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辊底式热处理炉技术改造 |
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作者：北京神雾热能技术公司 吴道洪 |
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摘 要：介绍了江西洪都钢厂辊底式热处理炉技术改造情况，论述了改造的效果，估算了经济效益，分析了存在的问题及解决办法，可供借鉴。
关键词：辊底式热处理炉；蓄热烧嘴式燃烧系统；技术改造效果；存在问题及解决办法分析。
江西洪都钢厂无缝钢管分厂1#热处理炉，始建于20世纪80年代，历经多次技术改造，目前的现状为有效长度20.585m，有效宽度1.624m，燃烧重油（换热方式旋流式），热处理普碳钢和低合金钢钢管，端进端出料辊底式连续热处理炉。随着生产规模的不断扩大，产品规格的越来越多和对产品质量要求越来越严，该座炉子不论生产量和质量方面都不能满足生产发展的要求，因此，于2001年7月开始筹备对该炉再次进行大修技术改造，经对多种方案的探讨、研究和比较，最后确定了采用北京神雾热能技术有限公司的蓄热烧嘴式高温燃烧系统对该炉进行技术改造。2002年5月竣工投产后，至今已4个多月，运行基本正常稳定，达到了预期设计技术要求。
1 技术改造前概况
技术改造前炉体总图见图1。
图1 技术改造前炉体总图
设计正常生产时的主要工艺参数见表1表1 炉子技术性能表
 2 技术改造主要内容
技术改造后炉体总图见图2 
图2 技术改造后炉体总图
2.1 燃油改燃煤气
根据总厂已建成Ø3m空气——蒸汽煤气发生炉一座，煤气产量6500～7000Nm3/h，发热值5235～5445KJ/Nm3，有条件实现“以气带油”，因此，由燃烧重油改为燃烧发生炉煤气。
2.2 采用蓄热烧嘴式燃烧装置，实现空气和煤气双预热
蓄热式燃烧装置又称蓄热式高温燃烧烧嘴。目前在大多数的热处理炉上，常用传统式烧嘴，如焦炉煤气高压喷射式烧嘴，高炉煤气、混合煤气或发生炉煤气低压套管式和涡流式烧嘴等。上述烧嘴，虽然也用燃料燃烧后的烟气余热来预热助燃空气，但预热的温度不高，一般只是300～400℃，且排烟温度仍高达500℃左右。
早在上个世纪九十年代，日本NKK炉窑工业公司就开发研究成功了蓄热式高温空气燃烧系统（HTAC）[1]，并成功的应用在轧钢加热炉和热处理炉上。目前在日本，该系统已商品化，装备数量已有1000多套。
新型蓄热式燃烧技术，在我国也受到越来越普遍的重视，研究和应用也取得了很大进展。北京神雾热能技术有限公司，紧跟国际高温空气燃烧技术的发展动态，积极进行新型蓄热式工业炉技术的攻关研究，掌握了很多经验，近几年以来，对蓄热式烧嘴加热炉技术扎扎实实的开发，取得了丰硕成果。目前已在国内几十座轧钢加热炉上推广应用了该项技术，借鉴上述经验，确定在热处理炉上采用该种燃烧方法，实现空气、煤气双预热，在技术上是可行的[2]。
2.3 增加强制冷却段6m，采用低温和弱氧化性气体为冷却介质
因为蓄热式高温空气燃烧技术可以实现贫氧燃烧（可以选择最小的空气消耗系数，经测定燃烧产物的成分为CO2%=11～12%；N2%=86～88%；O2%=1～3%）和极限回收燃烧产物（烟气）的余热（排烟温度在200℃以下），所以，这种弱氧化性的低温气体，通过抽烟机排出后在送入冷却段，可以作为强制冷却热处理工件的冷却介质应用。
2.4 热工参数检测和自动控制系统
