淺析煤氣熱值變化對軋鋼加熱爐節能降耗的影響和應對措施

李 娜 郭宏棟 李 敬

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 前言

在鋼鐵行業競爭激烈的今天，走節能降耗、節約發展、清潔發展的道路已經成為企業生存和持續發展的一個重要關鍵點。安陽鋼鐵股份有限公司第二煉軋廠爐卷機組生產線擁有一座年加熱能力為116.6 萬t 的超寬型步進梁式加熱爐。然而，在生產運行中該爐的煤氣消耗占整個爐卷機組工序能耗的60%～70%，煤氣消耗所占比重大，直接影響到該機組的生產成本和效益。筆者對該爐通過一段時間的跟蹤和調查，認為該爐在運行過程中所用的高、焦爐混合煤氣熱值不穩定、波動變化較大是造成該爐煤氣消耗高的主要因素之一，并對其進行了分析，采取了相應的優化措施，最終降低了該爐的煤氣消耗，取得了很好的節能減排效果。

1 加熱爐主要技術參數

根據生產工藝要求，該爐所使用的燃料為高、焦爐混合煤氣；余熱回收系統中設置有空、煤氣金屬管狀預熱器。加熱爐的主要技術參數見表1。

表1 加熱爐的主要技術參數

2 煤氣熱值變化造成燃料消耗增加的原因分析

2.1 燃燒控制系統中空燃比失調，煤氣消耗量增加

某夜班加熱爐生產運行期間，煤氣管網內的高、焦爐煤氣供應量波動變化曲線如圖1、圖2所示。

從圖1 和圖2 可以看出，管網內的高、焦爐煤氣供用量波動大，且頻率高；直接導致加熱爐所用煤氣熱值變化幅度較大。

圖1 管網內高爐煤氣供量曲線

圖2 管網內焦爐煤氣供量曲線

當所來燃料熱值較高而此時加熱爐熱負荷又不大時，為確保爐內鋼坯溫度符合加熱工藝技術規程要求，操作人員會相應減少各加熱段的煤氣用量。當煤氣熱值處于11 720 ～16 720 kJ/Nm3時，現場各供熱段煤氣流量調節閥的開度經常處于30%以下，煤氣調節閥閥位開度經常工作在非正常調節范圍內，自動燃燒控制系統響應能力無法滿足爐溫和煤氣調整用量變化的需求。為確保爐膛溫度和保障加熱爐管道內的煤氣壓力，操作人員只能根據經驗手動調節空、燃比，造成爐溫控制誤差大，爐內各段溫度場不均勻，空氣與煤氣配比量失調，爐內燃料出現燃燒不完全現象。另外，因空氣系數過大，爐內煙氣中的殘氧含量經常高達5%以上。上述問題的產生最終造成該爐在生產運行中消耗過高，煤氣燃燒熱效率偏低，煤氣浪費嚴重。

2.2 空氣預熱溫度受限，煙氣余熱利用率不高

燃燒學中指出，軋鋼加熱爐燃料的理論燃燒溫度主要是由燃料本身的發熱量和燃料、空氣預熱后所帶入爐內的物理溫度以及燃燒產物生成量等因素決定的。一般情況下，加熱爐預熱段后的排煙溫度范圍為600 ～1 100 ℃，約占供入爐內熱量的35%～55%，回收這部分煙氣余熱用來預熱空氣和煤氣，可以提高帶入爐內的物理熱，節約煤氣消耗量。同時，燃燒學理論中明確表示，提高煤氣的理論燃燒溫度主要是以提高燃料的發熱值和空氣預熱溫度為主，煤氣的預熱溫度受到碳氫化合物分解溫度、安全等因素的限制，不易預熱的太高。該爐在設計燃燒系統時的燃料發熱值是按照7 281 ～8 360 kJ/Nm3設計計算的，而實際生產中因煤氣熱值波動大，燃料熱值一般多在10 032 kJ/Nm3以上。根據燃料理論燃燒溫度計算公式：

t理=（Qd+Q燃+Q空- Q分）/VnC產

在t理≤2 000 ℃的情況下，Q分可以忽略不計，可以看出Vn和C產不因發熱值的變化而有較大的參數改變，具體參數可見下表2。

表2 煤氣熱值變化與煙氣量產生對比表

這樣Qd的升高使得Q燃和Q空受到了限制。煤氣熱值升高后，預熱器內的煤氣流量減少，流速降低，根據預熱器傳熱面積公式[1]

可以得出，在A 已經一定，且K 變化不大時，煤氣預熱量Q燃的降低會使煙氣和被預熱煤氣的對數平均溫差td減小，即煤氣預熱溫度升高。在熱值波動到較高時，該爐的煤氣用量減少，導致煤氣預熱溫度超上限320 ℃而報警。

該加熱爐在運行過程中煤氣發熱值不同的情況下，空氣、煤氣的預熱溫度及煤氣用量變化見表3。

表3 煤氣發熱值不同的情況下，空氣、煤氣的預熱溫度及煤氣用量變化

從表3 可以看出，空氣預熱到320 ℃左右時，煤氣預熱溫度就達到了報警上限；操作人員為了保護煤氣預熱器，防止出現重大煤氣安全事故，經常采取打開稀釋風機冷卻煙道溫度，進行熱風放散和關小煙道閘板等方法來降低空氣預熱器前的煙溫，近而達到降低煤氣預熱溫度的目的。因煤氣熱值的波動和升高，空氣預熱溫度受到了煤氣預熱溫度的安全上限限制，帶入爐內的空氣物理熱減少，導致煙氣余熱利用率降低，煤氣消耗量增加。

