1700 ASP 熱軋加熱爐雙蓄熱技術改造探索

魏秀東，苗龍，徐小科

（鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽 122000）

雙蓄熱技術是新世紀工業爐窯革命性的燃燒器技術，在世界范圍內，特別是上世紀90 年代后期的日本、歐洲國家等得到廣泛應用。 該技術通過回收煙道中排放廢氣的余熱對冷助燃空氣進行預熱，使其蓄熱溫度達到1 100 ℃左右，蓄熱后的熱空氣通過蓄熱室噴入爐內與燃料燃燒對板坯進行加熱。 高溫煙氣通過換向系統進入蓄熱室對蓄熱體進行蓄熱，然后通過換向系統的設備換向閥進行熱量交換，可以將外排的煙氣溫度降低到150 ℃以下，較大幅度地提高了燃料利用率和燃燒效果。 同時，利用蓄熱式燒嘴兩段加熱，通過組織不同氧狀態下的燃燒，可減少NOx 等燃燒產物的排放，達到節能環保效果。 另外，該技術采用兩段加熱和一段均熱燃燒方式，可以使火焰彌散到整個爐膛空間，充分提高了爐膛溫度分布的均勻性[1]。鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司（以下簡稱“朝陽鋼鐵”）加熱爐不能實現低氮燃燒，未滿足超低排放的要求，因此探討雙蓄熱技術應用的可行性，以達到節能環保的目的。

1 雙蓄熱技術的工作原理和應用特點

1.1 工作原理

雙蓄熱技術是利用蓄熱體 （包括蓄熱蜂窩體和蓄熱小球兩種）的蓄熱和放熱功能，交替實現高溫煙氣的降溫、冷助燃空氣和低熱值高爐煤氣的溫升，實現了煙氣余熱的極限回收和低熱值煤氣的高效利用，是一種高效節能燃燒技術，已經成為國內鋼鐵企業特別是軋鋼加熱爐燃燒系統的首選[2]。 雙蓄熱燃燒系統分為A、B 兩個循環工作狀態。 雙蓄熱技術工作原理如圖1 所示。

圖1 雙蓄熱技術工作原理圖Fig. 1 Function Diagram for Operation Principle for Dual Regenerative Technology

A 狀態下，換向閥閥板在圖中實線的位置，此時右側蓄熱室同煤氣總管相連，而左側蓄熱室同排煙機和煙囪相連。 煤氣經換向閥進入右側煤氣蓄熱室，由下而上通過蓄熱室，與蓄熱室中的蓄熱蜂窩體進行預熱后，沿右側的通道進入爐內，助燃空氣經換向閥進入同一側的空氣蓄熱室，也由下而上通過蓄熱室，預熱后沿專有的空氣通道進入爐內。在爐內，熱煤氣和熱助燃空氣從各自的燒嘴噴出混合并燃燒，加熱鋼坯，然后煙氣通過左側的專用通道進入左側的煤氣和空氣蓄熱室，煙氣與蓄熱蜂窩體進行換熱將大部分熱量留下，以低于150 ℃的溫度進入煤氣和空氣各自的換向閥，由煤氣和空氣各自引風排煙機排入大氣，通常A 狀態只維持60～180 s。控制系統換向機構動作，使燃燒系統進入B 狀態，換向閥閥板處于虛線位置，此時左側蓄熱室同煤氣（或空氣）總管相連，而右側蓄熱室同引風排煙機相連，氣體流向與A 狀態正好反向，見虛線示意。同樣B 狀態也只維持60～180 s，系統再次換向到A 狀態。 整個燃燒換向系統按設定時間間隔或排煙溫度在A、B 兩狀態周期換向，借助蓄熱蜂窩體的高效換熱特性完成蓄熱燒嘴煤氣和空氣高溫預熱、加熱爐煙氣低溫排出。