热工参数检测和自动控制系统应符合有关设计标准和法则：满足检测和控制精度的要求；煤气热处理炉要合理燃烧并确保安全；在保证可靠性的前提下兼顾先进性、经济性与实用性。全部系统能够以手动操作完成正常运行后，投入自动控制，使系统达到最佳运行状态。
根据工艺要求对整个燃烧系统进行控制。控制的主要内容如下：
(1) 煤气燃烧控制系统
以炉膛各段的温度作为调节信号，控制煤气调节阀的开变，保证相应的燃烧所需煤气的统量；同时，以煤气流量作为调节信号，按最佳空燃比控制空气调节阀开变，保证相应的燃烧所需的空气流量。控制系统采用空气/煤气流量交叉限幅控制，避免不完全燃烧和根据需要控制弱还原性气氛燃烧。
(2) 蓄热式换热器控制系统
蓄热式换热器控制采用独立的西门子PLC控制系统进行控制，可实现定时换向和手动换向。
(3) 烟气总管压力控制系统
以烟气总管压力作为调节信号，控制烟气调节阀开度，使烟气总管压力稳定在设定值。
(4) 系统显示报警功能
包括烟气温度显示报警；空气温度显示报警；煤气温度显示报警；煤气压力超低显示报警；空气压力超低显示报警；引风机双路电源断电显示报警；蓄热式换热器换向超时不到位显示报警；一氧化碳（CO）浓度超标报警等。
2.5 界面内容概述
(1) 系统工作允许界面
以表格内填充动态文本的形式显示与系统有关的各种设备和介质的工况。当条件满足后，相应部分变为绿色。当全部条件满足时，显示“OK”。
(2) 系统总貌界面
以模拟图的形式显示换热系统的主要参数，如设定值、过程变量、阀门开度（用控制输出信号模拟）。
(3) 报警总界面
以表格的形式按报警发生的时间顺序显示和记录报警内容、报警等级、发生时间、消失时间、确认时间等。
(4) 参数设定界面
设定各种介质参数的有关界面。
(5) 分段显示界面
分段界面应包括本分段热工控制系统的所有内容，用模拟图，棒图和动态数字的形式显示各个工艺参数的数值。
3 效果分析
3.1 能有效的控制和实现不同品种的加热工艺
改造后炉子的有效长部分可分为三段（预热段、加热段和均热段），采用蓄热式煤气、空气双预热烧嘴，多点上下供热布置，分三段进行控制（见附图2），气流横向搅拌流动（定时换向），各段的温度均匀，段与段之间不互相干扰，各段温度可通过单独的调节系统进行调节，能有效的实现不同品种的热处理工艺曲线，保证了产品的热处理质量。
3.2 减少了产品的表面氧化烧损
由于蓄热式高温空气燃烧技术可实现贫氧燃烧。因此，燃烧产物（烟气）中的含氧量减少，从而抑制了金属产品在加热过程中的氧化速度，减少了产品的表面氧化烧损率。同时产品出炉后，又经过利用弱氧化性气氛的低温气体进行强制冷却，直至出冷却段后的温度降至600℃以下再空冷，避免了产品在高温下出炉空冷所造成的冷却过程氧化烧损的产生。
上述两项措施不仅改善了产品的表面质量，同时还提高了金属的收得率。
3.3 大幅度节能
改造前单位热耗为1.27GJ/t，改造后单位耗为1.106GJ/t，节能率为20%。
3.4 首次采用小三通阀对空气和煤气进行换向，实现煤气和空气双预热
截止该座炉子改造前为止，国内在采用蓄热式高温空气燃烧技术的炉子上，当空气单预热时，一般都采用两位四通阀对空气进行集中换向，而用煤气快速切断阀对煤气进行单独换向。当空气和煤气双预热时，则同时采用两位四通阀对煤气和空气进行集中换向。为此，带来了如下的问题：
(1) 换向时，换向阀至烧嘴前管道内剩余的煤气被抽烟机抽走，既浪费了煤气（煤气损失率达5～7%）又污染了环境；
(2) 换向过程炉内发生断火现象（短则2~3秒，长则5~7秒），造成连续燃烧，影响了炉内温度的波动。
