空氣預(yù)熱溫度、過剩系數(shù)與燒嘴火焰特性和加熱爐節(jié)能 關(guān)系的研究與應(yīng)用

李 棟

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 前言

安鋼1 780 mm 機(jī)組生產(chǎn)線設(shè)有3座步進(jìn)梁式加熱爐，每座加熱爐燃燒控制系統(tǒng)配備有5種型號的燒嘴，數(shù)量為108 個(gè)/爐。其中，上均熱段30臺、下均熱段10臺、二上加熱段36臺、二下加熱段12臺、一上加熱段10臺、一下加熱段10臺。燒嘴的主要布置形式為平焰燒嘴和調(diào)焰燒嘴兩種。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中，因燃料熱值和爐溫工況的波動(dòng)變化，各段燒嘴火焰特性出現(xiàn)了一些關(guān)鍵性的問題，主要體現(xiàn)在：（1）燒嘴火焰溫度過低；（2）燒嘴燃燒時(shí)火焰長度和剛度變化大；（3）燒嘴內(nèi)燃料不能完全燃燒，鋼坯帶走的有效熱量過少，加熱爐燃料消耗偏高。筆者根據(jù)以上問題，結(jié)合該機(jī)組加熱爐燒嘴的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，從生產(chǎn)運(yùn)行操作過程及燒嘴設(shè)備本體開展了工藝技術(shù)研究，最終取得了較好的應(yīng)用用效果。

1 1780機(jī)組加熱爐及燒嘴主要技術(shù)參數(shù)

安鋼1780機(jī)組加熱爐的爐體內(nèi)砌尺寸為43 500 mm×11 700 mm，燒嘴燃燒所用的燃料是高、焦?fàn)t混合煤氣，燒嘴類型是“平焰+調(diào)焰”，燃燒控制段一共有6段，燒嘴的煙氣余熱回收方式為空、煤氣換熱器雙預(yù)熱。具體燒嘴的布置情況和燒嘴熱能力見表1。

在實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行中，由于混合煤氣燃料熱值一直在波動(dòng)，使燒嘴的性能不能夠完全得以發(fā)揮，燒嘴出口流速發(fā)生變化[1]，燒嘴火焰中心溫度以及其火焰長度都沒有達(dá)到生產(chǎn)要求，因燒嘴內(nèi)燃燒不充分，使鋼坯度方向的溫度受熱不均勻，鋼坯帶走的熱量偏少，而且影響工藝操作的穩(wěn)定性，給穩(wěn)定生產(chǎn)帶來了很大的影響。

2 研究方向的確定

為有效解決上述問題，決定開展空氣預(yù)熱溫度、空氣過剩系數(shù)對燒嘴火焰特性關(guān)系的研究，并依據(jù)研究結(jié)果制定出有效措施。同時(shí)，將提高操作人員新技術(shù)、新知識的學(xué)習(xí)能力和實(shí)際操作水平作為優(yōu)化、完善加熱工藝制度的一項(xiàng)必要措施。

表1 各段燒嘴布置情況和燒嘴供熱能力

一般來講，空氣預(yù)熱溫度越高，煙氣余熱回收的物理熱量也就越大，燒嘴燃燒時(shí)火焰溫度會(huì)相應(yīng)的升高，加熱爐煤氣消耗也會(huì)越低。另外，在理想條件下，混合煤氣完全燃燒時(shí)所必需的最少空氣量稱為理論空氣消耗量；在實(shí)際生產(chǎn)過程中，煤氣完全燃燒或不完全燃燒所需的空氣量稱為實(shí)際空氣消耗量。實(shí)際空氣消耗量與理論空氣消耗量之比稱為空氣過剩系數(shù)，空氣過剩系數(shù)值的大小會(huì)影響到燒嘴火焰的長短和火焰燃燒范圍。因而可以看出，燒嘴空氣預(yù)熱溫度和燃燒過程中的空氣過剩系數(shù)對加熱爐燒嘴燃燒有著很大的影響，對這兩方面的研究是開展加熱爐燃料節(jié)能方面的一個(gè)有效的方向。

