節(jié)能高效熱風爐在河南海博瑞20萬噸/年特種功能納米二氧化硅項目上的應用

＊祁建春 孫志英 張玉廣,2

（1.河南海博瑞硅材料科技有限公司 河南 454650 2.上海志承熱工設備有限公司 上海 200120）

前言

河南海博瑞年產(chǎn)20萬噸特種功能納米二氧化硅工程項目是河南省濟源市人民政府支持的納米材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點項目，是河南大學完全自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)孵化的產(chǎn)業(yè)化納米材料項目，同時也是河南濟源鋼鐵（集團）有限公司戰(zhàn)略性投資項目。該項目總投資15億元，分三期進行建設：第一期建設3萬噸生產(chǎn)線，投資2.5億元；第二期建設7萬噸生產(chǎn)線，投資5億元；第三期建設10萬噸生產(chǎn)線，投資7.5億元。項目一期工程建設于2019年9月7日奠基開工，2020年12月18日竣工投產(chǎn)。工程項目總設由在國內(nèi)沉淀法二氧化硅生產(chǎn)方面具有豐富實踐經(jīng)驗的專業(yè)設計單位中國輕工業(yè)長沙工程有限公司承接。本項目中二氧化硅的生產(chǎn)工藝路線采用河南大學開發(fā)的專有工藝路線，該工藝采用液相原位表面修飾技術(shù)，研發(fā)的特種功能二氧化硅項目經(jīng)歷實驗室研究、小試試驗、中試試驗、工程技術(shù)驗證，產(chǎn)品滿足市場需求，技術(shù)達到國內(nèi)先進水平。項目產(chǎn)品為特種功能納米二氧化硅，采用硫酸沉淀法，工藝技術(shù)路線、生產(chǎn)設備均屬于國內(nèi)先進水平，工藝過程穩(wěn)定可靠。本文中所談到的高效節(jié)能熱風爐主要為干燥設備提供熱源，熱風爐以液化天然氣為氣源，熱風爐系統(tǒng)是成品干燥工藝重要組成部分，又是其中的關(guān)鍵工序，該系統(tǒng)運行的好壞直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量的高低，生產(chǎn)成本的控制程度，以及廢氣外排考核環(huán)保是否達標的一項重要指標。

1.工藝流程

20萬噸/年特種功能納米二氧化硅工程項目工藝流程如下：

圖1 20萬噸/年特種功能納米二氧化硅項目工藝流程圖

2.問題的提出

(1)項目背景

河南海博瑞硅材料科技有限公司新上一套年產(chǎn)3萬噸白炭黑設備，采用噴霧干燥生產(chǎn)工藝，霧狀物料在干燥塔內(nèi)經(jīng)550～750℃高溫熱風干燥后形成成品。現(xiàn)需要為噴霧干燥塔配置一套天然氣直燃熱風爐系統(tǒng)：系統(tǒng)熱源采用天然氣，熱值8500kcal/Nm3，加熱功率19200kW，工藝冷風量6～7.2萬Nm3/h，氮氧化物排放要求：≤30mg/m3@3.5% O2基準氧含量，燃燒效率：≥99.9%。該系統(tǒng)需采用工業(yè)上廣泛應用的直燃式加熱技術(shù)方案，將線形燃燒器模塊直接布置于風道之中，天然氣通過安全控制閥組裝置進入線形燃燒器模塊點火穩(wěn)火，燃燒產(chǎn)生的熱氣體直接加熱經(jīng)鼓風風機及引風風機送入風道的冷空氣，在風道中充分混合，形成溫度可調(diào)的均勻熱風，經(jīng)風道輸送至噴霧干燥塔，在噴霧干燥塔內(nèi)干燥物料之后攜水蒸氣排放至大氣中。

(2)制造商選定

通過分析對比，線形燃燒直接加熱是目前針對該工藝最高效的加熱方法。經(jīng)過市場調(diào)研，用戶使用情況技術(shù)交流，以及熱風爐生產(chǎn)廠家的裝備制造水平，業(yè)績情況等進行綜合評定，最終決定熱風爐系統(tǒng)的設計制造安裝項目由上海志承熱工設備有限公司承接。在燃燒器的選型上工程項目指揮部做了大量市場調(diào)研，最終選用美國霍尼韋爾—麥克森品牌燃燒器，該公司的燃燒器在行業(yè)內(nèi)和工業(yè)燃燒領(lǐng)域處于技術(shù)領(lǐng)先地位，采用特殊燒嘴形式和配風結(jié)構(gòu)，通過縮短火焰長度、燃氣與空氣預混合等多種技術(shù)措施，降低燃燒火焰溫度（約1000℃），避開大量產(chǎn)生氮氧化物溫區(qū)（1400℃），從而達到低氮燃燒效果。

