蓄熱式加熱爐煙氣吹掃系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)能源環(huán)境問(wèn)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(xiàng)節(jié)能減排技術(shù)相繼開(kāi)發(fā)。隨著鋼鐵行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，我國(guó)鋼鐵行業(yè)逐漸向綠色化、生態(tài)化發(fā)展。20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著工業(yè)生產(chǎn)的需求，高溫空氣燃燒技術(shù)應(yīng)運(yùn)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(kāi)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(xiàn)[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(duì)其研究也從未間斷[8-9]，而針對(duì)其換向時(shí)煤氣換向閥至燒嘴之間管道的殘留煤氣放散問(wèn)題越來(lái)越引起重視。

在國(guó)內(nèi)眾多科研院和軋鋼企業(yè)共同的推動(dòng)下，我國(guó)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(duì)蓄熱式加熱爐換向方式進(jìn)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(shí)爐膛壓力不穩(wěn)定，生產(chǎn)連續(xù)性較差的問(wèn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)。張先珍等[15]研究了換向時(shí)間對(duì)蓄熱式燃燒的影響，得出換向時(shí)間應(yīng)根據(jù)實(shí)際換向設(shè)備的換向能力及爐子熱效率來(lái)設(shè)定。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者借助各類數(shù)值模擬軟件對(duì)蓄熱式加熱爐爐內(nèi)燃燒狀態(tài)進(jìn)行了研究，模擬得到了爐內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的分布變化規(guī)律[16-18]。Morgado等[19]通過(guò)爐膛分區(qū)數(shù)值模擬，對(duì)溫度分布均勻性假設(shè)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。Casal等[20]在上述數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一種新的三維 CFD 仿真方法，將瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)態(tài)仿真的板坯源項(xiàng)，完善了能量傳輸方程，極大節(jié)省了軟件運(yùn)算過(guò)程。潘麗萍等[21]對(duì)推鋼式板坯加熱爐爐襯損耗進(jìn)行數(shù)值模擬，利用CFD軟件對(duì)其爐內(nèi)高溫氣體的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，得出速度、溫度場(chǎng)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(guò)改變?nèi)紵鹘Y(jié)構(gòu)和操作參數(shù)對(duì)燃燒空間進(jìn)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(shí)也有其弊端，如煤氣換向時(shí)造成部分煤氣浪費(fèi)，直接排入大氣，造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。為解決這一問(wèn)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(duì)原有加熱爐系統(tǒng)進(jìn)行改造，將之前浪費(fèi)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(hù)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(guò)蓄熱體進(jìn)行儲(chǔ)存，為燃?xì)饧爸伎諝馓峁崃恳赃_(dá)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(jì)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(guò)于復(fù)雜，限制了蓄熱燃燒技術(shù)的發(fā)展。20世紀(jì)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(shí)，左側(cè)輸入煤氣進(jìn)入蓄熱體蓄熱，加熱到一定溫度后噴入爐膛進(jìn)行燃燒，與此同時(shí)右側(cè)煙道打開(kāi)，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(shí)熱量加熱右側(cè)的蓄熱體，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間間隔后，經(jīng)過(guò)換向閥門(mén)換向，煤氣由右側(cè)進(jìn)入，在爐膛內(nèi)燃燒，左側(cè)進(jìn)行煙氣的排出，如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)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(diǎn)決定了每個(gè)排煙換向動(dòng)作到來(lái)時(shí)，煤氣燒嘴和換向閥中間管路的煤氣無(wú)法繼續(xù)送入爐膛燃燒，而是被引風(fēng)機(jī)反抽進(jìn)入排煙管道，直至排入大氣，造成了燃料浪費(fèi)，污染環(huán)境。

唐山某鋼廠改造的加熱爐參數(shù)見(jiàn)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(shí)序是加熱爐正常工作時(shí)換向周期60 s左右，以時(shí)間為控制參數(shù)，換向閥延遲時(shí)間為1～2 s。

2 煙氣吹掃系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)氣和排煙公共管道。燃燒時(shí)，換向閥煤氣通道打開(kāi)(排煙通道關(guān)閉)蓄熱式燒嘴開(kāi)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(kāi))，公共管道中的煤氣反向流動(dòng)，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(fèi)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(jì)