1.2 應用特點

張述明、劉艷姝等[3]分析討論了承鋼加熱爐應用雙蓄熱技術的效果，認為蓄熱式加熱爐的煤氣消耗低、產量高，可顯著降低氧化燒損，同時提出了鋼坯表面溫差大、空氣過剩、煤氣過剩、換向閥切換動作時間長、蓄熱球質量不規范、排煙管道腐蝕等問題的產生原因及解決方法。 艾國華[4]介紹了馬鋼二軋鋼廠1#雙蓄熱加熱爐的施工改造情況和應用效果及特點，給推廣這項高效、節能和環保的先進技術提供了依據。 張俏和秦建超[5]介紹了雙蓄熱技術的特點，并討論了該技術在寶鋼熱軋廠2 號2050 mm 加熱爐的應用情況，認為與傳統燃燒技術相比，雙蓄熱技術具有節約能源、提高爐溫均勻性和傳熱效率、 低NOx排放和減少氧化燒損等優點，能獲得可觀的經濟效益。筆者結合凌鋼股份有限公司型材廠軋鋼加熱爐改造的經驗認為，雙蓄熱技術具有如下特點：熱利用率高，節能效果明顯；燃燒溫度均勻，可降低被加熱金屬的氧化燒損；減少爐子尺寸；提高火焰輻射強度，強化輻射傳熱，提高加熱爐產量；可以燃燒劣質燃料（如100%高爐煤氣）。 此外，雙蓄熱燃燒是在相對低氧狀態下的彌散燃燒，沒有火焰中心，不存在生成大量NOx 的條件，有利于環境保護。

2 1700 ASP 熱軋加熱爐應用雙蓄熱技術的探索

2.1 1700 ASP 加熱爐現狀和不足

朝陽鋼鐵1700 ASP 熱軋生產線有兩座端進端出步進梁式三段連續加熱爐，由均熱段、加熱段和預熱段（未設置燒嘴）組成。 加熱爐有效長度26 360 mm，有效寬度16 500 mm，設計加熱能力250 t/h，燃料為高爐和焦爐混合煤氣。 燒嘴分布情況：上加熱和上均熱由100 個爐頂平火焰燒嘴組成，下均熱由12 個端部直焰燒嘴組成，下加熱由10 個側部調焰燒嘴組成，其中后部4 個具有間拔控制功能。 空氣預熱溫度最高550 ℃，煤氣預熱溫度最高350 ℃。 常規加熱溫度1 200～1 280 ℃，加熱時間60～180 min。

目前預熱段沒有加熱燒嘴，不能對入爐板坯從爐尾進行加熱，在生產薄規格或極限規格鋼材時加熱能力受限。另外，加熱燒嘴為普通的側部調焰、端部直焰和平焰燃燒結構，不屬于低氮燃燒燒嘴，不利于燃燒后廢氣超低排放。

2.2 應用雙蓄熱技術的可行性分析

朝陽鋼鐵熱軋廠常規步進梁式加熱爐于2010年10 月份點火運行至今，已進入大修或改造的觀察期，由于行業對能源和環保要求逐步提高，加之“雙碳”政策的出臺，有必要探索應用雙蓄熱技術的可行性。

（1）燃料合適

目前高爐煤氣量富裕 （2020 年放散率為7.50%），適合空、煤氣雙蓄熱改造，節省的焦爐煤氣可以用于發電等其他用途。 因此，可以將原有高、焦混合煤氣燃料改為純高爐煤氣，采用空氣和煤氣雙蓄熱的燃燒方式，蓄熱溫度≥1 000 ℃，進行多段燃燒的集中換向控制，燒嘴分布在兩側爐墻上，采用箱體形式對板坯上下加熱。采取強制排煙方式，排煙溫度≤150 ℃。

（2）空間滿足改造要求

原有加熱爐采用空氣和混合煤氣常規預熱的燃燒方式，必須在爐尾設置一段足夠長的預熱段，以滿足鋼坯加熱要求。 在爐子預熱段兩側由下降煙道與放置空、煤氣預熱器的煙道相連，通過煙閘將煙氣排入大氣。

