淺析煤氣熱值變化對軋鋼加熱爐節(jié)能降耗的影響和應(yīng)對措施

李 娜 郭宏棟 李 敬

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 前言

在鋼鐵行業(yè)競爭激烈的今天，走節(jié)能降耗、節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展的道路已經(jīng)成為企業(yè)生存和持續(xù)發(fā)展的一個重要關(guān)鍵點。安陽鋼鐵股份有限公司第二煉軋廠爐卷機組生產(chǎn)線擁有一座年加熱能力為116.6 萬t 的超寬型步進梁式加熱爐。然而，在生產(chǎn)運行中該爐的煤氣消耗占整個爐卷機組工序能耗的60%～70%，煤氣消耗所占比重大，直接影響到該機組的生產(chǎn)成本和效益。筆者對該爐通過一段時間的跟蹤和調(diào)查，認(rèn)為該爐在運行過程中所用的高、焦?fàn)t混合煤氣熱值不穩(wěn)定、波動變化較大是造成該爐煤氣消耗高的主要因素之一，并對其進行了分析，采取了相應(yīng)的優(yōu)化措施，最終降低了該爐的煤氣消耗，取得了很好的節(jié)能減排效果。

1 加熱爐主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，該爐所使用的燃料為高、焦?fàn)t混合煤氣；余熱回收系統(tǒng)中設(shè)置有空、煤氣金屬管狀預(yù)熱器。加熱爐的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 加熱爐的主要技術(shù)參數(shù)

2 煤氣熱值變化造成燃料消耗增加的原因分析

2.1 燃燒控制系統(tǒng)中空燃比失調(diào)，煤氣消耗量增加

某夜班加熱爐生產(chǎn)運行期間，煤氣管網(wǎng)內(nèi)的高、焦?fàn)t煤氣供應(yīng)量波動變化曲線如圖1、圖2所示。

從圖1 和圖2 可以看出，管網(wǎng)內(nèi)的高、焦?fàn)t煤氣供用量波動大，且頻率高；直接導(dǎo)致加熱爐所用煤氣熱值變化幅度較大。

圖1 管網(wǎng)內(nèi)高爐煤氣供量曲線

圖2 管網(wǎng)內(nèi)焦?fàn)t煤氣供量曲線

當(dāng)所來燃料熱值較高而此時加熱爐熱負(fù)荷又不大時，為確保爐內(nèi)鋼坯溫度符合加熱工藝技術(shù)規(guī)程要求，操作人員會相應(yīng)減少各加熱段的煤氣用量。當(dāng)煤氣熱值處于11 720 ～16 720 kJ/Nm3時，現(xiàn)場各供熱段煤氣流量調(diào)節(jié)閥的開度經(jīng)常處于30%以下，煤氣調(diào)節(jié)閥閥位開度經(jīng)常工作在非正常調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，自動燃燒控制系統(tǒng)響應(yīng)能力無法滿足爐溫和煤氣調(diào)整用量變化的需求。為確保爐膛溫度和保障加熱爐管道內(nèi)的煤氣壓力，操作人員只能根據(jù)經(jīng)驗手動調(diào)節(jié)空、燃比，造成爐溫控制誤差大，爐內(nèi)各段溫度場不均勻，空氣與煤氣配比量失調(diào)，爐內(nèi)燃料出現(xiàn)燃燒不完全現(xiàn)象。另外，因空氣系數(shù)過大，爐內(nèi)煙氣中的殘氧含量經(jīng)常高達5%以上。上述問題的產(chǎn)生最終造成該爐在生產(chǎn)運行中消耗過高，煤氣燃燒熱效率偏低，煤氣浪費嚴(yán)重。

2.2 空氣預(yù)熱溫度受限，煙氣余熱利用率不高

燃燒學(xué)中指出，軋鋼加熱爐燃料的理論燃燒溫度主要是由燃料本身的發(fā)熱量和燃料、空氣預(yù)熱后所帶入爐內(nèi)的物理溫度以及燃燒產(chǎn)物生成量等因素決定的。一般情況下，加熱爐預(yù)熱段后的排煙溫度范圍為600 ～1 100 ℃，約占供入爐內(nèi)熱量的35%～55%，回收這部分煙氣余熱用來預(yù)熱空氣和煤氣，可以提高帶入爐內(nèi)的物理熱，節(jié)約煤氣消耗量。同時，燃燒學(xué)理論中明確表示，提高煤氣的理論燃燒溫度主要是以提高燃料的發(fā)熱值和空氣預(yù)熱溫度為主，煤氣的預(yù)熱溫度受到碳?xì)浠衔锓纸鉁囟取踩纫蛩氐南拗?，不易預(yù)熱的太高。該爐在設(shè)計燃燒系統(tǒng)時的燃料發(fā)熱值是按照7 281 ～8 360 kJ/Nm3設(shè)計計算的，而實際生產(chǎn)中因煤氣熱值波動大，燃料熱值一般多在10 032 kJ/Nm3以上。根據(jù)燃料理論燃燒溫度計算公式：

t理=（Qd+Q燃+Q空- Q分）/VnC產(chǎn)

