蜂窝体蓄热式HTAC技术邯钢中板厂加热炉上的应用

蜂窝体蓄热式HTAC技术邯钢中板厂加热炉上的应用王义芳2张晓力2吴道洪11北京神雾热能技术有限公司，北京1000832邯郸钢铁集团有限责任公司摘要介绍了蜂窝体蓄热式高温空气燃烧（HTAC）技术在邯钢中板厂2号加热炉上的应用和效果。燃料消耗降低20％以上，从而减少废气排放量，减少污染。关键词加热炉蓄热式高温空气燃烧技术节能应用APPLICATIONOFHTACTECHNOLOGYOFHONEYCOMBREGENERATIVECERAMICBURNERTOREHEATINGFURNACEWangYifang2ZhangXiaoli2WuDaohang11BeijingShenwuThermalEnergy&TechnologyCo,.Ltd.,Beijing1000832HandanIronandSteelGroupCo.，Ltd.ABSTRACT：ThispapermainlyIntroducestheapplicationandeffectsofthehightemperatureaircombustiontechnologyofhoneycombregenerativeceramicburneronNo.2reheatingfurnaceInHangangPlateMill．Fuelconsumptioncanbereducedabove20%，wastegasandatmosphericpollutantsarereduced．KEYWORDS：reheatingfurnace,regenerativehightemperatureaircombustion,savingenergy,application1前言邯钢中板厂1号加热炉投产于1996年2月，设计加热能力为90t/h，入炉坯料尺寸为（150～250）mm×（700～1400）mm×（2000～2700）mm，燃料为混合煤气（发生炉、高炉、焦炉），炉底管为水冷却方式，有效炉底面积6.38m×26.1m＝166.5m2；2号加热炉投产于1992年3月，设计加热能力为70t/h，入炉坯料尺寸为（150～180）mm×（700～1200）mm×（1500～2000）mm，燃料为混合煤气和重（焦）油，炉底管冷却方式为汽化冷却，有效炉底面积5.22m×26.56m＝139.6m2。在1990～2000年，所用坯料基本上是由二炼钢厂提供的，其断面尺寸为180mm×1200mm。按公司总体规划2000年年底二炼钢厂被淘汰，原料将由三炼钢厂新建的板坯连铸机供给，其断面尺寸为（180～220）mm×（1200～1600）mm。由于板坯断面增大，2号加热炉在加热能力、加热质量、燃料消耗和加热炉故障等方面均满足不了生产的需求，必须对2号加热炉进行技术改造。2节能技术方案的选择板坯断面增加后，加热时间要延长，为保证加热质量和轧机生产能力，并进一步节约燃料消耗，笔者进行了大量调研，从近几年来我国加热炉已采用的成熟有效的节能技术来看，概括起来包括：①炉型改造；②绝热技术；③热装热送；④燃烧技术；⑤烟气余热回收；③控制技术等6个方面。经分析前三项节能技术可以根据具体情况尽可能地采用，而后三项要认真分析、综合考虑。板坯断面增加后，在不延长炉体的条件下，为提高加热能力，强化炉内传热，在辐射体系下势必要强化加热，增大炉气—金属间的温压△T，这由燃烧系统来强化供热，带来的是高烟温，虽然有利于炉子的平均温压△T的提高，但会造成更多的烟气余热的损失，这是一个高产与低耗的矛盾，必须设法提高烟气余热的回收率，而且回收的烟气余热要尽可能地回到炉内。方法是利用烟气余热对煤气和助燃空气预热，从而可提高燃料的燃烧温度，获得较大的温压△T，加强传热过程，形成良性循环的加热过程。但同时考虑到，提高燃料的燃烧温度后，一般的烧嘴喷出的火焰局部温度过高，对炉体耐火材料不利，更不利于减小钢坯的氧化烧损。因而，必须选择一种最大限度地回收高温烟气余热和减少火焰局部高温的燃烧技术。