可以將下均熱段“狗洞” 進行拆除改造，“狗洞” 即爐內的小炕，是安裝下均熱端部燒嘴的位置，用于均熱段下部加熱。將小炕的端部下均熱燒嘴改為均熱段兩側墻的上、下加熱燒嘴，可以方便布置雙蓄熱式燒嘴，爐子兩側有足夠空間的操作平臺供使用，有寬敞的位置安裝蓄熱式燒嘴和與其相連的空、煤氣管道、閥門、控制閥組件等。

采用雙蓄熱技術后，可以把原來的下降煙道及空煤氣預熱器拆除，將現有的預熱段增設雙蓄熱燒嘴，可以實現爐體尺寸保持不變的情況下在全爐長方向側墻上安裝蓄熱箱體供熱，增大了供熱段的長度，將只有一段的加熱段改造成了兩段加熱，提高了爐底熱負荷強度和加熱爐的產量。

（3）連鑄板坯自動跟蹤及加熱爐自動裝鋼系統升級改造可行性

由于現有兩臺鑄機分屬不同的網段，鑄機之間沒有通訊連接，連鑄板坯一、二級和二、三級數據無法實時跟蹤，連鑄三級到熱軋三級無法實時跟蹤，導致加熱爐無法自動裝鋼。

可以在兩臺鑄機PLC 間新增一臺通訊PLC，實現連鑄板坯數據實時采集，一、二級，二、三級板坯數據自動跟蹤功能，實現連鑄板坯的制造信息及跟蹤數據通過連鑄三級實時傳輸到熱軋三級，從而可以實現加熱爐自動裝鋼。 優化后可以提高連鑄及加熱工序自動化生產水平，減少人為操作錯誤，提高生產效率，為集控改造和人員優化工作夯實基礎。

設計范圍從加熱爐入爐輥道開始，入爐加熱，出鋼，鋼坯到達粗軋機入口溫度檢測點結束。預計實現功能有初始數據輸入，物料移動位置跟蹤，鋼坯加熱溫度計算和爐溫優化設定。 達到自動裝出鋼和自動二級燒鋼控制，完全實現加熱爐的自動控制，與公司智能化集控改造相適應。

（4）雙蓄熱技術應用的可行性

常規加熱爐通常設計有不供熱的預熱段作為回收煙氣余熱的主要手段，熱裝率和熱裝溫度都比較高的情況下，高溫爐氣與高溫鋼坯之間的溫度差相對較小，二者之間的傳熱也很少，這意味著爐氣將以很高的溫度從爐尾煙道通過閘板后經煙囪排出，雖有空、煤氣預熱器回收余熱，但效果有限，綜合排煙溫度依然很高，鋼坯熱裝率高的節能效果在常規加熱爐有限。

而采用雙蓄熱技術，無論冷裝還是熱裝鋼坯，煙氣都是以低于150 ℃通過引風機經過煙囪排出，不受冷、熱裝鋼坯變化的影響。 當鋼坯熱裝溫度比較高的情況下，高爐煤氣雙蓄熱的節能環保優勢更加顯著。高爐煤氣燃燒溫度低，采用雙蓄熱技術可置換出熱值高的焦爐煤氣用于其他工序。

朝陽鋼鐵通過熱裝熱送技術優化和加強管理后，明顯改善了煉鋼生產計劃與軋制計劃的一致性、鋼坯合格率指標及軋制工藝穩定性，鑄坯熱送熱裝率已經達到了90%以上，為雙蓄熱技術的應用及加熱產能保障提供了先決條件。

