高炉煤气蓄热式加热炉的结构、性能及控制系统
摘 要：主要介绍了唐钢中型厂高炉煤气蓄热式加热炉的结构、性能及控制系统的特点，对改造效果进行了分析。
关键词：加热炉；高炉煤气；蓄热式烧嘴
1 前言
在钢铁工业中，加热炉是主要的耗能设备之一。合理解决加热炉的燃料问题，提高燃料利用率，对于降低能源消耗，减少钢坯氧化烧损，提高加热质量从而进一步提高整个轧线生产过程的经济效益，具有非常重要的意义。
唐钢中型厂是一个生产矿用支撑钢、矿用工字钢、角钢、轻轨、槽钢、圆钢、方坯等9个品种，70多个规格的中型轧钢厂，年产量50多万吨。原有推钢式加热炉两台，设计加热能力62t/h，采用重油、高炉煤气混烧。2001年单耗重油38.43kg/t、高炉煤气167m3/t。油气混烧，油气比、空燃比都不易控制，这就造成能源的浪费，同时又污染了环境，造成了经济效益和社会效益的双重损失，同时也增加了工人的操作难度。
由于中型厂的两台加热炉要完成16个钢种、70多个规格钢材的钢坯加热任务，加热钢种杂、规格多，因此加热炉产量波动大，随着产量的波动，其热负荷也随之波动，产量越低，吨钢热消耗明显升高。并且由于两炉交叉出钢，常处于待轧、待温状态，加热时间长，氧化烧损增大。
随着公司对两火成材的淘汰，中型厂的开坯任务逐渐取消，年产量由过去的材坯总量 55～60万吨降低到全型钢40万吨。开一座加热炉加热能力不够，开两座加热炉燃料浪费严重。因此将中型厂加热炉改为一座适应能力强，且能耗低的加热炉很有必要。
2 改造蓄热式加热炉的理论基础
蓄热式高温空气燃烧技术，19世纪中期就开始用于高炉热风炉、平炉、焦炉、玻璃熔炉等规模大且温度高的炉子。其原理是采用蓄热室余热回收装置，交替切换烟气和空气，使之流经蓄热体，达到在最大程度上回收高温烟气的显热，提高助燃空气温度的效果。但传统的蓄热室采用格子砖作蓄热体，传热效率低，蓄热室体积庞大，换向周期长，限制了它在其他工业炉上的应用。新型蓄热室，采用陶瓷小球或蜂窝体作蓄热体，其比表面积高达200～1000m2/m3，比老式的格子砖大几十倍至几百倍，因此极大地提高了传热系数，使蓄热室的体积可以大为缩小。另外，由于换向装置和控制技术的提高，使换向时间大为缩短，传统蓄热室的换向时间一般为20～30min，而新型蓄热室的换向时间仅为0.5～3min。新型蓄热室传热效率高和换向时间短，带来的效果是排烟温度低（200℃以下），被预热介质的预热温度高（只比炉温低100～150℃）。因此，废气余热得到接近极限的回收，蓄热室的温度效率可达到85%以上，热回收率达80%以上[1]。
由于唐钢一铁厂的高炉煤气热值仅为725×4.18kJ/m3，理论燃烧温度只有1100℃左右，实际燃烧温度更低，采用常规燃烧技术不能满足轧钢加热炉的温度需要。而高温空气燃烧技术将空气和煤气都预热到1000℃以上，高炉煤气的理论燃烧温度达到2000℃以上从而使纯高炉煤气的燃烧温度满足轧钢加热炉炉温1200℃以上的要求。
3 改造方案及技术特点
根据中型厂的生产波动大，而加热炉区域场地较窄的特点，并结合一铁外供煤气量的大小（30000～35000m3/h）。本着安全可行，调节灵活。节能效果突出的原则，采用招标的方式，最终选择了和北京神雾科技公司的合作，采用北京神雾公司的“蓄热式烧嘴”技术。根据中型厂年产型钢40万吨，不同品种轧机生产能力在45～80t/h之间，设计加热炉最大加热能力85t/h。
3.1 加热炉主要参数和技术性能
加热钢种：碳素结构钢、低合金钢、合金钢
钢坯规格：断面140mm×140mm、165mm×165mm、165mm×225mm、165rnm×280mm
长 度：最小2600 mm，最长3200mm
钢坯入、出炉温度：常温入炉，出炉1050～1220℃
钢坯加热温差：≤50℃
炉 型：端进、端出推钢式连续加热炉，双排装料
炉子加热能力（最大）：85t/h
炉子的主要尺寸：
炉子有效长：22820mm
炉子总长（砌体长度）：24792mm
炉子内宽：7300mm
炉子总宽（砌体宽度）：8348mm
燃料：高炉煤气 低位发热值（标态）725×4.18 kJ/m3
煤气消耗量（标态）：33650m3/h
空气消耗量（标态）：22120m3/h
烟气生成量（标态）：48795m3/h
空气预热温度：≥1000℃
煤气预热温度：≥1000℃
吨坯单位热耗：1.20GJ
炉底管冷却方式：汽化冷却
3.2 技术、结构特点
3.2.l 蓄热式燃烧器
加热炉每侧外部安装17个煤气蓄热和19个空气蓄热式燃烧器，每个空气蓄热器与煤气蓄热器相邻布置，蓄热式燃烧器分为单喷口和双喷口两种，以适应不同位置的蓄热式燃烧器布置。一个空气喷口和一个煤气喷口，组成一个燃烧单元。蓄热器中的蓄热体采用陶瓷小球和陶瓷蜂窝体的复合蓄热结构，它具有换向时间适中（中型厂设计换向时间2min），耐急冷急热性好、导热性能好等优点；每个燃烧器前的煤气和空气连接管上都安有手动调节阀，从而使得各个燃烧器、特别是上部与下部燃烧器的能力能够按需要进行调节；维修方便，可以在不影响炉子正常生产的情况下利用常规检修更换蓄热体。
