秦愛虎， 王小峰

(江蘇派爾鋼鐵節(jié)能技術(shù)有限公司, 南京 210009)

蓄熱式中間包烘烤工藝節(jié)能技術(shù)開發(fā)*

秦愛虎， 王小峰

(江蘇派爾鋼鐵節(jié)能技術(shù)有限公司, 南京 210009)

介紹了江蘇派爾鋼鐵節(jié)能技術(shù)有限公司蓄熱式中間包烘烤工藝節(jié)能技術(shù)的特點(diǎn)及開發(fā)過程，項(xiàng)目應(yīng)用效果證明，改進(jìn)后的蓄熱式烘烤技術(shù)更加節(jié)能、高效。

蓄熱式中間包; 烘烤設(shè)備；工藝節(jié)能技術(shù)

引 言

隨著鋼鐵行業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和能源消耗的重視，對(duì)中間包烘烤溫度和能耗提出了更高的要求。

目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)鋼鐵企業(yè)的中間包烘烤裝置仍采用常規(guī)烘烤技術(shù)，存在諸如火焰直接沖刷包壁、包內(nèi)溫差大、烘烤時(shí)間長(zhǎng)、包內(nèi)存在局部高溫點(diǎn)和烘烤盲點(diǎn)、能源消耗量大、余熱利用效果欠佳等不足。

因此，開發(fā)新型烘烤設(shè)備，完善工藝曲線，利用燒嘴和PLC控制火焰，推進(jìn)了中間包烘烤工藝節(jié)能技術(shù)的研究。在當(dāng)前能源日趨緊張的情況下進(jìn)一步開發(fā)、應(yīng)用蓄熱式燃燒技術(shù)，對(duì)節(jié)約能源，環(huán)境保護(hù)，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)有重要的意義。

1 理論研究與工藝改進(jìn)方向

1.1 蓄熱工作原理

高溫空氣燃燒技術(shù)(HTAC)應(yīng)用了蓄熱技術(shù)，充分利用高溫?zé)煔庵械奈锢頍幔ㄟ^陶瓷蓄熱體，將助燃空氣預(yù)熱至高溫，使燃料能夠在低氧氣濃度下達(dá)到穩(wěn)定、充分的燃燒。

其工作原理為：如圖1所示，使用高溫?fù)Q向閥，周期性地變換氣體流向。燃燒后的煙氣通過一個(gè)噴嘴—蓄熱體組合，接通引風(fēng)機(jī)向外排出，高溫廢氣通過陶瓷蓄熱體時(shí)，熱量被蓄熱體所吸收，煙氣溫度降到200 ℃以下，此時(shí)蓄熱體富集了大量的熱量；換向后鼓風(fēng)機(jī)送出的助燃空氣通過該蓄熱體預(yù)熱后，噴入包內(nèi)，開始充分的燃燒過程。

圖1 蓄熱式烘烤工作原理

1.2 蓄熱式中間包烘烤器數(shù)學(xué)模型

烘烤過程模型主要包括流動(dòng)、燃燒、傳熱模型，其基本表達(dá)式為：

(1) 流動(dòng)模型

連續(xù)方程

動(dòng)量方程

能量方程

(2) 燃燒模型

k-ε-g模型在x-φ坐標(biāo)系中控制方程的一般形式為

式中φ為流函數(shù)。選用PDF形式進(jìn)行計(jì)算，平均混合分?jǐn)?shù)f及其均方根脈動(dòng)值gf的輸運(yùn)方程表示為：

式中 常數(shù)σt=0.7，Cg=2.86，Cd=2。

(3)傳熱模型

輻射模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中a為吸收系數(shù)，σs為散射系數(shù)，r為位移矢量，s為方向矢量，s′為散射方向矢量，si為s分量，σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)，σ=5.672×10-8W/(m2·K4)，n為折射系數(shù)，I為總輻射強(qiáng)度，T為熱力學(xué)溫度，Ω′為立體角，φ為相函數(shù)。

中間包內(nèi)襯的導(dǎo)熱方程可描述為

式中ρs,Cp,s,λs分別為材料的密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)，Ts為固體溫度。

1.3 蓄熱式工藝改進(jìn)方向

(1)高溫空氣助燃，熱效率更高；

(2)燃燒熱影響區(qū)域大，使罐內(nèi)溫度更均勻；

(3)合理的空氣過剩系數(shù)，更安全、節(jié)能、環(huán)保。

2 新工藝開發(fā)

2.1 數(shù)據(jù)采集與分析

以江蘇省某鋼鐵廠兩個(gè)分廠的中間包烘烤器為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察。一個(gè)分廠4臺(tái)在線，2臺(tái)離線；另一個(gè)分廠6臺(tái)在線，3臺(tái)離線。對(duì)在線中間包、離線中間包等采取不同烘烤形式的檢測(cè)；開展燃料消耗的檢測(cè)及數(shù)據(jù)采集；對(duì)現(xiàn)有檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、回歸與擬合，分析并找出目前問題存在的原因。