利用蓄热式烧嘴高温空气燃烧技术的优势，在本次改造中，首次采用空气和煤气小三通阀门预热。经测定煤气损失率由5%~7%下降为3%。以下，同时保证了炉内燃料燃烧的连续性。
3.5 烧嘴蓄热式高温空气燃烧技术有关指标：
(1) 空气预热温度：900~1000°C；
(2) 煤气预热温度：900~1000°C；
(3) 温度传递效率：85%；
(4) 排烟温度：120~150°C。
4 经济效益及投资回收期
4.1 经济效益
仅以节能效果一项来估算其经济效益。
改造前单耗1.27GJ/t（油耗31.5kg/t），改造后单耗1.016GJ/t（煤气耗194Nm3/t），每小时油耗量315kg/h，每小时煤气耗量1940Nm3/h，都按每年运行7000小时计算，则每年购重油消耗款0.315´7000´1500=330.75万元/年，每年购煤气消耗款1940´7000´0.16=217.28万元/年。年经济效益330.75-217.28=113.47万元/年。
4.2 投资回收期
230/113.47=2.027年。
5 社会效益
由于蓄热式燃烧技术节约燃料20%，这意味着CO2的排放量也相应减少了20%，大大改善了排烟对大气带来的污染，缓解了大气的温室效应。
另外，烧嘴蓄热式燃烧技术，近几年来在国内冶金行业正以迅猛的速度推广，使用效果很好，积累了很多成熟的经验。但在江西省的冶金行业还没有使用烧嘴蓄热式燃烧技术的企业，在全国还没有在辊底式热处理炉上使用蓄热式烧嘴，采用小三通阀对空气和煤气进行换向，实现空气和煤气双预热燃烧技术的企业，因此，江西洪都钢厂的率先使用，则对于自身的燃烧技术上了一个新的台阶和提高企业的知名度等社会效益也是不可低估的。
6 有待解决的几个问题
（1）陶瓷蜂窝状蓄热体的堵塞问题
本方案所采用的蓄热体为蜂窝体，其结构尺寸为mm´mm´mm立方体，小孔为孔，尺寸为mm´mm。投产近两个月后，发现蓄热体部分小孔被堵塞，且空气蓄热体比煤气蓄热体堵塞严重。解决的办法是除更换被堵塞蓄热体外，还将堵塞物（类似面类物质）清除下来，目前正在做化学成份分析，以掌握该种物质的来源，从根本上解决蓄热体的堵塞问题。
（2）陶瓷蜂窝状蓄热体的使用寿命问题
已发现靠近炉膛高温侧的个别蓄热体烧裂，有的甚至烧碎的现象。我们认为这是蓄热体材料的耐火度和抗急冷急热性能问题，有待研究解决蓄热体耐火材料的材质，提高其耐火度和抗急冷急热性，以保证蓄热体使用寿命在一年以上。
（3）预热段与加热段交界处的温度比较定值低80~100°C的问题
从生产实践来看，预热段与加热段交界的实际温度比设定值要低80~100°C。原因分析如下：被热处理工件品种规格多，工艺变化频繁（即工艺不连续），这是造成此种现象发生的根本原因。解决办法：从供热分配着手，即强化预热段的供热，提高工件在预热段的温度，以保证进入加热段后能够达到设定的温度。
（4）蓄热体更换方便的问题
由于蓄热体的堵塞和靠近炉膛侧蓄热体被烧坏后，必须进行更换，从更换的情况来看，由于蓄热体箱内空间小，没有什么空隙，更换蓄热体将是一件很麻烦和困难的事情。我们认为要从结构设计来解决此问题，不仅能在不停产的情况下进行更换，而且更换过程很方便简捷。(end)
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(11/23/2004) |
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