邯钢中板厂1号步式加热炉烟道里安装有空气换热器和煤气换热器，分别预热的温度为450℃和200℃左右，外排烟温度达400℃以上；2号炉仅有空气换热器，预热空气温度为350℃，外排烟约500℃以上，车间因面积限制无法再增设煤气换热器，无法对烟气余热进一步回收。经反复分析认为，邯钢中板厂2号加热炉在燃烧技术、烟气余热回收和控制系统采用目前国外已成熟的蜂窝体蓄热式高温空气燃烧技术是可行的。目前在国内，已投产了几座使用高炉煤气做燃料的采用陶瓷球蓄热式高温空气煤气燃烧技术，对空气煤气进行双重预热的轧钢加热炉，这项技术是成功的，为我国的蓄热式高温空气燃烧技术的实际应用提供了成功的经验，体现了低热值高炉煤气的价格效益，减少了高炉煤气放散，充分利用了能源，因而受到了冶金企业的重视，但这项技术的应用还存在以下几个方面的问题。（1）使用陶瓷小球式蓄热体，体积大，炉子两侧设备拥挤，给施工维护和操作带来困难。（2）由于墙内有空煤气管道，而耐火材料使用时受升温、降温、结构尺寸、材料性能等的影响，必然存在开裂和剥落等现象，从而削弱和影响炉墙寿命以及可能存在的空煤气在炉墙内相遇掺混爆炸的不安全性。（3）炉墙较厚，约1000mm左右，这对于旧炉子而言受原炉子基础的限制，只能靠牺牲原炉内宽尺寸才能解决，另外，原炉墙施工难度大，耐火材料费用高。（4）由于高炉煤气燃烧火焰温度低，且其中含有大量的氮气，火焰的传播速度较慢，其着火和稳定燃烧都比较困难。在常压下，其着火温度为530～650℃，着火浓度为45％～70％，但随温度升高着火浓度界限范围也相应变宽[1]。因而，国内的几座燃高炉煤气的蓄热式加热炉，一般都设有部分专门用于点火提温的烧嘴，当蓄热式燃烧系统在炉膛温度达到850℃之后，方可投入正常运行，这主要是从安全角度考虑的。其结果是增设为点火烘炉专用的较高热值燃料的燃烧系统，整个加热炉燃烧系统较复杂，且烘炉烧嘴数量有限，炉膛升温时间较长。3高温空气燃烧技术实际应用方案及分析高温空气燃烧（HighTemperatureAirCombustion简称HTAC）技术是90年代初在燃烧领域诞生的一项全新型燃烧技术，具有高效节能、低NOX污染、低燃烧噪音和缩小装置尺寸等诸多优越性，这项技术在日本已应用成熟，其装备数量已达上千套，其中以蜂窝体做蓄热体的烧嘴约占全部蓄热式烧嘴总数的2/3。这与传统燃烧相比具有极大的优越性，其比较结果见表1。由于这项技术将燃烧技术，烟气余热回收技术和控制技术合理地组成一完整的燃烧系统，具有创先性、实用性，而成为一项关键的节能技术，并受到日益的重视。因此，我们确定以神雾公司成熟的蓄热式高温空气燃烧技术为基础，实施该厂加热炉的技术改造。表1传统燃烧与HTAC的比较[2]项目传统燃烧HTAC对HTAC的评价温度分布火焰有温度峰值上湾俱度均布，无峰值无温差火焰火焰界面有火焰界面无火焰界面火焰传播快火焰颜色碳氢燃料火焰蓝色蓝绿色、绿色辐射强度增加噪声/dB90～11070～80低噪音NOX生成量/10-6100～20050～150低NOX排放炉膛温差/K150～20030～50炉温均匀炉温水平局部高温，平均温度较低平均温度提高提高传热和热效率3.1燃料条件为高温空气燃烧技术的应用创造燃料条件，拆除原燃油系统，杜绝因燃油雾化不好造成的冒黑烟现象，减少污染，改造后2号加热炉采用混合煤气为燃料。3.2蓄热体采用蜂窝体作为蓄热体，利用其体积小，比表面积大，压力损失小的优点，和烧嘴组成一体，水平置于侧炉墙上下烧嘴砖内，以防止和减少烟尘的阻塞，上炉墙厚度为530mm，下炉墙厚度为640mm。3.3煤气不预热，单预热助燃空气国外蓄热式加热炉所使用的燃料为高热值气体燃料，空燃比约1：（4～11），助燃空气占总供给体积的80％～90％，仅预热助燃空气就可通过蓄热体将绝大部分烟气余热回收，另外，因其燃料管直径小，使两个烧嘴共用一个体积小而紧凑的空气换向阀成为可能。