魏秀東，苗龍，徐小科

（鞍鋼集團(tuán)朝陽鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽 122000）

雙蓄熱技術(shù)是新世紀(jì)工業(yè)爐窯革命性的燃燒器技術(shù)，在世界范圍內(nèi)，特別是上世紀(jì)90 年代后期的日本、歐洲國家等得到廣泛應(yīng)用。 該技術(shù)通過回收煙道中排放廢氣的余熱對冷助燃空氣進(jìn)行預(yù)熱，使其蓄熱溫度達(dá)到1 100 ℃左右，蓄熱后的熱空氣通過蓄熱室噴入爐內(nèi)與燃料燃燒對板坯進(jìn)行加熱。 高溫?zé)煔馔ㄟ^換向系統(tǒng)進(jìn)入蓄熱室對蓄熱體進(jìn)行蓄熱，然后通過換向系統(tǒng)的設(shè)備換向閥進(jìn)行熱量交換，可以將外排的煙氣溫度降低到150 ℃以下，較大幅度地提高了燃料利用率和燃燒效果。 同時，利用蓄熱式燒嘴兩段加熱，通過組織不同氧狀態(tài)下的燃燒，可減少NOx 等燃燒產(chǎn)物的排放，達(dá)到節(jié)能環(huán)保效果。 另外，該技術(shù)采用兩段加熱和一段均熱燃燒方式，可以使火焰彌散到整個爐膛空間，充分提高了爐膛溫度分布的均勻性[1]。鞍鋼集團(tuán)朝陽鋼鐵有限公司（以下簡稱“朝陽鋼鐵”）加熱爐不能實(shí)現(xiàn)低氮燃燒，未滿足超低排放的要求，因此探討雙蓄熱技術(shù)應(yīng)用的可行性，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

1 雙蓄熱技術(shù)的工作原理和應(yīng)用特點(diǎn)

1.1 工作原理

雙蓄熱技術(shù)是利用蓄熱體 （包括蓄熱蜂窩體和蓄熱小球兩種）的蓄熱和放熱功能，交替實(shí)現(xiàn)高溫?zé)煔獾慕禍亍⒗渲伎諝夂偷蜔嶂蹈郀t煤氣的溫升，實(shí)現(xiàn)了煙氣余熱的極限回收和低熱值煤氣的高效利用，是一種高效節(jié)能燃燒技術(shù)，已經(jīng)成為國內(nèi)鋼鐵企業(yè)特別是軋鋼加熱爐燃燒系統(tǒng)的首選[2]。 雙蓄熱燃燒系統(tǒng)分為A、B 兩個循環(huán)工作狀態(tài)。 雙蓄熱技術(shù)工作原理如圖1 所示。

圖1 雙蓄熱技術(shù)工作原理圖Fig. 1 Function Diagram for Operation Principle for Dual Regenerative Technology

A 狀態(tài)下，換向閥閥板在圖中實(shí)線的位置，此時右側(cè)蓄熱室同煤氣總管相連，而左側(cè)蓄熱室同排煙機(jī)和煙囪相連。 煤氣經(jīng)換向閥進(jìn)入右側(cè)煤氣蓄熱室，由下而上通過蓄熱室，與蓄熱室中的蓄熱蜂窩體進(jìn)行預(yù)熱后，沿右側(cè)的通道進(jìn)入爐內(nèi)，助燃空氣經(jīng)換向閥進(jìn)入同一側(cè)的空氣蓄熱室，也由下而上通過蓄熱室，預(yù)熱后沿專有的空氣通道進(jìn)入爐內(nèi)。在爐內(nèi)，熱煤氣和熱助燃空氣從各自的燒嘴噴出混合并燃燒，加熱鋼坯，然后煙氣通過左側(cè)的專用通道進(jìn)入左側(cè)的煤氣和空氣蓄熱室，煙氣與蓄熱蜂窩體進(jìn)行換熱將大部分熱量留下，以低于150 ℃的溫度進(jìn)入煤氣和空氣各自的換向閥，由煤氣和空氣各自引風(fēng)排煙機(jī)排入大氣，通常A 狀態(tài)只維持60～180 s?？刂葡到y(tǒng)換向機(jī)構(gòu)動作，使燃燒系統(tǒng)進(jìn)入B 狀態(tài)，換向閥閥板處于虛線位置，此時左側(cè)蓄熱室同煤氣（或空氣）總管相連，而右側(cè)蓄熱室同引風(fēng)排煙機(jī)相連，氣體流向與A 狀態(tài)正好反向，見虛線示意。同樣B 狀態(tài)也只維持60～180 s，系統(tǒng)再次換向到A 狀態(tài)。 整個燃燒換向系統(tǒng)按設(shè)定時間間隔或排煙溫度在A、B 兩狀態(tài)周期換向，借助蓄熱蜂窩體的高效換熱特性完成蓄熱燒嘴煤氣和空氣高溫預(yù)熱、加熱爐煙氣低溫排出。

