張修寧，徐朝輝，劉金花

1 概述

重慶鋼鐵熱卷線共有三座大型步進(jìn)梁式蓄熱式加熱爐，爐長43.5m、爐子內(nèi)寬11.7m，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為冷裝270t/h，熱裝300t/h。加熱爐采用空氣蜂窩體單蓄熱式燒嘴的空氣單蓄熱爐型，另配備煤氣預(yù)熱器，利用煙氣余熱將煤氣預(yù)熱到300 度左右。全爐共分6 個(gè)供熱段，每段采用蓄熱燒嘴側(cè)向供熱，同時(shí)設(shè)一不供熱的熱回收段，有效回收常規(guī)排煙余熱。

2 蓄熱式燃燒技術(shù)簡(jiǎn)介

蓄熱燃燒技術(shù)又稱高溫空氣燃燒技術(shù)，全名稱為：高溫低氧空氣燃燒技術(shù)（High Temperature and Low Oxygen Air Combustion-HTLOAC）， 也 作HTAC（High Temperature Air Combustion）技術(shù)，也有稱之為無焰燃燒技術(shù)（Flameless Combustion）。通常高溫空氣溫度大于1000℃，而氧含量低到什么程度，沒有人去劃定，有些人說應(yīng)在18%以下，也有說在13%以下的。

蓄熱燃燒技術(shù)原理如圖1 所示：當(dāng)常溫空氣由換向閥切換進(jìn)入蓄熱室1 后，在經(jīng)過蓄熱室（陶瓷球或蜂窩體等）時(shí)被加熱，在極短時(shí)間內(nèi)常溫空氣被加熱到接近爐膛溫度（一般比爐膛溫度低50℃～100℃），高溫?zé)峥諝膺M(jìn)入爐膛后，抽引周圍爐內(nèi)的氣體形成一股含氧量大大低于21%的稀薄貧氧高溫氣流，同時(shí)往稀薄高溫空氣附近注入燃料（燃油或燃?xì)猓@樣燃料在貧氧（2%～20%）狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)燃燒；與此同時(shí)爐膛內(nèi)燃燒后的煙氣經(jīng)過另一個(gè)蓄熱室（見圖中蓄熱室2）排入大氣，爐膛內(nèi)高溫?zé)釤煔馔ㄟ^蓄熱體時(shí)將顯熱傳遞給蓄熱體，然后以150℃～200℃的低溫?zé)煔饨?jīng)過換向閥排出。工作溫度不高的換向閥以一定的頻率進(jìn)行切換，使兩個(gè)蓄熱室處于蓄熱與放熱交替工作狀態(tài)，常用的切換周期為30s ～200s。重慶鋼鐵熱卷線加熱爐的換向周期為55s 左右。

圖1 蓄熱式燃燒技術(shù)工作示意圖

3 蓄熱式加熱爐存在的問題及解決方案

重慶鋼鐵熱卷線加熱爐設(shè)計(jì)使用燃料為高、焦、轉(zhuǎn)混合煤氣，混合比例為焦?fàn)t煤氣21%、高爐煤氣69%、轉(zhuǎn)爐煤氣10%，熱值7524KJ/Nm3。單座爐子煤氣最大用量55000Nm3/h，煤氣預(yù)熱溫度300℃～350℃，空氣蓄熱溫度～1050℃，排煙溫度～175℃。單座爐子設(shè)60 個(gè)低NOx 側(cè)向供熱蓄熱式燒嘴。

