工程說明

摘要: 主要介紹了唐鋼中型廠高爐煤氣蓄熱式加熱爐的結(jié)構(gòu)、性能及控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)改造效果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：加熱爐,高爐煤氣,蓄熱式燒嘴

1 前言

在鋼鐵工業(yè)中，加熱爐是主要的耗能設(shè)備之一。合理解決加熱爐的燃料問題，提高燃料利用率，對(duì)于降低能源消耗，減少鋼坯氧化燒損，提高加熱質(zhì)量從而進(jìn)一步提高整個(gè)軋線生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)效益，具有非常重要的意義。

唐鋼中型廠是一個(gè)生產(chǎn)礦用支撐鋼、礦用工字鋼、角鋼、輕軌、槽鋼、圓鋼、方坯等9個(gè)品種，70多個(gè)規(guī)格的中型軋鋼廠，年產(chǎn)量50多萬(wàn)噸。原有推鋼式加熱爐兩臺(tái)，設(shè)計(jì)加熱能力62t/h，采用重油、高爐煤氣混燒。2001年單耗重油38.43kg/t、高爐煤氣167m3/t。油氣混燒，油氣比、空燃比都不易控制，這就造成能源的浪費(fèi)，同時(shí)又污染了環(huán)境，造成了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的雙重?fù)p失，同時(shí)也增加了工人的操作難度。

由于中型廠的兩臺(tái)加熱爐要完成16個(gè)鋼種、70多個(gè)規(guī)格鋼材的鋼坯加熱任務(wù)，加熱鋼種雜、規(guī)格多，因此加熱爐產(chǎn)量波動(dòng)大，隨著產(chǎn)量的波動(dòng)，其熱負(fù)荷也隨之波動(dòng)，產(chǎn)量越低，噸鋼熱消耗明顯升高。并且由于兩爐交叉出鋼，常處于待軋、待溫狀態(tài)，加熱時(shí)間長(zhǎng)，氧化燒損增大。

隨著公司對(duì)兩火成材的淘汰，中型廠的開坯任務(wù)逐漸取消，年產(chǎn)量由過去的材坯總量 55～60萬(wàn)噸降低到全型鋼40萬(wàn)噸。開一座加熱爐加熱能力不夠，開兩座加熱爐燃料浪費(fèi)嚴(yán)重。因此將中型廠加熱爐改為一座適應(yīng)能力強(qiáng)，且能耗低的加熱爐很有必要。

2 改造蓄熱式加熱爐的理論基礎(chǔ)

蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)，19世紀(jì)中期就開始用于高爐熱風(fēng)爐、平爐、焦?fàn)t、玻璃熔爐等規(guī)模大且溫度高的爐子。其原理是采用蓄熱室余熱回收裝置，交替切換煙氣和空氣，使之流經(jīng)蓄熱體，達(dá)到在最大程度上回收高溫?zé)煔獾娘@熱，提高助燃空氣溫度的效果。但傳統(tǒng)的蓄熱室采用格子磚作蓄熱體，傳熱效率低，蓄熱室體積龐大，換向周期長(zhǎng)，限制了它在其他工業(yè)爐上的應(yīng)用。新型蓄熱室，采用陶瓷小球或蜂窩體作蓄熱體，其比表面積高達(dá)200～1000m2/m3，比老式的格子磚大幾十倍至幾百倍，因此極大地提高了傳熱系數(shù)，使蓄熱室的體積可以大為縮小。另外，由于換向裝置和控制技術(shù)的提高，使換向時(shí)間大為縮短，傳統(tǒng)蓄熱室的換向時(shí)間一般為20～30min，而新型蓄熱室的換向時(shí)間僅為0.5～3min。新型蓄熱室傳熱效率高和換向時(shí)間短，帶來的效果是排煙溫度低（200℃以下），被預(yù)熱介質(zhì)的預(yù)熱溫度高（只比爐溫低100～150℃）。因此，廢氣余熱得到接近極限的回收，蓄熱室的溫度效率可達(dá)到85%以上，熱回收率達(dá)80%以上[1]。

由于唐鋼一鐵廠的高爐煤氣熱值僅為725×4.18kJ/m3，理論燃燒溫度只有1100℃左右，實(shí)際燃燒溫度更低，采用常規(guī)燃燒技術(shù)不能滿足軋鋼加熱爐的溫度需要。而高溫空氣燃燒技術(shù)將空氣和煤氣都預(yù)熱到1000℃以上，高爐煤氣的理論燃燒溫度達(dá)到2000℃以上從而使純高爐煤氣的燃燒溫度滿足軋鋼加熱爐爐溫1200℃以上的要求。
 

