbranders hangt af van het type oven en de nabijheid van de vlammen tot het staalproduct.