3.熱風爐系統(tǒng)總體設計

(1)主要技術(shù)指標及設計要求

熱風爐出口氣流溫度：550～750℃，可連續(xù)調(diào)節(jié)。

工作方式：連續(xù)運行，每天運行最大24h。

控制方式：本地控制可實現(xiàn)燃燒器系統(tǒng)獨立運行，并可在總控系統(tǒng)遠程調(diào)度下實現(xiàn)全自動運行控制與安全聯(lián)鎖（DCS）。

氮氧化物排放要求：≤30mg/m3@3.5% O2基準氧含量。

燃燒效率：≥99.9%。

熱風爐數(shù)量：1臺。

助燃風機風量：28800Nm3/h。

燃燒器最大功率：19200kW。

天然氣熱值：8500kcal/Nm3。

天然氣壓力：1～3bar。

(2)總體設計

①系統(tǒng)性能優(yōu)良、技術(shù)成熟、操作方便、控制容易、配置經(jīng)濟合理、安全、低耗。

②系統(tǒng)的設計符合國家、行業(yè)、制造廠商所規(guī)定的設計標準和規(guī)范。系統(tǒng)設計壽命為10年。

③設計時安全問題放在首位，包括全系統(tǒng)安全防護的總體設計、安全聯(lián)鎖保護與監(jiān)控系統(tǒng)設計，滿足國家相關(guān)安全評估要求。

④系統(tǒng)總體工藝布局、控制系統(tǒng)設備布置及布線、供配電系統(tǒng)等統(tǒng)一綜合設計，確保系統(tǒng)的安全、可靠、先進、經(jīng)濟和美觀。

(3)熱風爐設計

①采用直燃式線形燃燒加熱方案，將燃燒器直接布置在熱風爐內(nèi)部，盡可能減少設備體積，提高空間利用率。

②根據(jù)噴霧干燥塔性能指標要求，設計出相應的燃燒器熱風爐加熱方案，具體包括加熱器主要技術(shù)參數(shù)、加熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)、燃料性能及配比、燃燒效率、溫度場均勻性、控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能、安全運行監(jiān)測系統(tǒng)等，并對幾個典型工況下加熱器的性能進行評估。

③為保證熱風爐使用壽命要求，熱風爐高溫段采用310S不銹鋼材料，爐體過流部分采用304不銹鋼材質(zhì)。

④為方便燃燒器布置以及施工、維護保養(yǎng)，提高使用壽命，采取成熟雙層熱風爐技術(shù)，熱風爐截面形狀采用圓形結(jié)構(gòu)。

⑤為防止因燃燒導致風道外壁溫度高而發(fā)生燙傷等事故，需對整個熱風爐進行保溫。

(4)助燃風機選型

①依據(jù)系統(tǒng)的總體技術(shù)要求，對風機的參數(shù)進行設計計算，為風機的性能評估和選型提供參考。

②依據(jù)加熱器的結(jié)構(gòu)型式、流量以及差壓需求，對風機進行選型，對風機轉(zhuǎn)子、軸承、電機等關(guān)鍵部件，需要給出結(jié)構(gòu)型式、材質(zhì)、型號等技術(shù)參數(shù)，同時也要給出風機設備的風壓、風量、功率、性能、結(jié)構(gòu)、重量等關(guān)鍵參數(shù)。

③考慮到整個系統(tǒng)中，風機的噪聲占較大的比重，有效降低風機噪聲，對抑制系統(tǒng)噪聲有非常大的幫助。因此，風機選型過程中，要充分考慮風機的噪聲水平以及風機抑制噪聲的策略和措施。

圖2 燃燒器工作原理流程圖

(5)燃燒器的設計選型

依據(jù)熱風爐總體設計要求，選用霍尼韋爾-MAXON高效節(jié)能燃燒器。

(6)控制系統(tǒng)設計要求

①控制系統(tǒng)具有較高的可靠性、實時性、使用操作和維護的方便性。

②本系統(tǒng)的控制系統(tǒng)屬于噴霧干燥塔控制系統(tǒng)下屬分系統(tǒng)之一，在總控系統(tǒng)能完成本系統(tǒng)的自動運行控制與安全聯(lián)鎖，運行過程能實現(xiàn)全監(jiān)控。天然氣燃燒器控制系統(tǒng)放置于干燥車間操作室內(nèi)，同時與換熱風機及引風機連鎖。

