陳明秋，薛俊星

（山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東濟(jì)南 250000）

引言

全球粗鋼產(chǎn)量在2017年已經(jīng)達(dá)到16.91億t，其中中國粗鋼產(chǎn)量為8.32億t，占比49.2%。加熱爐是鋼鐵生產(chǎn)過程中的能耗大戶，大約是鋼鐵生產(chǎn)總能耗的25%。環(huán)形加熱爐是無縫鋼管生產(chǎn)過程中的主要設(shè)備，主要采用重油、焦?fàn)t煤氣和天然氣等燃料。

目前對環(huán)形加熱爐熱工控制的研究成果和工程應(yīng)用較為豐富，而對加熱爐燃料替代的研究和應(yīng)用較少。筆者通過介紹某鋼廠環(huán)形爐的燃料供給現(xiàn)狀及混氮天然氣替代焦?fàn)t煤氣的工程實(shí)例來探討加熱爐燃料系統(tǒng)升級改造的方法。

1 現(xiàn)狀介紹及燃料互換分析

環(huán)形爐作為無縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)管坯加熱的主要爐型，具有熱均勻性好、容量大、能耗低和易控制等諸多優(yōu)點(diǎn)。

圖1 環(huán)形加熱爐焦?fàn)t煤氣供應(yīng)系統(tǒng)流程圖

某鋼廠環(huán)形加熱爐是由意大利引進(jìn)的，其中徑為48 m，產(chǎn)量可達(dá)180 t/h，該爐采用重油為原料，全爐共分9個燃燒控制段，即2個預(yù)熱段、3個加熱段和4個均熱段。該環(huán)形爐具有產(chǎn)量大、能耗低、技術(shù)成熟、工作可靠、性能先進(jìn)、自動化程度高和加熱質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。后來為充分利用鋼鐵企業(yè)副產(chǎn)煤氣，燃料系統(tǒng)由燃油系統(tǒng)改為焦?fàn)t煤氣系統(tǒng)。

為積極響應(yīng)國家環(huán)保政策主動降低產(chǎn)能，焦?fàn)t煤氣正常供應(yīng)量降低為環(huán)形爐需求量的1/5。單一焦?fàn)t煤氣不能滿足要求，為保證環(huán)形加熱爐的連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，因此采用混氮天然氣或混氮天然氣摻混焦?fàn)t煤氣，同時保留單獨(dú)使用焦?fàn)t煤氣的功能。

為保證混氮天然氣能在現(xiàn)有的燒嘴上有相近的熱負(fù)荷、火焰穩(wěn)定性及可靠的點(diǎn)火，混氮天然氣應(yīng)與焦?fàn)t煤氣具有相近的華白數(shù)和燃燒勢。利用制氧廠富余氮?dú)馀c天然氣按一定比例混合成為混氮天然氣，它能與焦?fàn)t煤氣互換，在加熱爐用戶側(cè)不做調(diào)整的前提下達(dá)到同樣熱負(fù)荷和穩(wěn)定性。

天然氣爆炸極限范圍：5%～15%，焦?fàn)t煤氣爆炸極限范圍：4.5%～35.6%，所以焦?fàn)t煤氣對含氧量的要求比天然氣的更低，考慮50%的安全性，理論上講混氣中最大允許含氧量為6%。氮?dú)庵泻趿啃∮?0×10-6，焦?fàn)t煤氣和天然氣中含氧量均小于1%，因此三種氣體任意比例均勻混合理論上都是安全的。

2 燃料互換實(shí)踐

為滿足環(huán)形加熱爐生產(chǎn)，采用3種供氣模式：當(dāng)焦?fàn)t煤氣供應(yīng)充足時，采用單一焦?fàn)t煤氣供氣；當(dāng)焦?fàn)t煤氣不能供給時，采用混氮天然氣供氣；當(dāng)焦?fàn)t煤氣供應(yīng)量不足以滿足生產(chǎn)時，采用三混氣（焦?fàn)t煤氣+氮?dú)?天然氣）供氣。為減輕操作維護(hù)人員的負(fù)擔(dān)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無人值守高度自控水平，三種供氣模式可以根據(jù)需要一鍵切換。三混氣供氣控制程序復(fù)雜，影響因素較多，焦?fàn)t煤氣供應(yīng)量的波動決定了它是將來最常用的一種供氣模式。

混氮天然氣供氣模式下的天然氣為主氣源，氮?dú)鉃殡S動氣源，天然氣調(diào)節(jié)閥根據(jù)用戶需求調(diào)節(jié)天然氣的流量，氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥根據(jù)天然氣的流量按一定比例調(diào)節(jié)氮?dú)獾牧髁俊?/p>

三混氣供氣模式下的燃料有焦?fàn)t煤氣、氮?dú)夂吞烊粴?，該模式下焦?fàn)t煤氣作為主氣源，不足部分由混氮天然氣補(bǔ)充。

圖2 環(huán)形加熱爐三混氣供應(yīng)系統(tǒng)流程圖

為滿足加熱爐各種工況的需求，天然氣和氮?dú)夥謩e通過大小管進(jìn)行調(diào)節(jié)和計(jì)量，在加熱爐進(jìn)口焦?fàn)t煤氣管道上增加1臺混合器，以保證三混氣的成分均勻，熱值穩(wěn)定。

天然氣和氮?dú)忾y站分別設(shè)置2套，1用1備，每組閥站分別有大小兩個支路進(jìn)行調(diào)節(jié)，大支路用于滿負(fù)荷生產(chǎn)，小支路用于工況調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)用戶對不同流量的需求。

為實(shí)現(xiàn)環(huán)形爐對壓力和爐溫的控制精度要求，該系統(tǒng)采用了PID控制、順序邏輯控制、串級比例雙交叉限幅控制等先進(jìn)控制方式，達(dá)到了安全、可靠、快速、準(zhǔn)確和各支路無擾自動切換的預(yù)期效果。

3 結(jié)論

（1）環(huán)形加熱爐改燒混氣后的運(yùn)行情況表明，混氣站工作平穩(wěn)、安全；混氮天然氣熱值、壓力、爐內(nèi)溫度等各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，保障了環(huán)形加熱爐正常安全生產(chǎn)。

（2）混氮天然氣可與焦?fàn)t煤氣任意比例摻混，當(dāng)焦?fàn)t煤氣供氣不足時自動補(bǔ)入混氮天然氣，當(dāng)焦?fàn)t煤氣供氣充足時可自動減少或切除混氮天然氣。在加熱爐本體不做改造的情況下既充分利用了各種品質(zhì)的能源，又降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，具有較高的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

（3）混氣系統(tǒng)的成功應(yīng)用，對我國鋼鐵工業(yè)節(jié)能和環(huán)保技術(shù)具有重要意義，在用戶側(cè)不做改造的前提下可充分利用富余煤氣，既避免煤氣放散，又節(jié)省天然氣。