蓄熱式加熱爐常見問題及解決方案

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梁式蓄熱式加熱爐，爐長43.5m、爐子內寬11.7m，設計產能為冷裝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，另配備煤氣預熱器，利用煙氣余熱將煤氣預熱到300 度左右。全爐共分6 個供熱段，每段采用蓄熱燒嘴側向供熱，同時設一不供熱的熱回收段，有效回收常規排煙余熱。

2 蓄熱式燃燒技術簡介

蓄熱燃燒技術又稱高溫空氣燃燒技術，全名稱為：高溫低氧空氣燃燒技術（High Temperature and Low Oxygen Air Combustion-HTLOAC）， 也 作HTAC（High Temperature Air Combustion）技術，也有稱之為無焰燃燒技術（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，有些人說應在18%以下，也有說在13%以下的。

蓄熱燃燒技術原理如圖1 所示：當常溫空氣由換向閥切換進入蓄熱室1 后，在經過蓄熱室（陶瓷球或蜂窩體等）時被加熱，在極短時間內常溫空氣被加熱到接近爐膛溫度（一般比爐膛溫度低50℃～100℃），高溫熱空氣進入爐膛后，抽引周圍爐內的氣體形成一股含氧量大大低于21%的稀薄貧氧高溫氣流，同時往稀薄高溫空氣附近注入燃料（燃油或燃氣），這樣燃料在貧氧（2%～20%）狀態下實現燃燒；與此同時爐膛內燃燒后的煙氣經過另一個蓄熱室（見圖中蓄熱室2）排入大氣，爐膛內高溫熱煙氣通過蓄熱體時將顯熱傳遞給蓄熱體，然后以150℃～200℃的低溫煙氣經過換向閥排出。工作溫度不高的換向閥以一定的頻率進行切換，使兩個蓄熱室處于蓄熱與放熱交替工作狀態，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計使用燃料為高、焦、轉混合煤氣，混合比例為焦爐煤氣21%、高爐煤氣69%、轉爐煤氣10%，熱值7524KJ/Nm3。單座爐子煤氣最大用量55000Nm3/h，煤氣預熱溫度300℃～350℃，空氣蓄熱溫度～1050℃，排煙溫度～175℃。單座爐子設60 個低NOx 側向供熱蓄熱式燒嘴。

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械行業蓄熱式高溫燃燒技術（HTAC），它把回收煙氣余熱與高效燃燒及降低NOX 排放等技術有機的結合起來，從而實現極限節能降低NOX 排放量的目的。蜂窩陶瓷蓄熱體廣泛用于工業熱工設備節能技術方面，使工業熱工設備提高效率，降低能耗，提高產量和改善質量，是解決能源與環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構，且孔道是相互平行的直通道結構。這種結構大大降低了氣孔流經的阻力，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，導致蜂窩體堵塞，由于蜂窩體不同于蓄熱小球，不能重復利用，出現堵塞后會降低蓄熱效果，需要通過定期更換，該加熱爐蓄熱體的更換周期一般為10 個月～16 個月。

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。未進一步提高蓄熱體再使用過程中的穩定性，防止蓄熱體在使用過程中局部坍塌導致蓄熱體堵塞，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 兩種規格交錯布置，提高蓄熱蜂窩體的整體穩定性，降低蜂窩體坍塌風險，優化后蓄熱體堵塞現象改善明顯。

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出來。在實際生產過程中，通常降低預熱段的負荷運行，這樣就會出現預熱段排煙溫度較低或不排煙的情況，當排煙溫度低于煙氣露點溫度時，煙氣中含硫的水汽不斷腐蝕煙氣管道，導致煙氣管道管壁減薄甚至破裂，在排煙過程中，由于排煙管道負壓運行，壁厚減薄的高溫管道受負壓吸附產生變形。在實際使用過程中，要嚴格控制排煙溫度高于露點溫度，檢修時對管道進行壁厚檢測，防止使用過程中發生管道變形。