③系統(tǒng)監(jiān)測對象主要包括用于流場壓力、溫度測量的檢測設備和用于流量、壓力調(diào)節(jié)的各種控制設備，以及風機、燃燒器的運行狀態(tài)監(jiān)測等實時監(jiān)控等。

④控制柜具有完善的操作按鈕，功能上包括：控制柜門上設置必要的急停按鈕、本地/遠程操作切換開關(guān)、復位按鈕、指示燈等，可通過DCS遠端控制。

⑤控制柜所有元器件，如開關(guān)、指示燈、按鈕、接線端子等，選用品牌產(chǎn)品，如西門子、施奈德等。

⑥柜內(nèi)元器件布局、線纜走線科學、合理，配置足夠的備用繼電器、端子、開關(guān)等元器件，強弱電接線端子分開布置并設計專用接地端子。

4.系統(tǒng)分析

(1)可靠性分析

系統(tǒng)是要按照長久使用標準進行設計，燃燒室采用不銹鋼材料，燃燒器本體為全不銹鋼，天然氣管道采用無縫碳鋼管，核心閥門儀表選擇進口高性能產(chǎn)品，控制柜采用不銹鋼防水設計，保證主體設備使用10年壽命。燃燒器點火控制按照行業(yè)標準執(zhí)行，燃燒器是專利產(chǎn)品，能夠做到一次點火成功，正常運行不熄火，故障熄火能切斷，能夠保證24h連續(xù)運行，故障率低，運行穩(wěn)定可靠，自動化程度高。系統(tǒng)設備的所有信號接入DCS系統(tǒng)，在總控室進行實時監(jiān)測和遠程操控。

(2)空氣加熱器的核心部件燃燒器的可靠性

①一次點火成功率是可靠性重要指標，采用引導火模式，這種點火方式在工業(yè)上是最可靠的模式，先點一路引導火，功率不大，這個小火穩(wěn)定建立之后，再點燃主火焰，等主火焰穩(wěn)定建立之后，引導火關(guān)閉。

②火焰檢測的實施性和故障反饋性是可靠性的另一個重要指標；采用自檢式紫外線火焰探測器，此種探測器在化工領(lǐng)域常年連續(xù)運行的燃燒器上會采用，它有如下特點：自檢功能，光電管是把火焰中的紫外線信號轉(zhuǎn)換成電信號的設備，遮擋片是一個定時進行光線遮擋的撥片，類似于眼皮眨眼的效果。自檢的流程是：隔一定的時間，遮擋片會遮住外界射來的紫外線一定的時間，光電管在這段時間是看不到紫外線的，過了這段時間遮擋片打開，光電管可以看到紫外線。火焰檢測光電管在該看到火焰時能看到火焰，不該看到火焰時看不到火焰，視為正常；除此以外都不正常，提醒火檢是否工作正常。

③安全關(guān)斷閥，金屬密封，快速關(guān)斷，關(guān)閉時間小于1s，氣動，防爆，防水。此閥門是國際上安全認證最齊全的，在燃燒器行業(yè)應用最高端的閥門，高可靠性，高安全性，長壽命。

霍尼韋爾-MAXON的安全關(guān)斷閥為美國在管道燃料和氧氣安全使用規(guī)范的最高標準，燃料安全關(guān)斷閥都通過美國FM認證。霍尼韋爾-MAXON安全關(guān)斷閥帶有氣動執(zhí)行機構(gòu)能在緊急情況下瞬間（少過1s）關(guān)斷燃料及氧氣的供應，確保系統(tǒng)的最高安全。高精度的金屬密封結(jié)構(gòu)防止泄漏，可連續(xù)無故障工作1,000,000次，升降式的開關(guān)動作使閥門具有自清潔的功能，直通式的閥體與閥芯結(jié)構(gòu)讓閥門有最大的流量系數(shù)，并且流體通過閥門的壓降極小。

④流量控制閥采用MAXON的高精度智能型流量控制閥，SMARTLINK?MRV閥門是適用于高精度，可再現(xiàn)，防篡改，耐久性強的工業(yè)用燃燒系統(tǒng)的并聯(lián)位置控制系統(tǒng)。可再現(xiàn)的流量控制以實現(xiàn)最佳燃料的燃燒效率，并滿足嚴格的排放標準；減少燃料和氧氣的浪費。

