蓄熱式加熱爐低負(fù)荷下爐寬方向溫差消除

馬 眾，王愛中，王文虎，馬翠芝

（1.中天鋼鐵集團(tuán)有限公司，江蘇常州213011；2.無錫龍山科技有限公司，江蘇無錫214072）

1 引言

中天鋼鐵集團(tuán)有限公司共有軋鋼加熱爐14座，燃料均為高爐煤氣，并全部采用空、煤氣雙蓄熱燃燒技術(shù)，從2003年首臺(tái)蓄熱爐投產(chǎn)至今，為中天鋼鐵集團(tuán)高爐煤氣的綜合利用找到了最佳方案，節(jié)約了大量的高熱值能源消耗，為企業(yè)取得了巨大的效益，更為社會(huì)、為環(huán)保做出了巨大貢獻(xiàn)。但在使用過程中也發(fā)現(xiàn)了一些不足，如新上項(xiàng)目初期，軋線設(shè)備的調(diào)試磨合期或新工藝要求需要加熱爐經(jīng)常在低負(fù)荷下運(yùn)行，此時(shí)，加熱爐爐寬方向的溫度均勻性問題比較突出。尤其是三軋1#加熱爐，加熱鋼坯兩端與中部最高溫差85℃，同時(shí)氧化燒損也隨之提高，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此必須采取相應(yīng)的技術(shù)整改措施改善或解決。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及原因分析

以三軋1#加熱爐為例，加熱爐額定產(chǎn)量為150 t/h，但當(dāng)生產(chǎn)?5.5m m規(guī)格產(chǎn)品時(shí)，產(chǎn)量僅為64.8 t/h。此時(shí)，供熱負(fù)荷僅為額定量的43%，鋼坯兩端溫度高出中部近90℃，靠提高爐溫或延長均熱時(shí)間維持生產(chǎn)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)觀察、詳細(xì)討論分析后，認(rèn)為主要原因包括以下幾點(diǎn)。

2.1 蓄熱式燒嘴的供熱調(diào)節(jié)比小

蓄熱式燃燒技術(shù)亦稱無焰燃燒技術(shù)，是一種將空、煤氣置于高溫、低氧環(huán)境下形成彌散式全新型燃燒技術(shù)，具有高效煙氣余熱回收和超高的空、煤氣預(yù)熱溫度、無局部高溫、低N O x排放等多重優(yōu)越性。它是集節(jié)能、環(huán)保于一體的21世紀(jì)核心工業(yè)技術(shù)。

蓄熱式燒嘴，不論是左右布置還是上下布置形式，其空氣噴口與煤氣噴口是完全獨(dú)立的?？績烧吒邷叵碌膰姵鏊俣燃敖唤莵硇纬蓮浬⑹饺紵龡l件。同時(shí)通過卷吸煙氣達(dá)到低氧狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)低N O x排放。兩者交角一旦形成就固定不變，倘若噴出速度發(fā)生了較大變化，則無法保證燃料充分燃燒及相對(duì)的燃燒效果。

2.2 低負(fù)荷下，蓄熱式燒嘴的噴口流速低

通常，空、煤氣雙蓄熱燒嘴在額定能力下的空、煤氣噴口標(biāo)態(tài)流速為8～10m/s，按預(yù)熱溫度1000℃計(jì)算，實(shí)際流速也僅為37～47m/s。當(dāng)熱負(fù)荷低于50%時(shí)，實(shí)際流速僅為20m/s，動(dòng)能低，對(duì)爐氣的攪動(dòng)差，甚至影響空、煤氣的混合效果，造成未能參與燃燒高溫空氣與鋼坯接觸發(fā)生的氧化反應(yīng)加?。?、煤氣蓄熱箱左右布置形式的尤為明顯）。

3 解決方案

改造前，僅能通過操作工頻繁地開關(guān)各段的部分燒嘴來改善爐溫的均勻性。其完全依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)與責(zé)任心，效果不明顯。而且燒嘴前的空、煤氣手動(dòng)閥也不適合頻繁開關(guān)操作，泄漏程度不一致，造成氧化加劇、燃耗上升。

熱負(fù)荷在不同值時(shí)兩種模式的燃燒狀態(tài)見圖1～圖5。

聯(lián)合無錫龍山科技有限公司技術(shù)部針對(duì)情況最突出的三軋1#加熱爐蓄熱式燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)升級(jí)改造，徹底解決了以上問題。

圖1 熱負(fù)荷處于100%時(shí)兩種模式的燃燒狀態(tài)（完全相同）

圖2 熱負(fù)荷降至75%時(shí)兩種模式的燃燒狀態(tài)

