文_張祖斌 劉暢 孫玉翠 展茂源 山東山大華特環(huán)保工程有限公司

1 加熱爐存在的缺陷

蓄熱式加熱爐的核心技術(shù)為高溫空氣燃燒技術(shù)，其能夠?qū)嶂递^低的煤氣與助燃空氣預(yù)熱至1000℃左右進(jìn)行燃燒。在對采用分散或是集中控制換向的蓄熱式加熱爐進(jìn)行測定后，得出如下結(jié)果：煤氣放散量約為煤氣消耗量的2%～6%，一座加熱爐一年的放散量為1000 萬～2300 萬m3。以河北省唐山市為例，該地區(qū)鋼鐵工業(yè)中蓄熱式加熱爐的占比約為70%～80%，一座加熱爐的生產(chǎn)效率按照200t/h 進(jìn)行計(jì)算，生產(chǎn)鋼鐵的放散量為15m3/t，僅唐山市每年的放散量將會達(dá)到13.5 億m3左右，其中有將近3 億m3的CO 被放散到大氣環(huán)境當(dāng)中。

2 加熱爐一氧化碳減排節(jié)能技術(shù)措施

2.1 煙氣反吹系統(tǒng)

2.1.1 放散量計(jì)算

以唐山地區(qū)某鋼廠棒材生產(chǎn)車間的蓄熱式加熱爐為研究對象，該爐的基礎(chǔ)參數(shù)如表1 所示。

表1 棒材蓄熱式加熱爐的基礎(chǔ)參數(shù)

該爐采用的是集中控制燃燒的方式，分為三段對棒材進(jìn)行加熱處理，在加熱爐的一側(cè)設(shè)置有3 臺煤氣三通換向閥，每個(gè)閥對應(yīng)連接一個(gè)聯(lián)箱，每個(gè)聯(lián)箱連接13 對蓄熱箱，其中二加熱段的聯(lián)箱比一、三加熱段的聯(lián)箱多連接一對蓄熱箱。反吹系統(tǒng)能夠?qū)t換向時(shí)，換向閥至燒嘴間管道的煤氣吹掃到爐膛內(nèi)燃燒，這部分氣體的流量、容積，對于反吹系統(tǒng)風(fēng)機(jī)與管道的選擇具有直接影響。公共管道內(nèi)的殘留容積由以下幾個(gè)部分組成：上下蓄熱箱及其支管、聯(lián)箱及其前管道、換向閥進(jìn)氣與排煙共用的空間。通過計(jì)算能夠得出加熱爐進(jìn)行單側(cè)換向時(shí)，殘留的煤氣容積，每對蓄熱體與相應(yīng)管道的體積為0.3Nm3，由此可得總?cè)莘e約為24m3。該加熱爐的換向周期為60s/次，生產(chǎn)1h 放散的煤氣量約為1440m3。