3.1 蓄熱體堵塞及解決方案

加熱爐蓄熱式燒嘴內(nèi)部采用蜂窩陶瓷蓄熱體蓄熱，具有低熱膨脹性、比熱容大、比表面積大、壓降小、熱阻小、導(dǎo)熱性能好、耐熱沖擊好等特性；蜂窩陶瓷蓄熱體廣泛用于冶金機(jī)械行業(yè)蓄熱式高溫燃燒技術(shù)（HTAC），它把回收煙氣余熱與高效燃燒及降低NOX 排放等技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來，從而實(shí)現(xiàn)極限節(jié)能降低NOX 排放量的目的。蜂窩陶瓷蓄熱體廣泛用于工業(yè)熱工設(shè)備節(jié)能技術(shù)方面，使工業(yè)熱工設(shè)備提高效率，降低能耗，提高產(chǎn)量和改善質(zhì)量，是解決能源與環(huán)境問題的重要而有效的手段。蜂窩陶瓷蓄熱體截面孔主要有正方形和正六邊形兩種孔結(jié)構(gòu)，且孔道是相互平行的直通道結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)大大降低了氣孔流經(jīng)的阻力，大幅度提高了蓄熱體的單孔體積換熱效率。重慶鋼鐵熱卷線加熱爐使用的蓄熱體蜂窩孔般為3*3mm 的四方孔，在使用過程中煙氣中的含硫顆粒附著在孔壁上上，導(dǎo)致蜂窩體堵塞，由于蜂窩體不同于蓄熱小球，不能重復(fù)利用，出現(xiàn)堵塞后會(huì)降低蓄熱效果，需要通過定期更換，該加熱爐蓄熱體的更換周期一般為10 個(gè)月～16 個(gè)月。

解決法案：將原3*3mm 的四方孔蓄熱蜂窩體改造成4*4mm 的正六邊形孔蓄熱蜂窩體，增大蓄熱體蜂窩孔截面積，有效解決了蜂窩體堵塞問題。未進(jìn)一步提高蓄熱體再使用過程中的穩(wěn)定性，防止蓄熱體在使用過程中局部坍塌導(dǎo)致蓄熱體堵塞，將原來全部由采由100*100*100mm 的蓄熱體安裝改成150*100*100mm 和100*100*100mm 兩種規(guī)格交錯(cuò)布置，提高蓄熱蜂窩體的整體穩(wěn)定性，降低蜂窩體坍塌風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化后蓄熱體堵塞現(xiàn)象改善明顯。

3.2 煙氣管道腐蝕、變形及解決方案

近年來，隨著熱送熱裝比例的不斷提高，加熱爐的供熱富裕能力逐漸顯現(xiàn)出來。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，通常降低預(yù)熱段的負(fù)荷運(yùn)行，這樣就會(huì)出現(xiàn)預(yù)熱段排煙溫度較低或不排煙的情況，當(dāng)排煙溫度低于煙氣露點(diǎn)溫度時(shí)，煙氣中含硫的水汽不斷腐蝕煙氣管道，導(dǎo)致煙氣管道管壁減薄甚至破裂，在排煙過程中，由于排煙管道負(fù)壓運(yùn)行，壁厚減薄的高溫管道受負(fù)壓吸附產(chǎn)生變形。在實(shí)際使用過程中，要嚴(yán)格控制排煙溫度高于露點(diǎn)溫度，檢修時(shí)對(duì)管道進(jìn)行壁厚檢測(cè)，防止使用過程中發(fā)生管道變形。

解決法案：合理優(yōu)化排煙溫度，確保排煙溫度高于煙氣露點(diǎn)溫度。穩(wěn)定排煙風(fēng)機(jī)運(yùn)行壓力，降低因排煙風(fēng)機(jī)抽力波動(dòng)引起管道變形的風(fēng)險(xiǎn)，利用檢修更換管壁減薄的管道。