2.3 雙蓄熱技術生產應用預測

（1）降低能耗

雙蓄熱和常規加熱爐能耗對比如表1 所示。由表1 看出，在鋼坯冷裝情況下，雙蓄熱技術與常規燃燒技術節能效果相差很小，鋼坯熱裝溫度越高，雙蓄熱技術的節能效果越明顯。

表1 雙蓄熱和常規加熱爐能耗的對比Table 1 Comparison of Energy Consumption GJ/t

（2）縮短板坯待熱時間

加熱爐燃燒系統是采用雙蓄熱技術改造的重點。 雙蓄熱技術采用成熟的外置式燒嘴，該燒嘴特點為蓄熱體裝載量大，功率大，火焰長，特別適合朝陽鋼鐵熱軋廠的長板坯（板坯最大長度為15.6 m）加熱爐。為契合現有的長行程裝鋼機，一加熱段長度和燒嘴布置數量采用允許的極限值，因此，一加熱段可以靈活開啟，更適應冷坯和熱坯裝爐的不同加熱制度。采用雙蓄熱技術后，板坯進入爐膛就被加熱，待熱時間大大縮短，提高了加熱爐的加熱能力。 據統計，2020 年加熱爐全年待熱時間為60 661.8 min，折算成生產時間預計加熱能力可以提高5%～8%。

（3）降低氮氧化物的排放

雙蓄熱燒嘴采用蓄熱箱體和燒嘴磚左右組合式布置，每個空氣和煤氣燒嘴組成一個燃燒單元，采用低氮燃燒方式，可以滿足超低排放的要求。

（4）投資運維成本高

目前，常規加熱爐新建投資為6 000 多萬元，日常運行費用主要是更換前后裝出鋼爐門和空、煤氣預熱器。 在爐子有效尺寸不變的情況下，將常規軋鋼加熱爐進行雙蓄熱改造的投資約為6 500～7 200 萬元，運維費用主要是更換蜂窩體、爐子燒嘴磚、擋磚和維修換向閥等。與常規加熱爐相比，雙蓄熱加熱爐具有一次性投資造價和運行費用高等問題，但是該技術的不足可以通過節能環保效果來彌補。

2.4 雙蓄熱技術經濟效益預測

按照年產鋼240 萬t 計算，應用雙蓄熱技術經濟效益預測分析如下：

（1）降低煤氣消耗效益

雙蓄熱技術綜合煤氣消耗0.850 GJ/t，常規加熱爐煤氣消耗0.954 GJ/t，煤氣單價40.176 元/GJ，年降低煤氣消耗效益（A）計算如下：

（2）降低鋼坯氧化燒損效益

雙蓄熱生產鋼坯氧化燒損1.35%，常規加熱爐生產鋼坯氧化燒損1.45%，鋼坯價格2 483 元/t，氧化鐵皮價格718 元/t，年降低鋼坯氧化燒損效益（B）計算如下：

（3）減少碳排放量

高爐煤氣主要成分（體積分數）見表2，2020 年高爐煤氣放散量見表3。由表3 計算得出高爐煤氣平均熱值為3 237 kJ/m3，高爐煤氣放散量總量為19 802.19 萬m3。

表2 高爐煤氣主要成分（體積分數）Table 2 Main Compositions in Blast Furnace Gas（Volume Fraction）%

表3 2020 年高爐煤氣放散量Table 3 Dispersion Quantity of Blast Furnace Gas in 2020

加熱爐每年減排含碳溫室氣體量如下[2]：

式中，Vn為高爐煤氣的年放散量，萬m3，φ 為高爐煤氣中各成分體積比例，%；28、16、44 為CO、CH4、CO2的分子量，g/mol；22.4 為單位量氣體 體 積常數，mol/L。

采用雙蓄熱技術年減少碳排放量計算如下：

3 結語

雙蓄熱技術在鞍鋼集團朝陽鋼鐵有限公司1700 ASP 熱軋加熱爐上應用具有可行性。 應用該技術會大大縮短加熱爐待熱時間，預計加熱爐產能可提升5%～8%；能夠降低煤氣消耗和鋼坯氧化燒損，預計年創效益1 427 萬元；年減少碳排放量10 608.32 t，達到節能環保的目的。