解決法案：合理優化排煙溫度，確保排煙溫度高于煙氣露點溫度。穩定排煙風機運行壓力，降低因排煙風機抽力波動引起管道變形的風險，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熱溫度為300℃左右，通過煤氣預熱，能有效降低煤氣消耗，達到節能的目的。煤氣預熱溫度越高，節能效果越好，但安全風險也隨著煤氣預熱溫度的提高而加大，溫度過高會導致管道碳化破裂，經過長期使用和維護經驗，建議煤氣預熱溫度控制在300℃以下為宜，溫度過高還會加快控制閥門密封面損壞，可能引起閥門關閉不嚴導致回火。通過控制手段不能將煤氣預熱溫度控制在要求范圍內時，可考慮對煤氣預熱器進行改型或重新核算換熱面積。該加熱爐曾出現煤氣管道焊縫破裂導致煤氣泄漏，事后對破裂的煤氣管道取樣進行化學成分、組織等檢驗。金相檢驗表層無明顯滲氮現象，組織為鐵素體+碳化物，且碳化物沿晶分布，表層無明顯滲氮現象，表明出現焊接開裂與異常的碳化物組織有關。

解決方案：將煤氣預熱溫度納入操作控制要點，并在加熱爐一級HMI 操作畫面新增煤氣預熱溫度曲線。優化強制排煙、自然排煙的負荷分配、將煤氣預熱溫度納入稀釋風機自動啟動連鎖控制，多舉措確保煤氣預熱溫度不超溫，杜絕管道發生碳化。

3.4 內氣氛控制不穩定大及解決方案

技術人員對加熱爐正常生產時的爐膛氣氛進行了檢測，加熱爐預熱段、加熱段和均熱段殘留O2和CO 濃度測量數據見見表1。

表1 重慶鋼鐵熱卷線加熱爐氣氛環境檢測數據

從檢測數據看該加熱爐全爐呈氧化性氣氛，說明爐內殘氧含量較高、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定、環保排放等，未來節能工作還有一定空間。

解決方案：優化L1 級、L2 級控制系統,采用全自動燃燒控制，減小煤氣熱值波動，將煤氣熱值接入加熱爐一級HMI 畫面，看火工根據熱值變化進行實時干預，減小爐膛氣氛波動。。

4 蓄熱式燃燒技術的優點

蓄熱式燃燒技術的主要優點有以下幾點：

（1）采用高溫空氣煙氣余熱回收裝置，交替切換空氣與煙氣，使之流經蓄熱體，能夠在最大程度上回收高溫煙氣的顯熱，可節能30%以上，同時也降低了C02 的排放量，減少了對溫室效應的影響。

（2）將燃燒空氣預到1000℃以上的溫度水平；一般而言，預熱空氣溫度每提高100 度，可使理論燃燒溫度提高50 度左右，節能3%～5%。此外該技術形成的是與傳統火焰迥然不同的新火焰類型，真正實現了高溫低氧燃燒，與傳統的燃燒機理完全不同。由于火焰的燃燒區域擴大從而消除了局部高溫，形成均勻的爐內溫度場分布，不但提高了產品的加熱質量，同時延長了爐子耐火材料的使用壽命。

（3）通過組織貧氧狀態下的燃燒，避免了通常情況下，高溫熱力氮氧化物NOx 的大量生成，達到節能減排的目的。在傳統的燃燒機理中，由于存在局部高溫區即使采用了低NOx 技術也無法實現超低NOx 排放。而高溫低氧燃燒形成的均勻溫度場，有效消除了局部高溫，在預熱助燃空氣溫度很高的情況下，真正實現了超低NOx 排放。

（4）由于消除了爐內局部高溫，爐膛內溫度均勻，可使爐子的溫度提高至耐火材料的使用極限以強化爐內傳熱，同樣產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，另一方面又可以使爐子散熱減少，使節能工作又上了一個新臺階。改變燃燒系統為蓄熱式燃燒系統后，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，當爐子的不同區域有不同溫度控制要求時，控制調節手段更加方便有效。