1.2 應(yīng)用特點(diǎn)

張述明、劉艷姝等[3]分析討論了承鋼加熱爐應(yīng)用雙蓄熱技術(shù)的效果，認(rèn)為蓄熱式加熱爐的煤氣消耗低、產(chǎn)量高，可顯著降低氧化燒損，同時提出了鋼坯表面溫差大、空氣過剩、煤氣過剩、換向閥切換動作時間長、蓄熱球質(zhì)量不規(guī)范、排煙管道腐蝕等問題的產(chǎn)生原因及解決方法。 艾國華[4]介紹了馬鋼二軋鋼廠1#雙蓄熱加熱爐的施工改造情況和應(yīng)用效果及特點(diǎn)，給推廣這項(xiàng)高效、節(jié)能和環(huán)保的先進(jìn)技術(shù)提供了依據(jù)。 張俏和秦建超[5]介紹了雙蓄熱技術(shù)的特點(diǎn)，并討論了該技術(shù)在寶鋼熱軋廠2 號2050 mm 加熱爐的應(yīng)用情況，認(rèn)為與傳統(tǒng)燃燒技術(shù)相比，雙蓄熱技術(shù)具有節(jié)約能源、提高爐溫均勻性和傳熱效率、 低NOx排放和減少氧化燒損等優(yōu)點(diǎn)，能獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。筆者結(jié)合凌鋼股份有限公司型材廠軋鋼加熱爐改造的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，雙蓄熱技術(shù)具有如下特點(diǎn)：熱利用率高，節(jié)能效果明顯；燃燒溫度均勻，可降低被加熱金屬的氧化燒損；減少爐子尺寸；提高火焰輻射強(qiáng)度，強(qiáng)化輻射傳熱，提高加熱爐產(chǎn)量；可以燃燒劣質(zhì)燃料（如100%高爐煤氣）。 此外，雙蓄熱燃燒是在相對低氧狀態(tài)下的彌散燃燒，沒有火焰中心，不存在生成大量NOx 的條件，有利于環(huán)境保護(hù)。

2 1700 ASP 熱軋加熱爐應(yīng)用雙蓄熱技術(shù)的探索

2.1 1700 ASP 加熱爐現(xiàn)狀和不足

朝陽鋼鐵1700 ASP 熱軋生產(chǎn)線有兩座端進(jìn)端出步進(jìn)梁式三段連續(xù)加熱爐，由均熱段、加熱段和預(yù)熱段（未設(shè)置燒嘴）組成。 加熱爐有效長度26 360 mm，有效寬度16 500 mm，設(shè)計(jì)加熱能力250 t/h，燃料為高爐和焦?fàn)t混合煤氣。 燒嘴分布情況：上加熱和上均熱由100 個爐頂平火焰燒嘴組成，下均熱由12 個端部直焰燒嘴組成，下加熱由10 個側(cè)部調(diào)焰燒嘴組成，其中后部4 個具有間拔控制功能。 空氣預(yù)熱溫度最高550 ℃，煤氣預(yù)熱溫度最高350 ℃。 常規(guī)加熱溫度1 200～1 280 ℃，加熱時間60～180 min。