在t理≤2 000 ℃的情況下，Q分可以忽略不計，可以看出Vn和C產(chǎn)不因發(fā)熱值的變化而有較大的參數(shù)改變，具體參數(shù)可見下表2。

表2 煤氣熱值變化與煙氣量產(chǎn)生對比表

這樣Qd的升高使得Q燃和Q空受到了限制。煤氣熱值升高后，預(yù)熱器內(nèi)的煤氣流量減少，流速降低，根據(jù)預(yù)熱器傳熱面積公式[1]

可以得出，在A 已經(jīng)一定，且K 變化不大時，煤氣預(yù)熱量Q燃的降低會使煙氣和被預(yù)熱煤氣的對數(shù)平均溫差td減小，即煤氣預(yù)熱溫度升高。在熱值波動到較高時，該爐的煤氣用量減少，導(dǎo)致煤氣預(yù)熱溫度超上限320 ℃而報警。

該加熱爐在運行過程中煤氣發(fā)熱值不同的情況下，空氣、煤氣的預(yù)熱溫度及煤氣用量變化見表3。

表3 煤氣發(fā)熱值不同的情況下，空氣、煤氣的預(yù)熱溫度及煤氣用量變化

從表3 可以看出，空氣預(yù)熱到320 ℃左右時，煤氣預(yù)熱溫度就達到了報警上限；操作人員為了保護煤氣預(yù)熱器，防止出現(xiàn)重大煤氣安全事故，經(jīng)常采取打開稀釋風(fēng)機冷卻煙道溫度，進行熱風(fēng)放散和關(guān)小煙道閘板等方法來降低空氣預(yù)熱器前的煙溫，近而達到降低煤氣預(yù)熱溫度的目的。因煤氣熱值的波動和升高，空氣預(yù)熱溫度受到了煤氣預(yù)熱溫度的安全上限限制，帶入爐內(nèi)的空氣物理熱減少，導(dǎo)致煙氣余熱利用率降低，煤氣消耗量增加。

2.3 燒嘴分級燃燒不完全，煤氣燃燒效率降低

該爐一下加熱段配備有6 個大調(diào)節(jié)比側(cè)向HDN 低NOX調(diào)焰燒嘴，采用二級分級燃燒模式；燒嘴的主要性能參數(shù)值見表4。

表4 一下加熱段燒嘴的主要性能參數(shù)值

因一下加熱段燒嘴調(diào)節(jié)比范圍較大，生產(chǎn)實際過程中，當(dāng)煤氣熱值發(fā)生波動時，操作人員無法及時、快速有效地調(diào)節(jié)燒嘴的二次空氣閥位，致使燒嘴內(nèi)的空、煤氣混合速度也出現(xiàn)了波動，導(dǎo)致空氣、煤氣在燒嘴內(nèi)混合燃燒時出現(xiàn)不完全燃燒現(xiàn)象，燒嘴內(nèi)煤氣與空氣的混合效果較差，火焰中心溫度偏低，煤氣二級燃燒不完全，不僅造成煤氣燃燒熱效率降低，煤氣浪費現(xiàn)象的產(chǎn)生，而且增加了煙氣排放中NOX的含量，給節(jié)能減排帶來了不利。