圖3 熱負(fù)荷降至50%時(shí)兩種模式的燃燒狀態(tài)（差異較明顯）

圖4 熱負(fù)荷降至25%時(shí)兩種模式的燃燒狀態(tài)（差異明顯）

圖5 兩種模式的實(shí)際燃燒狀態(tài)（高溫時(shí)）

3.1 蓄熱式燃燒控制系統(tǒng)改造

控制模式由“前饋型雙交叉限幅燃燒控制”改為“蓄熱式脈沖燃燒控制”。

“前饋型雙交叉限幅燃燒控制”是通過控制煤氣、助燃風(fēng)流量大小來實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)溫度的控制。將溫度偏差作為前饋量，大幅提高了溫度控制的響應(yīng)速度，是目前燃燒系統(tǒng)中較為成熟、傳統(tǒng)的一種控制模式。

“蓄熱式脈沖燃燒控制”是采用一種間斷燃燒模式，通過調(diào)節(jié)燒嘴的通斷比來實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)溫度的控制。這種燃燒模式下，單個(gè)燒嘴只要工作便處于額定負(fù)荷下，因此特別適用于小流量、低負(fù)荷的燃燒控制。

3.2 換向系統(tǒng)改造方案

為了滿足蓄熱式脈沖燃燒控制對(duì)換向系統(tǒng)的硬件要求，換向閥應(yīng)具有換向動(dòng)作快速，換向頻率更高，使用壽命更長，并用要求在切斷空氣（煤氣）的同時(shí)切斷相應(yīng)的排煙。

4 主要技術(shù)措施

4.1 蓄熱式燃燒控制方式改進(jìn)的具體措施

脈沖燃燒控制技術(shù)發(fā)展至今已有30多年的歷史，它是一種間斷燃燒的方式，使用脈寬調(diào)制技術(shù)，通過調(diào)節(jié)燃燒時(shí)間的占空比（通斷比）實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)的溫度精確控制。

本方案僅是將成熟、先進(jìn)的脈沖燃燒控制思路引入蓄熱式燃燒控制系統(tǒng)，組合成蓄熱式脈沖燃燒控制。而且蓄熱式燒嘴總是成對(duì)布置應(yīng)用的，一側(cè)燃燒時(shí)，另一側(cè)處于抽煙針，對(duì)單個(gè)蓄熱式燒嘴而言，其自身就是通斷比（占空比）為50%的間斷燃燒方式，只是處于“斷”狀態(tài)時(shí)不是停頓，而是抽煙狀態(tài)。

與傳統(tǒng)的雙交叉限幅燃燒控制相比，蓄熱式脈沖燃燒控制系統(tǒng)比較簡捷，且燒嘴一旦燃燒，就處于其設(shè)計(jì)的最佳燃燒狀態(tài)，保證燒嘴燃燒時(shí)的燃?xì)獬隹谒俣炔蛔?。蓄熱式脈沖燃燒控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)為：系統(tǒng)簡單可靠，性價(jià)比高；可提高爐內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性，尤其是低負(fù)荷下爐溫的均勻性，即提高了蓄熱式燒嘴的調(diào)節(jié)比。

當(dāng)熱負(fù)荷低于50%，采用流量控制（雙交叉限幅燃燒控制）模式時(shí)，燒嘴噴出速度過低，混合效果差，易造成鋼坯爐寬方向溫度不均，兩頭溫度遠(yuǎn)高于中部，影響軋制。

4.2 換向系統(tǒng)的改進(jìn)措施

為適應(yīng)脈沖控制控制要求，空、煤氣換向閥除了作為空（煤）氣與煙氣的切換裝置外，還應(yīng)具備以下功能或特點(diǎn)：

（1）具備雙截止功能：此狀態(tài)下，所連接的燒嘴處于“休克”狀態(tài)，即不供入空、煤氣，也不排出煙氣。

（2）工作行程短，換向動(dòng)作快：單程動(dòng)作時(shí)間≤2s。

（3）使用頻率高，壽命長：20～120s/次，150萬次以上。

（4）密封可靠：零泄漏，并采用高進(jìn)、低出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，有效利用流通介質(zhì)壓力壓緊閥板。

（5）更換方便：閥芯組件可以整體拆除、修復(fù)后整體安裝，維修過程中管道不需要作任何變動(dòng)。

LSP23直立式雙截止三位三通快速換向閥工作原理見圖6。

圖6 LSP23直立式雙截止三位三通快速換向閥工作原理

5 改造后實(shí)際效果

三軋廠改造后由鋼坯爐寬方向最高溫差由85℃降至30℃以下，完全滿足了軋制要求。在提高加熱質(zhì)量的同時(shí)，降低了爐內(nèi)的最高點(diǎn)爐溫，氧化燒損也隨之降低。

6 結(jié)語

采用蓄熱式脈沖燃燒控制方式可以輕松解決蓄熱式加熱爐低負(fù)荷下爐寬方向的溫差，而且蓄熱式燃燒采取脈沖控制方式僅需利用雙板換向閥自帶的全截止功能，不增加任何設(shè)備投入，是較為經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的解決方案，值得推廣。

[1]王秉銓.工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[2]張先棹，高仲龍，高家銳.工業(yè)加熱爐發(fā)展方向 [J].工業(yè)爐，2001，23（1）：1-5.