蓄熱式燃燒在軋鋼加熱爐上的應(yīng)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(shù)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?zé)煔獾娘@熱，排煙溫度可降到200℃以下，可將助燃介質(zhì)或氣體燃料預(yù)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(guò)換向燃燒使?fàn)t內(nèi)溫度分布更趨均勻的一種節(jié)能技術(shù)。

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(biāo)米），燃點(diǎn)大于700℃，由于其很難被利用，高爐煤氣一直被當(dāng)作廢氣，直接排放到大氣中或燃燒放散掉（對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了很大的影響和污染），在20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)冶金行業(yè)的蓬勃發(fā)展，鋼鐵產(chǎn)能不斷擴(kuò)大，而伴隨著能源價(jià)格的不斷上漲，隨著蓄熱式燃燒技術(shù)的引入，國(guó)內(nèi)很多鋼鐵企業(yè)對(duì)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(yīng)用成為當(dāng)時(shí)的一股潮流，由于蓄熱式燃燒技術(shù)突出的節(jié)能效果，后來(lái)慢慢從對(duì)低熱值高爐煤氣的利用，逐漸發(fā)展為對(duì)高熱值的混合煤氣的利用，直到21世紀(jì)，蓄熱式燃燒技術(shù)在冶金行業(yè)的應(yīng)用才開始慢慢降溫，目前蓄熱式燃燒軋鋼加熱爐上的應(yīng)用，主要以低熱值的高爐煤氣為主。

蓄熱式燃燒技術(shù)主要核心技術(shù)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?yàn)樾顭狍w對(duì)煙氣余熱進(jìn)行高效回收，將助燃空氣或煤氣預(yù)熱到1100℃左右，同時(shí)具有對(duì)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(yù)熱介質(zhì)類別，蓄熱式燒嘴分為空氣單預(yù)熱、空氣煤氣雙預(yù)熱兩種，由于陶瓷蜂窩體蓄熱效果以及其它的諸多優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)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(gè)燒嘴，兩個(gè)蓄熱器，一個(gè)熱能回收系統(tǒng)以及相應(yīng)的控制裝置。燒嘴和蓄熱器可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(dāng)一個(gè)燒嘴利用蓄熱器里的熱空氣進(jìn)行燃燒時(shí)，另一個(gè)燒嘴起到一個(gè)排煙口的功能，利用抽煙風(fēng)機(jī)抽出爐子里的熱空氣通過(guò)燒嘴到蓄熱器里進(jìn)行蓄熱。當(dāng)熱量蓄足后，蝶閥動(dòng)作，轉(zhuǎn)換兩個(gè)燒嘴的功能。每當(dāng)一個(gè)燒嘴在燃燒時(shí)，則另一個(gè)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(fēng)機(jī)均能長(zhǎng)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(guò)燒嘴噴口將空氣或煤氣噴入爐內(nèi)混合燃燒。噴口結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(diǎn)：

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(guò)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(gè)缺點(diǎn)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(guò)程中，容易躥火，有安全隱患，并會(huì)燒壞爐墻和燒嘴。

空氣和煤氣噴口左右布置，相對(duì)而言，優(yōu)點(diǎn)比較多，由于不需要比較高的爐膛，從而達(dá)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(jié)構(gòu)，不會(huì)發(fā)生內(nèi)漏躥火，安全性比較高，但是要求爐子比較長(zhǎng)，對(duì)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(shù)：

整個(gè)系統(tǒng)采用手操器配以西門子的PLC-300系統(tǒng)來(lái)完成加熱爐的過(guò)程控制及過(guò)程檢測(cè)。盡量減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化。

硬件構(gòu)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(yīng)的模擬量輸入輸出模板以及開關(guān)量輸入輸出模板。整個(gè)系統(tǒng)分了五個(gè)ET200站。前三個(gè)站采集爐儀表的流量、溫度、壓力；第四個(gè)站負(fù)責(zé)換向系統(tǒng)；第五站控制風(fēng)機(jī)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(tái)，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(shè)計(jì)。 利用赤明軟件的梯形圖編輯器進(jìn)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(duì)各輸入數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)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(gè)系統(tǒng)的邏輯控制包括換向系統(tǒng)控制、鼓風(fēng)機(jī)，引風(fēng)機(jī)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(shí)換向：當(dāng)換向系統(tǒng)處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，換向閥以一定的時(shí)間間隔完成換向動(dòng)作。

（2）定溫?fù)Q向：當(dāng)排煙溫度過(guò)高時(shí)，系統(tǒng)將強(qiáng)制換向閥換向，直至排煙溫度下降到設(shè)定的溫度范圍

（3）手動(dòng)換向：當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可在畫面上對(duì)系統(tǒng)中的每個(gè)換向閥進(jìn)行手動(dòng)換向，便于調(diào)試和故障處理。

（4）動(dòng)作異常報(bào)警：當(dāng)換向閥閥位異常或長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)作不到位時(shí)，畫面上會(huì)出現(xiàn)報(bào)警指示燈閃爍并指示故障點(diǎn)所在位置，蜂鳴器報(bào)警。鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)的啟停條件比較簡(jiǎn)單，通過(guò)機(jī)旁箱和畫面上的按鈕操作就可以了。不管是機(jī)旁操作還是畫面操作都經(jīng)過(guò)PLC輸出點(diǎn)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(shí)，操作畫面會(huì)閃爍，提醒操作人員處理；分別低于3.5KPa、3KPa、0.3MPa時(shí)切煤氣分管；煤氣壓力、空氣壓力分別低于2KPa、2.5KPa時(shí)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(dòng)調(diào)節(jié)，主要應(yīng)用了PID運(yùn)算調(diào)節(jié)。控制方法采用雙交叉限幅控制，即以路頂端一支熱電偶作為溫度到實(shí)際測(cè)量值，與設(shè)定的溫度值比較，控制空氣與煤氣的流量。同時(shí)在程序中增加手/自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)切換功能，使操作更簡(jiǎn)單方便穩(wěn)，也就是說(shuō)在手/自動(dòng)切換時(shí)，自動(dòng)的調(diào)節(jié)閥的閥位置直接設(shè)定調(diào)節(jié)的輸出值而無(wú)需進(jìn)行計(jì)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(diǎn)：

（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(shù)，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(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)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(wú)焰燃燒，實(shí)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(dòng)化程度高。自動(dòng)換向操作，換向時(shí)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(shí)，鋼坯加熱爐內(nèi)長(zhǎng)度方向上溫差小，適合加熱短坯料。

同時(shí)雙蓄熱燃燒在軋鋼加熱爐上的應(yīng)用也有很多問(wèn)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(jié)構(gòu)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(shí)），導(dǎo)致空燃比失調(diào)，對(duì)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(duì)蓄熱體進(jìn)行更換。

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

（3）對(duì)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(shí)（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(shí)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(shù)是一種很好的節(jié)能降耗技術(shù)，但是也有一定的局限性，個(gè)人認(rèn)為在鋼鐵企業(yè)只有高爐煤氣時(shí)，采用雙蓄熱式燃燒技術(shù)，而在鋼鐵企業(yè)有多種煤氣燃料時(shí)，可以采用混合煤氣來(lái)提高煤氣的熱值，不建議采用蓄熱式燃燒，而應(yīng)選用常規(guī)燃燒，采用常規(guī)燃燒時(shí)，在煙氣側(cè)加入高溫?zé)煔忸A(yù)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?zé)煔鉄崃浚罱K將煙氣溫度降到200℃以下，同樣達(dá)到很好的節(jié)能效果，而且后期的維護(hù)量和備件消耗量也會(huì)顯著降低。