目前預(yù)熱段沒有加熱燒嘴，不能對入爐板坯從爐尾進(jìn)行加熱，在生產(chǎn)薄規(guī)格或極限規(guī)格鋼材時加熱能力受限。另外，加熱燒嘴為普通的側(cè)部調(diào)焰、端部直焰和平焰燃燒結(jié)構(gòu)，不屬于低氮燃燒燒嘴，不利于燃燒后廢氣超低排放。

2.2 應(yīng)用雙蓄熱技術(shù)的可行性分析

朝陽鋼鐵熱軋廠常規(guī)步進(jìn)梁式加熱爐于2010年10 月份點(diǎn)火運(yùn)行至今，已進(jìn)入大修或改造的觀察期，由于行業(yè)對能源和環(huán)保要求逐步提高，加之“雙碳”政策的出臺，有必要探索應(yīng)用雙蓄熱技術(shù)的可行性。

（1）燃料合適

目前高爐煤氣量富裕 （2020 年放散率為7.50%），適合空、煤氣雙蓄熱改造，節(jié)省的焦?fàn)t煤氣可以用于發(fā)電等其他用途。 因此，可以將原有高、焦混合煤氣燃料改為純高爐煤氣，采用空氣和煤氣雙蓄熱的燃燒方式，蓄熱溫度≥1 000 ℃，進(jìn)行多段燃燒的集中換向控制，燒嘴分布在兩側(cè)爐墻上，采用箱體形式對板坯上下加熱。采取強(qiáng)制排煙方式，排煙溫度≤150 ℃。

（2）空間滿足改造要求

原有加熱爐采用空氣和混合煤氣常規(guī)預(yù)熱的燃燒方式，必須在爐尾設(shè)置一段足夠長的預(yù)熱段，以滿足鋼坯加熱要求。 在爐子預(yù)熱段兩側(cè)由下降煙道與放置空、煤氣預(yù)熱器的煙道相連，通過煙閘將煙氣排入大氣。

可以將下均熱段“狗洞” 進(jìn)行拆除改造，“狗洞” 即爐內(nèi)的小炕，是安裝下均熱端部燒嘴的位置，用于均熱段下部加熱。將小炕的端部下均熱燒嘴改為均熱段兩側(cè)墻的上、下加熱燒嘴，可以方便布置雙蓄熱式燒嘴，爐子兩側(cè)有足夠空間的操作平臺供使用，有寬敞的位置安裝蓄熱式燒嘴和與其相連的空、煤氣管道、閥門、控制閥組件等。

采用雙蓄熱技術(shù)后，可以把原來的下降煙道及空煤氣預(yù)熱器拆除，將現(xiàn)有的預(yù)熱段增設(shè)雙蓄熱燒嘴，可以實(shí)現(xiàn)爐體尺寸保持不變的情況下在全爐長方向側(cè)墻上安裝蓄熱箱體供熱，增大了供熱段的長度，將只有一段的加熱段改造成了兩段加熱，提高了爐底熱負(fù)荷強(qiáng)度和加熱爐的產(chǎn)量。

（3）連鑄板坯自動跟蹤及加熱爐自動裝鋼系統(tǒng)升級改造可行性

由于現(xiàn)有兩臺鑄機(jī)分屬不同的網(wǎng)段，鑄機(jī)之間沒有通訊連接，連鑄板坯一、二級和二、三級數(shù)據(jù)無法實(shí)時跟蹤，連鑄三級到熱軋三級無法實(shí)時跟蹤，導(dǎo)致加熱爐無法自動裝鋼。

