節(jié)能換熱式鋼包烘烤器設(shè)計及應(yīng)用研究

何 騫，張仲曦，衡 紅

(四川德勝集團(tuán)釩鈦有限公司，四川 樂山 614900)

鋼包是鋼鐵生產(chǎn)過程中重要的熱工設(shè)備，鋼包烘烤是煉鋼生產(chǎn)工序中的重要環(huán)節(jié)之一。而烘烤裝置烘烤鋼包溫度對出鋼溫度、煉鋼作業(yè)率、爐齡等都有很大影響[1]。煉鋼工藝對鋼包烘烤器的要求逐漸提高，要求烘烤溫度高且均勻，低能耗、低污染、高安全性能等。

目前行業(yè)內(nèi)鋼包烘烤器技術(shù)不斷更新?lián)Q代，從初始的第一代套管式到第二代的蓄熱式結(jié)構(gòu)再到第三代的無引風(fēng)機(jī)無換向閥式烘烤裝置。這幾代烘烤裝置都存在一定的不足。主要表現(xiàn)在：(1)第一代的套管式，采用中間煤氣管，外層套設(shè)風(fēng)管，烘烤過程中都是平行氣流無相交，混合不均勻；(2)第二代蓄熱式結(jié)構(gòu)[2]，在包蓋上安裝換向閥，需要頻繁地進(jìn)行切換，且鋼包包蓋上的溫度過高，換向閥故障多，更換頻繁，人工勞動強(qiáng)度大，維護(hù)成本高；(3)第三代無引風(fēng)機(jī)無換向閥結(jié)構(gòu)，設(shè)計結(jié)構(gòu)上除去了換向閥裝置，采用偏離包蓋中心區(qū)域開設(shè)煙氣孔，包蓋上端面布設(shè)蓄熱體，對空煤氣進(jìn)行預(yù)熱，但是往往蓄熱體容易堵塞，預(yù)熱溫度不高，熱效率低，需包蓋蓋住鋼包來實現(xiàn)快速升溫，安全性能低。而采用節(jié)能換熱式鋼包烘烤器可解決以上所暴露的問題。

1 背景

某鋼鐵企業(yè)原300 t鋼包烘烤器使用的燃料是焦?fàn)t煤氣，采用的蓄熱式燒嘴，燒嘴結(jié)構(gòu)復(fù)雜，蓄熱體易堵塞，包蓋更換頻率高，維護(hù)量大，運(yùn)行成本高，現(xiàn)有烘烤方式無法實時監(jiān)測包內(nèi)溫度，無法為下道工藝提供準(zhǔn)確烘烤溫度。使用期間存在包蓋飄火嚴(yán)重、烘烤時間長，烘烤熱效率低，鋼包內(nèi)壁上、中、下溫差大，環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，影響鋼包內(nèi)襯使用壽命和連鑄拉坯速度及質(zhì)量。

對原鋼包烘烤器進(jìn)行換熱式改造，設(shè)計板式換熱器、射流式燒嘴，以焦?fàn)t煤氣作為燃料，通過單預(yù)熱手段解決鋼包烘烤溫度低，燃燒不充分，熱效率差等問題。采用換熱式改造，降低焦?fàn)t煤氣使用量、節(jié)約燃料、大幅度提高熱效率，烘烤速度快且均勻，另外采用紅外測溫裝置，解決了現(xiàn)場測溫不準(zhǔn)確，測溫裝置使用壽命短等問題[3]。

2 設(shè)計參數(shù)

針對某鋼鐵企業(yè)鋼包烘烤器燃燒效率低，維護(hù)成本高等缺點進(jìn)行了技術(shù)改造，具體改造技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 鋼包烘烤器技術(shù)參數(shù)Table.1 Ladle pre-heater technical parameters

3 換熱式烘烤系統(tǒng)簡介

換熱式鋼包烘烤裝置主要機(jī)械結(jié)構(gòu)涵蓋鋼結(jié)構(gòu)支架總成、煤氣管路總成、助燃空氣管路總成、吹掃管路總成、動定滑輪總成、包蓋總成、燒嘴總成、引風(fēng)管路總成、換熱器余熱回收總成、智能控制系統(tǒng)總成[4]。

煤氣主管路系統(tǒng)設(shè)計上布局的是手動蝶閥、壓力變送器、煤氣調(diào)節(jié)閥、煤氣快切閥、燒嘴三通；主煤氣管管路分支DN25管路到包蓋長明火管，分支DN20氮氣管路到主煤氣管路。DN20壓縮空氣管路分三支到長明火管、紅外測溫裝置、火焰監(jiān)測器上，確保煤氣點火系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、火焰檢測系統(tǒng)供氧、冷卻、安全性能等。

