蓄熱式加熱爐煙氣吹掃系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用

張嘉鳴，王子兵，郭 珊，王紹龍，李世成

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210)

0 引 言

隨著人類對能源環(huán)境問題的日益重視，傳統(tǒng)高物耗、高能耗、高污染鋼鐵行業(yè)的節(jié)能減排壓力日漸凸顯，各項節(jié)能減排技術(shù)相繼開發(fā)。隨著鋼鐵行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，我國鋼鐵行業(yè)逐漸向綠色化、生態(tài)化發(fā)展。20世紀80年代以來，隨著工業(yè)生產(chǎn)的需求，高溫空氣燃燒技術(shù)應(yīng)運而生，不僅能節(jié)約能源，還可以減少污染物排放，發(fā)展迅速[1-5]，這種高效的燃燒技術(shù)被廣泛應(yīng)用到鋼鐵冶金、發(fā)電和煤化工等行業(yè)[6]。高溫空氣燃燒技術(shù)在鋼鐵冶煉中成功應(yīng)用，采用蓄熱式高溫燃燒技術(shù)開發(fā)出新一代蓄熱式加熱爐，為鋼鐵冶金行業(yè)的發(fā)展做出了貢獻[7]。蓄熱式加熱爐作為冶金生產(chǎn)中最主要的高能耗設(shè)備對其研究也從未間斷[8-9]，而針對其換向時煤氣換向閥至燒嘴之間管道的殘留煤氣放散問題越來越引起重視。

在國內(nèi)眾多科研院和軋鋼企業(yè)共同的推動下，我國起步較晚的蓄熱式加熱爐也得到了快速發(fā)展[10-13]，張朝紅等[14]對蓄熱式加熱爐換向方式進行研究，結(jié)果表明，采用全分散換向技術(shù)與集中換向技術(shù)相比具有生產(chǎn)連續(xù)性好，避免了集中換向爐子熱惰性較大，換向時爐膛壓力不穩(wěn)定，生產(chǎn)連續(xù)性較差的問題，爐壓得到了有效的控制，降低了加熱爐煤氣放散量，使加熱爐便于調(diào)節(jié)，易于實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點。張先珍等[15]研究了換向時間對蓄熱式燃燒的影響，得出換向時間應(yīng)根據(jù)實際換向設(shè)備的換向能力及爐子熱效率來設(shè)定。

國內(nèi)外學(xué)者借助各類數(shù)值模擬軟件對蓄熱式加熱爐爐內(nèi)燃燒狀態(tài)進行了研究，模擬得到了爐內(nèi)溫度場、速度場和濃度場的分布變化規(guī)律[16-18]。Morgado等[19]通過爐膛分區(qū)數(shù)值模擬，對溫度分布均勻性假設(shè)進行了評價。Casal等[20]在上述數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上開發(fā)了一種新的三維 CFD 仿真方法，將瞬態(tài)運動轉(zhuǎn)換為穩(wěn)態(tài)仿真的板坯源項，完善了能量傳輸方程，極大節(jié)省了軟件運算過程。潘麗萍等[21]對推鋼式板坯加熱爐爐襯損耗進行數(shù)值模擬，利用CFD軟件對其爐內(nèi)高溫氣體的流動狀態(tài)進行分析，得出速度、溫度場以及壁面剪切應(yīng)力等相關(guān)分布規(guī)律，為爐膛內(nèi)爐襯的選擇提供了數(shù)據(jù)支撐。顧新新[22]利用FLUENT軟件通過改變?nèi)紵鹘Y(jié)構(gòu)和操作參數(shù)對燃燒空間進行模擬，為優(yōu)化燃燒器結(jié)構(gòu)提供了指導(dǎo)和借鑒。

