加熱爐換熱器降溫節能操作實踐與分析

2021-02-04 08:52:50李會朝馮葉龍李愛國李安州

工業加熱 2021年1期

李會朝，馮葉龍，李愛國，李安州

(河鋼邯鋼邯寶公司熱軋廠，河北邯鄲 056015)

當前我國經濟發展方式，正在經歷從高速發展向高質量發展的關鍵轉變期，鋼鐵工業作為國民經濟的支柱產業，首當其沖受到經濟增長方式的影響，面對新的經濟形勢，國內各大鋼鐵企業，紛紛將“綠色、低碳、節能、減排”納入企業的戰略調整內容。在此背景下探索、軋鋼加熱爐生產、維護的節能、減排方法意義更加明顯。

1 工況與工藝參數

某公司熱軋廠(以下簡稱熱軋廠)，建有一條常規2250熱連軋帶鋼生產線，于2008年8月份投產，年設計產能480萬t。該生產線配備有四座步進梁加熱爐，單爐冷裝設計產能375 t/h，燃料為高爐、焦爐和轉爐混合煤氣，混合煤氣熱值8 364 kJ/m3(標準)，燃燒系統采用數字化脈沖燃燒技術，助燃空氣單預熱。空氣換熱器采用列管式金屬換熱器，每座加熱爐有六組，每組順煙氣流向，熱風部分22排換熱管，冷風部分21排，沿寬度方向為23根，前10排材質為OCr18SiAl(厚度3.5 mm)，共計230根，后12排為材質OCr17(厚度3 mm)，共計276根；冷風組全部為20 g滲鋁(厚度3 mm)，共計483根，自建廠使用至今，換熱效率95%以上，設備運行穩定，每年對換熱管和換熱箱體進行除塵，去灰一次，相關工藝參數如表1所示。

2 操作方法

2.1 降溫

加熱爐停止生產后，加熱爐按照50 ℃/h進行降溫，降溫過程中，煙道閘板，冷風注入閥門，冷風稀釋閥門控制方式均為自動模式，爐膛溫度降至1 000 ℃后，加熱爐各功能區段按表2所示，設定各區段溫度控制值，到達設定溫度后，加熱爐進入壓力調整階段。

表1 空氣換熱器工藝參數

表2 爐膛各段溫度設定值 ℃

2.2 換熱器后過度區建立

將換熱器與煙道閘板之間、冷風注入閥門的控制模式切換為手動，把開度值調整為100%。將煙道閘板控制模式切換為手動，調整開度值，直至爐膛壓力穩定在0～20 Pa。此舉目的是在換熱器與煙道閘板之間煙道封閉區域，形成一定壓力的含有冷風的煙氣過渡區。

2.3 換熱器前過度區建立

將換熱器前冷風稀釋閥門控制模式，切換為手動，開度值調整為100%，重新調整煙道閘板開度值，直至爐膛壓力穩定在0～20 Pa，具體工藝參數如表3所示。此舉目的是在換熱器前引入冷風，在換熱器入口區域，形成一定壓力的含有冷風的過度區。

表3 快速冷卻工藝控制值

2.4 換熱器過度區建立

首先將煙道閘板開度值按照每次減小5%、逐步減小，每次煙道閘板開度調整后，同步減小冷風注入和稀釋風閥門開度，保持爐膛壓力p穩定在0～20 Pa。其次、每次閥門調整完畢，記錄換熱器前煙氣溫度t值，當滿足爐壓0～20 Pa，t值最小時，停止調整，換熱器過度區建立完成。數據顯示，換熱器過度區建立過程中，t值和p值隨煙道閘板開度變化趨勢如圖1所示。

圖1 爐壓煙氣溫度隨煙道閘板開度關系

2.5 快速冷卻

首先將熱風放散閥門控制模式切換為手動，將閥門開度設置為100%。其次調整助燃空氣壓力工藝設定值至最大，增加助燃風機送風量。第三對冷風注入和稀釋風閥門進行調整，保持爐膛壓力穩定在0～20 Pa。

2.6 升溫恢復

首先將煙道閘板、冷風注入、稀釋風和熱風放散控制模式均設置為自動，爐壓設定值0～5 Pa。其次設定升溫梯度50 ℃/h，爐膛各區溫度目標值1 100 ℃，開始升溫。第三步爐膛溫度達到1 100 ℃后，升溫梯度根據生產需要按50～200 ℃/h設定，爐膛目標溫度設置為1 250 ℃。

