厂家直供冶金冶炼蓄热式燃燃气锻造加热炉

一、概述   

    如果说我国工火焰炉二十世纪八十年代是以节能为标志店代，那么九十年代是节能上水平和环保被重视店代。而二十一世纪的头十年，将是创造新一代高效节能和绿工炉店代。节能和环保是工火焰炉追求的恒目标，也是衡其水平高低的标准。
    特别是以采用高效蓄热式燃系统为主要特征的高温空气燃技术的出现，使热工界在燃技术方面开创了一个崭新的、充满挑战的局面。高温空气燃技术具标志的特点是高温，预热空气温度可达到800～1l00℃，这与传统的燃技术不论在热力学、动力学方面或燃室温度场的分布、传热情况方面都有着显著的不同。高温空气燃技术是一个全新的领域，它的燃机理正有待我们去进一步探讨。
    我国的工炉品种，数众多，是上的工炉大国，但还不是工炉强国。我国冶金行加热炉的平均热效率只有34%，国外工发达国家如日本已达到50%以上，其差距是十分明显的。我国要从工炉大国走向工炉强国需要我们热工工作者做出极大的努力。

二、蓄热式燃系统的应用效果
    蓄热式燃系统在大型炉上应用成功的首例是日本NKK公司和日本工炉公司共同开发的日本福山厂热轧车间3＃炉。该炉加热能力为230t／h，有效炉长36m，设备投资将近30亿日元．炉子建成后取得了预热空气温度1200℃以上，热回收率85%以上的良好效果。此后国内外纷纷借鉴，先后建成了数十座蓄热式工炉，并取得了相应的效果。
    1.实现了蓄热体温度效率、热回收率和炉子热效率三高
    作为一个回收*气余热的燃系统，温度效率、热回收率和炉子热效率可以说是衡它热工性能劣的主要指标。国内外大生产实际的测试数据表明，在适当的换向周期下，经过蓄热体后的高温空气温度和进入蓄热体的*气温度十分接近，仅差100℃左右，温度达95%左右，热回收率为80%左右。炉子热效率得到了较大的提高。
    2.加热好，氧化损小
    由于高温空气燃技术是属于低氧空气燃范畴，而且助燃空气的切入点和燃料切入点与传统的燃方法不一样，从而避免了高温火焰过分集中造成的炉内各区域温差大的病，同时也减少了高温氧化损的可能性。由于炉温的均匀程度大大提高，被冶炼的物料加热得到了充分保。
    3.节能效果显著
    蓄热式燃系统与传统燃系统比，热回收率大大提高，节能效果特别明显，其节能率往往达到40～50%。这对于传统燃系统来说几乎是不可能的。
    4.适用性较强，能用于多种不同工艺要求的工炉
    由于蓄热式燃系统的炉温均匀性好，炉温波动小，不存在高温区过分集中及火焰对工件的冲刷等问题，所以它的适用范畴较宽。目前己在大中型推钢式及步进式轧钢加热炉、均热炉、罩式热处理炉、辐射管气体渗碳炉、钢包烘烤炉、玻璃熔化炉、熔铝炉、锻造炉等工炉上使用。不论是采用蓄热式燃器的炉子或蓄热式工炉，在实际运行中都比较稳定可靠，取得了比较好的经济效益和社会效益。
    5.建设投资相对不高，投资回收期短
    从冶金行已经改造或新建的二十余座蓄热式工炉情况来看，将传统燃方式的工炉改造为蓄热式工炉的投资比仍采用传统燃方式的炉子要高，但是在同等要求下新建蓄热式工炉与新建传统燃方式的工炉投资本相当或略有上升。蓄热式工炉与传统燃方式工炉在建设投资的比较上并没有显示较大的势，但是在投资回收期的缩短上体现了强劲的势。如果考虑到由于炉温均匀而导致加热提高、氧化损减少，由于加热能力的提高导致产的增加等方面的收益，则综合经济效益更加可观。
三高效蓄热式嘴的工作原理
    配备在各种工炉上的蓄热式燃系统，由蓄热式嘴、换向系统和控制系统组成。