蓄熱式加熱爐工作時也有其弊端，如煤氣換向時造成部分煤氣浪費，直接排入大氣，造成環(huán)境污染和資源浪費。為解決這一問題，本文提出了一種蓄熱式加熱爐煙氣吹掃系統(tǒng)，在不改變工藝流程的基礎(chǔ)上，對原有加熱爐系統(tǒng)進行改造，將之前浪費的部分煤氣加以利用，有利于降低企業(yè)成本，節(jié)約能源，保護環(huán)境。

1 蓄熱式加熱爐工作原理及參數(shù)

1.1 蓄熱式加熱爐工作原理

蓄熱式燃燒技術(shù)是通過蓄熱體進行儲存，為燃氣及助燃空氣提供熱量以達到其預(yù)熱的目的，混合氣燃燒前的焓值增大，火焰溫度升高，提高了副產(chǎn)低熱值煤氣在鋼鐵生產(chǎn)中的有效利用。19世紀中期的蓄熱式燃燒技術(shù)，由于蓄熱室內(nèi)格子磚的單位體積傳熱面積小，且燃燒換向裝置過于復(fù)雜，限制了蓄熱燃燒技術(shù)的發(fā)展。20世紀80年代后蓄熱式燃燒技術(shù)發(fā)展迅速。

在蓄熱式加熱爐工作狀態(tài)時，左側(cè)輸入煤氣進入蓄熱體蓄熱，加熱到一定溫度后噴入爐膛進行燃燒，與此同時右側(cè)煙道打開，煤氣在加熱爐內(nèi)燃燒后，煙氣由右側(cè)排出，煙氣由右側(cè)排除時熱量加熱右側(cè)的蓄熱體，經(jīng)過一定時間間隔后，經(jīng)過換向閥門換向，煤氣由右側(cè)進入，在爐膛內(nèi)燃燒，左側(cè)進行煙氣的排出，如此循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)蓄熱式加熱爐換向燃燒(圖1)。

圖1 蓄熱式加熱爐工作原理Fig.1 Working principle of regenerative heating furnace

1.2 蓄熱式加熱爐基礎(chǔ)參數(shù)

唐山市某鋼廠蓄熱式加熱爐為雙蓄熱式集中換向加熱爐，以高爐煤氣為燃料。蓄熱式燃燒系統(tǒng)的工作特點決定了每個排煙換向動作到來時，煤氣燒嘴和換向閥中間管路的煤氣無法繼續(xù)送入爐膛燃燒，而是被引風(fēng)機反抽進入排煙管道，直至排入大氣，造成了燃料浪費，污染環(huán)境。

唐山某鋼廠改造的加熱爐參數(shù)見表1。

表1 蓄熱式加熱爐基礎(chǔ)參數(shù)Table 1 Basic parameters of regenerative heating furnace

加熱爐燃燒換向方式為集中換向，換向時序是加熱爐正常工作時換向周期60 s左右，以時間為控制參數(shù)，換向閥延遲時間為1～2 s。

2 煙氣吹掃系統(tǒng)設(shè)計及效果分析

蓄熱式加熱爐采用高爐煤氣或轉(zhuǎn)爐煤氣雙蓄熱式燃燒，使用三通換向閥進行換向，加熱爐兩側(cè)每50～60 s交替燃燒和排煙換向一次。在三通換向閥至蓄熱箱之間的管道(包含蓄熱箱)是煤氣進氣和排煙公共管道。燃燒時，換向閥煤氣通道打開(排煙通道關(guān)閉)蓄熱式燒嘴開始燃燒，50～60 s后三通換向閥煤氣通道關(guān)閉(排煙通道打開)，公共管道中的煤氣反向流動，導(dǎo)致三通換向閥至蓄熱箱之間共用管道內(nèi)的高爐煤氣被抽到排煙管道中(圖2中云線區(qū)域管道)，從加熱爐煙囪排出，導(dǎo)致煤氣浪費以及排放污染。