2.1.2 煙氣反吹系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)通過風(fēng)機(jī)在煙囪處引一部分煙氣返回到加熱爐兩側(cè)的煤氣三通閥內(nèi)部進(jìn)氣與排煙共用的空間，在換向前提前關(guān)閉煤氣閥板，使返回的煙氣替代煤氣進(jìn)入爐內(nèi)。為了維持加熱爐生產(chǎn)所需的爐溫，無法長時(shí)間讓返回的煙氣替代煤氣，在換向周期內(nèi)選擇短時(shí)間進(jìn)行煙氣反吹。風(fēng)機(jī)短時(shí)間內(nèi)的頻繁啟停無法滿足反吹風(fēng)力和風(fēng)壓的需求，因此需保證風(fēng)機(jī)的持續(xù)運(yùn)行，通過反吹控制閥作為反吹系統(tǒng)管道的終端，控制反吹煙氣進(jìn)入煤氣三通閥，進(jìn)行吹掃。在反吹控制閥關(guān)閉的情況下，為避免管道內(nèi)的煙氣壓力過高，引起風(fēng)機(jī)喘振、憋壓等情況，在風(fēng)機(jī)處設(shè)置旁路泄壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)會在非反吹期間自動(dòng)調(diào)整以對主管道進(jìn)行泄壓，使煙氣在風(fēng)機(jī)前后自循環(huán)，反吹期間，該系統(tǒng)會自動(dòng)調(diào)整以滿足反吹所需的風(fēng)壓。同時(shí)，在煙囪的入口位置處增加CO 檢測儀，對CO 的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，采集到的數(shù)據(jù)能夠?yàn)榉创迪到y(tǒng)調(diào)控吹掃時(shí)間提供依據(jù)，并按爐內(nèi)火焰的燃燒狀況，對吹掃時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。在吹掃風(fēng)機(jī)出口的位置處增設(shè)兩個(gè)O2檢測儀，二者之間可以參考校對，反吹系統(tǒng)處于正常運(yùn)行的過程中，O2體積分?jǐn)?shù)應(yīng)當(dāng)不超過8%。為確保系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，為其配置氮?dú)獯祾呒胺派⑾到y(tǒng)。

2.3 CO煙氣反吹對加熱爐的影響

2.3.1 對爐壓的影響

蓄熱式加熱爐處于正常燃燒的過程中，設(shè)原煤氣三通換向閥進(jìn)行換向所需的時(shí)間為as（通常a 為60），CO 煙氣反吹系統(tǒng)中，反吹控制閥開啟吹掃的時(shí)間為b s，即原換向閥排煙閥板會延后b s 打開（b 可以按照現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行確定）。三通換向閥進(jìn)氣閥板打開的進(jìn)氣時(shí)間為a-b-2 s（2s 為泄壓調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作時(shí)間），當(dāng)泄壓調(diào)節(jié)閥接收到調(diào)節(jié)信號后，閥門的開度會從反吹二通閥關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的28%，調(diào)整為3%。時(shí)序控制過程如圖1 所示。

圖1 時(shí)序控制示意圖

當(dāng)煤氣三通換向閥上進(jìn)氣閥板打開進(jìn)氣的時(shí)間為a-b s 時(shí)，該閥的進(jìn)氣閥板關(guān)閉，反吹條件閥接收打開信號后進(jìn)行吹掃，并在b s 后關(guān)閉。同時(shí)，三通換向閥的排煙閥板打開，完成與之對應(yīng)的放散煤氣吹掃工作。根據(jù)上述時(shí)序，CO 煙氣反吹系統(tǒng)對所有的二通閥及泄壓調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，將三通換向閥至燒嘴之間管道內(nèi)的煤氣反吹到爐膛內(nèi)燃燒。為找出對爐壓影響幅度最小、減排效果最好的反吹時(shí)間，在生產(chǎn)現(xiàn)場對時(shí)間b 進(jìn)行不同嘗試，在反復(fù)測試中，確定出最佳的反吹時(shí)間為9s，該時(shí)間對爐壓產(chǎn)生的影響＜5%，處于設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，CO 平均排放濃度＜2500ppm。

2.3.2 對爐溫的影響

正常情況下，反吹煙氣的溫度約為80 ～100℃，是蓄熱式加熱爐原始的排煙溫度，如果將過多的煙氣引回加熱爐當(dāng)中，可能會造成爐的運(yùn)行溫度下降，從而需要增加煤氣投入量來維持爐溫，這顯然與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷相違背。所以必須對反吹煙氣量進(jìn)行合理確定。選用變頻風(fēng)機(jī)，風(fēng)量為2.5 萬m3/h，其出力約為蓄熱式加熱爐總煙氣量的36%。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，逐步增加反吹煙氣量，對變頻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行觀測。結(jié)果表明，當(dāng)反吹風(fēng)量為6000 ～8000m3/h 時(shí)，爐內(nèi)溫降＜5℃，CO 平均排放濃度＜2500ppm。

