中国材料科技与设备(双月刊) 蓄热式加热炉热工测试分析与技术改进 2013年・第4期 蓄 热式加热 炉热工测试分析与技术改进 毕仕辉卜,王帅 ,赵爱华 (1.鞍钢集团_T程技术有限公司,辽宁2.鞍钢股份炼钢总厂,辽宁鞍山 114021; 鞍山 114021) 摘要:蓄热式燃烧技术的突出优点是通过回收余热合理利用低热值煤气以提高企业能源利用率,同时可最大限度地减 少污染物的排放。某些厂矿的加热炉经蓄热式燃烧技术改造后存在有很多缺陷,严重影响了燃烧工况与产量。通过热工测 试,对在线设备运行参数进行分析,可有的放矢地对加热炉进行技术改进。 关键词:加热炉;蓄热式燃烧;热工测试;技术改进 中图分类号:TF062 文献标识码:A 0 引言 蓄热式加热炉以其高温空气燃烧的节能技术而被广泛 推广应用,尤其是在中小型企业和使用低热值燃料的厂矿 中应用更多。但经工业调查,普遍存在炉膛压力波动大, 维修不及时,故障频发,进一步恶化了炉况; (4)由于采用了全分散换向系统,使管道设计复杂, 造成炉子维护、检修困难; (5)炉况不可控,氧化烧损大。 为了解决蓄热式加热炉普遍存在的通病,借助热工测 试手段,结合同行业蓄热式加热炉的调研及典型设备运行 参数的分析,有针对性地对蓄热式燃烧系统进行改进,收 到了良好的效果。 换向阀故障多,炉体密封性差,煤气泄漏等缺陷。加热炉 的频繁事故导致生产率低,严重影响产品的产量与质量, 鞍钢炼钢总厂一工区蓄热式加热炉便是其中一例。主要问 题是: (1)炉内炉压偏高,炉头、炉尾及烧嘴缝隙等处冒火 严重; 1 测试与分析 1.1测试过程及结果 2009年1O月29日,在正常生产丁况下,对炼钢总厂 1#蓄热式加热炉进行了全面的热工测试,测试数据记录如 表1。 (2)设备性能有缺陷,煤气泄漏严重;燃烧工况组织 不合理,导致炉内燃烧不完全,能耗上升,产量不达标; (3)由于蓄热体、换向阀及控制元件等关键设备维护、 表1测试数据记录表 *作者简介:毕仕辉(1967一),男,工学学士,高级工程师,主要从事冶金加热炉设计、研究、工程总承包等方面的研究。E mail:anshanb6@sina.corn http f| R .cmasteq.COITl・69・ 2013年・第4期 技术与研究 中国材料科技与设备(双月刊) 空气人蓄热室温度 空气入炉温度 空气量 空气压力 热电偶 计算 现场仪表 压力变送器 烟气分析仪(340型烟 m3/h KPa 40 767 25186 9.6 成分含量 预热段 C()2/ 20.62 21.14 2O.72 CO/ppm S02/ppm NO/ppm O2/% 68 718 381 7 1.5 5 63 40 55 2.5O 1.11 2.43 炉气成分 气分析仪,TEST0德国 德图,广州市渝通商贸 有限公司) 加热段 均热段 预热段 968 1158 炉气温度 现场仪表 ℃ 加热段 均热段 均热段炉压 电子微压计TEST() Pa Pa Pa 29 4 1122 加热段炉压 预热段炉压 (506—3型差压仪,深 圳市德国远大仪器有限 公司有限公司) 25(靠进料炉门处两组烧嘴没工作) C02/%C()/ppm SO2/ppm N()/ppm O2/% 503 a 出蓄热室烟气成分 烟气分析仪 19.53 ● I 0 341 31 2.96 出蓄热室烟气温度 烟气流量 热电偶 ℃ 州 州 ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ 成分反推 超声波流量计 现场实测 孔板 压力变送器 热电阻 炉墙 54557.2(含有泄漏煤气) 2.9 21 冷却水流量 汽化冷却入口水温 蒸汽产量 4170 蒸汽压力 蒸汽温度 932 170.8 170/250 121 m2 面积 m2 面积 m2 面积 rna 面积 43.68 46 65.5 69 65.5 69 炉 体 表 面 积 均热段 炉顶 炉墙 加热段 红外测温仪(红外测温仪 3ITESTO德国德图,广州 市渝通商贸有限公司) 116/233 113 106/182 及 温 度 ION. '炉墙 面积 m m2 面积 预热段 炉顶 查设计图纸 