工作原理如上图所示（图一）

    来自鼓风机的助燃空气经换向系统和燃料分别进入左侧嘴的各自通道，助燃空气由下向上通过蓄热室A。预热后的空气从左侧通道喷出并与燃料混合燃。燃产物对物料进行加热后进人右侧通道，在蓄热室B内进行热交换将大部分热留给蓄热体后,以200℃以下的温度进入换向阀，经引风机排入大气。设定的换向时间一到控制系统发出指令，换向机构动作，空气、*气同时换向。此时助燃空气从右侧通道喷口喷出并与燃器B的燃料混合燃，这时左侧喷口作为*道。在引风机的作用下，使高温*气通过蓄热体、换向阀、引风机排出，一个换向周期完成。采用蓄热式嘴可取消常规工炉上的嘴、换热器、高温管道、地下*道及高大的*囱．操作及维护简单，无*尘污染，换向设备灵活，控制系统功能完备，炉内温度均匀，节能30%～50%。
四、wcxr-a系列燃气蓄热式燃器
    燃气蓄热式燃器是由两支燃气喷、两个燃通道、两个蓄热室和一个四通换向阀及相关电磁阀门和控制系统组成。
    两个蓄热室和四通换向阀连在一起，使蓄热室与换向阀之间不再有管道连接，有利于缩短空气与*气在蓄热室的切换时间，燃气喷交替工作。预热后的高温空气与燃料交汇于燃通道内，由于*气回流实现高温低氧燃，降低理论燃温度，减少NOX大生成。炉温达到1300℃时，其NOX排放在50ppm以下，CO、S02（高炉煤气测定）的排放均在30ppm以下，大大低于环保要求标准。
    每个单元一对的蓄热体可在本单元不停火情况下在线检查或更换，此时该单元即变为不换向的普通燃气嘴。
    燃气喷特别适合于低热值的高炉煤气、焦炉煤气、气、石油液化气。燃器单元可配备及监测装置，可实现全自动操作。每个单元能形成与传统嘴相似的火焰形态，炉压波动小。由于采用了蓄热式燃技术后燃料节约40%左右，此时炉气排放也大为减少，使得炉温更加均匀。每个单元均有独立的换向控制系统，一个单元即成为完整的燃器。通常蓄热式燃器单元安装在工炉窑的侧墙上。根据炉窑大小和需要，可安装一个或多个单元。
    根据燃气种类和炉子情况选定不同蓄热体形状及材料，蓄热体材料是陶瓷主要成分为氧化铝，其形状有壁厚仅0.2mm～0.5mm,单元间距1mm～3mm的陶瓷蜂窝蓄热体和直径为10mm～25mm陶瓷球状蓄热体两个系列。
炉温为1300℃时，*气进入蓄热室温度为1100～1150℃，*气出蓄热室温度为150～180℃；空气进入蓄热室温度为常温，空气经蓄热室预热后温度高为1050～1100℃；蓄热室的压力损失为空气2000Pa左右，*气-2500Pa左右。
五、系列燃气蓄热式燃器
    系列燃气蓄热式燃器外型见下图（图二）。