可以在兩臺鑄機(jī)PLC 間新增一臺通訊PLC，實(shí)現(xiàn)連鑄板坯數(shù)據(jù)實(shí)時采集，一、二級，二、三級板坯數(shù)據(jù)自動跟蹤功能，實(shí)現(xiàn)連鑄板坯的制造信息及跟蹤數(shù)據(jù)通過連鑄三級實(shí)時傳輸?shù)綗彳埲?，從而可以?shí)現(xiàn)加熱爐自動裝鋼。 優(yōu)化后可以提高連鑄及加熱工序自動化生產(chǎn)水平，減少人為操作錯誤，提高生產(chǎn)效率，為集控改造和人員優(yōu)化工作夯實(shí)基礎(chǔ)。

設(shè)計(jì)范圍從加熱爐入爐輥道開始，入爐加熱，出鋼，鋼坯到達(dá)粗軋機(jī)入口溫度檢測點(diǎn)結(jié)束。預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能有初始數(shù)據(jù)輸入，物料移動位置跟蹤，鋼坯加熱溫度計(jì)算和爐溫優(yōu)化設(shè)定。 達(dá)到自動裝出鋼和自動二級燒鋼控制，完全實(shí)現(xiàn)加熱爐的自動控制，與公司智能化集控改造相適應(yīng)。

（4）雙蓄熱技術(shù)應(yīng)用的可行性

常規(guī)加熱爐通常設(shè)計(jì)有不供熱的預(yù)熱段作為回收煙氣余熱的主要手段，熱裝率和熱裝溫度都比較高的情況下，高溫爐氣與高溫鋼坯之間的溫度差相對較小，二者之間的傳熱也很少，這意味著爐氣將以很高的溫度從爐尾煙道通過閘板后經(jīng)煙囪排出，雖有空、煤氣預(yù)熱器回收余熱，但效果有限，綜合排煙溫度依然很高，鋼坯熱裝率高的節(jié)能效果在常規(guī)加熱爐有限。

而采用雙蓄熱技術(shù)，無論冷裝還是熱裝鋼坯，煙氣都是以低于150 ℃通過引風(fēng)機(jī)經(jīng)過煙囪排出，不受冷、熱裝鋼坯變化的影響。 當(dāng)鋼坯熱裝溫度比較高的情況下，高爐煤氣雙蓄熱的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢更加顯著。高爐煤氣燃燒溫度低，采用雙蓄熱技術(shù)可置換出熱值高的焦?fàn)t煤氣用于其他工序。

朝陽鋼鐵通過熱裝熱送技術(shù)優(yōu)化和加強(qiáng)管理后，明顯改善了煉鋼生產(chǎn)計(jì)劃與軋制計(jì)劃的一致性、鋼坯合格率指標(biāo)及軋制工藝穩(wěn)定性，鑄坯熱送熱裝率已經(jīng)達(dá)到了90%以上，為雙蓄熱技術(shù)的應(yīng)用及加熱產(chǎn)能保障提供了先決條件。

2.3 雙蓄熱技術(shù)生產(chǎn)應(yīng)用預(yù)測

（1）降低能耗

雙蓄熱和常規(guī)加熱爐能耗對比如表1 所示。由表1 看出，在鋼坯冷裝情況下，雙蓄熱技術(shù)與常規(guī)燃燒技術(shù)節(jié)能效果相差很小，鋼坯熱裝溫度越高，雙蓄熱技術(shù)的節(jié)能效果越明顯。

表1 雙蓄熱和常規(guī)加熱爐能耗的對比Table 1 Comparison of Energy Consumption GJ/t

（2）縮短板坯待熱時間

加熱爐燃燒系統(tǒng)是采用雙蓄熱技術(shù)改造的重點(diǎn)。 雙蓄熱技術(shù)采用成熟的外置式燒嘴，該燒嘴特點(diǎn)為蓄熱體裝載量大，功率大，火焰長，特別適合朝陽鋼鐵熱軋廠的長板坯（板坯最大長度為15.6 m）加熱爐。為契合現(xiàn)有的長行程裝鋼機(jī)，一加熱段長度和燒嘴布置數(shù)量采用允許的極限值，因此，一加熱段可以靈活開啟，更適應(yīng)冷坯和熱坯裝爐的不同加熱制度。采用雙蓄熱技術(shù)后，板坯進(jìn)入爐膛就被加熱，待熱時間大大縮短，提高了加熱爐的加熱能力。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年加熱爐全年待熱時間為60 661.8 min，折算成生產(chǎn)時間預(yù)計(jì)加熱能力可以提高5%～8%。

