淺析降低無氧化輥底式熱處理爐天然氣消耗的途徑

楊東峰，李倩倩

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 無錫 214000）

熱處理分廠淬火爐為無氧化輥底式熱處理爐，氮?dú)獗Ｗo(hù)性氣氛；加熱形式為輻射管無氧化加熱，使用的燃燒介質(zhì)為天然氣；最高爐溫為1000℃。主要生產(chǎn)容器板、鍋爐班、造船板、橋梁板、模具鋼、低合金高強(qiáng)度鋼板、高強(qiáng)度鋼板等的淬火和正火，為熱處理分廠核心設(shè)備之一。熱處理爐存在著熱效率不高、熱處理工件的品質(zhì)不穩(wěn)定、低效益高能耗等問題，甚至對環(huán)境造成一定的污染。通過對現(xiàn)場使用的淬火爐的工作過程進(jìn)行分析，動態(tài)控制加熱過程，優(yōu)化熱處理工藝技術(shù)參數(shù)，提高燃燒效率，可以節(jié)省天然氣的消耗量，有效地降低生產(chǎn)成本，改善工作條件和對環(huán)境的影響，也保證了熱處理品質(zhì)[1]。

1 現(xiàn)狀分析

熱處理的淬火爐自從2011 年投產(chǎn)使用至今，將近9 個年頭，隨著產(chǎn)量的逐年增加，天然氣單耗也在逐年提高。隨著設(shè)備的管理水平、點(diǎn)檢水平以及操作水平的提升，我們發(fā)現(xiàn)，造成淬火爐的能耗，除了設(shè)備陳舊，爐內(nèi)耐材、纖維制品的襯里老化、脫落等客觀原因外，主要還是由于燃燒系統(tǒng)故障。特別是隨著燃燒系統(tǒng)使用年份的增加，輻射管及內(nèi)部陶瓷內(nèi)管、換熱器和燃燒室等部件會出現(xiàn)破損和老化。隨著燃燒系統(tǒng)故障率的逐年升高，加熱過程中會逐步出現(xiàn)鋼板溫度分布不均、輻射管破損導(dǎo)致鋼板表面質(zhì)量缺陷的現(xiàn)象。所以，燃燒系統(tǒng)故障率升高直接影響熱處理鋼板的加熱效果和性能的穩(wěn)定性，也導(dǎo)致輻射管燃燒系統(tǒng)常維護(hù)量增大[2]。

表1 2018 年與2019 年能耗對比

與2018 年相比，2019 年平均天然氣單耗上升了4.72%，平均班產(chǎn)量下降了14.6%。因此，面對公司逐年增加的提產(chǎn)增效、降本增效的任務(wù)，如何降低淬火爐能耗、提高淬火爐生產(chǎn)效率，是分廠成本管理工作的重中之重。

2 原因分析

淬火爐共分為10 個溫度控制段，共244 個燒嘴，采用的是輻射管專用的混合型天然氣燒嘴，這種燒嘴通過空氣與天燃?xì)獾亩嗉壔旌?，?shí)現(xiàn)分段燃燒，形成較長的火焰形狀，從而保證沿輻射管長度方向上的溫度均勻性。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019 年，頻繁報(bào)故障的燒嘴在25%以上，同時，通過對所有燒嘴的空燃比和煙氣成分進(jìn)行檢測后，發(fā)現(xiàn)有163 支燒嘴的空燃比不能滿足要求，煙氣中CO 含量＞1000ppm，超標(biāo)排放，天然氣不能完全燃燒，導(dǎo)致供熱能力不足，造成能源的浪費(fèi)。主要原因有以下幾點(diǎn)。

（1）空氣電磁閥濾網(wǎng)堵塞嚴(yán)重，導(dǎo)致空氣量變少，不滿足完全燃燒所需要的空氣量。

（2）陶瓷內(nèi)管安裝尺寸不滿足圖紙要求、燒嘴陶瓷內(nèi)管與燃燒室開裂會造成輻射管內(nèi)氣流混亂，火焰直接燒到輻射管上，導(dǎo)致輻射管壽命縮短

（3）換熱器翅片堵塞嚴(yán)重。由于長期的不完全燃燒，最終使燃料熱解和裂化，析出的碳粒因無法燃盡而沉積下來，這樣便在換熱器的翅片上形成積灰，從而影響煙氣的循環(huán)，導(dǎo)致空氣預(yù)熱溫度下降。