2.3 燒嘴分級燃燒不完全，煤氣燃燒效率降低

該爐一下加熱段配備有6 個大調節比側向HDN 低NOX調焰燒嘴，采用二級分級燃燒模式；燒嘴的主要性能參數值見表4。

表4 一下加熱段燒嘴的主要性能參數值

因一下加熱段燒嘴調節比范圍較大，生產實際過程中，當煤氣熱值發生波動時，操作人員無法及時、快速有效地調節燒嘴的二次空氣閥位，致使燒嘴內的空、煤氣混合速度也出現了波動，導致空氣、煤氣在燒嘴內混合燃燒時出現不完全燃燒現象，燒嘴內煤氣與空氣的混合效果較差，火焰中心溫度偏低，煤氣二級燃燒不完全，不僅造成煤氣燃燒熱效率降低，煤氣浪費現象的產生，而且增加了煙氣排放中NOX的含量，給節能減排帶來了不利。

3 節能措施

3.1 增設殘氧分析儀，精確控制燃料空、燃比例

優化了爐子自動燃燒控制系統，在煤氣熱值波動變化較大情況下，要求操作人員將主從燃燒控制系統中的溫度主從改成流量主從，避免了爐溫在煤氣熱值波動情況下的浮動幅度過大現象；以此穩定爐內溫度場，降低了因煤氣熱值波動而造成各段爐溫變化幅度較大的現象。同時，為進一步提高操作人員對加熱爐爐內煙氣中的殘氧含量控制，精確調整空燃比，杜絕煤氣燃燒不完全的問題，在加熱爐爐體預熱段安裝激光殘氧分析儀，實現了毫秒級不間斷監測。激光殘氧分析儀的投用可精確監測到爐內燃料燃燒后產生煙氣中的氧氣含量，通過系統將煙氣中的殘氧量實時監測數據納入到燃燒控制系統中，為操作人員能夠對空、煤氣用量進行及時調整提供了可靠有效的數據支撐，對降低鋼坯氧化燒損率和提高煤氣燃燒熱效率，降低煤氣消耗奠定了基礎。

3.2 加強煤氣調整溝通渠道，提升煤氣換熱器換熱管材質

建立快速有效的煤氣溝通渠道，對煤氣管網內的煤氣熱值或壓力波動前期進行預控和有效調整；避免出現煙道內不完全燃燒現象的發生。同時，利用檢修期間提升更換煙道內煤氣換熱器高溫段的換熱管材質，將原20# 鋼提升更換為0Gr17 材質，確保煤氣換熱器的安全穩定運行。

3.3 優化燒嘴燃燒控制功能，實現分級燃燒功能

將一下加所有燒嘴本體上的一次風閥翻板開度到40% ～50% 范圍內，二次風閥翻板閥位100%全開，中心風閥位100%全開，此時該燒嘴燃燒火焰噴出速度提高，火焰長度可以達到7 ～8 m。同時，加強該段爐內煙氣的再循環效果，充分發揮燒嘴分級燃燒功能，確保煤氣的完全燃燒，降低了煤氣消耗，也降低了煙氣中NOX的生成量。

3.4 合理組織生產，穩定生產節奏

將所需軋制的鋼種統一分類進行加熱軋制，使得爐內熱負荷變化不大，爐子的煤氣用量和燒嘴火焰較為穩定，整個爐內氣氛和鋼種之間的傳熱效果明顯增強，燃料燃燒熱效率高，有效降低了該爐的煤氣消耗用量。

4 節能效果

通過上述措施的不斷施實和優化，取得了良好的節能效果。

（1）燃燒控制系統的優化調整，使得燃料燃燒過程中的空、燃比例控制精度大幅度提高，目前煙氣中的殘氧含量可控制在2% ～2.5% 范圍內。

（2）通過制定相關的爐窯管理制度、嚴格實施“三勤操作法”和優化加熱鋼種計劃后，該爐的熱平衡趨于穩定，所用高、焦爐混合煤氣熱值配比范圍大大縮小，生產期間該爐所用的煤氣熱值波動情況得到了極大的改善。目前，該爐所用的煤氣熱值范圍平均在8 400 ～9 200 kJ/Nm3范圍內。在保障煤氣預熱器安全運行的前提下，空氣預熱溫度提升了100 ℃；增加了煙氣物理熱的回收量，有效降低了燃料消耗量。

（3）一下加熱段中燒嘴閥位的調整優化也使得燒嘴火焰強度增加，煤氣在燒嘴內燃燒充分，分級燃燒效果明顯；生產期間NOX生成量有效控制在120 mg/m3以內。

5 結語

通過不斷優化和施實，目前該爐不論從安全運行方面，還是節能、環保指標方面都較之前得到了較大的提升，為后期的安全穩定運行和節能降耗創造了條件。加熱爐是軋鋼工序中的能源消耗大戶，降低加熱爐燃料消耗對于鋼鐵企業的節能減排工作致關重要。