3.3 煤氣管道碳化破裂及解決方案

重慶鋼鐵熱卷線加熱爐煤氣預(yù)熱溫度為300℃左右，通過煤氣預(yù)熱，能有效降低煤氣消耗，達(dá)到節(jié)能的目的。煤氣預(yù)熱溫度越高，節(jié)能效果越好，但安全風(fēng)險(xiǎn)也隨著煤氣預(yù)熱溫度的提高而加大，溫度過高會(huì)導(dǎo)致管道碳化破裂，經(jīng)過長期使用和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，建議煤氣預(yù)熱溫度控制在300℃以下為宜，溫度過高還會(huì)加快控制閥門密封面損壞，可能引起閥門關(guān)閉不嚴(yán)導(dǎo)致回火。通過控制手段不能將煤氣預(yù)熱溫度控制在要求范圍內(nèi)時(shí)，可考慮對(duì)煤氣預(yù)熱器進(jìn)行改型或重新核算換熱面積。該加熱爐曾出現(xiàn)煤氣管道焊縫破裂導(dǎo)致煤氣泄漏，事后對(duì)破裂的煤氣管道取樣進(jìn)行化學(xué)成分、組織等檢驗(yàn)。金相檢驗(yàn)表層無明顯滲氮現(xiàn)象，組織為鐵素體+碳化物，且碳化物沿晶分布，表層無明顯滲氮現(xiàn)象，表明出現(xiàn)焊接開裂與異常的碳化物組織有關(guān)。

解決方案：將煤氣預(yù)熱溫度納入操作控制要點(diǎn)，并在加熱爐一級(jí)HMI 操作畫面新增煤氣預(yù)熱溫度曲線。優(yōu)化強(qiáng)制排煙、自然排煙的負(fù)荷分配、將煤氣預(yù)熱溫度納入稀釋風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)連鎖控制，多舉措確保煤氣預(yù)熱溫度不超溫，杜絕管道發(fā)生碳化。

3.4 內(nèi)氣氛控制不穩(wěn)定大及解決方案

技術(shù)人員對(duì)加熱爐正常生產(chǎn)時(shí)的爐膛氣氛進(jìn)行了檢測(cè)，加熱爐預(yù)熱段、加熱段和均熱段殘留O2和CO 濃度測(cè)量數(shù)據(jù)見見表1。

表1 重慶鋼鐵熱卷線加熱爐氣氛環(huán)境檢測(cè)數(shù)據(jù)

從檢測(cè)數(shù)據(jù)看該加熱爐全爐呈氧化性氣氛，說明爐內(nèi)殘氧含量較高、燃燒熱效率低，一方面造成氧化燒損較高，另一方面影響爐況的穩(wěn)定、環(huán)保排放等，未來節(jié)能工作還有一定空間。

解決方案：優(yōu)化L1 級(jí)、L2 級(jí)控制系統(tǒng),采用全自動(dòng)燃燒控制，減小煤氣熱值波動(dòng)，將煤氣熱值接入加熱爐一級(jí)HMI 畫面，看火工根據(jù)熱值變化進(jìn)行實(shí)時(shí)干預(yù)，減小爐膛氣氛波動(dòng)。。

4 蓄熱式燃燒技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

蓄熱式燃燒技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

（1）采用高溫空氣煙氣余熱回收裝置，交替切換空氣與煙氣，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，可節(jié)能30%以上，同時(shí)也降低了C02 的排放量，減少了對(duì)溫室效應(yīng)的影響。

（2）將燃燒空氣預(yù)到1000℃以上的溫度水平；一般而言，預(yù)熱空氣溫度每提高100 度，可使理論燃燒溫度提高50 度左右，節(jié)能3%～5%。此外該技術(shù)形成的是與傳統(tǒng)火焰迥然不同的新火焰類型，真正實(shí)現(xiàn)了高溫低氧燃燒，與傳統(tǒng)的燃燒機(jī)理完全不同。由于火焰的燃燒區(qū)域擴(kuò)大從而消除了局部高溫，形成均勻的爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布，不但提高了產(chǎn)品的加熱質(zhì)量，同時(shí)延長了爐子耐火材料的使用壽命。

