摘 要:介绍了本溪钢铁集团公司特钢厂蓄热式烧嘴步进梁式加热炉的特点、技术性能参数及对该炉的控制和管理情况,并介绍了蓄热式燃烧系统的主要特征。该炉投产后,加热能力、加热质量大幅提高,氧化烧损及煤气排放量大幅降低。
关键词:步进梁式加热炉;燃烧系统;蓄热式烧嘴
1 加热炉的特点
本溪钢铁集团公司特钢厂新建2座单(双)排装料、加热能力为120t/h(冷料)的步进梁式加热炉。该炉采用先进的高温空气蓄热式燃烧技术。
1.1 采用新型空气单预热蓄热式烧嘴
采用新型空气单预热蓄热式烧嘴,燃烧组织更优化,可在钢坯上下表面形成微还原性气氛,减少氧化烧损;采用允许工作温度达1600℃的高级蜂窝状蓄热体材料,传热特性好,使用时间长;烧嘴的金属部件远离高温区,烧嘴使用寿命长,维护工作量少。
1.2采用多段炉温控制系统
炉温控制分为均热段、第1加热段和第2加热段,各段之间用隔墙隔开,可灵活、准确地控制各段炉温和空、燃比,实现各种加热工艺和炉温制度,使燃料燃烧过程更加可控,提高燃料利用率。换向系统也相应分为3段控制,还可分成更多的组段错开换向,使换向对炉温、炉压以及空煤气系统压力的波动影响减小。
1.3具有多种节能措施
(1)采用高效蓄热式预热技术,可将助燃空气预热到1000"C以上,排烟温度降至140℃;
(2)垫块的错位和采用高温Co合金垫块,有效减少了钢坯黑印,间接减少了燃料消耗;
(3)合理的炉内水梁支撑,力求减少冷却管的面积,同时水梁采用双层绝热包扎,以减少冷却水带走的热量;
(4)采用优化设计的复合炉衬砌筑结构,减少了散热损失,提高了炉子使用寿命;
(5)配备了先进的自动化系统,可集中控制管理加热炉各系统和整个加热过程,确保了空燃比和合理的炉压控制,提高了炉子的热效率;
(6)加热炉采用多段炉温自动控制系统,可灵活调节各区段的供热量,以实现最低能耗;
(7)采用高效液压系统,可节约能源,并具有轻抬轻放和安全自锁功能。
2加热炉的技术性能
该加热炉加热的主要钢种为低合金钢、碳结钢等,室温装炉。加热炉的有关参数见表1。
3 加热炉的控制与管理
加热炉为双排及单排布料,装出料方式为端进端出。钢坯从装炉、加热至出钢的整个过程中,钢坯的输送、测量、装料、出料、步进、物料跟踪及与轧机和连铸的数据信息交换,均通过炉区电控系统进行顺序、定时、联锁与逻辑控制,实现操作自动化和计算机管理。
该加热炉共设80只蓄热式燃烧器,每侧40只。燃烧器的总供热能力为23000m3/h,与冷装120t/h时所需的供热量相比,烧嘴装备能力富裕20%。供热能力分配见表2。
4 蓄热式燃烧系统
4.1 燃烧系统的主要特征
4.1.1新型组合式烧嘴
新型组合式烧嘴是一种结构合理、性能优越的蓄热式烧嘴,其空、煤气喷口为上下组合。烧嘴安装在炉膛上部时,空气喷口在上,煤气喷口在下,空、煤气流上下斜交混合;烧嘴安装在炉膛下部时则反之。空气预热到很高温度时(如1000℃以上),空、煤气混合燃烧会产生很高的燃烧温度,为避免产生局部高温区,及高温下产生过量NOx,不能让空、煤气流即时充分混合,而应逐渐扩散弥漫燃烧,即空、煤气混合燃烧要有一个适当的过程,在此过程中,与钢坯表面接触的气氛是还原性或微还原性的,钢坯不易被氧化。另外,高温空气燃烧机理不同于一般燃烧,其燃烧速度非常快,因此逐渐扩散弥漫燃烧不会在炉内形成不完全燃烧。
组合式烧嘴的空、煤气喷口是扁平的,因而燃烧形成扁“火焰”(实际上高温空、煤气燃烧在炉温高的情况下没有明显可见的火焰),这有利于对钢坯的均匀辐射传热。烧嘴在后端盖设有装卸蓄热体的检修门,以方便更换蓄热体。
每个烧嘴的空、煤气管上都装有阀门,烧嘴调节灵活方便。一排或上下烧嘴的负荷,可根据炉子实际工况,灵活调节。组合式烧嘴结构紧凑,在炉子上布置方便,尤其是在步进梁式加热炉上使用这种烧嘴,可避免火焰直对步进梁立柱。
这种烧嘴用在轧钢加热炉上,可显著减少钢坯的氧化烧损,减轻炉子清渣工作量,也可减少脱碳,提高钢坯的加热质量。
4.1.2新型蓄热体