設(shè)計的換熱器余熱回收總成由換熱器本體，冷進(jìn)風(fēng)管、變徑管連接到換熱器到燒嘴安裝底座，熱出口煙道、變徑管道到引風(fēng)機(jī)；換熱器為板式換熱器，材質(zhì)為ASTM SA213/TP310S換熱管，結(jié)構(gòu)形式為板板-迷宮式結(jié)構(gòu)。

設(shè)計的包蓋總成主要含包蓋面板、裙板、裙板加強(qiáng)板、裙板加強(qiáng)版加強(qiáng)筋、含鎬耐火棉組成主體；包蓋中心開設(shè)燒嘴安裝孔，包蓋中心區(qū)域上端面以上安裝燒嘴底座，包蓋面板上端面橫向、縱向布置的若干根工字鋼。包蓋上面位于中心線左側(cè)開設(shè)的是長明火管孔、中心線右側(cè)開設(shè)的有火焰監(jiān)測器孔、紅外測溫儀孔。

設(shè)計燒嘴安裝底座，采用普通碳鋼、端面焊接盤形法蘭，法蘭上采用獨特設(shè)計的旋轉(zhuǎn)定位孔的方式，安裝定位在旋轉(zhuǎn)弧形孔小孔上，拆卸時，只需松開緊定螺栓的螺母，整體式旋轉(zhuǎn)燒嘴到弧形槽大孔區(qū)域，可將螺栓、燒嘴進(jìn)行整體式拆卸。法蘭盤距離包蓋至少10公分，預(yù)留螺母的拆卸空間，為提高燒嘴安裝底座使用壽命，節(jié)約成本，底座管外層采用是碳鋼管，內(nèi)層輻射一層耐溫1400 ℃的澆注料，采用L型拉鉤交錯布置在底座管內(nèi)壁以內(nèi)。法蘭盤下端面開設(shè)有預(yù)熱空氣進(jìn)風(fēng)口。

設(shè)計的智能控制系統(tǒng)涵蓋管路低壓報警連鎖、煤氣濃度檢測連鎖、氮氣吹掃、自動點火、精確測溫系統(tǒng)按照耐材升溫曲線進(jìn)行烘烤。

4 換熱式燃燒技術(shù)原理

換熱式燃燒技術(shù)是一種單預(yù)熱助燃空氣余熱回收技術(shù)，廢煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)抽取，經(jīng)過板式換熱器，加熱板式換熱器；鼓風(fēng)機(jī)通過鼓風(fēng)將冷空氣經(jīng)過板式換熱器進(jìn)行加熱，助燃空氣加熱溫度≥500 ℃；燃燒器引進(jìn)燃?xì)?，包蓋利用烘烤余熱加熱助燃?xì)怏w，經(jīng)過射流裝置將燃?xì)夂椭細(xì)怏w混合后開始燃燒，設(shè)計上采用以燃?xì)鉃橹髋浔瓤諝獾脑?，燃燒效率得到了有效的提高，燃燒沖擊力強(qiáng)，可直達(dá)鋼包包底。烘烤器外沿區(qū)域溫度高，助燃空氣經(jīng)過換熱器預(yù)熱再進(jìn)入燒嘴，提高火焰溫度；射流式燒嘴的內(nèi)燃式結(jié)構(gòu)：燃?xì)庠谌紵軆?nèi)燃燒受熱膨脹，提高火焰速度，增強(qiáng)火焰強(qiáng)度，保證包內(nèi)受熱均勻；采用單預(yù)熱的結(jié)構(gòu)形式，利用換熱器抽取烘烤廢氣和余熱加熱空氣，階梯回收散失熱量，提高烘烤器熱效率。并冷卻包蓋溫度，延長包蓋使用壽命。

助燃空氣經(jīng)過換熱器換熱，燃?xì)饨?jīng)過預(yù)熱，經(jīng)過射流式燒嘴進(jìn)行混合，高溫混合氣體體積膨脹形成射流進(jìn)入鋼包，卷吸周圍煙氣造成低氧區(qū)，低濃度氧氣燃燒能夠有效降低NOx生成。

