加热炉一氧化碳减排节能的技术措施

文_张祖斌 刘畅 孙玉翠 展茂源 山东山大华特环保工程有限公司

1 加热炉存在的缺陷

蓄热式加热炉的核心技术为高温空气燃烧技术，其能够将热值较低的煤气与助燃空气预热至1000℃左右进行燃烧。在对采用分散或是集中控制换向的蓄热式加热炉进行测定后，得出如下结果：煤气放散量约为煤气消耗量的2%～6%，一座加热炉一年的放散量为1000 万～2300 万m3。以河北省唐山市为例，该地区钢铁工业中蓄热式加热炉的占比约为70%～80%，一座加热炉的生产效率按照200t/h 进行计算，生产钢铁的放散量为15m3/t，仅唐山市每年的放散量将会达到13.5 亿m3左右，其中有将近3 亿m3的CO 被放散到大气环境当中。

2 加热炉一氧化碳减排节能技术措施

2.1 烟气反吹系统

2.1.1 放散量计算

以唐山地区某钢厂棒材生产车间的蓄热式加热炉为研究对象，该炉的基础参数如表1 所示。

表1 棒材蓄热式加热炉的基础参数

该炉采用的是集中控制燃烧的方式，分为三段对棒材进行加热处理，在加热炉的一侧设置有3 台煤气三通换向阀，每个阀对应连接一个联箱，每个联箱连接13 对蓄热箱，其中二加热段的联箱比一、三加热段的联箱多连接一对蓄热箱。反吹系统能够将炉换向时，换向阀至烧嘴间管道的煤气吹扫到炉膛内燃烧，这部分气体的流量、容积，对于反吹系统风机与管道的选择具有直接影响。公共管道内的残留容积由以下几个部分组成：上下蓄热箱及其支管、联箱及其前管道、换向阀进气与排烟共用的空间。通过计算能够得出加热炉进行单侧换向时，残留的煤气容积，每对蓄热体与相应管道的体积为0.3Nm3，由此可得总容积约为24m3。该加热炉的换向周期为60s/次，生产1h 放散的煤气量约为1440m3。

2.1.2 烟气反吹系统设计

设计通过风机在烟囱处引一部分烟气返回到加热炉两侧的煤气三通阀内部进气与排烟共用的空间，在换向前提前关闭煤气阀板，使返回的烟气替代煤气进入炉内。为了维持加热炉生产所需的炉温，无法长时间让返回的烟气替代煤气，在换向周期内选择短时间进行烟气反吹。风机短时间内的频繁启停无法满足反吹风力和风压的需求，因此需保证风机的持续运行，通过反吹控制阀作为反吹系统管道的终端，控制反吹烟气进入煤气三通阀，进行吹扫。在反吹控制阀关闭的情况下，为避免管道内的烟气压力过高，引起风机喘振、憋压等情况，在风机处设置旁路泄压调节系统，该系统会在非反吹期间自动调整以对主管道进行泄压，使烟气在风机前后自循环，反吹期间，该系统会自动调整以满足反吹所需的风压。同时，在烟囱的入口位置处增加CO 检测仪，对CO 的浓度数据进行实时采集，采集到的数据能够为反吹系统调控吹扫时间提供依据，并按炉内火焰的燃烧状况，对吹扫时间进行调整。在吹扫风机出口的位置处增设两个O2检测仪，二者之间可以参考校对，反吹系统处于正常运行的过程中，O2体积分数应当不超过8%。为确保系统运行的安全性，为其配置氮气吹扫及放散系统。

2.3 CO烟气反吹对加热炉的影响

2.3.1 对炉压的影响

蓄热式加热炉处于正常燃烧的过程中，设原煤气三通换向阀进行换向所需的时间为as（通常a 为60），CO 烟气反吹系统中，反吹控制阀开启吹扫的时间为b s，即原换向阀排烟阀板会延后b s 打开（b 可以按照现场试验进行确定）。三通换向阀进气阀板打开的进气时间为a-b-2 s（2s 为泄压调节阀的动作时间），当泄压调节阀接收到调节信号后，阀门的开度会从反吹二通阀关闭状态时的28%，调整为3%。时序控制过程如图1 所示。