3 有益效果

3.1 工作效率

原方法主要分四步：第一步控制降溫，通過降低爐膛溫度，來降低換熱器外高溫煙氣溫度。第二步自然降溫，根據軋鋼安全規程，當爐膛溫度低于800 ℃后，執行停爐作業，將爐膛燒嘴熄火，爐膛及換熱器進行自然降溫。第三步強制降溫，爐膛溫度自然降溫至400 ℃溫度后，為了加快降溫速度，會將換熱器部位維修人孔打開，接入鼓風機等降溫設備，對換熱器進行強制降溫，直至維修可以接受的溫度(換熱器管壁溫度小于50 ℃)，第四步升溫恢復至可以生產溫度(1 250 ℃)，整個過程需要48 h。

新方法分為三步：第一步控制降溫，爐膛溫度從1 250 ℃，降溫至1 000 ℃。第二步平衡調節，使爐膛與換熱器建立壓力平衡，將冷卻模式調整至快速冷卻。第三步將爐膛溫度升溫至可以生產溫度(1 250 ℃)，整個過程用時12 h。

3.2 能源消耗

根據統計，按照原來方法，完成一次換熱器降溫過程，爐膛溫度需要從1 250 ℃降低至200 ℃，在此過程中，需要啟停爐期間的煤氣管道置換，維修完畢需要將爐膛溫度恢復至1 250 ℃生產工況，整個過程需要消耗49.3 t標煤，新方法僅需降溫至1 000 ℃，然后爐膛保溫，處理完畢再升溫至裝鋼溫度即可，全程需要13.7 t標煤，兩種方法對比能源消耗(以維修用時5 h為例)如表4所示。

3.3 環保因素

對環保的不利影響主要包括兩個方面：一是在此過程產生的顆粒物，SO2和氮氧化物的排放，特別是氮氧化合物，根據實踐，啟停爐期間由于爐膛氣氛可控性差，會大量產生氮氧化合物，排放到大氣中形成，增加大氣污染壓力。其次是啟停爐過程中需要對煤氣掃線，置換，放散。煤氣中除了一氧化碳外還含有多種對大氣又危害的成分，這些組分對周圍生態均有不同影響，兩種方法加熱爐排放數據(以維修用時5 h為例)如表5所示。

表4 煤氣消耗數據

表5 加熱爐排放數據

4 注意事項

4.1 換熱管束熱脹冷縮

金屬材料在室溫下通常是性質較為穩定的材料，并具有良好的抗腐蝕性、堅固耐磨、抗壓力強的優點，但是當的使用溫度變化后，大多數金屬材料存在熱脹冷縮現象。溫度是影響金屬熱膨脹效應的主要外部環境因素，它能夠為金屬提供發生熱膨脹效應的基本條件，金屬中的原子能夠從外部環境中吸收熱量，并實現自身能量的提升，通過改變分子或原子之間的制約力，改變自身的運動空間和振動頻率。當溫度升高能夠促使金屬發生體積的脹大和長度的增長，使得金屬在宏觀上的熱膨脹現象[1]。加熱爐用換熱器多采用低碳或含合金元素的不銹鋼材料，熱脹冷縮特性較為明顯。該階段需要注意，降溫前要確認不同材質和尺寸換熱器設備，不同溫度工況換熱管所發生的線變化量，確認在可承受該變形量，金屬的熱膨脹系數與熱容有關，其變化規律與熱容隨溫度變化規律一樣[2]，可以根據如下經驗公式進行測算。

金屬材料線變化與溫度對應關系經驗公式[3]

L2=L1×[1+α×(T2-T1)]

式中:L1為對應溫度T1時物體長度,m；L2為對應溫度T2時物體長度,m；T1、T2為溫度,℃；Α為金屬的線膨脹系數。

4.2 煤氣安全

在調節助燃空氣壓力和爐壓過程中，要保證爐膛氧含量大于1%，空燃比滿足煤氣規程要求，避免因煤氣操作不當引發爆炸。煤氣爆炸必須具備三個條件，一是煤氣和空氣(或氧氣)在煤氣管道、設備或爐窯里混合；二是煤氣濃度達到爆炸極限；三是要有激發能源。三個條件同時存在才能發生爆炸。防止煤氣爆炸事故可從以上三個方面采取措施，但重點是控制煤氣和空氣的混合，使其達不到爆炸極限。各種煤氣的可燃成分和爆炸范圍[4]如表6所示。