110 O.58×8.2 炉门开启时间 溢气孔尺寸 炉 门 溢 现场实测 现场实测 烟气分析仪 烟气分析仪 现场实测 开门6,闭门6,全开36 2.87 1000 8.5 溢气温度 溢气压力 开启时间 炉气成分 排烟总管 36(有效值) 成分取均值(同上) ℃ 71 气 烟气分析仪 ・70・http:}| R咖.cmasteq.c帆 蓄热室外壁面积及温度 面积/m2 4.96 均热段 面积/m0 4.96 面积/ra 21.2 面积/m2 7.44 加热段 红外测温仪 面积/rn2 7.44 面积/m2 31.78 面积/m2 7.44 预热段 面积/m2 7.44 面积/m2 31.78 1.2热平衡计算 高达245×4.18kJ/m3,说明该烟气管道中有煤气混入,因 1.2.1煤气废气管道后的烟道中混入煤气的说明 该部分混入煤气并未参与燃烧反应,其物理热和化学热均 测试中发现煤气废气管道后的烟道中烟气的平均热值 不能计入热收入项。煤气废气管道后的烟道中烟气的测试 结果列于下表2、表3。 ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ 表2煤气废气管道中烟气成分表 顶底侧顶底侧页底删 下 f 下 下 下 下 下 下 L\l _\ L 一~一一一~一帆一 1.2.2热平衡计算基本参数的确定 的煤气量: 煤气废气管道后烟气管道中烟气流量: L 一 。/h一7322m。/h Lmf=3600SV=3600 x车×1.42 ×5.78= 实际参与燃烧的煤气量: 26349.2m。/ B一32000—7322—24678rn。/h 煤气废气管道后烟气管道中烟气的CO量: 1.2.3热平衡计算 Lm=7.27%×26349.2m0/h一1915.6m0/h 将热收入、热支出各项计算结果列入热平衡表4中。 根据入炉煤气中C0含量,计算得此部分烟气中混入 表4加热炉热平衡表 http //w ̄:w.cmasteq.f啪・71・ 中国材料科技与设备(gX月刊) 蓄热式加热炉热工测试分析与技术改进 2o13年・第4期 1.3.3排烟温度高,烟气利用率低 现场实测出蓄热室烟温为341~35O℃,烟气利用率仅 为33.21 ,造成烟气带走的热损失高达2O.O9 ,远高于 5 ~8 的平均水平。分析其原因: (1)蓄热体层数过少或蓄热体被烧坏导致蜂窝式蓄热 体利用效率下降。 (2)排烟手阀开度大,进气手阀开度小;或各段排烟 调节阀非正常工作。 乐,还需借助于副烟道闸板调节以改变炉门冒火、吸风等 现象。 4)炉子各段问设置隔墙可以在一定程度上避免烧嘴燃 烧换向时造成的炉压波动。且可使不同区段内炉温更加 均匀。 5)适当抬高上炉膛高度,增大炉气流通断面可有效缓 解炉压波动;引风机及排烟管道的能力留有足够的调节余 地,有助于炉压稳定调节。 6)为有效控制炉压,烧嘴设计需有足够的蓄热能力, (3)安装蓄热体的箱体内腔空隙没封堵,造成“短 路”,引起气流分布不均。 (4)挡砖安装不牢或已烧坏,会引起排烟温度上升。 1.3.4氧化烧损率高 氧化烧损率设计值为<1.O ,通过取样分析计算得到 氧化烧损率为1.213 ,严重超标。主要原因是由于加热 炉有大量煤气泄露到了烟道中,造成实际参与燃烧的煤气 量减少,反而空气大量过剩,破坏了空燃比。过剩空气巾 的氧和高温钢坯表面反应,增大了氧化烧损量。 1.3.5加热炉长期在偏离设计参数工况下运行, 造成炉膛热效率及炉子热效率偏低 该蓄热式加热炉理论供人的高炉煤气量约为32000m。/ h,由于泄漏,实际参与燃烧的煤气量约为24678m3/h,煤 气量的减少和空气量的相对增多,使得空燃比失调,炉气 温度偏低(加热段的炉气温度仅为1158 ̄C),加热钢坯温 度偏低(钢坯出炉温度为1093℃);测试加热炉的实际平 均产量为55t/h,与设计产量9O~120t/h(热装额定120t/ h)偏差太大,造成炉底强度仅为298.85kg/(m。・h),远 小于设计值600kg/(m2・h);导致该加热炉炉膛热效率仅 为18.O2 ,炉子热效率仅为24.o9 ,单位热耗为 1.59GJ/t(钢),综合性能不及普通的加热炉。 