2.1 空氣預(yù)熱溫度與燒嘴燃燒火焰溫度的理論關(guān)系

先確定燃料熱值Qd為2 300 Kcal/m3，空氣過剩系數(shù)值L0為1.15情況下，煙氣量Va即為3.73 m3/N3,煙氣平均比熱C產(chǎn)一般為1.578 K/m3℃，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式分別理論計(jì)算出空氣預(yù)熱溫度tk在400 ℃、450 ℃、500 ℃、550 ℃時(shí)燃料的實(shí)際計(jì)算燃燒溫度。

經(jīng)驗(yàn)公式：

以空氣預(yù)熱溫度400 ℃為例，tr為330℃，Cr取1.55 kJ/m3℃；tk為400 ℃，Ck取1.328 9 kJ/m3℃；取α=1.15，將相關(guān)數(shù)值代入式（1）～式（4）計(jì)算得出T實(shí)=1 983 ℃。

通過上述理論計(jì)算，可以得出燃料熱值在2 300 Kcal/m3,空氣預(yù)熱溫度在400 ℃時(shí)，設(shè)定空氣系數(shù)α為1.15，則燃料實(shí)際計(jì)算燃燒溫度為1 983 ℃（該溫度是假定加熱爐完全絕熱的條件下理論計(jì)算得出）。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，加熱爐存在約35%的熱損失，即燃料燃燒熱效率僅為65%，則在上述條件下，實(shí)際燃料理論燃燒產(chǎn)生的爐溫則為T實(shí)=1 288.95 ℃。

同理，可以計(jì)算出空氣預(yù)熱溫度分別為450 ℃、500 ℃、550 ℃時(shí)的實(shí)際計(jì)算燃燒溫度，分別1 309.7 ℃、1 331.2 ℃和1 352.5 ℃。

根據(jù)上述理論計(jì)算可知，加熱爐燒嘴內(nèi)的空氣預(yù)熱溫度每提升50 ℃，燃料理論燃燒溫度增加約20.1～21.5 ℃。因此，盡量提高空氣預(yù)熱溫度，可以增加加熱爐燃料帶入爐內(nèi)的物理熱量，同時(shí)可以有效提高燒嘴燃燒溫度和爐膛溫度。

2.2 空氣過剩系數(shù)與調(diào)焰燒嘴火焰長度的關(guān)系

調(diào)焰燒嘴中心風(fēng)、煤氣和一次風(fēng)混合后，形成一級燃燒狀態(tài)；一級燃燒的混合物與二次風(fēng)混合，進(jìn)入二級燃燒狀態(tài)。增加二次風(fēng)的流量，會(huì)提高燒嘴火焰的噴出速度，增加燒嘴火焰長度[2-3]。

依據(jù)該理論，研究人員按照各加熱段設(shè)定的空氣過剩系數(shù)值（見表2），重點(diǎn)針對調(diào)焰燒嘴一次供風(fēng)閥的供風(fēng)量、二次供風(fēng)閥的供風(fēng)量、閥位比例以及燒嘴在爐體各加熱段的布置位置、距離與所占供熱段總供風(fēng)量的比例關(guān)系進(jìn)行了現(xiàn)場優(yōu)化調(diào)整。首先優(yōu)化統(tǒng)一設(shè)定一加熱段、二加熱段、均熱段不同的空氣過剩系數(shù),然后單獨(dú)對每個(gè)加熱段不同功率的燒嘴上一次風(fēng)閥、二次風(fēng)閥和中心風(fēng)閥進(jìn)行分別調(diào)整。