组合式蓄热式烧嘴的蓄热体采用陶瓷蜂窝体。其传热能力比小球大4~5倍,气流阻力只有小球的1/3。用换向周期40~80s设计蓄热体的蓄热能力和传热能力较适当,如果换向周期过短(如20~30s),换向过于频繁,影响换向阀的使用寿命,换向造成的煤气损失也多;如果换向周期过长(如120~180s),则排烟温度和空气预热温度波动范围大,平均预热温度较低,综合换热效率较低。
采用蜂窝体,蓄热室体积小,烧嘴结构紧凑,使在较小的炉侧钢柱间距内(如1160mm)
布置一个烧嘴成为可能,整个炉子也才有可能布置足够数量的烧嘴,以满足供热负荷的需要。
蜂窝体比小球更不易堵塞,原因是蜂窝体内的气流通道是直通道,在高速气流正、反吹作用下,灰尘不易在通道内积存。而小球蓄热室内的气流通道为迷宫式,气流中夹带的尘粒较易在小球表面附着导致通道堵塞。
采用耐高温(1600℃)、抗热震性好、使用寿命长的莫来石材料,寿命可保证1年。
4.1.3 采用小型三通换向阀的分散换向系统
使用大型四通阀时,称为系统集中换向,而使用小型四通阀和小型三通阀时,则称为系统分散换向。
集中换向有明显的缺点。从换向阀到各个烧嘴,有很长和直径较大的管路,换向时积存在管道内的空气(或煤气)与烟气互相置换,置换过程中,炉内停熄燃烧。因管路大而长,故置换过程长,炉内停熄燃烧的时间也长(7~12s),造成炉温波动较大。集中换向还造成空、煤气压力和炉膛压力波动较大。空、煤气双预热时,如果集中换向,煤气损失达3%~5%。
每个烧嘴(或上下两个烧嘴)安装1个小型换向阀,组成分散换向系统,可克服集中换向的缺点,换向时炉内停熄燃烧时间可减少到1.5~2s,换向煤气损失可减小到0.5%以下。
分散换向,采用小型三通阀优于用小型四通阀。因为采用小型四通阀只能进行同侧相邻两个烧嘴换向,这种换向方式易造成高温烟气甚至未完全燃烧的气体被短路排出,造成炉宽方向温度不均,燃料燃烧的热量利用不充分。采用小型三通换向阀则可以实现炉子两侧相对烧嘴间的换向,可完全避免同侧相邻烧嘴换向的缺点。
同时,三通换向阀靠近烧嘴,换向阀与烧嘴之间的连接管道短而小,换向时炉内间断燃烧时间短,可使换向瞬间对炉温和炉压的影响降到最小。
生产过程中,当单个烧嘴发生故障时,可单独关闭烧嘴前的空气手动硬密封蝶阀,在线维修发生故障的烧嘴;当三通阀发生故障时,同样可关闭设在三通阀前的手动硬密封蝶阀,在线维修故障阀门,而不影响加热炉的正常生产:
加热炉各段每上下一对烧嘴共同使用一个空气三通换向阀,共有40个空气三通阀。
4.2蓄热式燃烧系统概述
4.2.1燃烧系统概述
蓄热式燃烧系统由蓄热式烧嘴、换向装置、煤气、空气和废气管路,管路上的调节阀门以及强制排烟装置等组成。
蓄热式烧嘴成对工作,二者交替变换燃烧和排烟工作状态,烧嘴内的蓄热体相应变换放热和吸热状态。通过蓄热体,出炉烟气的余热被转换成空气的物理热,而得到回收利用,烟气排出温度可降到150℃以下,空气可预热到1000℃以上,热回收率达到85%以上,温度效率达到90%以上。因此,不仅可节约大量能源,向大气排放的烟气量也大幅下降,有很好的环保效果。蓄热式烧嘴是该系统的核心。
先进的蓄热式烧嘴除能充分回收烟气余热外,还应具有良好的组织火焰、结构紧凑、安装维护方便、不使炉体结构复杂化等性能特征。换向装置是实现蓄热式烧嘴换向工作的关键设备,其应密封性好、工作可靠。合理配置系统管路和工艺阀门,才能使系统具有可调性和安全性。
4.2.2蓄热式烧嘴
组合式蓄热式烧嘴的优点:
(1)煤气和空气通道截然分开,没有窜气的可能,十分安全。
(2)可在钢坯上下表面形成还原性气氛,减少了氧化和脱碳。
(3)炉墙结构与普通加热炉相同(无需加厚),对筑炉材料施工、烘炉操作等无特殊要求,
不会因浇注料炉墙出现裂缝而造成空、煤气相窜,从而消除了安全隐患。
(4)易分段供热,各段热负荷调节方便,可以按照加热工艺需要,灵活调节炉温制度。同一段中上、下部烧嘴的供热量也可调节,便于改变上、下热负荷分配,从而减少钢坯上下表面温差。
(5)可直接冷炉点火升温。
(6)能在炉下部侧墙开扒炉渣炉,可及时清理氧化铁皮,减少停炉打渣时间,这是炉墙通道式和外置蓄热室炉无法做到的。