圖2 管道殘留煤氣部位示意Fig.2 Schematic diagram of residual gas in pipeline

2.1 煙氣吹掃系統(tǒng)設(shè)計

該蓄熱式加熱爐為三段式，分別是一加熱段、二加熱段和均熱段。在加熱爐的3段不同位置，換向閥組數(shù)、上下燒嘴數(shù)不同，連接燒嘴與閥門的管道直徑也不同，計算時要分別計算，以防錯誤。加熱爐單側(cè)殘留煤氣管道結(jié)構(gòu)及容積見表2。

表2 加熱爐單側(cè)殘留煤氣管道結(jié)構(gòu)及容積Table 2 Structure and volume of residual gas pipeline on one side of heating furnace

得到加熱爐單側(cè)各段煤氣殘留容積后，可計算得出整座加熱爐單次放散體積、小時放散體積。加熱爐全爐換向煤氣放散量見表3。

表3 加熱爐全爐換向煤氣放散量Table 3 Gas dissipation amount of reversing gas in heating furnace

針對該加熱爐設(shè)計煙氣反吹系統(tǒng)，工藝流程如圖3所示。

圖3 管道殘留煤氣部位示意Fig.3 Location of residual gas in pipeline

煤氣經(jīng)由換向閥進入加熱爐進行燃燒，煙氣由煙氣管路排出。在此系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加煙氣吹掃系統(tǒng)管路，煙氣吹掃系統(tǒng)從引風(fēng)機前抽取煙氣，經(jīng)過管路通過各種保護探頭之后進入新設(shè)計的二通閥，而后進入改造的三通閥進行煙氣吹掃，在管路右側(cè)設(shè)置安全保護管路，設(shè)置氮氣吹掃回路，通過風(fēng)機調(diào)節(jié)閥對煙氣吹掃系統(tǒng)進行實時控制，在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加煙氣吹掃系統(tǒng)以達到降低成本，節(jié)能減排的目的。

蓄熱式加熱爐煙氣吹掃系統(tǒng)設(shè)計是在加熱爐原有系統(tǒng)條件下，從煤氣煙氣管道引出管道，經(jīng)引風(fēng)機加壓，通過不同閥門配合使抽取的煤氣煙氣進入蓄熱體將殘留煤氣吹入加熱爐內(nèi)進行燃燒，在整個流程中設(shè)置有流量計、壓力表、氧探頭和一氧化碳探頭等多種設(shè)備，以供方便安全生產(chǎn)，為保證檢修條件安全，設(shè)置有氮氣吹掃系統(tǒng)，氮氣吹掃系統(tǒng)在系統(tǒng)檢修停運時先進行吹掃，排除管道中的殘留煤氣以便安全檢修操作。整個系統(tǒng)在保持原加熱爐控制系統(tǒng)的獨立性、換向控制邏輯及聯(lián)鎖條件基本不變的前提下，嵌入一套新的PLC系統(tǒng)用于調(diào)控蓄熱式加熱爐煙氣反吹系統(tǒng)，由此構(gòu)成全新的加熱爐燃燒控制系統(tǒng)。

2.2 煙氣吹掃系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

蓄熱式加熱爐CO反吹系統(tǒng)投運后，系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性得到了提高，系統(tǒng)投運前后各方面提升顯著。CO投運前后爐壓穩(wěn)定性如圖4所示，爐溫穩(wěn)定性如圖5所示。

圖5 投運前后爐溫穩(wěn)定性效果Fig.5 Stability effect of furnace temperature before and after commissioning

由圖4可知，加裝煙氣反吹系統(tǒng)前爐內(nèi)壓力波動劇烈，最低為5 Pa，最高可達80 Pa，區(qū)間相差較大，穩(wěn)定性差。加裝后爐內(nèi)壓力趨于平穩(wěn)，壓力均趨近于18 Pa。

圖4 投運前后爐壓穩(wěn)定性效果Fig.4 Stability effect of furnace pressure before and after commissioning