1.進(jìn)風(fēng)管 2.連接彎頭 3.預(yù)熱器 4.出口煙道 5.進(jìn)口煙道 6.出口變徑管 7.出口風(fēng)道 8.煤氣管彎頭 9.燒嘴 10.包蓋 11.氣動調(diào)節(jié)閥 12.進(jìn)口風(fēng)道 13.引風(fēng)管道 14.焊接鋼管 15.壓力變送器(包蓋)16.長明火管 17.火焰監(jiān)測器 18.紅外測溫儀 19.預(yù)熱空氣進(jìn)風(fēng)口 20.燒嘴安裝底座 21.鋼結(jié)構(gòu)支架總成 22.煤氣管路總成 23.吹掃管路總成 24.動定滑輪總成 25.包蓋總成 26.引風(fēng)管路總成 27.換熱器余熱回收總成 28.助燃空氣管路總成 29.轉(zhuǎn)軸圖1 某鋼鐵企業(yè)300t鋼包烘烤器

圖2 換熱式烘烤裝置原理圖

5 節(jié)能高效烘烤技術(shù)討論

鋼包烘烤裝置要實現(xiàn)高效烘烤、烘烤溫度均勻、達(dá)到鋼包上線工藝溫度、生成的NOx少。從技術(shù)上應(yīng)從低氧環(huán)境燃燒、最優(yōu)空燃比、提高助燃空氣的溫度(HTAC技術(shù))、實現(xiàn)空煤氣交叉混合等手段出發(fā)來設(shè)計。

(1)最佳低氧燃燒的實現(xiàn)：換熱式鋼包烘烤裝置通過加熱助燃空氣，空煤氣氣體在燃燒管內(nèi)部進(jìn)行混合，受熱膨脹，將燃燒的物理的火焰高速噴出，提高火焰噴射速度，在包蓋下斷面邊沿區(qū)營造一種低氧燃燒環(huán)境。

(2)最優(yōu)的空燃比：換熱式鋼包烘烤裝置烘烤溫度與空煤氣配比實現(xiàn)連鎖控制，通過比例積分微分(PID)控制方式實現(xiàn)[5-6]。

(3)提高助燃空氣的溫度：換熱式鋼包烘烤裝置采用板式換熱器，可將助燃空氣加熱≥500 ℃。

(4)改變空煤氣的流動方向：換熱式烘烤裝置，煤氣通過燒嘴圓鈍體的錐形閥裝置[7]，改變了煤氣的流動方向，使煤氣經(jīng)過錐形閥裝置高速地噴射出來，形成的局部負(fù)壓，將預(yù)熱的助燃空氣自動的吸進(jìn)燃燒管內(nèi)部，進(jìn)而實現(xiàn)充分的預(yù)混合[8，9]。燃?xì)庠谌紵軆?nèi)部就開始燃燒，燃燒管內(nèi)部布置多排穩(wěn)燃棒裝置，營造出來一種高溫的環(huán)境，加快了化學(xué)反應(yīng)的活性與化學(xué)反應(yīng)的速率[10]。

6 節(jié)能效益分析

6.1 分析依據(jù)

a.燃?xì)獍l(fā)電能單位耗量：12.5 MJ/kW·h

b.電價：0.45元/ kW·h

c.鋼包烘烤器年運(yùn)行時間：6,000小時/年

d.焦?fàn)t煤氣熱值18.9 MJ/Nm3

e.根據(jù)客戶提供數(shù)據(jù)，節(jié)能率：20%

f.電折算CO2系數(shù)0.997 kg/kWh

6.2 燃?xì)夤?jié)約量計算

原鋼包烘烤器根據(jù)客戶提供數(shù)據(jù)及流量計測得平均燃?xì)庀牧繛?50 Nm3/h。

年節(jié)約燃?xì)饪偭浚?50×0.2×6000=540,000 m3/a

6.3 年節(jié)能效益

單臺年節(jié)約燃?xì)獍l(fā)電量為：540,000÷(12.5÷18.9)=816,480 kW·h/a

單臺年節(jié)能效益：816,480×0.45=367,416元/年

6.4 年減少CO2排放

單臺年減少CO2排放：816,480×0.997÷1,000=814 t/a

7 結(jié)論

本文以某鋼鐵企業(yè)改造鋼包烘烤器項目為載體，闡述了換熱式鋼包烘烤裝置的設(shè)計原理及實際應(yīng)用的節(jié)能效果。通過項目實踐論證，改造后烘烤溫度提高200 ℃，烘烤時間縮短3個小時，單臺烘烤裝置年節(jié)能效益約36.74萬元，獲得用戶好評，2020年9月并在某鋼鐵企業(yè)大規(guī)模推廣應(yīng)用，助力鋼鐵企業(yè)打造綠色環(huán)保節(jié)能型鋼企。