3 改造方案及技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)中型廠的生產(chǎn)波動(dòng)大，而加熱爐區(qū)域場(chǎng)地較窄的特點(diǎn)，并結(jié)合一鐵外供煤氣量的大小（30000～35000m3/h）。本著安全可行，調(diào)節(jié)靈活。節(jié)能效果突出的原則，采用招標(biāo)的方式，最終選擇了和北京神霧科技公司的合作，采用北京神霧公司的“蓄熱式燒嘴”技術(shù)。根據(jù)中型廠年產(chǎn)型鋼40萬(wàn)噸，不同品種軋機(jī)生產(chǎn)能力在45～80t/h之間，設(shè)計(jì)加熱爐最大加熱能力85t/h。

3.1 加熱爐主要參數(shù)和技術(shù)性能

加熱鋼種：碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼、合金鋼

鋼坯規(guī)格：斷面140mm×140mm、165mm×165mm、165mm×225mm、165rnm×280mm

長(zhǎng)    度：最小2600 mm，最長(zhǎng)3200mm

鋼坯入、出爐溫度：常溫入爐，出爐1050～1220℃

鋼坯加熱溫差：≤50℃

爐    型：端進(jìn)、端出推鋼式連續(xù)加熱爐，雙排裝料

爐子加熱能力（最大）：85t/h

爐子的主要尺寸：

爐子有效長(zhǎng)：22820mm

爐子總長(zhǎng)（砌體長(zhǎng)度）：24792mm

爐子內(nèi)寬：7300mm
 
爐子總寬（砌體寬度）：8348mm

燃料：高爐煤氣 低位發(fā)熱值（標(biāo)態(tài)）725×4.18 kJ/m3

煤氣消耗量（標(biāo)態(tài)）：33650m3/h

空氣消耗量（標(biāo)態(tài)）：22120m3/h

煙氣生成量（標(biāo)態(tài)）：48795m3/h

空氣預(yù)熱溫度：≥1000℃

煤氣預(yù)熱溫度：≥1000℃

噸坯單位熱耗：1.20GJ

爐底管冷卻方式：汽化冷卻

3.2 技術(shù)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.2.l 蓄熱式燃燒器

加熱爐每側(cè)外部安裝17個(gè)煤氣蓄熱和19個(gè)空氣蓄熱式燃燒器，每個(gè)空氣蓄熱器與煤氣蓄熱器相鄰布置，蓄熱式燃燒器分為單噴口和雙噴口兩種，以適應(yīng)不同位置的蓄熱式燃燒器布置。一個(gè)空氣噴口和一個(gè)煤氣噴口，組成一個(gè)燃燒單元。蓄熱器中的蓄熱體采用陶瓷小球和陶瓷蜂窩體的復(fù)合蓄熱結(jié)構(gòu)，它具有換向時(shí)間適中（中型廠設(shè)計(jì)換向時(shí)間2min），耐急冷急熱性好、導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)；每個(gè)燃燒器前的煤氣和空氣連接管上都安有手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，從而使得各個(gè)燃燒器、特別是上部與下部燃燒器的能力能夠按需要進(jìn)行調(diào)節(jié)；維修方便，可以在不影響爐子正常生產(chǎn)的情況下利用常規(guī)檢修更換蓄熱體。

3.2.2 引火燒嘴

中型廠的產(chǎn)品中有一部分合金鋼，這些品種對(duì)預(yù)熱段的加熱爐溫有上限要求。如 09CuP要求預(yù)熱段爐溫低于800℃，而高爐煤氣的安全燃燒溫度需高于800℃，為解決這一矛盾，在預(yù)熱段增加12支使用轉(zhuǎn)爐煤氣的引火燒嘴，以保證高爐煤氣在800℃以下的安全穩(wěn)定燃燒。12支引火燒嘴小時(shí)耗氣量低500m3/h，采用電子打火點(diǎn)燃，使用安全可靠。

3.2.3 自動(dòng)控制

爐溫控制系統(tǒng)采用在工業(yè)爐窯控制中廣泛使用的雙交叉限幅控制方式，為保證各個(gè)供熱區(qū)溫度的可控性，首先對(duì)各區(qū)設(shè)置獨(dú)立的，以溫度為主環(huán)，空煤氣流量調(diào)節(jié)為副環(huán)的爐溫控制回路。根據(jù)工藝的供熱分配情況，共分為3個(gè)溫度調(diào)節(jié)回路，分別對(duì)應(yīng)預(yù)熱段、加熱段和均熱段3個(gè)供熱區(qū)。爐膛壓力控制為減少換向?qū)t壓調(diào)節(jié)的干擾采用手動(dòng)調(diào)節(jié)煤氣煙道及空氣煙道的廢氣調(diào)節(jié)閥門，保證爐膛壓力穩(wěn)定在給定范圍。

3.2.4 換向控制

換向采用四腔四通換向閥，換向燃燒控制按定時(shí)的原則，并按規(guī)定的換向時(shí)序，控制3個(gè)煤氣換向閥和3個(gè)空氣換向閥的動(dòng)作，也可手動(dòng)控制換向。

3.2.5 安全保護(hù)系統(tǒng)