由圖5可知，蓄熱式加熱爐三段在系統(tǒng)投運后，曲線更加平穩(wěn)，波動幅度降低。從爐溫和爐壓來看加裝反吹系統(tǒng)后，加熱爐運行更加安全穩(wěn)定。

爐溫爐壓在加入蓄熱式加熱爐煙氣吹掃系統(tǒng)之后，由于換向時，原有系統(tǒng)會將部分煙氣吹入加熱爐爐膛，引起加熱爐的小波動，現(xiàn)有系統(tǒng)則處理了這一問題。在加熱爐工作期間內(nèi)部穩(wěn)定燃燒，爐溫爐壓波動較小，爐溫爐壓曲線逐漸趨于平穩(wěn)。

煙氣反吹系統(tǒng)投運前后CO濃度趨勢如圖6所示，投運前加熱爐換向閥換向時間為60 s，120 s為一個燃燒周期。因換向造成煤氣放散在CO濃度曲線上呈現(xiàn)2個明顯的波峰。反吹系統(tǒng)投運后解決了因燃燒換向造成的煤氣放散，即消除CO濃度曲線波峰，減排效果顯著。系統(tǒng)投運前，煙氣中CO濃度在換向時峰值最高可以達到95 702.81 mg/m3，系統(tǒng)投運后，煙氣中CO濃度在換向時峰值最高可達4 918.98 mg/m3，在煙氣反吹系統(tǒng)投運后CO減排率在90%以上。

圖6 煙氣反吹系統(tǒng)投運減排效果Fig.6 Emission reduction effect of flue gas backflush system in operation

3 系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

煙氣反吹系統(tǒng)投運后為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益，以改造后的鋼廠加熱爐為例，混合煤氣單價按0.13 元、吹掃效率90%計，加熱爐按年工作時間330 d計，2019年度共節(jié)約高爐煤氣1 584.56萬Nm3，共節(jié)約煤氣費用206萬元，折合標準煤1 765.71 t，向大氣排放純CO減少約396.14萬Nm3。

2019年，全國鋼產(chǎn)量約10億t，唐山鋼產(chǎn)量約1億t，按70%采用蓄熱式加熱爐加熱，噸鋼平均節(jié)約煤氣12 Nm3/h，唐山每年節(jié)約煤氣8.4億Nm3，折合標準煤10.2萬t，節(jié)省燃料費(按0.13元/Nm3)8 400 萬元，年減排純CO約2.52億Nm3。若技術(shù)推廣全國，2019年，全國可年節(jié)約煤氣84億Nm3，折合標準煤102萬t，節(jié)省燃料費(按0.13元/Nm3)84 000 萬元，年減排純CO約25.2億Nm3。

4 結(jié) 論

1)蓄熱式加熱爐反吹掃技術(shù)是解決蓄熱式加熱爐燃燒換向時造成的煤氣放散問題的有效途徑。結(jié)合某鋼廠蓄熱式加熱爐的生產(chǎn)狀況及基礎(chǔ)參數(shù)，對加熱爐的煤氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及換向燃燒機制進行分析，并進行了對應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計，取得了很好的效果，節(jié)約資源，保護環(huán)境。

2)蓄熱式加熱爐煙氣反吹系統(tǒng)投運后，系統(tǒng)無安全隱患問題，運行穩(wěn)定，節(jié)能減排效果顯著。加熱爐的單位能耗由原來的0.882 GJ/t降低至0.823 GJ/t，投運前CO峰值最高可達95 702.81 mg/m3，投運后CO峰值最高僅4 918.98 mg/m3，煙氣中CO減排率達到94.9%，吹掃效果好，系統(tǒng)運行更加平穩(wěn)。

3)2019年度被改造鋼廠共節(jié)約高爐煤氣1 584.56萬Nm3，共節(jié)約煤氣費用206萬元，折合標準煤1 765.71 t，少向大氣排放純CO約396.14萬Nm3。