空氣預熱溫度、過剩系數與燒嘴火焰特性和加熱爐節能 關系的研究與應用

李 棟

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 前言

安鋼1 780 mm 機組生產線設有3座步進梁式加熱爐，每座加熱爐燃燒控制系統配備有5種型號的燒嘴，數量為108 個/爐。其中，上均熱段30臺、下均熱段10臺、二上加熱段36臺、二下加熱段12臺、一上加熱段10臺、一下加熱段10臺。燒嘴的主要布置形式為平焰燒嘴和調焰燒嘴兩種。在實際生產運行過程中，因燃料熱值和爐溫工況的波動變化，各段燒嘴火焰特性出現了一些關鍵性的問題，主要體現在：（1）燒嘴火焰溫度過低；（2）燒嘴燃燒時火焰長度和剛度變化大；（3）燒嘴內燃料不能完全燃燒，鋼坯帶走的有效熱量過少，加熱爐燃料消耗偏高。筆者根據以上問題，結合該機組加熱爐燒嘴的相關技術參數，從生產運行操作過程及燒嘴設備本體開展了工藝技術研究，最終取得了較好的應用用效果。

1 1780機組加熱爐及燒嘴主要技術參數

安鋼1780機組加熱爐的爐體內砌尺寸為43 500 mm×11 700 mm，燒嘴燃燒所用的燃料是高、焦爐混合煤氣，燒嘴類型是“平焰+調焰”，燃燒控制段一共有6段，燒嘴的煙氣余熱回收方式為空、煤氣換熱器雙預熱。具體燒嘴的布置情況和燒嘴熱能力見表1。

在實際的生產運行中，由于混合煤氣燃料熱值一直在波動，使燒嘴的性能不能夠完全得以發揮，燒嘴出口流速發生變化[1]，燒嘴火焰中心溫度以及其火焰長度都沒有達到生產要求，因燒嘴內燃燒不充分，使鋼坯度方向的溫度受熱不均勻，鋼坯帶走的熱量偏少，而且影響工藝操作的穩定性，給穩定生產帶來了很大的影響。

2 研究方向的確定

為有效解決上述問題，決定開展空氣預熱溫度、空氣過剩系數對燒嘴火焰特性關系的研究，并依據研究結果制定出有效措施。同時，將提高操作人員新技術、新知識的學習能力和實際操作水平作為優化、完善加熱工藝制度的一項必要措施。

表1 各段燒嘴布置情況和燒嘴供熱能力

一般來講，空氣預熱溫度越高，煙氣余熱回收的物理熱量也就越大，燒嘴燃燒時火焰溫度會相應的升高，加熱爐煤氣消耗也會越低。另外，在理想條件下，混合煤氣完全燃燒時所必需的最少空氣量稱為理論空氣消耗量；在實際生產過程中，煤氣完全燃燒或不完全燃燒所需的空氣量稱為實際空氣消耗量。實際空氣消耗量與理論空氣消耗量之比稱為空氣過剩系數，空氣過剩系數值的大小會影響到燒嘴火焰的長短和火焰燃燒范圍。因而可以看出，燒嘴空氣預熱溫度和燃燒過程中的空氣過剩系數對加熱爐燒嘴燃燒有著很大的影響，對這兩方面的研究是開展加熱爐燃料節能方面的一個有效的方向。

2.1 空氣預熱溫度與燒嘴燃燒火焰溫度的理論關系

先確定燃料熱值Qd為2 300 Kcal/m3，空氣過剩系數值L0為1.15情況下，煙氣量Va即為3.73 m3/N3,煙氣平均比熱C產一般為1.578 K/m3℃，然后根據經驗公式分別理論計算出空氣預熱溫度tk在400 ℃、450 ℃、500 ℃、550 ℃時燃料的實際計算燃燒溫度。

經驗公式：

以空氣預熱溫度400 ℃為例，tr為330℃，Cr取1.55 kJ/m3℃；tk為400 ℃，Ck取1.328 9 kJ/m3℃；取α=1.15，將相關數值代入式（1）～式（4）計算得出T實=1 983 ℃。

通過上述理論計算，可以得出燃料熱值在2 300 Kcal/m3,空氣預熱溫度在400 ℃時，設定空氣系數α為1.15，則燃料實際計算燃燒溫度為1 983 ℃（該溫度是假定加熱爐完全絕熱的條件下理論計算得出）。在實際生產過程中，加熱爐存在約35%的熱損失，即燃料燃燒熱效率僅為65%，則在上述條件下，實際燃料理論燃燒產生的爐溫則為T實=1 288.95 ℃。

