雙蓄熱加熱爐換向過(guò)程的煤氣損失及CO排放

左春友 孫文強(qiáng)

(1. 賽能杰高新技術(shù)股份有限公司，2. 東北大學(xué)熱能工程系，3. 國(guó)家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

蓄熱式燃燒技術(shù)是國(guó)家重點(diǎn)推廣應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)。相對(duì)于常規(guī)的換熱器預(yù)熱燃燒技術(shù)，蓄熱式燃燒技術(shù)的預(yù)熱溫度更高，排煙溫度更低，因而具有較高的熱效率[1]。高爐煤氣和空氣雙蓄熱技術(shù)是指利用高溫?zé)煔鈱⒏郀t煤氣和助燃空氣預(yù)熱到800～1 000 ℃再送入爐膛進(jìn)行混合燃燒的技術(shù)。鋼鐵企業(yè)將高爐煤氣通過(guò)蓄熱式燃燒技術(shù)應(yīng)用在加熱爐上，對(duì)國(guó)家的節(jié)能減排做出了巨大貢獻(xiàn)，也為企業(yè)帶來(lái)了非?？捎^的收益[2-6]。但是，在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中，高爐煤氣和空氣雙蓄熱加熱爐換向過(guò)程[7]會(huì)造成煤氣損失和CO排放，還有很大的優(yōu)化空間和改進(jìn)的必要。對(duì)比分析各種換向閥在高爐煤氣和空氣雙蓄熱加熱爐上的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出降低換向過(guò)程煤氣損失和CO排放的相關(guān)措施。

1 換向閥及管道布置

1.1 換向閥種類

換向閥是實(shí)現(xiàn)雙蓄熱式燒嘴換向工作的關(guān)鍵設(shè)備，主要類型有：四通換向閥、大型全功能隔斷型兩位三通換向閥(簡(jiǎn)稱大三通)、小型全功能隔斷型兩位三通換向閥(簡(jiǎn)稱小三通)和小型隔斷型兩通快速切段閥(簡(jiǎn)稱小快切)等。在軋鋼加熱爐領(lǐng)域，大三通和小三通是目前應(yīng)用最普遍的換向設(shè)備，小快切也有部分應(yīng)用。四通換向閥在設(shè)備重量、管道布局、尾氣排放等方面處于劣勢(shì)，正逐步被淘汰，文章不予考慮。

圖3 小快切換向管道布置

1.2 管道布置

換向設(shè)備為大三通換向閥的加熱爐管道系統(tǒng)采用分段集中切斷換向，煤氣和空氣從主管道分出M個(gè)分支，每個(gè)分支設(shè)置一組大三通，每個(gè)換向閥控制多個(gè)蓄熱燒嘴的進(jìn)氣及排煙。其中一個(gè)分支的管道布置如圖1所示。

換向設(shè)備為小三通換向閥的加熱爐管道系統(tǒng)采用分散切斷換向，煤氣和空氣從主管道分出N個(gè)分支，每個(gè)分支設(shè)置多組小三通，每個(gè)換向閥控制一個(gè)或者兩個(gè)蓄熱燒嘴的進(jìn)氣及排煙。其中一個(gè)分支的管道布置如圖2所示。

換向設(shè)備為小快切換向閥的加熱爐管道系統(tǒng)與小三通管道系統(tǒng)類似，分散切斷換向，煤氣和空氣從主管道分出Q個(gè)分支，每個(gè)分支設(shè)置多組小快切，每個(gè)快切閥控制一個(gè)或者兩個(gè)蓄熱燒嘴的進(jìn)氣及排煙。其中一個(gè)分支的管道布置如圖3所示。

圖1 大三通換向管道布置

圖2 小三通換向管道布置

2 換向周期和共用管段

2.1 換向周期

對(duì)蓄熱燃燒技術(shù)而言，燃燒是間斷進(jìn)行的，蓄熱和燃燒按周期交替進(jìn)行。蓄熱周期里停止向燒嘴供給煤氣和空氣，從爐內(nèi)抽出高溫?zé)煔饧訜岚惭b在燒嘴內(nèi)腔里的蓄熱材料，通過(guò)熱交換過(guò)程將煙氣中的熱量存儲(chǔ)到陶瓷蜂窩體或陶瓷小球等蓄熱體內(nèi)，煙氣溫度降低到120～180 ℃。燃燒周期里停止排煙，通過(guò)熱交換過(guò)程將蓄熱體內(nèi)的熱量釋放給煤氣和空氣，煤氣和空氣被預(yù)熱到800～1 000 ℃。

燒嘴內(nèi)腔里蓄熱體完成吸熱和放熱的時(shí)間稱之為換向周期。按常用材料考慮，陶瓷蜂窩體換向周期為40～80 s，常用60 s；陶瓷小球換向周期為120～240 s，常用180 s。

2.2 共用管段

燒嘴蓄熱和燃燒交替過(guò)程中，煙氣和煤氣會(huì)經(jīng)過(guò)一段共用管段。在蓄熱周期里，排煙初始階段會(huì)將共用管道內(nèi)的煤氣先抽出，加熱爐內(nèi)的煙氣隨后排出，共用管道內(nèi)的煤氣不經(jīng)過(guò)燃燒，直接排放到大氣中，造成能源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

采用大三通換向管道布置方式時(shí)，三通閥至燒嘴之間的氣體共用管段包括：大三通共用腔、煤氣分配/煙氣集中共用管、燒嘴前管道和燒嘴內(nèi)腔。采用小三通換向管道布置方式時(shí)，三通閥至燒嘴之間的氣體共用管段包括：小三通共用腔、燒嘴前管道和燒嘴內(nèi)腔。采用小快切換向管道布置方式時(shí)，快切閥至燒嘴之間的氣體共用管段包括：過(guò)渡管、燒嘴前管道和燒嘴內(nèi)腔。