图1 时序控制示意图

当煤气三通换向阀上进气阀板打开进气的时间为a-b s 时，该阀的进气阀板关闭，反吹条件阀接收打开信号后进行吹扫，并在b s 后关闭。同时，三通换向阀的排烟阀板打开，完成与之对应的放散煤气吹扫工作。根据上述时序，CO 烟气反吹系统对所有的二通阀及泄压调节阀进行控制，将三通换向阀至烧嘴之间管道内的煤气反吹到炉膛内燃烧。为找出对炉压影响幅度最小、减排效果最好的反吹时间，在生产现场对时间b 进行不同尝试，在反复测试中，确定出最佳的反吹时间为9s，该时间对炉压产生的影响＜5%，处于设计范围之内，CO 平均排放浓度＜2500ppm。

2.3.2 对炉温的影响

正常情况下，反吹烟气的温度约为80 ～100℃，是蓄热式加热炉原始的排烟温度，如果将过多的烟气引回加热炉当中，可能会造成炉的运行温度下降，从而需要增加煤气投入量来维持炉温，这显然与系统设计的初衷相违背。所以必须对反吹烟气量进行合理确定。选用变频风机，风量为2.5 万m3/h，其出力约为蓄热式加热炉总烟气量的36%。在进行试验时，逐步增加反吹烟气量，对变频风机的运行状况进行观测。结果表明，当反吹风量为6000 ～8000m3/h 时，炉内温降＜5℃，CO 平均排放浓度＜2500ppm。

2.3.3 对安全系统的影响

高炉煤气的成分比较多，包括CO2、CO、H2、N2、SO2以及烃类等，这些成分的体积分数依次如下：6%～12%、28%～33%、1%～4%、55%～60%、少量、0.2%～0.5%。高炉煤气的着火温度约为650 ～700℃，空气的爆炸极限为46.6%～76.4%。为保证高炉煤气使用的安全性，CO 烟气反吹系统应当满足如下要求：以煤烟烟气作为吹扫介质，不得使用空烟烟气；煤气反吹的投用条件为炉内各段的温度达到800℃以上；O2检测仪的数值超过8%，界面发出报警提示，此时CO 烟气吹扫系统会自动停止运行，并将反吹控制阀切断，泄压调节阀自动切换至满开的状态，反吹系统形成自循环；当煤气引风机发生故障时，界面发出报警提示，反吹控制阀切断，取气端的电动式蝶阀关闭，泄压调节阀满开；在反吹风机前增设一路氮气吹扫管路，在系统开启前或是停用后进行吹扫；压缩空气的压力低于0.5MPa 时，界面发出报警提示，取气端的电动式蝶阀关闭，反吹系统停止运行，只要界面出现报警，就必须立刻查明原因，并在妥善处理后，反吹系统方可继续投用。

2.4 应用效果与工业化应用

2.4.1 应用效果

在蓄热式加热炉中对一氧化碳减排节能技术进行应用，系统投运后，运行稳定，加热炉的CO 平均排放值＜2500ppm。利用烟气将换向残留煤气反吹入炉内燃烧，达到节能的目的，有效避免了残留煤气的放散及其在烟嘴内的二次燃烧，使烟嘴内前端蓄热体的变形、堵塞问题得到解决，蓄热体的使用寿命进一步延长。由此可见，本文提出的CO 烟气反吹系统具有良好的推广应用价值。

2.4.2 工业化应用

在唐山地区某钢厂棒材生产车间的两台蓄热式加热炉进行CO 烟气反吹系统的工业化应用。蓄热式加热炉原始CO 平均排放浓度约25000 ～30000ppm，CO 减排节能技术投入运行后C0 平均排放浓度＜2500ppm。

3 结语

加热炉作为冶金生产的关键设备，它的能耗相对较高，为实现节能减排的目标，可应用一氧化碳减排节能技术，对蓄热式加热炉进行技术改造。通过该技术的应用，可使加热炉的CO平均排放浓度控制在2500ppm 以内，实现较好的环保效应和经济效益。每台蓄热式加热炉的运行工况不同，运行人员的调试方式也不尽相同，在增加一氧化碳减排节能技术后，加热炉运行人员需结合加热炉的实际状况调整一氧化碳减排节能技术中设备的参数，实现一氧化碳减排节能系统与原系统的无缝结合。