同理，可以計算出空氣預熱溫度分別為450 ℃、500 ℃、550 ℃時的實際計算燃燒溫度，分別1 309.7 ℃、1 331.2 ℃和1 352.5 ℃。

根據上述理論計算可知，加熱爐燒嘴內的空氣預熱溫度每提升50 ℃，燃料理論燃燒溫度增加約20.1～21.5 ℃。因此，盡量提高空氣預熱溫度，可以增加加熱爐燃料帶入爐內的物理熱量，同時可以有效提高燒嘴燃燒溫度和爐膛溫度。

2.2 空氣過剩系數與調焰燒嘴火焰長度的關系

調焰燒嘴中心風、煤氣和一次風混合后，形成一級燃燒狀態；一級燃燒的混合物與二次風混合，進入二級燃燒狀態。增加二次風的流量，會提高燒嘴火焰的噴出速度，增加燒嘴火焰長度[2-3]。

依據該理論，研究人員按照各加熱段設定的空氣過剩系數值（見表2），重點針對調焰燒嘴一次供風閥的供風量、二次供風閥的供風量、閥位比例以及燒嘴在爐體各加熱段的布置位置、距離與所占供熱段總供風量的比例關系進行了現場優化調整。首先優化統一設定一加熱段、二加熱段、均熱段不同的空氣過剩系數,然后單獨對每個加熱段不同功率的燒嘴上一次風閥、二次風閥和中心風閥進行分別調整。

表2 加熱爐各燃燒段空氣過剩系數控制

通過對不同加熱段、不同功率的燒嘴進行優化調整，當一加熱段燒嘴的過熱系數為1.15、二加熱段溫度燒嘴的過熱系數為1.05、均熱段過熱系數為1.0時，可以明顯增加燒嘴的火焰長度和強度，大大提升了燒嘴火焰的性能。

2.3 調焰燒嘴內腔中心風管本體結構問題的優化改進

HDN調焰燒嘴，由于取壓頭漏風、中心風噴頭與過渡管斷裂和噴頭方向等問題，導致調焰燒嘴燃燒時火焰長度和剛度不夠，爐內中心區域溫度場對鋼坯輻射強度和對流強度減弱，延長了鋼坯在爐內的加熱時間，降低了煤氣燃燒熱效率，增加了加熱爐煤氣消耗用量。各加熱段低 NOx 調焰燒嘴參數調整見表3。

表3 各加熱段低NOx調焰燒嘴參數調整

利用加熱爐停爐檢修期間，對燒嘴內的原中心風管本體中的過渡管材質和中心風噴頭尺寸進行了優化，優化前后的燒嘴內中心風噴頭如圖1所示。

圖1 燒嘴內中心風噴頭

3 應用效果

通過對加熱爐生產期間空氣預熱溫度、空氣過剩系數與燒嘴燃燒火焰特性關系的工藝技術研究和措施應用，達到了不錯的效果。

（1）依據空氣預熱溫度每提高50 ℃，燒嘴火焰溫度提高約20 ℃的理論。1 780 mm機組加熱爐在正常生產期間，將空氣預熱溫度由原來的500 ℃提高到了550 ℃，將煤氣預熱溫度由原來的280 ℃提高到了320 ℃，以此強化增加燒嘴燃燒期間的火焰溫度。

（2）通過對各加熱段燒嘴一次風閥、二次風閥的空氣用量及閥位優化調整、固定以及對調焰燒嘴內中心風管結構和材質的優化改進，調焰燒嘴火焰長度由原來的3～4 m增加到5～6 m，火焰燃燒速度、長度和剛度得到了有效增加，實際效果如圖2所示。

圖2 調焰燒嘴優化后的燃燒效果

（3）鋼坯在爐內表面加熱質量得到了進一步提升。通過對加熱爐進行熱平衡測試，發現鋼坯帶走的熱量從原來的40.4%提高到了45%，燒嘴內燃料燃燒完全，加熱爐煤氣消耗降低1.21 kgce/t，節能降耗效果明顯。

4 結語

通過開展空氣預熱溫度和空氣過剩系數對燒嘴火焰特性關系的研究，在混合煤氣波動較大的情況下采用調整空氣過剩系數、燒嘴中心風管及提高空氣預熱溫度等措施，可以有效提高加熱爐內鋼坯加熱質量。同時確保燒嘴內燃料的完全燃燒，從而提升燃料燃燒的熱效率，降低加熱爐燃料消耗，達到鋼鐵企業節能減排的目的。