3 節(jié)能措施

3.1 增設(shè)殘氧分析儀，精確控制燃料空、燃比例

優(yōu)化了爐子自動燃燒控制系統(tǒng)，在煤氣熱值波動變化較大情況下，要求操作人員將主從燃燒控制系統(tǒng)中的溫度主從改成流量主從，避免了爐溫在煤氣熱值波動情況下的浮動幅度過大現(xiàn)象；以此穩(wěn)定爐內(nèi)溫度場，降低了因煤氣熱值波動而造成各段爐溫變化幅度較大的現(xiàn)象。同時，為進一步提高操作人員對加熱爐爐內(nèi)煙氣中的殘氧含量控制，精確調(diào)整空燃比，杜絕煤氣燃燒不完全的問題，在加熱爐爐體預(yù)熱段安裝激光殘氧分析儀，實現(xiàn)了毫秒級不間斷監(jiān)測。激光殘氧分析儀的投用可精確監(jiān)測到爐內(nèi)燃料燃燒后產(chǎn)生煙氣中的氧氣含量，通過系統(tǒng)將煙氣中的殘氧量實時監(jiān)測數(shù)據(jù)納入到燃燒控制系統(tǒng)中，為操作人員能夠?qū)?、煤氣用量進行及時調(diào)整提供了可靠有效的數(shù)據(jù)支撐，對降低鋼坯氧化燒損率和提高煤氣燃燒熱效率，降低煤氣消耗奠定了基礎(chǔ)。

3.2 加強煤氣調(diào)整溝通渠道，提升煤氣換熱器換熱管材質(zhì)

建立快速有效的煤氣溝通渠道，對煤氣管網(wǎng)內(nèi)的煤氣熱值或壓力波動前期進行預(yù)控和有效調(diào)整；避免出現(xiàn)煙道內(nèi)不完全燃燒現(xiàn)象的發(fā)生。同時，利用檢修期間提升更換煙道內(nèi)煤氣換熱器高溫段的換熱管材質(zhì)，將原20# 鋼提升更換為0Gr17 材質(zhì)，確保煤氣換熱器的安全穩(wěn)定運行。

3.3 優(yōu)化燒嘴燃燒控制功能，實現(xiàn)分級燃燒功能

將一下加所有燒嘴本體上的一次風(fēng)閥翻板開度到40% ～50% 范圍內(nèi)，二次風(fēng)閥翻板閥位100%全開，中心風(fēng)閥位100%全開，此時該燒嘴燃燒火焰噴出速度提高，火焰長度可以達到7 ～8 m。同時，加強該段爐內(nèi)煙氣的再循環(huán)效果，充分發(fā)揮燒嘴分級燃燒功能，確保煤氣的完全燃燒，降低了煤氣消耗，也降低了煙氣中NOX的生成量。

3.4 合理組織生產(chǎn)，穩(wěn)定生產(chǎn)節(jié)奏

將所需軋制的鋼種統(tǒng)一分類進行加熱軋制，使得爐內(nèi)熱負(fù)荷變化不大，爐子的煤氣用量和燒嘴火焰較為穩(wěn)定，整個爐內(nèi)氣氛和鋼種之間的傳熱效果明顯增強，燃料燃燒熱效率高，有效降低了該爐的煤氣消耗用量。

4 節(jié)能效果

通過上述措施的不斷施實和優(yōu)化，取得了良好的節(jié)能效果。

（1）燃燒控制系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整，使得燃料燃燒過程中的空、燃比例控制精度大幅度提高，目前煙氣中的殘氧含量可控制在2% ～2.5% 范圍內(nèi)。

（2）通過制定相關(guān)的爐窯管理制度、嚴(yán)格實施“三勤操作法”和優(yōu)化加熱鋼種計劃后，該爐的熱平衡趨于穩(wěn)定，所用高、焦?fàn)t混合煤氣熱值配比范圍大大縮小，生產(chǎn)期間該爐所用的煤氣熱值波動情況得到了極大的改善。目前，該爐所用的煤氣熱值范圍平均在8 400 ～9 200 kJ/Nm3范圍內(nèi)。在保障煤氣預(yù)熱器安全運行的前提下，空氣預(yù)熱溫度提升了100 ℃；增加了煙氣物理熱的回收量，有效降低了燃料消耗量。

（3）一下加熱段中燒嘴閥位的調(diào)整優(yōu)化也使得燒嘴火焰強度增加，煤氣在燒嘴內(nèi)燃燒充分，分級燃燒效果明顯；生產(chǎn)期間NOX生成量有效控制在120 mg/m3以內(nèi)。

5 結(jié)語

通過不斷優(yōu)化和施實，目前該爐不論從安全運行方面，還是節(jié)能、環(huán)保指標(biāo)方面都較之前得到了較大的提升，為后期的安全穩(wěn)定運行和節(jié)能降耗創(chuàng)造了條件。加熱爐是軋鋼工序中的能源消耗大戶，降低加熱爐燃料消耗對于鋼鐵企業(yè)的節(jié)能減排工作致關(guān)重要。