2 技术改进措施 通过上述热工测试结果分析,技术改进主要针对以下 几个方面: 2.1采取有效措施控制炉压正常,避免炉门冒火 保证炉头、炉尾不冒火且不吸冷风的工况条件是炉门口 下沿处于零压或微正压,或炉膛压力≤2O±3Pa(指炉顶测 压点处压力,依据炉顶测压点到炉门口下沿处距离确定)。 结合蓄热式炉炉气流动方向的压力制度、炉压波动以 及炉门逸气吸风的分析,提出以下解决措施: 1)增强炉门控制系统的灵活性;在控制好炉压的条件 下,减少炉门的开启时间和加强炉门和炉体溢气口处的密 封和维护。 2)针对热负荷小及炉门面积小的蓄热式炉,可以通过 适当加大引风机抽力改变炉门的吸风量和逸气量以调节 炉压。 3)加热炉高产及加大供热负荷时,随着炉气流量的增 加,炉气进出口的炉压差将更加显著。采取有效手段迫使 炉气出口面积大于进口面积,可解决压力波动大的问题。 因此,该工况下,不仅需要依靠引风机调节等手段缓解炉 增加蓄热室蜂窝体层数,避免加热炉 担心超温而不敢排 烟;蓄热室要有利于组织合理的气体流动,避免偏流,以 防烧坏蓄热体。 7)换向阀密封性及耐高温性能要可靠,可以保证换向 系统有序执行轮序换向,解决换向瞬间的压力波动。 8)提升燃烧控制水平,自动化控制系统具有单独的炉 压控制闭环回路,做到对炉压进行及时、准确、可靠的调 节和控制。 2.2煤气泄漏缺陷的改进措施 高炉煤气是无色、无味、剧毒、易爆的气体,环境空 气中CO浓度超标,对人身和设备安全会构成很大威胁。 同时,一旦蓄热室出现排烟异常(测试中, 蓄热室烟温 高达350 ̄C),泄漏至排烟管道的煤气可能被点燃,十分 危险。 图3显示了炉墙开裂时,高温烟气或煤气顺裂缝蔓延, 在炉内、外造成内混燃烧,打破了蓄热式正常的扩散燃烧 工况;炉皮板与烧嘴壳体的焊接缺陷处则在炉外形成火焰, 烧坏炉皮钢结构及炉外设备。同时,空、煤气在蓄热式烧 嘴内的内混燃烧对蓄热体的危害巨大,蓄热体一旦烧毁将 带来一系列恶化工况。 煤气泄漏的问题主要出现在换向阀与蓄热室门的密封 上,因此欲杜绝煤气泄漏需要在蓄热式烧嘴结构、蓄热体、 换向阀及施工安装密封质量等多方面给予重视。 2.2.1蓄热式烧嘴结构设计 蓄热式烧嘴本体为外覆钢板,内砌耐火材料的箱体结 构;箱体内堆放蓄热体,箱体外侧设置蓄热体放置门,以 便更换蓄热体,结构示意见图4。烧嘴与炉膛的连接是通 过烧嘴前端镶嵌的烧嘴喷口砖(示意图5)与炉墙砌体结 合密封与同定的(如图9所示)。 原加热炉的蓄热式烧嘴单元采用的是同一腔体上、下 组合式结构(见冈6),空、煤气在同腔体内上下分流。其 缺陷之一是易内混与泄漏,混合扩散燃烧不均匀;之二是 造成炉侧空、煤气管道及换向阀成倍增加,使炉前调节、 维护难以进行。 为了彻底杜绝空、煤气在烧嘴内出现混合,将烧嘴设 计成纯空气、纯煤气的独立腔体,使空、煤气单元间左右 混合。按所需的热负荷编排空、煤气单元的单喷口与多喷 口的交错布置。由于空、煤气烧嘴分开,中问由炉墙隔离 并加强密封,使空、煤气彻底失去了在烧嘴内部混合的 机会。 httpt l{ R㈨.crr ̄steq.corn・73・ 中国材料科技与设备(双月刊) 蓄热式加热炉热工测试分析与技术改进 2013年・第4期 回路,确保蓄热式燃烧系统始终以最佳空燃比燃烧和供热。 5)通过残氧分析仪进行残氧量闭环控制,在炉膛压力 稳定的炉况下,使炉内气氛维持为 一O.941.0的高温还 原性气氛,可以控制加热炉的不完全燃烧热损失和NOx污 3 加热炉改进的效果分析 炼钢总厂1#蓄热式加热炉改造后于2012年6月18日 投产,至12月20日近6个月的生产时间,通过统计单耗 及检测结果的对比可见节能效果明显。 2012年12月20日,对1#加热炉的热工检测结果见 表5。 染最小、热效率最高。 表5 2012年热平衡检测结果 热收人项 ∞L【j 4 乱 孤 热支出项 项目 一1 kJ/t 序号 1 项目 燃料燃烧化学热 。