儀表控制安全連鎖邏輯保護(hù)系統(tǒng)在煤氣總管壓力過低、空氣壓力過低、儀表氣源壓力過低、電源故障情況下，發(fā)生自動(dòng)停爐；當(dāng)發(fā)生自動(dòng)停爐時(shí)，系統(tǒng)完成如下動(dòng)作：總管煤氣立即切斷，并在10min后停引風(fēng)機(jī)，鼓風(fēng)機(jī)則需要手動(dòng)停止。另外還有緊急手動(dòng)停爐：手動(dòng)停爐系統(tǒng)為獨(dú)立于PLC控制的硬件連鎖系統(tǒng)。用于在特殊情況下，如控制系統(tǒng)故障時(shí)，由操作員通過操作臺(tái)的急停按鈕，完成停爐操作。

4 加熱爐改造效果

4.1 運(yùn)行情況

中型廠加熱爐自2001年12月3日烤爐以來，使用情況良好，較大幅度地減輕了燒火工的勞動(dòng)強(qiáng)度。在正常使用中，通過電視畫面可以了解到加熱爐的運(yùn)行情況、爐溫控制非常容易，各班燒火工普遍反映調(diào)節(jié)準(zhǔn)確、方便。氧化燒損明顯減少，加熱爐扒渣工作由過去的每班一次改為每次檢修扒渣一次。由于有各種報(bào)警記錄，出現(xiàn)問題可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。對(duì)于熱工方面的問題，也可以通過分析各種記錄及時(shí)找出問題的所在，很快得以解決。自動(dòng)停爐控制系統(tǒng)的設(shè)立，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，可以及時(shí)自動(dòng)停爐，對(duì)防止大事故的發(fā)生起到了很好的保護(hù)作用。經(jīng)實(shí)踐證明這套系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

經(jīng)過3個(gè)月的運(yùn)行，加熱爐運(yùn)行基本穩(wěn)定，目前加熱爐的均熱段爐溫控制在1200～1300°C之間，加熱段爐溫在1100℃左右，排煙溫度僅120°C，燃燒產(chǎn)物的顯熱得到最大限度的回收。最大加熱能力已達(dá)到87t/h，2002年2月平均噸鋼消耗為494m3/t。噸材熱耗較改造前下降了26.9%。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

改造完成后中型廠年產(chǎn)型鋼40萬(wàn)噸，目前煤氣單耗494m3/t。按重油價(jià)格 1.33元/kg，高爐煤氣價(jià)格0.05元/m3計(jì)算。

每年可為公司減少重油外采費(fèi)用：38.43×1.33×40＝2044.48（萬(wàn)元）

中型廠每年增加高爐煤氣費(fèi)用：（494－167）×0.05×40＝654（萬(wàn)元）

中型廠年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益：2044.48—654＝1390.48（萬(wàn)元）

投資回收期：

加熱爐總投資為1087.61萬(wàn)元，僅以年節(jié)約燃料費(fèi)計(jì)算投資回收期為：（1087.61/1390.48）×12＝9.4（月）

全部投資回收期僅需9.4個(gè)月即可收回，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

4.3 社會(huì)效益

在取得良好經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也取得了良好的社會(huì)效益。每年中型廠由于熱耗降低減少CO2排放6000 m3以上，這將極大地改變環(huán)境。同時(shí)，由于高效蓄熱燃燒，煙氣的排放溫度低于150℃，這不僅減少了排煙的熱效應(yīng)而且其排放煙塵的黑度是肉眼所看不見的，這對(duì)保護(hù)環(huán)境是一大貢獻(xiàn)。

由于高溫煤氣和空氣混合燃燒產(chǎn)生了較高的理論燃燒溫度，這種低熱值的高爐煤氣可以迅速、穩(wěn)定、充分的燃燒，高溫?zé)煔饩鶆虺錆M整個(gè)爐膛，鋼坯加熱溫度十分均勻，為軋制高質(zhì)量的鋼材創(chuàng)造了條件，據(jù)2002年1～2月份統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，中型廠生產(chǎn)作業(yè)率較去年提高1.9%。加熱爐區(qū)噪聲減小，環(huán)境清潔，徹底杜絕了加熱爐冒黑煙造成的環(huán)境污染，工作環(huán)境較以前大有改觀。

5 結(jié)論

中型廠加熱爐蓄熱式改造，成功地將低發(fā)熱值的高爐煤氣應(yīng)用于軋鋼加熱爐，并且節(jié)能效果顯著，它為其他加熱爐改造積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。但應(yīng)該看到，蓄熱式加熱爐在設(shè)備、蓄熱體方面還存在一些問題，由于蓄熱式燒嘴殼體采用螺栓連接，密封要求較高，目前加熱爐周圍存在煤氣的微量泄漏；燒嘴殼體內(nèi)保溫層較薄，燒嘴外殼溫度較高，達(dá)到100℃左右。我們要在使用過程中不斷摸索，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，努力去完善這一技術(shù)。

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