圖1 燒嘴煙氣成分檢測

表2 空燃比參數(shù)表

圖2 不完全燃燒造成換熱器翅片堵塞

3 改進(jìn)措施

3.1 空燃比優(yōu)化至最佳

淬火爐的燃燒介質(zhì)是天然氣，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式：CH4+2O2=CO2+2H2O，在理想情況下，天然氣完全燃燒時，煙氣中的CO 含量為零。在實(shí)際條件下，天然氣通過燒嘴完全燃燒時必需通入大于理論空氣消耗量的過剩空氣量，這部分過?？諝饬渴菫榱藦浹a(bǔ)各種不理想因素，使空氣與天然氣充分混合，混合程度越好，則燃燒過程越短，單位時間內(nèi)釋放出的熱量越多，燃燒溫度越高，所以煙氣中會有4%～5%左右的O2[3]。

從燒嘴的設(shè)計(jì)參數(shù)和保護(hù)輻射管的角度，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，通過計(jì)算，不同功率的燒嘴空燃比必須滿足下表中的要求。

根據(jù)上表中參數(shù)要求，對燒嘴進(jìn)行逐個檢測，同時滿足空氣壓差、燃?xì)鈮翰詈蜔煔獬煞值囊?，方認(rèn)為燒嘴空燃比滿足要求。不滿足要求的燒嘴，從空氣濾網(wǎng)、陶瓷內(nèi)管安裝尺寸、換熱器、燃燒室、電極絲等方面進(jìn)行改進(jìn)。

3.2 管理標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化

通過摸索和調(diào)整之后，在燃燒系統(tǒng)的日常管理和維護(hù)過程中，要做到標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化，并做好記錄。

（1）正常運(yùn)行3個月后應(yīng)檢查電極是否有明顯的變形或損壞，并清潔一次。

（2）正常運(yùn)行6 個月后檢查燒嘴是否有明顯的損壞。檢查燒嘴、排煙管。

（3）陶瓷燃燒室，陶瓷導(dǎo)焰管、電極、電磁閥過濾網(wǎng)、墊圈等，如有必要，更換并加裝新的墊圈。

（4）維護(hù)之后檢查燃?xì)夂涂諝鈮毫?，和原調(diào)試壓力設(shè)定記錄進(jìn)行比較。

4 改進(jìn)效果

班產(chǎn)量對比。

（1）最高班產(chǎn)量：調(diào)節(jié)前，由于供熱能力不足，導(dǎo)致常規(guī)鋼種正常工藝的班產(chǎn)量最高只能達(dá)到270；調(diào)節(jié)后，最高班產(chǎn)量可以達(dá)到340t，產(chǎn)能提升了25.9%。

（2）平均班產(chǎn)量：調(diào)節(jié)前，由于供熱能力不足，平均班產(chǎn)量216.2t；調(diào)節(jié)后，平均班產(chǎn)量278.5t，產(chǎn)能提升了28.8%。

（3）平均單耗：按照燒嘴參數(shù)，利用測壓表和煙氣分析儀將燒嘴空燃比調(diào)至最佳，稍作故障完好率提升至95%以上，天然氣單耗下降了13.43%。

表3 調(diào)節(jié)空燃比前后產(chǎn)量和單耗的對比

5 結(jié)論

（1）實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化點(diǎn)檢：對不同形式、不同功率和不同燃燒方式的燒嘴進(jìn)行分級管控，測算、優(yōu)化孔板尺寸，制定相應(yīng)的空燃比參數(shù)并做好臺賬記錄，最終形成一套完善的數(shù)字化點(diǎn)檢標(biāo)準(zhǔn)并固化，充分發(fā)揮燒嘴的供熱能力，提高產(chǎn)能，服務(wù)于生產(chǎn)。

（3）功能精度持續(xù)改進(jìn)：爐溫控制精度由原來的±10℃提升到±8℃，每月由生產(chǎn)技術(shù)室跟蹤分析并提出改進(jìn)要求，設(shè)備積極配合，定期做爐溫均勻性測試，爐內(nèi)氣氛的在線監(jiān)控和離線檢測，為鋼板性能滿足客戶要求提供保障。

（3）全員設(shè)備管理：推進(jìn)操作工參與燒嘴點(diǎn)檢的工作，讓操作工掌握燒嘴狀態(tài)，將燒嘴完好率控制在95%以上。