（3）通過組織貧氧狀態(tài)下的燃燒，避免了通常情況下，高溫?zé)崃Φ趸颪Ox 的大量生成，達(dá)到節(jié)能減排的目的。在傳統(tǒng)的燃燒機(jī)理中，由于存在局部高溫區(qū)即使采用了低NOx 技術(shù)也無法實(shí)現(xiàn)超低NOx 排放。而高溫低氧燃燒形成的均勻溫度場(chǎng)，有效消除了局部高溫，在預(yù)熱助燃空氣溫度很高的情況下，真正實(shí)現(xiàn)了超低NOx 排放。

（4）由于消除了爐內(nèi)局部高溫，爐膛內(nèi)溫度均勻，可使?fàn)t子的溫度提高至耐火材料的使用極限以強(qiáng)化爐內(nèi)傳熱，同樣產(chǎn)量的爐膛尺寸可以縮小20%以上。爐子尺寸減小后一方面可以降低造價(jià)，另一方面又可以使?fàn)t子散熱減少，使節(jié)能工作又上了一個(gè)新臺(tái)階。改變?nèi)紵到y(tǒng)為蓄熱式燃燒系統(tǒng)后，氧化燒損大大減少，可提高金屬的成材率。

（5）用分散式余熱回收方式代替集中式余熱回收方式，當(dāng)爐子的不同區(qū)域有不同溫度控制要求時(shí)，控制調(diào)節(jié)手段更加方便有效。

（6）可以燃燒低熱值燃料。許多工業(yè)爐的工作溫度都比較高，燃燒低熱值燃料將達(dá)不到所需要的爐溫。要在軋鋼加熱爐和鋼包烘烤上使用高爐煤氣，理論上應(yīng)將空氣和高爐煤氣預(yù)熱到500%以上。使用金屬換熱器實(shí)現(xiàn)空煤氣預(yù)熱到500℃以上，一方面成本很高，另一方面，在使用了一段時(shí)問后，金屬換熱器由于腐蝕和積灰總是再也達(dá)不到設(shè)計(jì)的換熱器溫度。采用高溫空氣燃燒技術(shù)后，可以方便到將空氣和高爐煤氣預(yù)熱至超過1000℃，其燃燒煙氣可以滿足目前所有工業(yè)爐的爐溫要求。在許多地方，高爐煤氣由于無法使用不得不放散掉，因此，采用HTAC 技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益是極其可觀的。

（7）節(jié)能效果顯著，寶鋼2050mm 熱連軋常規(guī)加熱爐2019 年燃耗為45.77kgce/t；重慶鋼鐵熱卷線加熱爐燃耗僅為32.95kgce/t，重慶鋼鐵熱卷線加熱爐熱送熱裝優(yōu)于寶鋼2050mm熱連軋常規(guī)加熱爐，經(jīng)測(cè)算重慶鋼鐵軋鋼廠熱卷線熱送熱裝多貢獻(xiàn)的燃耗約為5kgce/t ～6kgce/t，剔除熱送熱裝影響節(jié)能效果依然明顯。

（8）對(duì)于低負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)單耗增加不明顯，采用高溫空氣燃燒技術(shù)的加熱爐由于廢氣排放溫度僅為150℃左右，廢氣熱損失小，故爐子單耗隨熱負(fù)荷的變化小，而常規(guī)加熱爐的單耗隨熱負(fù)荷變化而明顯變化，這個(gè)特點(diǎn)使得采用高溫空氣燃燒技術(shù)的加熱爐特別適合產(chǎn)量波動(dòng)較大的生產(chǎn)單位。

（9）操作方便，勞動(dòng)條件大大改善。采用高溫空氣燃燒技術(shù)的加熱爐只要在儀表室內(nèi)操作即可，大大改善了工人的勞動(dòng)條件，避免了高爐煤氣中毒的危險(xiǎn)。

（10）投資回報(bào)率高。采用高溫空氣燃燒技術(shù)，可以減小爐子尺寸，降低筑爐造價(jià)；可以省略金屬換熱器和傳統(tǒng)的高煙囪，降低投資；爐膛溫度均勻，消除局部高溫，可以延長爐子的使用壽命；空氣過剩系數(shù)可以達(dá)到理想的配比，減少了料坯的氧化燒損，提高了工件的加熱質(zhì)量；極大地降低了燃料消耗。可以說，HTAC 技術(shù)要比傳統(tǒng)燃燒技術(shù)經(jīng)濟(jì)的多。