主要檢測(cè)工具：一體式探針流量計(jì)3臺(tái)、低溫紅外測(cè)溫儀1臺(tái)、高溫紅外測(cè)溫儀1臺(tái)。

2.2 方案制定和產(chǎn)品試制

開發(fā)過程包括：擬定初步研究計(jì)劃，確定新的工藝路線與可行性研究方案；根據(jù)現(xiàn)有測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，找出可參照的工藝路線；進(jìn)行理論分析與計(jì)算；開發(fā)出新型高效節(jié)能型中間包烘烤器；通過試驗(yàn)驗(yàn)證，制定出該新型高效節(jié)能型中間包烘烤器的相關(guān)技術(shù)文件。

經(jīng)過開發(fā)過程后，分別對(duì)前述兩個(gè)分廠進(jìn)行工藝優(yōu)化改造，新型烘烤設(shè)備及新工藝如下：

中間包的烘烤按工藝要求分為在線烘烤、離線烘烤或新砌筑中間包的干燥烘烤三種形式(一般把冷包和新包歸為一類，統(tǒng)稱為離線包)。

蓄熱式中間包烘烤器由首家在國(guó)內(nèi)開發(fā)產(chǎn)品的派爾公司設(shè)計(jì)，具備國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。根據(jù)中間包的形狀和使用方式不同，烘烤器分別設(shè)計(jì)成縱置式和橫置式。

圖2, 3分別是縱置式和橫置式中間包烘烤器的示意圖。圖4, 5分別是在線、離線蓄熱式中間包烘烤器的升溫曲線。

2.3 結(jié)果分析

經(jīng)過整體的設(shè)備及工藝改造后，其試驗(yàn)結(jié)果如下：

(1)設(shè)備達(dá)到烘烤要求：溫度1 200 ℃，溫差≤50℃；

(2)烘烤溫度達(dá)到1 200 ℃時(shí)，烘烤器自動(dòng)執(zhí)行保溫曲線，此烘烤狀態(tài)消耗的煤氣主要用于平衡烘烤包的散熱損失，量少且為間歇燃燒。

(3)新包烘烤達(dá)到最高溫度時(shí)，內(nèi)襯耐火材料沒有開裂現(xiàn)象；

(4)中間包烘烤器的程序設(shè)計(jì)嚴(yán)格按升溫曲線進(jìn)行控制，每臺(tái)烘烤器可預(yù)先設(shè)置兩條不同的升溫曲線(見圖4, 5所示)，用戶可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選用。過程數(shù)據(jù)記錄及分析如圖6, 7所示。

2.4 工藝成果

本次開發(fā)過程同時(shí)取得以下成果：

(1)制定了節(jié)能型蓄熱式中間包烘烤器數(shù)學(xué)模型建立的標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 縱置式中間包烘烤器

圖3 橫置式中間包烘烤器

圖4 在線中間包(冷包)蓄熱式烘烤升溫曲線

圖5 離線中間包蓄熱式烘烤升溫曲線

(2)研發(fā)專用軟件，利用數(shù)學(xué)模型，模擬工況，分析中間包烘烤工藝中的關(guān)鍵點(diǎn)，配套先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行仿真；開發(fā)新型的燃燒技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低熱值煤氣的高效利用。

(3)利用蓄熱式燃燒技術(shù)，結(jié)合實(shí)際工況，研發(fā)出使用低熱值煤氣的新型蓄熱式中間包烘烤器(含板坯、方坯兩種結(jié)構(gòu)布局)，包括：新型一體化燒嘴，新型的兩位四通閥，新型的PXR系列燃燒器等，形成新型蓄熱式中間包烘烤器(常規(guī)板坯、方坯)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

(4)目前江蘇派爾鋼鐵節(jié)能公司已有兩項(xiàng)實(shí)用新型專利，包括“一種中間包蓄熱式烘烤裝置”和“一體化中間包蓄熱式燃燒器”專利技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多種控制于一體的安全保護(hù)措施；

圖6 改造前、后包口溫度對(duì)比

圖7 改造前、后包中溫度對(duì)比

(5)通過研發(fā)新的自動(dòng)化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)控、溫控，滿足工藝要求，實(shí)現(xiàn)單臺(tái)設(shè)備每年減少有毒、有害氣體的排放量為30 000 m3；外排煙氣的溫度降低到150 ℃以下，減少高溫?zé)煔馍傻牡⒀趸飳?duì)大氣環(huán)境的污染，煙氣排放量減少70%。

3 結(jié)束語

(1)實(shí)現(xiàn)蓄熱式在中間包烘烤器上合理布局，開發(fā)出結(jié)構(gòu)合理、新型高效的設(shè)備；研發(fā)了一種新型的燃燒技術(shù)，從根本上解決低熱值煤氣高效利用的問題，顯著增強(qiáng)節(jié)能效果；研發(fā)了自動(dòng)化控制技術(shù)，減少了環(huán)境污染。

(2)節(jié)能技術(shù)的開發(fā)，對(duì)企業(yè)的節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟(jì)效益、改善環(huán)境、治理大氣污染方面具有重大意義和推廣應(yīng)用價(jià)值。

2015-07-15

秦愛虎(1967—)，男，碩士。電話：13382015666；E-mail:aihu812@163.com

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