而邯钢中板厂的混合煤气热值一般在6700～10500kJ/m3，空燃比约为1：（1.8～2.5），助燃空气占总供给体积的64％～71％。如果单预热，经理论计算，达到炉子最大生产能力时，约有1/3体积的炉膛烟气不能通过蜂窝体外排，只能通过原烟道外排，这部分烟气余热不能通过蓄热体回收，经理论计算，即使单独预热助燃空气，也可实现20％以上燃料节约率。如果采用双预热方案，一是空煤气换向间体积较大，费用高；二是烧嘴结构管道布置复杂；三是换向阀前的部分煤气管道因烟气和煤气交替流通而造成约3％的燃料损失，损失额为24.75万元/a，同时这部分煤气进入外排烟系统，形成安全隐患及空气污染。3.4保留与拆除保留原烟道及烟道闸板阀，拆除旧金属管状空气换热器。因在炉子加热负荷达到满负荷时，约有l/3的烟气要从原烟道外排出。为了回收这部分余热，确定在原旧换热器位置利用原烟气温度检测点来检测该烟气温度为下一步安装金属管状煤气换热器提供实际数据，烟道闸板阀作为调节炉膛压力的手段之一。3.5采用三个空气集中换向阀建立三个加热区段，即加热一段，加热二段，均热段。可实现单独加热区段的控制，并可实现时间交叉、位置交叉的燃烧控制方式，减少炉膛压力和燃料压力的波动值。3.6配备可靠的烧嘴前煤气切断阀尽可能靠近烧嘴。由于烧嘴处于频繁的燃烧——排气过程，换向周期＜60s，该煤气切断阀必须可靠、寿命长，且控制系统要可靠，否则极易形成爆炸。3.7配备常明火系统，解决冷启动问题保证在点火开始就可使燃烧系统进入换向燃烧，减少提温时间，满足生产要求，提高安全保障。3.8建立排烟系统利用引风机将经过蓄热体后的＜130℃的烟气经换向阀、钢烟囱排到厂房外。理论上讲，煤气烟气含有硫元素，在160℃左右时冷凝，会对管道壁造成腐蚀。但考虑到从烧嘴到换向阀之间的管道中，烟气和室温的空气是交替通过的，即使将蓄热体后的烟气设计到200℃，烟气在这一段区域内因刚刚流过的空气的冷却，管道壁温度较低。200℃的烟气仍然会在管壁上冷凝，这一段区域的管道势必存在烟气冷凝问题，只是在换向阀，引风机至钢烟囱外排口之间存在有将蓄热体后排烟温度提高到200℃以上才不会产生冷凝，但这又不符合节能原则，综合考虑，确定较低排烟温度是合适的。关于腐蚀问题，有待于检查管道的腐蚀速度决定更换周期和今后对管道内涂刷耐腐蚀材料来解决。3.9炉子运行参数检测助燃空气预热温度，蓄热体后排烟温度，炉膛温度及压力，原烟道温度，空煤气流量及压力等为人工控制和自动控制提供参数。3.10加热炉控制系统定时定温换向控制，炉膛压力空燃比控制，炉膛温度控制，空煤气压力低报警及煤气紧急切断控制，排烟温度控制，并且有参数贮存及打印功能。3.11加热炉技术参数加热炉技术参数见表2.表22号炉加热炉技术参数项目技术参数型式连续推钢蓄热式加热炉有效炉底面积(m2)160.11最大加热能力(t/h)80燃气种类混合煤气（高炉、焦炉、发生炉）燃料热值（1600～2500）×4.18入炉坯料尺寸mm(150～220)×(700～1600)×(1600～2500)炉瞠温度(℃)＜1380排烟温度（℃）≤130加热质量（℃）≤40（表面与中心温度差）单耗（kJ/t）连续4h，＜30×4.18×104炉底管冷却形式汽化冷却助燃空气预热温度（℃）950～1050蓄热体型式蜂窝体4应用效果及存在问题4.1应用效果邯钢中板厂2号加热炉改造项目从拆炉、建炉、点炉、调试至出钢正式生产，共用58天时间（因配合大修延长13天），自2001年1月13日投产以来，加热炉各方面运转正常，加热能力已达到82t（坯）/h，燃耗（连续生产）已达1.25×106kJ/t（钢材），排烟温度控制在130℃以下，预热温度最高为1080℃。在3月7～9日停炉检查时炉膛内部及烧嘴内部状况良好，目前已加热钢坯近300万t，燃烧噪音比改造前明显减少，加热质量明显改善，满足了设计要求。4.2存在的问题因为是集中换向阀，其阀处于炉子一侧，距另一侧烧嘴较远，换向时为保证助燃空气比煤气提前到达烧嘴，这必然存在约7s左右“空烧”时间