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(mén)的管道直徑也不同，計(jì)算時(shí)要分別計(jì)算，以防錯(cuò)誤。加熱爐單側(cè)殘留煤氣管道結(jié)構(gòu)及容積見(jiàn)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(jì)算得出整座加熱爐單次放散體積、小時(shí)放散體積。加熱爐全爐換向煤氣放散量見(jiàn)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(duì)該加熱爐設(shè)計(jì)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(jìn)入加熱爐進(jìn)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(jī)前抽取煙氣，經(jīng)過(guò)管路通過(guò)各種保護(hù)探頭之后進(jìn)入新設(shè)計(jì)的二通閥，而后進(jìn)入改造的三通閥進(jìn)行煙氣吹掃，在管路右側(cè)設(shè)置安全保護(hù)管路，設(shè)置氮?dú)獯祾呋芈罚ㄟ^(guò)風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)閥對(duì)煙氣吹掃系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加煙氣吹掃系統(tǒng)以達(dá)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(jì)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(jī)加壓，通過(guò)不同閥門(mén)配合使抽取的煤氣煙氣進(jìn)入蓄熱體將殘留煤氣吹入加熱爐內(nèi)進(jìn)行燃燒，在整個(gè)流程中設(shè)置有流量計(jì)、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?dú)獯祾呦到y(tǒng)，氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)在系統(tǒng)檢修停運(yùn)時(shí)先進(jìn)行吹掃，排除管道中的殘留煤氣以便安全檢修操作。整個(gè)系統(tǒng)在保持原加熱爐控制系統(tǒng)的獨(dú)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(yùn)后，系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性得到了提高，系統(tǒng)投運(yùn)前后各方面提升顯著。CO投運(yùn)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(yùn)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(dòng)劇烈，最低為5 Pa，最高可達(dá)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(yùn)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(yùn)后，曲線更加平穩(wěn)，波動(dòng)幅度降低。從爐溫和爐壓來(lái)看加裝反吹系統(tǒng)后，加熱爐運(yùn)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(shí)，原有系統(tǒng)會(huì)將部分煙氣吹入加熱爐爐膛，引起加熱爐的小波動(dòng)，現(xiàn)有系統(tǒng)則處理了這一問(wèn)題。在加熱爐工作期間內(nèi)部穩(wěn)定燃燒，爐溫爐壓波動(dòng)較小，爐溫爐壓曲線逐漸趨于平穩(wěn)。

煙氣反吹系統(tǒng)投運(yùn)前后CO濃度趨勢(shì)如圖6所示，投運(yùn)前加熱爐換向閥換向時(shí)間為60 s，120 s為一個(gè)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(gè)明顯的波峰。反吹系統(tǒng)投運(yùn)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(yùn)前，煙氣中CO濃度在換向時(shí)峰值最高可以達(dá)到95 702.81 mg/m3，系統(tǒng)投運(yùn)后，煙氣中CO濃度在換向時(shí)峰值最高可達(dá)4 918.98 mg/m3，在煙氣反吹系統(tǒng)投運(yùn)后CO減排率在90%以上。

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

3 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

煙氣反吹系統(tǒng)投運(yùn)后為企業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，以改造后的鋼廠加熱爐為例，混合煤氣單價(jià)按0.13 元、吹掃效率90%計(jì)，加熱爐按年工作時(shí)間330 d計(jì)，2019年度共節(jié)約高爐煤氣1 584.56萬(wàn)Nm3，共節(jié)約煤氣費(fèi)用206萬(wàn)元，折合標(biāo)準(zhǔn)煤1 765.71 t，向大氣排放純CO減少約396.14萬(wàn)Nm3。

2019年，全國(guó)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(biāo)準(zhǔn)煤10.2萬(wàn)t，節(jié)省燃料費(fèi)(按0.13元/Nm3)8 400 萬(wàn)元，年減排純CO約2.52億Nm3。若技術(shù)推廣全國(guó)，2019年，全國(guó)可年節(jié)約煤氣84億Nm3，折合標(biāo)準(zhǔn)煤102萬(wàn)t，節(jié)省燃料費(fèi)(按0.13元/Nm3)84 000 萬(wàn)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(shí)造成的煤氣放散問(wèn)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(duì)加熱爐的煤氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及換向燃燒機(jī)制進(jìn)行分析，并進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，取得了很好的效果，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境。

2)蓄熱式加熱爐煙氣反吹系統(tǒng)投運(yùn)后，系統(tǒng)無(wú)安全隱患問(wèn)題，運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能減排效果顯著。加熱爐的單位能耗由原來(lái)的0.882 GJ/t降低至0.823 GJ/t，投運(yùn)前CO峰值最高可達(dá)95 702.81 mg/m3，投運(yùn)后CO峰值最高僅4 918.98 mg/m3，煙氣中CO減排率達(dá)到94.9%，吹掃效果好，系統(tǒng)運(yùn)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(wàn)Nm3，共節(jié)約煤氣費(fèi)用206萬(wàn)元，折合標(biāo)準(zhǔn)煤1 765.71 t，少向大氣排放純CO約396.14萬(wàn)Nm3。