3.2.2 引火烧嘴
中型厂的产品中有一部分合金钢，这些品种对预热段的加热炉温有上限要求。如 09CuP要求预热段炉温低于800℃，而高炉煤气的安全燃烧温度需高于800℃，为解决这一矛盾，在预热段增加12支使用转炉煤气的引火烧嘴，以保证高炉煤气在800℃以下的安全稳定燃烧。12支引火烧嘴小时耗气量低500m3/h，采用电子打火点燃，使用安全可靠。
3.2.3 自动控制
炉温控制系统采用在工业炉窑控制中广泛使用的双交叉限幅控制方式，为保证各个供热区温度的可控性，首先对各区设置独立的，以温度为主环，空煤气流量调节为副环的炉温控制回路。根据工艺的供热分配情况，共分为3个温度调节回路，分别对应预热段、加热段和均热段3个供热区。炉膛压力控制为减少换向对炉压调节的干扰采用手动调节煤气烟道及空气烟道的废气调节阀门，保证炉膛压力稳定在给定范围。
3.2.4 换向控制
换向采用四腔四通换向阀，换向燃烧控制按定时的原则，并按规定的换向时序，控制3个煤气换向阀和3个空气换向阀的动作，也可手动控制换向。
3.2.5 安全保护系统
仪表控制安全连锁逻辑保护系统在煤气总管压力过低、空气压力过低、仪表气源压力过低、电源故障情况下，发生自动停炉；当发生自动停炉时，系统完成如下动作：总管煤气立即切断，并在10min后停引风机，鼓风机则需要手动停止。另外还有紧急手动停炉：手动停炉系统为独立于PLC控制的硬件连锁系统。用于在特殊情况下，如控制系统故障时，由操作员通过操作台的急停按钮，完成停炉操作。
4 加热炉改造效果
4.1 运行情况
中型厂加热炉自2001年12月3日烤炉以来，使用情况良好，较大幅度地减轻了烧火工的劳动强度。在正常使用中，通过电视画面可以了解到加热炉的运行情况、炉温控制非常容易，各班烧火工普遍反映调节准确、方便。氧化烧损明显减少，加热炉扒渣工作由过去的每班一次改为每次检修扒渣一次。由于有各种报警记录，出现问题可以及时发现。对于热工方面的问题，也可以通过分析各种记录及时找出问题的所在，很快得以解决。自动停炉控制系统的设立，当出现异常情况时，可以及时自动停炉，对防止大事故的发生起到了很好的保护作用。经实践证明这套系统运行稳定。
经过3个月的运行，加热炉运行基本稳定，目前加热炉的均热段炉温控制在1200～1300°C之间，加热段炉温在1100℃左右，排烟温度仅120°C，燃烧产物的显热得到最大限度的回收。最大加热能力已达到87t/h，2002年2月平均吨钢消耗为494m3/t。吨材热耗较改造前下降了26.9%。
4.2 经济效益
改造完成后中型厂年产型钢40万吨，目前煤气单耗494m3/t。按重油价格 1.33元/kg，高炉煤气价格0.05元/m3计算。
每年可为公司减少重油外采费用：38.43×1.33×40＝2044.48（万元）
中型厂每年增加高炉煤气费用：（494－167）×0.05×40＝654（万元）
中型厂年创经济效益：2044.48—654＝1390.48（万元）
投资回收期：
加热炉总投资为1087.61万元，仅以年节约燃料费计算投资回收期为：（1087.61/1390.48）×12＝9.4（月）
全部投资回收期仅需9.4个月即可收回，经济效益十分明显。
4.3 社会效益
在取得良好经济效益的同时，也取得了良好的社会效益。每年中型厂由于热耗降低减少CO2排放6000 m3以上，这将极大地改变环境。同时，由于高效蓄热燃烧，烟气的排放温度低于150℃，这不仅减少了排烟的热效应而且其排放烟尘的黑度是肉眼所看不见的，这对保护环境是一大贡献。
由于高温煤气和空气混合燃烧产生了较高的理论燃烧温度，这种低热值的高炉煤气可以迅速、稳定、充分的燃烧，高温烟气均匀充满整个炉膛，钢坯加热温度十分均匀，为轧制高质量的钢材创造了条件，据2002年1～2月份统计数据显示，中型厂生产作业率较去年提高1.9%。加热炉区噪声减小，环境清洁，彻底杜绝了加热炉冒黑烟造成的环境污染，工作环境较以前大有改观。
5 结论
中型厂加热炉蓄热式改造，成功地将低发热值的高炉煤气应用于轧钢加热炉，并且节能效果显著，它为其他加热炉改造积累了宝贵经验。但应该看到，蓄热式加热炉在设备、蓄热体方面还存在一些问题，由于蓄热式烧嘴壳体采用螺栓连接，密封要求较高，目前加热炉周围存在煤气的微量泄漏；烧嘴壳体内保温层较薄，烧嘴外壳温度较高，达到100℃左右。我们要在使用过程中不断摸索，总结经验，努力去完善这一技术。
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