蓄熱式燃燒在軋鋼加熱爐上的應用

王兆云

（南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035）

蓄熱式燃燒技術是采用蓄熱式煙氣余熱回收裝置，交替切換空氣或氣體燃料與煙氣，使之流經(jīng)蓄熱體，能夠在最大程度上回收高溫煙氣的顯熱，排煙溫度可降到200℃以下，可將助燃介質(zhì)或氣體燃料預熱到1100℃左右，形成與傳統(tǒng)火焰不同的新型火焰類型，并通過換向燃燒使爐內(nèi)溫度分布更趨均勻的一種節(jié)能技術。

高爐煉鐵產(chǎn)生的高爐煤氣由于熱值低（一般為3344~4180千焦/標米），燃點大于700℃，由于其很難被利用，高爐煤氣一直被當作廢氣，直接排放到大氣中或燃燒放散掉（對環(huán)境產(chǎn)生了很大的影響和污染），在20世紀90年代以來，國內(nèi)冶金行業(yè)的蓬勃發(fā)展，鋼鐵產(chǎn)能不斷擴大，而伴隨著能源價格的不斷上漲，隨著蓄熱式燃燒技術的引入，國內(nèi)很多鋼鐵企業(yè)對高爐煤氣產(chǎn)生了興趣，慢慢將高爐煤氣變廢為寶，加以利用，以高爐煤氣雙蓄熱式軋鋼加熱爐為代表的應用成為當時的一股潮流，由于蓄熱式燃燒技術突出的節(jié)能效果，后來慢慢從對低熱值高爐煤氣的利用，逐漸發(fā)展為對高熱值的混合煤氣的利用，直到21世紀，蓄熱式燃燒技術在冶金行業(yè)的應用才開始慢慢降溫，目前蓄熱式燃燒軋鋼加熱爐上的應用，主要以低熱值的高爐煤氣為主。

蓄熱式燃燒技術主要核心技術即蓄熱式燒嘴和換向閥控制，蓄熱式燒嘴是以陶瓷蜂窩體，或陶瓷小球為蓄熱體對煙氣余熱進行高效回收，將助燃空氣或煤氣預熱到1100℃左右，同時具有對煤氣和助燃空氣的供入、著火、燃燒以及組織火焰等功能的一種燃燒裝置。按預熱介質(zhì)類別，蓄熱式燒嘴分為空氣單預熱、空氣煤氣雙預熱兩種，由于陶瓷蜂窩體蓄熱效果以及其它的諸多優(yōu)勢，目前國內(nèi)加熱爐主流以陶瓷蜂窩體為蓄熱體，雙蓄熱式燒嘴為主。

蓄熱式燒嘴的原理：一套蓄熱式燒嘴系統(tǒng)至少包括兩個燒嘴，兩個蓄熱器，一個熱能回收系統(tǒng)以及相應的控制裝置。燒嘴和蓄熱器可根據(jù)現(xiàn)場實際情況直接連接在一起或選擇用耐火材料澆注的管道連接在一起。當一個燒嘴利用蓄熱器里的熱空氣進行燃燒時，另一個燒嘴起到一個排煙口的功能，利用抽煙風機抽出爐子里的熱空氣通過燒嘴到蓄熱器里進行蓄熱。當熱量蓄足后，蝶閥動作，轉(zhuǎn)換兩個燒嘴的功能。每當一個燒嘴在燃燒時，則另一個在幫助蓄熱器蓄熱。在熱交換中，管道中的廢氣溫度通常在150℃~200℃，因而不管是蝶閥還是抽煙風機均能長期安全可靠的工作（如圖1所示）。

圖1 蓄熱式煙氣余熱回收裝置示意圖

圖2 軋鋼加熱爐燒嘴

圖3 兩種燒嘴布置形式圖

軋鋼加熱爐上蜂窩體雙蓄熱式燒嘴，燒嘴直接插入爐墻一定的深度，通過燒嘴噴口將空氣或煤氣噴入爐內(nèi)混合燃燒。噴口結構有兩種：一種是空氣和煤氣噴口上下布置成兩排（圖2），空氣和煤氣在爐內(nèi)相交混合燃燒，為了減少氧化燒損，上加熱的空氣噴口在上，煤氣噴口在下，下加熱則相反；另外一種是空氣和煤氣噴口水平布置成一排（圖3），空氣和煤氣噴口都設計成V字形成兩路噴出，同相鄰的煤氣或空氣股混合燃燒。

