薄板坯連鑄連軋線輥底式加熱爐的研究與優(yōu)化

供稿|張艷龍， 馬中杰 / ZHANG Yan-long， MA Zhong-jie

研究背景

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線加熱爐與常規(guī)的步進(jìn)式加熱爐不同，它的寬度一般僅為2 m左右，而爐長(zhǎng)(長(zhǎng)度)通常都在200 m以上。因此在設(shè)計(jì)這種加熱爐時(shí)，都采用了空煤氣預(yù)熱燃燒+煙道回收煙氣余熱的常規(guī)燃燒方式。

2003年，曾試圖在輥底爐上采用蓄熱式燒嘴(Regenerative Burner)，但是由于蓄熱式燃燒機(jī)理的尚不明確、燃燒設(shè)備體積過于龐大及擔(dān)憂爐溫不均勻等原因，最終認(rèn)定蓄熱式燃燒技術(shù)不能在輥底式上采用，放棄了該項(xiàng)技術(shù)。隨后國(guó)內(nèi)外陸續(xù)投產(chǎn)的薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線上的加熱爐仍然采用了常規(guī)燃燒方式。

存在問題

輥底式加熱爐具有與其他加熱爐不同的特點(diǎn)，沒有低溫預(yù)熱區(qū)，只有高溫加熱區(qū)和保溫區(qū)，從加熱爐排出的溫度高達(dá)1150 ℃以上的煙氣直接排到爐外，經(jīng)降溫后才能回收余熱，最終煙氣排煙溫度仍然高達(dá)400 ℃以上。

另外，輥底爐的加熱區(qū)長(zhǎng)度小于其總長(zhǎng)的30%，其他70%的爐長(zhǎng)用來(lái)對(duì)已經(jīng)達(dá)到出鋼溫度的板坯進(jìn)行在線熱保溫。這種結(jié)構(gòu)和工作方式，決定了該類型加熱爐的熱效率低，唐鋼FTSR生產(chǎn)線加熱爐熱效率只有16.7%，能源利用率有待提高。

唐鋼薄板坯連鑄連軋線的產(chǎn)品定位為超薄熱帶，現(xiàn)有的輥底式加熱爐加熱能力有限，只能保證1150 ℃的出爐溫度，難以滿足薄規(guī)格帶鋼的生產(chǎn)。

優(yōu)化方案

蓄熱式燃燒的機(jī)理研究

蓄熱式燃燒的基本原理如圖1所示?？梢?，從鼓風(fēng)機(jī)出來(lái)的常溫空氣經(jīng)過換向閥切換進(jìn)入燒嘴B時(shí)，經(jīng)過燒嘴B內(nèi)的高溫蜂窩體的加熱，在極短時(shí)間內(nèi)常溫空氣被加熱到接近爐內(nèi)溫度(一般比爐溫低50～100 ℃)，被加熱的高溫?zé)峥諝膺M(jìn)入爐膛后，卷吸周圍爐內(nèi)的煙氣形成一股含氧量遠(yuǎn)低于21%的稀薄貧氧高溫氣流，煤氣在貧氧(2%～20%)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)燃燒。同時(shí)，爐膛內(nèi)燃燒后的熱煙氣經(jīng)過另一個(gè)燒嘴A排入大氣，爐膛內(nèi)高溫?zé)釤煔馔ㄟ^燒嘴A時(shí)，將顯熱[知識(shí)小貼士]儲(chǔ)存在燒嘴A的蓄熱體內(nèi)，然后以低于150℃的低溫?zé)煔饨?jīng)過換向閥排出。工作溫度不高的換向閥以一定的頻率進(jìn)行切換，使兩個(gè)蓄熱式燃燒器處于蓄熱與放熱交替工作狀態(tài)，從而達(dá)到節(jié)能和降低NOx排放量等目的。

圖1 蓄熱式燃燒技術(shù)原理圖

研發(fā)單蓄熱同心射流技術(shù)

經(jīng)過充分研究，并緊密結(jié)合輥底爐特點(diǎn)，研發(fā)創(chuàng)新了單蓄熱同心射流技術(shù)。采用此項(xiàng)技術(shù)可以避免在火焰根部形成回流區(qū)，能夠?qū)崿F(xiàn)高溫低氧燃燒。因?yàn)槊簹馀c空氣多流股交叉混合，可以實(shí)現(xiàn)多層次充分燃燒，空煤氣混合均勻，燃燒完全，為此可以改善板坯加熱條件并減少?gòu)U氣及有害氣體NOx產(chǎn)生。同心射流燒嘴結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 同心射流燒嘴

燃燒控制方式及合理的供熱負(fù)荷優(yōu)化

燃燒控制方式采用適應(yīng)輥底爐結(jié)構(gòu)的全分散脈沖控制方式。通過應(yīng)用此種全脈沖、數(shù)字化先進(jìn)的控制燃燒方式可以有效加強(qiáng)爐氣擾動(dòng)，避免較大爐氣壓力波動(dòng)，保證爐內(nèi)燃燒氣氛穩(wěn)定，提高板坯加熱速度，使加熱爐各段的爐溫控制更加有效，溫度控制更加精確，爐溫控制水平進(jìn)一步提高。全分散脈沖燃燒形式如圖3所示。

圖3 全分散脈沖燃燒界面

爐體復(fù)合澆注保溫技術(shù)