⑤燃燒器高溫部分為耐溫材質(zhì)，接觸火焰部分材質(zhì)為310S。10年的使用壽命，各種工況切換，連續(xù)使用不停。

(3)安全性分析

燃燒器系統(tǒng)設計按照NFPA86的標準，對天然氣使用的各種安全隱患進行了規(guī)避，采用FSG控制進行自動點火，實時檢測火焰。

FSG控制系統(tǒng)在燃燒器系統(tǒng)的啟動、停止、正常運行過程中實時進行監(jiān)控的安全系統(tǒng)。它連續(xù)監(jiān)視與燃燒系統(tǒng)相關(guān)的各種參數(shù)和狀態(tài)，提供靈活可靠的控制操作，在事故工況下按照安全的順序自動操作，中斷向工業(yè)爐供給燃料，避免燃料在爐膛內(nèi)積聚，以防范爆炸等事故，保障工業(yè)爐的安全運行。

①預吹掃安全

燃燒器在點火前，必須有一段時間的預吹掃，把爐膛內(nèi)與煙道中的混合氣吹除，因為燃燒爐膛內(nèi)的混合氣很有可能是爆炸性氣體，如果未進行預吹掃而點火，會發(fā)生爆炸，所以必須把氣吹掃干凈，使其遠低于爆炸極限下限。我們規(guī)定吹掃時間是以新鮮空氣置換爐膛4次為最低限。

②自動點火安全

燃燒器采用自動電打火的方式點火，這樣安全可靠。我們使用高壓變壓器產(chǎn)生電弧點火，其輸出能量為：電壓大于6kV，電流大于15mA，點火時間一般為：2～5s。

③燃燒狀態(tài)監(jiān)控安全

燃燒狀態(tài)必須予以動態(tài)監(jiān)控，一旦火焰探測器感測到熄火信號，必須在極短時間內(nèi)反饋到燃燒控制器，燃燒控制器隨即進入保護狀態(tài)，同時切斷燃氣供給。火焰探測器要正常感測火焰信號，既不敏感，也不遲鈍。如果太敏感，燃燒狀態(tài)容易波動而產(chǎn)生誤動作，如果太遲鈍，則不利于熄火保護。

④點火失敗保護安全

燃燒器點火時，電打火產(chǎn)生，通入燃氣，引導火燃燒。如果點不著，火焰探測器感測不到火焰信號，程控器進入保護狀態(tài)。引導火點著，主火建立后，引導火關(guān)閉，火焰探測器感測不到火焰信號，說明主火沒有點著，程控器進入保護狀態(tài)。電打火產(chǎn)生，還沒有通入燃氣時，火焰探測器感測到火焰信號，說明在點火前發(fā)現(xiàn)火焰信號，程控器進入保護狀態(tài)。

⑤熄火保護安全

燃燒器在正常燃燒過程中，意外熄火，燃燒控制器進入保護狀態(tài)。

⑥燃氣壓力高低限位保護安全

燃燒的時候，燃氣壓力要保持在一個合理的范圍內(nèi)，如果超過或者低于這個范圍，那么我們認為對于燃燒來講是不安全的，并關(guān)閉燃燒器。

⑦助燃空氣不足保護安全

燃燒需要助燃空氣中的氧氣才能完全燃燒，如果助燃空氣量不夠或者停止，燃氣發(fā)生不完全燃燒會產(chǎn)生爆炸，因此我們設置了助燃風壓低保護。

⑧斷電保護安全

燃燒器系統(tǒng)的正常運行是建立在有電的基礎上，如果斷電，就意味著很可能有不安全的情況發(fā)生，所以關(guān)閉燃氣就是最安全的操作。

⑨預防燃氣泄漏事故的措施安全可靠

燃氣泄漏有2種情況，一是管道閥門內(nèi)漏到爐膛，二是連接點外漏到環(huán)境空氣當中；對于管道閥門內(nèi)漏，需要保證吹掃時間和放散閥門裝置的安裝；對于外漏到環(huán)境中，需要減少漏點和采用防爆選型或者假裝泄露報警器。

⑩超溫安全保護

燃燒爐膛的溫度不允許超過一定的安全溫度，這個安全溫度的設定是用來保護爐膛。如果超過了，快速切斷燃料。

6.運行存在的問題及優(yōu)化

經(jīng)過近一年的生產(chǎn)實踐，熱風爐系統(tǒng)整體運行良好，滿足整個生產(chǎn)工藝技術(shù)要求。但在生產(chǎn)過程中也存在一些問題，需要不斷完善和優(yōu)化。