兩種燒嘴布置形式的優(yōu)缺點：

空氣和煤氣噴口上下布置，要求軋鋼加熱爐爐膛高度比較高，正是由于爐膛比較高，減弱了燃料經(jīng)過蓄熱式燒嘴在爐膛內(nèi)燃燒的傳熱效果，而上下布置的燒嘴一般有上下兩組燒嘴，由于煤氣燒嘴靠近鋼坯，能夠很好的減少鋼坯的氧化燒損，但是另外一個缺點是上下布置的燒嘴煤氣和空氣之間有一層隔板，后期使用過程中，容易躥火，有安全隱患，并會燒壞爐墻和燒嘴。

空氣和煤氣噴口左右布置，相對而言，優(yōu)點比較多，由于不需要比較高的爐膛，從而達到很好的傳熱效果，并且左右布置空氣和煤氣燒嘴為分體式結構，不會發(fā)生內(nèi)漏躥火，安全性比較高，但是要求爐子比較長，對爐子的占地有一定要求，目前主流采用的燒嘴形式為左右布置。

軋鋼加熱爐雙蓄熱式燃燒換向閥的控制技術：

整個系統(tǒng)采用手操器配以西門子的PLC-300系統(tǒng)來完成加熱爐的過程控制及過程檢測。盡量減輕操作人員的勞動強度，提高加熱爐的生產(chǎn)效率和降低能耗，并確保操作安全，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化。

硬件構成 PLC控制站是選用西門子的S7-300，并根據(jù)控制要求選用了相應的模擬量輸入輸出模板以及開關量輸入輸出模板。整個系統(tǒng)分了五個ET200站。前三個站采集爐儀表的流量、溫度、壓力；第四個站負責換向系統(tǒng)；第五站控制風機和液壓站。

軟件組態(tài) 加熱爐的用戶程序是基于Windows7 系統(tǒng)操作平臺，使用西門子公司的赤明控制系統(tǒng)軟件，完成系統(tǒng)硬件組態(tài)地址和站地址的分配以及加熱爐用戶程序的設計。 利用赤明軟件的梯形圖編輯器進行控制程序的編輯。

梯形圖程序包括三部分:

第一部分是背影功能塊，對各輸入數(shù)據(jù)參數(shù)進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和整形，任意調(diào)用，還有背影數(shù)據(jù)塊，它是根據(jù)控制調(diào)用某類背影功能塊。

第二部分是整個系統(tǒng)的邏輯控制包括換向系統(tǒng)控制、鼓風機，引風機的啟停條件、以及壓力與快切閥的聯(lián)鎖控制。換向系統(tǒng)的邏輯控制功能有：

（1）定時換向：當換向系統(tǒng)處于自動運行狀態(tài)時，換向閥以一定的時間間隔完成換向動作。

（2）定溫換向：當排煙溫度過高時，系統(tǒng)將強制換向閥換向，直至排煙溫度下降到設定的溫度范圍

（3）手動換向：當系統(tǒng)處于手動狀態(tài)時，可在畫面上對系統(tǒng)中的每個換向閥進行手動換向，便于調(diào)試和故障處理。

（4）動作異常報警：當換向閥閥位異常或長時間動作不到位時，畫面上會出現(xiàn)報警指示燈閃爍并指示故障點所在位置，蜂鳴器報警。鼓風機、引風機的啟停條件比較簡單，通過機旁箱和畫面上的按鈕操作就可以了。不管是機旁操作還是畫面操作都經(jīng)過PLC輸出點輸出。煤氣壓力、空氣壓力、壓縮空氣壓力分別低于4KPa、4KPa、0.4MPa時，操作畫面會閃爍，提醒操作人員處理；分別低于3.5KPa、3KPa、0.3MPa時切煤氣分管；煤氣壓力、空氣壓力分別低于2KPa、2.5KPa時且煤氣總管。 第三部分調(diào)用西門子自帶的功能塊。完成加熱爐的自動調(diào)節(jié)，主要應用了PID運算調(diào)節(jié)?？刂品椒ú捎秒p交叉限幅控制，即以路頂端一支熱電偶作為溫度到實際測量值，與設定的溫度值比較，控制空氣與煤氣的流量。同時在程序中增加手/自動無擾動切換功能，使操作更簡單方便穩(wěn)，也就是說在手/自動切換時，自動的調(diào)節(jié)閥的閥位置直接設定調(diào)節(jié)的輸出值而無需進行計算。