3 煤氣損失和CO排放分析

以某改造項(xiàng)目為例，加熱爐設(shè)計(jì)加熱能力為200 t/h，以高爐煤氣為燃料，低位發(fā)熱量為3 140 kJ/m3,主要可燃成分CO體積占比為25%，采用高爐煤氣和空氣雙蓄熱燃燒技術(shù)，蓄熱體為陶瓷蜂窩體。假設(shè)換向閥一側(cè)關(guān)閉時(shí)沒(méi)有任何煤氣及煙氣泄露。按不同換向閥設(shè)計(jì)管道系統(tǒng)，換向過(guò)程造成的煤氣損失和CO排放濃度如表1所示。

換向閥種類相同時(shí)，換向周期時(shí)間越長(zhǎng)，換向煤氣損失越少。相同換向周期時(shí)，大三通換向煤氣損失最多，小快切換向煤氣損失次之，小三通換向煤氣損失最少，大三通換向的煤氣損失約為小三通的2～3倍。換向周期越長(zhǎng)，在相同時(shí)間內(nèi)換向次數(shù)越少，從共用管道內(nèi)直接排放煤氣的數(shù)量越少，因此損失越少。采用不同換向閥時(shí)，換向閥到燒嘴之間的共用管段體積不同，換向損失不同。所占體積越小，換向時(shí)排放損失越少。與小三通和小快切相比，采用大三通換向時(shí)，明顯多出一段與分支管路等徑的集氣管，因此大三通換向時(shí)煤氣損失最大，能源浪費(fèi)最多。

實(shí)際生產(chǎn)中，大多數(shù)換向閥都存在嚴(yán)重的泄露問(wèn)題。目前加熱爐廠家多采用蜂窩體為蓄熱體，換向時(shí)間為60 s。經(jīng)驗(yàn)表明，實(shí)際生產(chǎn)采用大三通換向閥時(shí)煤氣損失約為5%～8%，采用小三通換向時(shí)煤氣損失約為3%～5%，個(gè)別加熱爐煤氣損失高達(dá)10%以上。實(shí)際損失量遠(yuǎn)高于理論計(jì)算量的關(guān)鍵原因在于換向閥內(nèi)泄，煤氣腔和煙氣腔互相竄氣，形成短路。無(wú)論是排煙周期還是燃燒周期，煤氣都會(huì)泄露到煙氣管道內(nèi)，從而被直接排放，如圖4所示。

表1 換向過(guò)程煤氣損失和CO排放情況

圖4 換向閥漏氣

4 降低煤氣損失和CO排放的措施

4.1 優(yōu)化換向閥選擇和共用管段設(shè)計(jì)

由于共用管段的存在，雙蓄熱燃燒技術(shù)換向過(guò)程中必然有煤氣排放損失，因此應(yīng)從基本設(shè)計(jì)上減小共用管段的體積。主要方法包括：

(1)換向設(shè)備優(yōu)先選用小三通；

(2)對(duì)于換向設(shè)備確定的情況，滿足工藝要求的前提下，盡量縮短換向閥到燒嘴之間共用管道的長(zhǎng)度；

(3)三通閥設(shè)計(jì)制造時(shí)盡量縮短共用腔的體積，小快切換向時(shí)盡量減少過(guò)渡管的長(zhǎng)度；

(4)適當(dāng)延長(zhǎng)換向周期，減少換向次數(shù)。

4.2 應(yīng)用煙氣反向吹掃技術(shù)

在煤氣切斷、排煙開(kāi)始之前的2～8 s內(nèi)，利用蓄熱室排出的低溫?zé)煔鈱⒐灿霉芏蝺?nèi)的煤氣吹到爐膛內(nèi)燃燒。生產(chǎn)實(shí)踐表明：反向吹掃系統(tǒng)投用的開(kāi)始階段有一定減排效果，但是使用幾個(gè)月以后效果越來(lái)越差，甚至影響生產(chǎn)。

4.3 優(yōu)化換向閥密封結(jié)構(gòu)

換向閥內(nèi)泄導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中煤氣和空氣雙蓄熱加熱爐煤氣的損失量遠(yuǎn)大于理論計(jì)算量。大部分反向吹掃系統(tǒng)應(yīng)用不成功也在于換向閥內(nèi)泄，傳統(tǒng)的換向閥密封結(jié)構(gòu)壽命短、易損壞，反向吹掃停止后，閥板密封不嚴(yán)仍會(huì)有煤氣直接排放。因此，應(yīng)優(yōu)化換向閥的閥板密封結(jié)構(gòu)，使換向閥密封更加嚴(yán)密，延長(zhǎng)密封結(jié)構(gòu)壽命。

5 結(jié)論

(1)對(duì)于相同的換向周期，大三通換向煤氣損失最多，小快切換向煤氣損失次之，小三通換向煤氣損失最少。換向閥種類相同時(shí)，換向周期越長(zhǎng)，換向煤氣損失越少。理論計(jì)算表明，煤氣放散率約為1%～4%，實(shí)際生產(chǎn)中的煤氣損失率約為3%～10%。換向過(guò)程排放的CO濃度為0.28%～1.31%。

(2)換向閥對(duì)高爐煤氣和空氣雙蓄熱加熱爐煤氣損失及CO排放影響很大。為降低煤氣損失和CO排放濃度，應(yīng)選擇合理的換向閥，設(shè)計(jì)合理的管段布局，著重研究換向閥的密封結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)換向閥密封結(jié)構(gòu)壽命，減少換向閥內(nèi)泄。