蓄熱式燃燒技術(shù)的主要缺點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

（1）換向閥密封的壽命問題，現(xiàn)在的換向閥的金屬結(jié)構(gòu)基本上沒有問題，關(guān)鍵是密封墊特別容易燒損，操作時(shí)要特別留意煙氣溫度。一旦煙氣溫度超過350℃時(shí)會(huì)加速快切閥的密封面損壞。

（2）管道布置的錯(cuò)綜復(fù)雜，且管道管徑筆同等能力的常規(guī)加熱爐大得多，檢修及維護(hù)量大幅增加。

（3）換向閥數(shù)量多，零星故障比較多，每天都會(huì)有換向閥因?yàn)楦鞣N原因出現(xiàn)故障，需要長期有人蹲點(diǎn)維護(hù)。目前有部分鋼廠為了減少換向閥的數(shù)量，采用集中換向模式，這種模式可以最大限度減少換向閥的數(shù)量，從而減少投資和故障點(diǎn)，在不影響爐溫調(diào)節(jié)的前提下，換向閥的數(shù)量越少越好。采用集中換向的換向閥一旦再生產(chǎn)過程中出現(xiàn)閥體損壞或卡阻問題，可能導(dǎo)致整段無法加熱，而分散換向則可以有效解決這個(gè)問題。

（4）換向周期問題，換向周期一定要把握好，一旦換向周期長了，排煙溫度就會(huì)不斷升高，可能出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，長時(shí)間超溫會(huì)加快閥門密封面損壞，經(jīng)過大量時(shí)間證明，換向周期宜設(shè)置在50s ～60s 之間。

（5）安裝蓄熱體的蓄熱箱在設(shè)計(jì)時(shí)要盡量多留有余地，主要是考慮加熱爐產(chǎn)能進(jìn)一步提升時(shí)確保蓄熱體換熱能力足夠大，保證蓄熱體的正常使用和排煙溫度不超限。

5 改進(jìn)效果

重慶鋼鐵熱卷線加熱爐至2010 年投產(chǎn)已運(yùn)行超過10 年，由于蓄熱式燃燒技術(shù)和煤氣預(yù)熱技術(shù)在重慶鋼鐵均是第一次使用，使用和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)欠缺，在使用過程中遇到了諸多這樣那樣的問題，通過不斷的優(yōu)化和改進(jìn)，取得了良好的效果。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的先進(jìn)技術(shù)開始運(yùn)用到加熱爐上，目前國內(nèi)部分鋼廠加熱爐已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)燒鋼。新技術(shù)的誕生，在很大程度上減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，但對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性提出了更高的要求。未來蓄熱式燃燒技術(shù)與其他節(jié)能技術(shù)組合應(yīng)用是加熱爐節(jié)能降耗的主要方向。

6 結(jié)語

蓄熱式燃燒技術(shù)的應(yīng)用及推廣，使我國工業(yè)能源結(jié)構(gòu)得到了改善，能耗指標(biāo)快速趕上世界先進(jìn)水平，是高能耗企業(yè)的福星，雖然蓄熱式燃燒技術(shù)優(yōu)點(diǎn)眾多，但在使用過程中出現(xiàn)的一些問題需要不斷改進(jìn)。如高溫帶來的管道、設(shè)備更易損壞、蓄熱體堵塞、結(jié)塊、壽命不長、爐內(nèi)壓力變化大，造成熱量大量溢出等，蓄熱式燃燒技術(shù)與黑體節(jié)能技術(shù)、激光在線氣體分析儀精確燃燒控制系統(tǒng)等組合使用將是未來工業(yè)企業(yè)的開展節(jié)能降耗的主要方向。