在軋鋼加熱爐中正確地安裝和選用蓄熱式燒嘴最高可節(jié)省能源70%，提高燃燒效率90%，其主要的優(yōu)點：

（1）在高溫下高效回收余熱，排煙溫度小于200℃；可獲得大于80%的余熱回收效率，燃料消耗低，節(jié)能效果顯著。

（2）爐膛溫度均勻性好。利用高溫燃燒技術，交替燃燒方式，改變爐內(nèi)溫度分布，同一排可獲得均一的爐膛溫度，溫差小于5℃。

（3）余熱回收系統(tǒng)結構緊湊，實現(xiàn)了蓄熱體與燒嘴的小巧一體化。

（4）提高爐膛溫度，使得生產(chǎn)能力大大提高。

（5）環(huán)保效果明顯。普通燃燒火焰有焰心，內(nèi)焰，外焰組成，而火焰溫度有一定的差異，外焰溫度最高，容易產(chǎn)出局部高溫，產(chǎn)生更多NOx，而蓄熱式燃燒為無焰燃燒，實現(xiàn)高溫低氧燃燒，煙氣中氮氧化合物濃度大為降低。

（6）自動化程度高。自動換向操作，換向時間0~5分鐘可調(diào)，現(xiàn)在大部分可控制在1分鐘以內(nèi)。

（7）在爐寬小于6m時，鋼坯加熱爐內(nèi)長度方向上溫差小，適合加熱短坯料。

同時雙蓄熱燃燒在軋鋼加熱爐上的應用也有很多問題：

（1）由于現(xiàn)階段蜂窩體加工工藝和使用材質(zhì)的限制，雖然陶瓷蜂窩體的傳熱效果明顯優(yōu)于陶瓷小球，但是其結構形式容易造成蜂窩蓄熱體堵塞和易碎（煤氣中水含量比較高時），導致空燃比失調(diào)，對燃燒效果產(chǎn)生影響，為了避免蓄熱體阻塞一方面需要保證煤氣的潔凈性，另一方面保證定期對蓄熱體進行更換。

（2）蓄熱式燒嘴維護量比較大，需要定期更換蓄熱體和維護換向閥，對生產(chǎn)產(chǎn)生一定的影響，由于其后續(xù)維護成本高和維護工作量大，經(jīng)濟效益存在爭議，目前還沒有定論。

（3）對加熱爐爐膛尺寸比較寬，而鋼種加熱溫度均勻性要求比較高時（譬如鈦板加熱），蓄熱式燃燒已不適合使用。

（4）由于蓄熱式燃燒煤氣在換向這段時間內(nèi)，換向閥到燒嘴之間的煤氣管道中的煤氣直接被引入煙氣中，造成煙氣中CO的含量比較高，有一定的安全隱患。

蓄熱式燃燒技術是一種很好的節(jié)能降耗技術，但是也有一定的局限性，個人認為在鋼鐵企業(yè)只有高爐煤氣時，采用雙蓄熱式燃燒技術，而在鋼鐵企業(yè)有多種煤氣燃料時，可以采用混合煤氣來提高煤氣的熱值，不建議采用蓄熱式燃燒，而應選用常規(guī)燃燒，采用常規(guī)燃燒時，在煙氣側(cè)加入高溫煙氣預熱器，排出的煙氣溫度在600℃左右，然后再在煙氣末端加余熱鍋爐回收剩下的低溫煙氣熱量，最終將煙氣溫度降到200℃以下，同樣達到很好的節(jié)能效果，而且后期的維護量和備件消耗量也會顯著降低。