系列燃油蓄热式燃器
    系列燃油蓄热式燃器是由两支带冷却水套的燃油喷、两个燃通道、两个蓄热室和一个四通换向阀及相关电磁阀门和控制系统组成。
    两个蓄热室和四通换向阀连在一起，使蓄热室与换向阀之间不再有管道连接，有利于缩短空气与*气在蓄热室的切换时间。冷却水套使燃油喷交替工作停止喷油时不结焦，不损。预热后的高温空气与燃料交汇于燃通道内，实现*气回流高温低氧燃，降低理论燃温度，减少NOX大生成。炉温达到1300℃时，其NOX排放在50ppm以下，CO、S02（燃轻时测定）的排放均在25ppm以下，大大低于环保要求标准。
    每个单元的蓄热体可在本单元不停火情况下在线检查或更换，此时该单元即变为不换向的普通燃油嘴。燃油喷特别适合于重、渣油燃，不结焦、不堵塞。喷雾化的设计采用KMY-RD系列燃油气泡雾化嘴设计。燃油喷本身设计有换向间隔主燃油切断，减少空、*气换向时燃油的不合理喷入，燃油完全燃达99.9%。燃器单元可配备及监测装置，可实现全自动操作。每个单元能形成与传统嘴相似的火焰形态，炉压波动小。由于采用了蓄热式燃技术后燃料节约40～50%，此时炉气排放也大为减少，使得炉温更加均匀。
    每个单元均有独立的换向控制系统，一个单元即成为完整的燃器。通常蓄热式燃器单元安装在工炉窑的侧墙上。根据炉窑大小和需要，可安装一个或多个单元。
    根据燃油种类和炉子情况选定不同蓄热体形状及材料，蓄热体的材料是陶瓷主要成分为氧化铝，其形状有壁厚仅0.2mm～0.5mm,单元间距1mm～3mm的陶瓷蜂窝蓄热体和直径为10mm～25mm陶瓷球状蓄热体两个系列。
炉温为1300℃时，*气进入蓄热室温度为1100～1150℃，*气出蓄热室温度为150～180℃；空气进入蓄热室温度为常温，空气经蓄热室预热后温度高为1050～1100℃；蓄热室的压力损失为空气2000Pa左右，*气-2500Pa左右。

七、燃油蓄热式燃器
    系列燃油蓄热式燃器外型见下图（图三）。

改造蓄热式加热炉的理论础

蓄热式高温空气燃技术，19世纪中期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*气和空气，使之流经蓄热体，达到在上回收高温*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。新型蓄热室传热和换向时间短，带来的效果是排*温度低（200℃以下），被预热介的预热温度高（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，理论燃温度只有1100℃左右，实际燃温度更低，采用常规燃技术不能满足轧钢加热炉的温度需要。而高温空气燃技术将空气和煤气都预热到1000℃以上，高炉煤气的理论燃温度达到2000℃以上从而使纯高炉煤气的燃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，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：小2600 mm，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（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（标态）：33650m3/h
空气消耗（标态）：22120m3/h
*气生成（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

蓄热式燃器

加热炉每侧外部安装17个煤气蓄热和19个空气蓄热式燃器，每个空气蓄热器与煤气蓄热器相邻布置，蓄热式燃器分为单喷口和双喷口两种，以适应不同位置的蓄热式燃器布置。一个空气喷口和一个煤气喷口，组成一个燃单元。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、导热性能好等点；每个燃器前的煤气和空气连接管上都安有手动调节阀，从而使得各个燃器、特别是上部与下部燃器弟力能够按需要进行调节；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嘴，以保高炉煤气在800℃以下的安全稳定燃。12支引火嘴小时耗气低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炉窑控制中广泛使用的双交叉限幅控制方式，为保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采用手动调节煤气*道及空气*道的废气调节阀门，保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，各班火工普遍反映调节准确、方便。氧化损明显减少，加热炉扒渣工作由过去的每班改为每次检修扒渣。由于有各种报*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。经实践明这套系统运行稳定。

经过3个月的运行，加热炉运行本稳定，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*温度仅120°C，燃产物的显热得到大限度的回收。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，*气的排放温度低于150℃，这不仅减少了排*的热效应而且其排放*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产生了较高的理论燃温度，这种低热值的高炉煤气可以迅速、稳定、充分的燃，高温*气均匀充满整个炉膛，钢坯加热温度十分均匀，为轧制高的钢材创造了条件，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*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泄漏；嘴壳体内保温层较薄，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。