2.3.3 對安全系統(tǒng)的影響

高爐煤氣的成分比較多，包括CO2、CO、H2、N2、SO2以及烴類等，這些成分的體積分?jǐn)?shù)依次如下：6%～12%、28%～33%、1%～4%、55%～60%、少量、0.2%～0.5%。高爐煤氣的著火溫度約為650 ～700℃，空氣的爆炸極限為46.6%～76.4%。為保證高爐煤氣使用的安全性，CO 煙氣反吹系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足如下要求：以煤煙煙氣作為吹掃介質(zhì)，不得使用空煙煙氣；煤氣反吹的投用條件為爐內(nèi)各段的溫度達(dá)到800℃以上；O2檢測儀的數(shù)值超過8%，界面發(fā)出報(bào)警提示，此時(shí)CO 煙氣吹掃系統(tǒng)會自動(dòng)停止運(yùn)行，并將反吹控制閥切斷，泄壓調(diào)節(jié)閥自動(dòng)切換至滿開的狀態(tài)，反吹系統(tǒng)形成自循環(huán)；當(dāng)煤氣引風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，界面發(fā)出報(bào)警提示，反吹控制閥切斷，取氣端的電動(dòng)式蝶閥關(guān)閉，泄壓調(diào)節(jié)閥滿開；在反吹風(fēng)機(jī)前增設(shè)一路氮?dú)獯祾吖苈?，在系統(tǒng)開啟前或是停用后進(jìn)行吹掃；壓縮空氣的壓力低于0.5MPa 時(shí)，界面發(fā)出報(bào)警提示，取氣端的電動(dòng)式蝶閥關(guān)閉，反吹系統(tǒng)停止運(yùn)行，只要界面出現(xiàn)報(bào)警，就必須立刻查明原因，并在妥善處理后，反吹系統(tǒng)方可繼續(xù)投用。

2.4 應(yīng)用效果與工業(yè)化應(yīng)用

2.4.1 應(yīng)用效果

在蓄熱式加熱爐中對一氧化碳減排節(jié)能技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，系統(tǒng)投運(yùn)后，運(yùn)行穩(wěn)定，加熱爐的CO 平均排放值＜2500ppm。利用煙氣將換向殘留煤氣反吹入爐內(nèi)燃燒，達(dá)到節(jié)能的目的，有效避免了殘留煤氣的放散及其在煙嘴內(nèi)的二次燃燒，使煙嘴內(nèi)前端蓄熱體的變形、堵塞問題得到解決，蓄熱體的使用壽命進(jìn)一步延長。由此可見，本文提出的CO 煙氣反吹系統(tǒng)具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

2.4.2 工業(yè)化應(yīng)用

在唐山地區(qū)某鋼廠棒材生產(chǎn)車間的兩臺蓄熱式加熱爐進(jìn)行CO 煙氣反吹系統(tǒng)的工業(yè)化應(yīng)用。蓄熱式加熱爐原始CO 平均排放濃度約25000 ～30000ppm，CO 減排節(jié)能技術(shù)投入運(yùn)行后C0 平均排放濃度＜2500ppm。

3 結(jié)語

加熱爐作為冶金生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，它的能耗相對較高，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，可應(yīng)用一氧化碳減排節(jié)能技術(shù)，對蓄熱式加熱爐進(jìn)行技術(shù)改造。通過該技術(shù)的應(yīng)用，可使加熱爐的CO平均排放濃度控制在2500ppm 以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)較好的環(huán)保效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益。每臺蓄熱式加熱爐的運(yùn)行工況不同，運(yùn)行人員的調(diào)試方式也不盡相同，在增加一氧化碳減排節(jié)能技術(shù)后，加熱爐運(yùn)行人員需結(jié)合加熱爐的實(shí)際狀況調(diào)整一氧化碳減排節(jié)能技術(shù)中設(shè)備的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)一氧化碳減排節(jié)能系統(tǒng)與原系統(tǒng)的無縫結(jié)合。