(1)初期運行過程中出現(xiàn)的問題

①熱風爐供熱溫度未達到合同設計的750℃要求，在升溫過程中助燃風機共振現(xiàn)象時有發(fā)生。

②熱風爐系統(tǒng)在運行過程中時有突然熄火現(xiàn)象發(fā)生。

(2)問題分析、解決方案及其實施效果

①按照合同要求系統(tǒng)熱風溫度滿足550～750℃，實際運行在680℃，上線不達標。多次調(diào)試通過增加助燃風機風量以增加空燃比改變火焰頻率，但風機風量已達極限，在運行升溫過程中出現(xiàn)風機發(fā)生嚴重共振，對生產(chǎn)正常運行造成影響。后經(jīng)分析認為制約風溫繼續(xù)上升的卡脖子環(huán)節(jié)在于助燃風量的不足，同時也是造成系統(tǒng)共振的主要因素。為此，決定將助燃風機加大一個檔次，即電機功率由原來的90kW調(diào)整為110kW。經(jīng)過一個月的準備，利用停產(chǎn)檢修時機對助燃風機進行升級改造。經(jīng)半年的生產(chǎn)運行效果明顯，問題得到徹底解決。熱風溫度可在780℃穩(wěn)定運行，已滿足合同設計上線750℃的工藝溫度要求；另共振問題至風機升級改造后再沒發(fā)生過。

②從突然出現(xiàn)的熄火現(xiàn)象分析，主要是熱風系統(tǒng)火檢信號不穩(wěn)所致。燃氣熱值變化劇烈，造成空燃比變化劇烈，火焰信號不穩(wěn)定；同時在實際生產(chǎn)過程中也確實發(fā)現(xiàn)火焰信號比調(diào)試的時候弱了許多；提出以下解決方案：A.定期對uv火檢的鏡片進行清潔，尤其是在火焰信號低于2v的情況下；B.將現(xiàn)有的uv火檢的安裝位置縮短20cm；C.增加一個uv火檢和現(xiàn)有火檢并列，確保兩個火檢的信號中最強的信號送給程控器，保證將來不會輕易熄火。以上對策實施后，連續(xù)5個月運行熄火問題得到有效解決。

7.結(jié)語

河南海博瑞納米特種功能二氧化硅工程項目于2020年12月18日順利完工，經(jīng)三個月試運行，十個月的連續(xù)生產(chǎn)，2021年全年共生產(chǎn)納米二氧化硅12000t，產(chǎn)品遠銷山東、河南、江蘇、浙江、上海、廣東等省，用戶多達100余家。實現(xiàn)了當年達產(chǎn)達效的良好運行效果。

經(jīng)過一年來的生產(chǎn)運行實踐證明，由上海志承熱工設備有限公司承接的熱風爐供熱系統(tǒng)項目，應用效果良好，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）熱風爐系統(tǒng)總體工藝設計先進、合理，設備選型合理，現(xiàn)場布局緊湊；熱風爐運行效果良好，燃燒器采用霍尼韋爾麥克森（MAXON）專利技術(shù)，運行安全可靠。

（2）控制系統(tǒng)具有較高的可靠性、安全性、實時性以及使用操作和維護的方便性。

（3）主要技術(shù)指標滿足工藝設計要求，熱風爐節(jié)能、高效，且效果顯著，系統(tǒng)供熱溫度在750℃以上，且天然氣噸消耗指標遠遠低于同行業(yè)平均值，達到國內(nèi)先進水平。全年能耗指標僅天然氣一項效益可觀。

（4）廢氣外排滿足環(huán)保達標排放要求。干燥粉塵、熱風爐廢氣，采用了低氮燃燒+袋式除塵器工藝技術(shù)，廢氣經(jīng)25m高排氣筒排放。經(jīng)安裝在線監(jiān)測設備連續(xù)6個月監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示的三項指標實測平均值：顆粒物3.194mg/m3、SO21.49mg/m3、NO27.53mg/m3，遠低于《無機化學工業(yè)污染物排放標準》（GB31573-2015）大氣污染物特別排放限值10mg/m3、100mg/m3、100mg/m3的指標要求。

節(jié)能高效熱風爐在河南海博瑞20萬噸/年特種功能納米二氧化硅工程項目上的成功應用，為下一步二期三期工程項目建設提供了強有力的技術(shù)支撐。同時上海志承熱工設備有限公司承接的熱風爐專項技術(shù)將會在白炭黑行業(yè)得到更加廣泛的應用。