創(chuàng)造性的運(yùn)用了爐體復(fù)合澆注工藝技術(shù)，澆注之后燒嘴之下為重質(zhì)爐體澆注料，上部分采用含鋯塞拉模塊進(jìn)行填充，在保證爐體強(qiáng)度基礎(chǔ)上又達(dá)到了減輕爐體重量的目的，爐體形式如圖4所示。

圖4 澆注后的爐體形式

采用外置式蓄熱箱體

由于輥底爐內(nèi)寬不足，蓄熱箱體無(wú)法安裝在加熱爐內(nèi)部，而只能安裝在爐體外部。但此種加熱爐將蓄熱箱體安裝在爐體外部尚不多見，為保證加熱爐換輥時(shí)不會(huì)相互干涉，方便維護(hù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安裝位置均精心設(shè)計(jì)。通過集成研發(fā)，最終設(shè)計(jì)出滿足實(shí)際使用要求的特殊結(jié)構(gòu)形式，蓄熱箱體與原爐墻實(shí)現(xiàn)合理銜接，蓄熱燒嘴部件實(shí)現(xiàn)快捷維修及更換，如圖5所示。

圖5 外置蓄熱箱體

實(shí)際效果

提高輥底爐加熱能力

輥底式加熱爐蓄熱式燃燒技術(shù)可以將空氣蓄熱到1000 ℃以上，并直接送至爐膛內(nèi)燃燒，排煙溫度降到120～150 ℃，使煙氣中的熱量大部分回到加熱爐中。通過計(jì)算，當(dāng)煤氣熱值在14651 kJ/m3時(shí)，以燃燒1 m3煤氣為基礎(chǔ)計(jì)算，得出通過原有換熱器預(yù)熱煤氣及空氣溫度至400 ℃能夠回收煙氣余熱2646 kJ并帶入爐內(nèi)；空氣單蓄熱式燃燒技術(shù)可以把空氣預(yù)熱至1000 ℃ ，其能夠回收煙氣余熱5509 kJ并帶入爐內(nèi)，比使用換熱器高2863 kJ，相當(dāng)于提高了16.6%的加熱能力。

空氣單蓄熱式燃燒的投入使用，單蓄熱同心射流技術(shù)的應(yīng)用，供熱負(fù)荷的重新分配，以及重新設(shè)計(jì)的蓄熱式燒嘴，提高了單個(gè)燒嘴的供熱能力，從而提高了輥底式加熱爐的整體加熱能力。

同時(shí)由于空氣能夠預(yù)熱到很高的溫度，從而使得燃料的燃燒溫度得以進(jìn)一步的提高，促進(jìn)了燃料燃燒過程中碳、氫化合物的熱裂解，增加了火焰的黑度，提高了火焰向物料的輻射能力，強(qiáng)化了爐內(nèi)的傳熱過程。

通過技術(shù)改進(jìn)，在應(yīng)用蓄熱式燃燒技術(shù)后燃燒系統(tǒng)的最大加熱能力由原來(lái)的1200 ℃提升到1320 ℃。能夠充分滿足生產(chǎn)1.2 mm、1.0 mm超薄熱帶對(duì)板坯溫度的要求，保證了超薄熱帶生產(chǎn)的穩(wěn)定、順利進(jìn)行。

提高輥底爐加熱板坯的溫度均勻性

使用蓄熱式燃燒技術(shù)后，加熱爐爐溫的均勻性有了顯著提高，特別是通過全分散脈沖控制燃燒方式和燃燒自動(dòng)控制相結(jié)合，可以對(duì)加熱爐各段的局部溫度進(jìn)行精確控制，從而充分保證板坯通長(zhǎng)方向上的溫度均勻性。

通過粗軋機(jī)出口高溫計(jì)實(shí)際檢測(cè)板坯溫度來(lái)看，使用蓄熱式燃燒技術(shù)后的板坯通長(zhǎng)溫度更均勻。圖6是選用目標(biāo)溫度均為1030 ℃的優(yōu)化前后的RDT(粗軋出口溫度)曲線，縱坐標(biāo)為溫度，橫坐標(biāo)為板坯通長(zhǎng)方向上采集的40個(gè)點(diǎn)。

降低了加熱爐對(duì)環(huán)境的污染及能耗

由于采用了蓄熱式燃燒技術(shù)及同心射流技術(shù)，其中通過空氣單蓄熱式燃燒技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高溫燃燒，同心射流技術(shù)則通過高速噴入的空氣，形成高速射流，卷吸爐內(nèi)煙氣形成回流流動(dòng)，造成低氧(可低至15%以下)循環(huán)氣流，從而形成低氧環(huán)境。兩項(xiàng)技術(shù)相互結(jié)合，達(dá)到高溫低氧燃燒的條件，從而達(dá)到超低NOx排放的目的。同時(shí)由于大部分余熱回收利用，因此也減少了對(duì)大氣的熱污染。

同時(shí)蓄熱式燃燒技術(shù)最大限度的利用了煙氣余熱，當(dāng)煤氣熱值在14651 kJ /m3時(shí)，以燃燒1 m3煤氣為基礎(chǔ)計(jì)算，生成煙氣帶出熱量為8623 kJ，原有的換熱器余熱回收方式回收熱量2646 kJ，空氣單蓄熱回收余熱5509 kJ，余熱回收利用率分別30.68%和63.89%，余熱回收效率提升了33.21%。

優(yōu)化后單耗和成本明顯降低，煤氣熱效率提高8.5%以上，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

圖6 優(yōu)化前、后板坯縱向溫度均勻性對(duì)比