表2 加熱爐各燃燒段空氣過剩系數(shù)控制

通過對不同加熱段、不同功率的燒嘴進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，當(dāng)一加熱段燒嘴的過熱系數(shù)為1.15、二加熱段溫度燒嘴的過熱系數(shù)為1.05、均熱段過熱系數(shù)為1.0時(shí)，可以明顯增加燒嘴的火焰長度和強(qiáng)度，大大提升了燒嘴火焰的性能。

2.3 調(diào)焰燒嘴內(nèi)腔中心風(fēng)管本體結(jié)構(gòu)問題的優(yōu)化改進(jìn)

HDN調(diào)焰燒嘴，由于取壓頭漏風(fēng)、中心風(fēng)噴頭與過渡管斷裂和噴頭方向等問題，導(dǎo)致調(diào)焰燒嘴燃燒時(shí)火焰長度和剛度不夠，爐內(nèi)中心區(qū)域溫度場對鋼坯輻射強(qiáng)度和對流強(qiáng)度減弱，延長了鋼坯在爐內(nèi)的加熱時(shí)間，降低了煤氣燃燒熱效率，增加了加熱爐煤氣消耗用量。各加熱段低 NOx 調(diào)焰燒嘴參數(shù)調(diào)整見表3。

表3 各加熱段低NOx調(diào)焰燒嘴參數(shù)調(diào)整

利用加熱爐停爐檢修期間，對燒嘴內(nèi)的原中心風(fēng)管本體中的過渡管材質(zhì)和中心風(fēng)噴頭尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化前后的燒嘴內(nèi)中心風(fēng)噴頭如圖1所示。

圖1 燒嘴內(nèi)中心風(fēng)噴頭

3 應(yīng)用效果

通過對加熱爐生產(chǎn)期間空氣預(yù)熱溫度、空氣過剩系數(shù)與燒嘴燃燒火焰特性關(guān)系的工藝技術(shù)研究和措施應(yīng)用，達(dá)到了不錯(cuò)的效果。

（1）依據(jù)空氣預(yù)熱溫度每提高50 ℃，燒嘴火焰溫度提高約20 ℃的理論。1 780 mm機(jī)組加熱爐在正常生產(chǎn)期間，將空氣預(yù)熱溫度由原來的500 ℃提高到了550 ℃，將煤氣預(yù)熱溫度由原來的280 ℃提高到了320 ℃，以此強(qiáng)化增加燒嘴燃燒期間的火焰溫度。

（2）通過對各加熱段燒嘴一次風(fēng)閥、二次風(fēng)閥的空氣用量及閥位優(yōu)化調(diào)整、固定以及對調(diào)焰燒嘴內(nèi)中心風(fēng)管結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的優(yōu)化改進(jìn)，調(diào)焰燒嘴火焰長度由原來的3～4 m增加到5～6 m，火焰燃燒速度、長度和剛度得到了有效增加，實(shí)際效果如圖2所示。

圖2 調(diào)焰燒嘴優(yōu)化后的燃燒效果

（3）鋼坯在爐內(nèi)表面加熱質(zhì)量得到了進(jìn)一步提升。通過對加熱爐進(jìn)行熱平衡測試，發(fā)現(xiàn)鋼坯帶走的熱量從原來的40.4%提高到了45%，燒嘴內(nèi)燃料燃燒完全，加熱爐煤氣消耗降低1.21 kgce/t，節(jié)能降耗效果明顯。

4 結(jié)語

通過開展空氣預(yù)熱溫度和空氣過剩系數(shù)對燒嘴火焰特性關(guān)系的研究，在混合煤氣波動(dòng)較大的情況下采用調(diào)整空氣過剩系數(shù)、燒嘴中心風(fēng)管及提高空氣預(yù)熱溫度等措施，可以有效提高加熱爐內(nèi)鋼坯加熱質(zhì)量。同時(shí)確保燒嘴內(nèi)燃料的完全燃燒，從而提升燃料燃燒的熱效率，降低加熱爐燃料消耗，達(dá)到鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排的目的。