（3）降低氮氧化物的排放

雙蓄熱燒嘴采用蓄熱箱體和燒嘴磚左右組合式布置，每個空氣和煤氣燒嘴組成一個燃燒單元，采用低氮燃燒方式，可以滿足超低排放的要求。

（4）投資運(yùn)維成本高

目前，常規(guī)加熱爐新建投資為6 000 多萬元，日常運(yùn)行費(fèi)用主要是更換前后裝出鋼爐門和空、煤氣預(yù)熱器。 在爐子有效尺寸不變的情況下，將常規(guī)軋鋼加熱爐進(jìn)行雙蓄熱改造的投資約為6 500～7 200 萬元，運(yùn)維費(fèi)用主要是更換蜂窩體、爐子燒嘴磚、擋磚和維修換向閥等。與常規(guī)加熱爐相比，雙蓄熱加熱爐具有一次性投資造價和運(yùn)行費(fèi)用高等問題，但是該技術(shù)的不足可以通過節(jié)能環(huán)保效果來彌補(bǔ)。

2.4 雙蓄熱技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

按照年產(chǎn)鋼240 萬t 計(jì)算，應(yīng)用雙蓄熱技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測分析如下：

（1）降低煤氣消耗效益

雙蓄熱技術(shù)綜合煤氣消耗0.850 GJ/t，常規(guī)加熱爐煤氣消耗0.954 GJ/t，煤氣單價40.176 元/GJ，年降低煤氣消耗效益（A）計(jì)算如下：

（2）降低鋼坯氧化燒損效益

雙蓄熱生產(chǎn)鋼坯氧化燒損1.35%，常規(guī)加熱爐生產(chǎn)鋼坯氧化燒損1.45%，鋼坯價格2 483 元/t，氧化鐵皮價格718 元/t，年降低鋼坯氧化燒損效益（B）計(jì)算如下：

（3）減少碳排放量

高爐煤氣主要成分（體積分?jǐn)?shù)）見表2，2020 年高爐煤氣放散量見表3。由表3 計(jì)算得出高爐煤氣平均熱值為3 237 kJ/m3，高爐煤氣放散量總量為19 802.19 萬m3。

表2 高爐煤氣主要成分（體積分?jǐn)?shù)）Table 2 Main Compositions in Blast Furnace Gas（Volume Fraction）%

表3 2020 年高爐煤氣放散量Table 3 Dispersion Quantity of Blast Furnace Gas in 2020

加熱爐每年減排含碳溫室氣體量如下[2]：

式中，Vn為高爐煤氣的年放散量，萬m3，φ 為高爐煤氣中各成分體積比例，%；28、16、44 為CO、CH4、CO2的分子量，g/mol；22.4 為單位量氣體 體 積常數(shù)，mol/L。

采用雙蓄熱技術(shù)年減少碳排放量計(jì)算如下：

3 結(jié)語

雙蓄熱技術(shù)在鞍鋼集團(tuán)朝陽鋼鐵有限公司1700 ASP 熱軋加熱爐上應(yīng)用具有可行性。 應(yīng)用該技術(shù)會大大縮短加熱爐待熱時間，預(yù)計(jì)加熱爐產(chǎn)能可提升5%～8%；能夠降低煤氣消耗和鋼坯氧化燒損，預(yù)計(jì)年創(chuàng)效益1 427 萬元；年減少碳排放量10 608.32 t，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。