, n " ∞ ∞ 钢坯带出物理热 768961.68 ∞ 2 3 4 燃料带人物理热 空气带人物理热 钢坯氧化反应放热 号 烟气带出物理热 炉体表面散热损失 空/煤气管道散热 炉门及孑L洞辐射热 炉门及孑L洞逸气热 冷却水吸热 u 22358.11 38039.27 O.OO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 5 钢坯带人物理热 12287.60 147779.93 1O1491.27 34185.47 O.OO 汽化冷却吸热 化学不完全燃烧热 氧化铁皮带出物理热 其它热损失 合计 11366.55 46180.75 ll82650.64 分析结果如下: 1)生产能力:连续3个小时统计(双炉生产,节奏正 常),全热装,加热炉的生产能力为167t/h,好于设计 指标。 2)测试单耗为0。71GJ/t,好于设计指标。 。, 测试过程中炉门零压面实现炉压+3Pa,仪表压力30Pa以 下的目标。 6)加热炉的散热得到有效的控制,炉体表面散热仅为 3 左右。 L L o6 ∞ 3)通过对预热、加热、均热各段的烟气分析:各段出 参数的比较见表6及表7。鼬 ∞ ∞ 鼹 的 ∞ % ∞ 与改造前2009年加热炉热平衡检测结果的对比,关键 表7加热炉排烟成分比较 蓄热体的烟气成分指标基本一致,空气过剩系数为1.05, 烟气中氧含量为2~3 A,说明正常加热时炉内气氛为微氧 o化性气氛。排烟平均温度在9O℃左右,最高达110℃,满 足设计要求。 表6加热炉改造前后的能耗数据比较 对比结果表明:单耗由1.59 GJ/t降低至0.71GJ/t, 降低5O ;氧化烧损由1.213 下降至0.833 ,降低了 3O A;加热炉的溢气损失下降了8O ;通过合理的布置燃 o烧器及管路,炉体散热下降了4O%;最重要的是排烟成分 中的可燃成分明显降低,不完全燃烧损失和煤气内部损失 极小,炉四周的CO报警仪无泄漏报警,基本实现煤气零 泄漏的目标。 加热炉6~12月份(6个月)产量为272346t,高炉煤 气以单价11元/GJ计,仅节约煤气的年收益为:(1.59— 4)测试氧化烧损为0.833 。 0.71)×11×272346×2—527万元。 5)炉门溢气量控制较好,占整个排烟量的3 A左右。o 说明炉压控制通过副烟道的辅助调节,达到了预期效果; (下转79页) http://wanu.cmasteq.coln・75・ 中国材料科技与设备(双月刊) 顶灰环对旋风分离器分离特性的影响 2013年・第4期 The Upper Dust Ring Effect on the Properties of the Cyclone Separator TONGXi--lin ,SUNGuo--gang,XIABing,LIUBo (State Key Laboratory of Heavy Oil Processing,China University of Petroleum(Beijing),Beijing,102249,China) Abstract:Aimed to the phenomenon of upper dust ring escaped from the cyclone separator,adopt the measure of make a hole in the wall of vent pipe’s root so as to directly export the particles in the upper dust ring for learn more of the space distri— bution characteristics and particle size distribution characteristic in the circle space.The experiment have done with a hole in eight direction,by the change of the coarse yield to calculate the escape yield of the particles,and analysis the size distribution of the fine particles.It has been found that the escape quantity account