（6）可以燃燒低熱值燃料。許多工業爐的工作溫度都比較高，燃燒低熱值燃料將達不到所需要的爐溫。要在軋鋼加熱爐和鋼包烘烤上使用高爐煤氣，理論上應將空氣和高爐煤氣預熱到500%以上。使用金屬換熱器實現空煤氣預熱到500℃以上，一方面成本很高，另一方面，在使用了一段時問后，金屬換熱器由于腐蝕和積灰總是再也達不到設計的換熱器溫度。采用高溫空氣燃燒技術后，可以方便到將空氣和高爐煤氣預熱至超過1000℃，其燃燒煙氣可以滿足目前所有工業爐的爐溫要求。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 技術的經濟效益是極其可觀的。

（7）節能效果顯著，寶鋼2050mm 熱連軋常規加熱爐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于寶鋼2050mm熱連軋常規加熱爐，經測算重慶鋼鐵軋鋼廠熱卷線熱送熱裝多貢獻的燃耗約為5kgce/t ～6kgce/t，剔除熱送熱裝影響節能效果依然明顯。

（8）對于低負荷生產時單耗增加不明顯，采用高溫空氣燃燒技術的加熱爐由于廢氣排放溫度僅為150℃左右，廢氣熱損失小，故爐子單耗隨熱負荷的變化小，而常規加熱爐的單耗隨熱負荷變化而明顯變化，這個特點使得采用高溫空氣燃燒技術的加熱爐特別適合產量波動較大的生產單位。

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

（10）投資回報率高。采用高溫空氣燃燒技術，可以減小爐子尺寸，降低筑爐造價；可以省略金屬換熱器和傳統的高煙囪，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；空氣過剩系數可以達到理想的配比，減少了料坯的氧化燒損，提高了工件的加熱質量；極大地降低了燃料消耗。可以說，HTAC 技術要比傳統燃燒技術經濟的多。

蓄熱式燃燒技術的主要缺點有以下幾點：

（1）換向閥密封的壽命問題，現在的換向閥的金屬結構基本上沒有問題，關鍵是密封墊特別容易燒損，操作時要特別留意煙氣溫度。一旦煙氣溫度超過350℃時會加速快切閥的密封面損壞。

（2）管道布置的錯綜復雜，且管道管徑筆同等能力的常規加熱爐大得多，檢修及維護量大幅增加。

（3）換向閥數量多，零星故障比較多，每天都會有換向閥因為各種原因出現故障，需要長期有人蹲點維護。目前有部分鋼廠為了減少換向閥的數量，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量，從而減少投資和故障點，在不影響爐溫調節的前提下，換向閥的數量越少越好。采用集中換向的換向閥一旦再生產過程中出現閥體損壞或卡阻問題，可能導致整段無法加熱，而分散換向則可以有效解決這個問題。

（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，排煙溫度就會不斷升高，可能出現超溫現象，長時間超溫會加快閥門密封面損壞，經過大量時間證明，換向周期宜設置在50s ～60s 之間。

（5）安裝蓄熱體的蓄熱箱在設計時要盡量多留有余地，主要是考慮加熱爐產能進一步提升時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 改進效果

重慶鋼鐵熱卷線加熱爐至2010 年投產已運行超過10 年，由于蓄熱式燃燒技術和煤氣預熱技術在重慶鋼鐵均是第一次使用，使用和維護經驗欠缺，在使用過程中遇到了諸多這樣那樣的問題，通過不斷的優化和改進，取得了良好的效果。隨著科學技術的進步，越來越多的先進技術開始運用到加熱爐上，目前國內部分鋼廠加熱爐已經實現了全自動燒鋼。新技術的誕生，在很大程度上減輕了操作人員的勞動強度，但對設備的穩定性和精準性提出了更高的要求。未來蓄熱式燃燒技術與其他節能技術組合應用是加熱爐節能降耗的主要方向。

6 結語

蓄熱式燃燒技術的應用及推廣，使我國工業能源結構得到了改善，能耗指標快速趕上世界先進水平，是高能耗企業的福星，雖然蓄熱式燃燒技術優點眾多，但在使用過程中出現的一些問題需要不斷改進。如高溫帶來的管道、設備更易損壞、蓄熱體堵塞、結塊、壽命不長、爐內壓力變化大，造成熱量大量溢出等，蓄熱式燃燒技術與黑體節能技術、激光在線氣體分析儀精確燃燒控制系統等組合使用將是未來工業企業的開展節能降耗的主要方向。