to the upper dust ring uneven distribution in the space, and the purity of size grading and distribution is a dynamic equilibrium process.The experimenta1 data show that the yield dropped 0.37 ~5.5 and the pressure drop down 20.1Voo一40 in the same condition as cyclone separator.Maximum effi— ciency can reach 97.47%,the low pressure is 176.4 Pa. Keywords:Cyclone separator;Upper dust ring;Grading efficiency;Yield;Pressure drop {・} ・}_{・} ・}_{・}一暑・} ・} ・}斗} ・}斗}÷}_{_}÷}{・} .}÷}{・} ・}{・} ・} ・} ・}_{・} ・}_{・}斗}{・}_{・}_{・}_{・}斗}_{.} ・}÷} .}专.} ・}-{.}÷}÷} ・}_{・} ・}_{・} .} (上接75页) 4 结束语 通过对热工测试参数的分析,指导蓄热式加热炉的技 术改造行之有效。炼钢总厂l#加热炉改造实施后,加热 炉设备运行良好,炉压稳定,煤气零泄漏,有效提高了产 参考文献: [13蓄热式加热炉炉压特性的实验研究EJ].钢铁,2009,44 (7):85--89. [2]罗桂梅,张先明.梅钢3#蓄热式加热炉炉压的影响因素 分析[M].南京:工业炉.2011. [3]蓄热式连续加热炉炉膛压力问题研究[J].工业炉, 2008,30(oi):8—1o. 品质量与产量;具有显著的节能效益和大幅度降低烟气中 NO 排放的双重优越性。 Thermal Testing Analysis and Technical Improvement of Regenerative Heating Furnace BI Shi--huih,WANG shuai ,ZHAoAi--hua (1.Ansteel Engineering Technology Corporation Limited,Liaoning,Anshan,114021,China; 2.Angang Steel--making Plant,Liaoning,Liaoning,Anshan,114021,China) Abstract:The outstanding feather of regenerative combustion technical is that making use of heat recovery and using low thermal value coal gas reasonable and improving the level of energy in enterprise,reducing the excretion at the same time.It exists some bug after inducing regenerative combustion technic in some factory,which influenced the combustion performance and output of product.Under thermal test s guidance,to analyse the operation parameter of 0n—line equipment.which can improve the furnace’s capability effectively. Keywords:The heating furnace;Regenerative combustion;Thermal testing;Technical improvement http://w ̄nv.cmasteq.corgi・79・