蓄热式加热炉常见问题及解决方案

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蓄热式加热炉常见问题及解决方案
张修宁，徐朝辉，刘金花
摘要：近年来，蓄热式燃烧技术因具有较好的节能效果在工业化国家的钢铁、有色、建材等高温工业炉窑中的应用呈现迅猛发展的势头。

自上世纪80年代中期以来，我国工业炉窑节能状况不断得到改善。

但工业炉窑节能减排、污染控制及治理始终是钢铁企业的重中之重，各种新的节能技术也不断涌现出来，如黑体节能技术、激光在线气体分析仪精确燃烧控制系统等，而蓄热式燃烧技术应用较为广泛，本文主要阐述蓄热式加热炉使用过程中常见问题及解决方案。

关键词：
加热炉；蓄热式燃烧技术；解决方案1 概述
重庆钢铁热卷线共有三座大型步进梁式蓄热式加热炉，炉长43.5m、炉子内宽11.7m，设计产能为冷装270t/h，热装300t/h。

加热炉采用空气蜂窝体单蓄热式烧嘴的空气单蓄热炉型，另配备煤气预热器，利用烟气余热将煤气预热到300度左右。

全炉共分6个供热段，每段采用蓄热烧嘴侧向供热，同时设一不供热的热回收段，有效回收常规排烟余热。

2 蓄热式燃烧技术简介
蓄热燃烧技术又称高温空气燃烧技术，全名称为：高温低氧空气燃烧技术（High Temperature and Low Oxygen Air Combustion-HTLOAC），也作HTAC （High Temperature Air Combustion）技术，也有称之为无焰燃烧技术（Flameless Combustion）。

通常高温空气温度大于1000℃，而氧含量低到什么程度，没有人去划定，有些人说应在18%以下，也有说在13%以下的。

蓄热燃烧技术原理如图1所示：当常温空气由换向阀切换
进入蓄热室1后，在经过蓄热室（陶瓷球或蜂窝体等）时被加热，在极短时间内常温空气被加热到接近炉膛温度（一般比炉膛温度低50℃～100℃），高温热空气进入炉膛后，抽引周围炉内的气体形成一股含氧量大大低于21%的稀薄贫氧高温气流，同时往稀薄高温空气附近注入燃料（燃油或燃气），这样燃料在贫氧（2%～20%）状态下实现燃烧；与此同时炉膛内燃烧后的烟气经过另一个蓄热室（见图中蓄热室2）排入大气，炉膛内高温热烟气通过蓄热体时将显热传递给蓄热体，然后以150℃～200℃的低温烟气经过换向阀排出。

工作温度不高的换向阀以一定的频率进行切换，使两个蓄热室处于蓄热与放热交替工作状态，常用的切换周期为30s ～200s。

重庆钢铁热卷线加热炉的换向周期为55s 左右。

3 蓄热式加热炉存在的问题及解决方案
重庆钢铁热卷线加热炉设计使用燃料为高、焦、转混合煤气，混合比例为焦炉煤气21%、高炉煤气69%、转炉煤气10%，热值7524KJ/Nm 3。

单座炉子煤气最大用量55000Nm 3/h，煤气预热温度300℃～350℃，空气蓄热温度～1050℃，排烟温度～175℃。

单座炉子设60个低NOx 侧向供热蓄热式烧嘴。

3.1 蓄热体堵塞及解决方案
加热炉蓄热式烧嘴内部采用蜂窝陶瓷蓄热体蓄热，具有低热膨胀性、比热容大、比表面积大、压降小、热阻小、导热性能好、耐热冲击好等特性；蜂窝陶瓷蓄热体广泛用于冶金机械行业蓄热式高温燃烧技术（HTAC），它把回收烟气余热与高效燃烧及降低NOX 排放等技术有机的结合起来，从而实现极限节能降低NOX 排放量的目的。

蜂窝陶瓷蓄热体广泛用于工业热工设备节能技术方面，使工业热工设备提高效率，降低能耗，
提
图1 蓄热式燃烧技术工作示意图
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高产量和改善质量，是解决能源与环境问题的重要而有效的手段。

蜂窝陶瓷蓄热体截面孔主要有正方形和正六边形两种孔结构，且孔道是相互平行的直通道结构。

这种结构大大降低了气孔流经的阻力，大幅度提高了蓄热体的单孔体积换热效率。

重庆钢铁热卷线加热炉使用的蓄热体蜂窝孔般为3*3mm的四方孔，在使用过程中烟气中的含硫颗粒附着在孔壁上上，导致蜂窝体堵塞，由于蜂窝体不同于蓄热小球，不能重复利用，出现堵塞后会降低蓄热效果，需要通过定期更换，该加热炉蓄热体的更换周期一般为10个月～16个月。

解决法案：将原3*3mm的四方孔蓄热蜂窝体改造成4*4mm的正六边形孔蓄热蜂窝体，增大蓄热体蜂窝孔截面积，有效解决了蜂窝体堵塞问题。

未进一步提高蓄热体再使用过程中的稳定性，防止蓄热体在使用过程中局部坍塌导致蓄热体堵塞，将原来全部由采由100*100*100mm的蓄热体安装改成150*100*100mm和100*100*100mm两种规格交错布置，提高蓄热蜂窝体的整体稳定性，降低蜂窝体坍塌风险，优化后蓄热体堵塞现象改善明显。

3.2 烟气管道腐蚀、变形及解决方案
近年来，随着热送热装比例的不断提高，加热炉的供热富裕能力逐渐显现出来。

在实际生产过程中，通常降低预热段的负荷运行，这样就会出现预热段排烟温度较低或不排烟的情况，当排烟温度低于烟气露点温度时，烟气中含硫的水汽不断腐蚀烟气管道，导致烟气管道管壁减薄甚至破裂，在排烟过程中，由于排烟管道负压运行，壁厚减薄的高温管道受负压吸附产生变形。

在实际使用过程中，要严格控制排烟温度高于露点温度，检修时对管道进行壁厚检测，防止使用过程中发生管道变形。

解决法案：合理优化排烟温度，确保排烟温度高于烟气露点温度。

稳定排烟风机运行压力，降低因排烟风机抽力波动引起管道变形的风险，利用检修更换管壁减薄的管道。

3.3 煤气管道碳化破裂及解决方案
重庆钢铁热卷线加热炉煤气预热温度为300℃左右，通过煤气预热，能有效降低煤气消耗，达到节能的目的。

煤气预热温度越高，节能效果越好，但安全风险也随着煤气预热温度的提高而加大，温度过高会导致管道碳化破裂，经过长期使用和维护经验，建议煤气预热温度控制在300℃以下为宜，温度过高还会加快控制阀门密封面损坏，可能引起阀门关闭不严导致回火。

通过控制手段不能将煤气预热温度控制在要求范围内时，可考虑对煤气预热器进行改型或重新核算换热面积。

该加热炉曾出现煤气管道焊缝破裂导致煤气泄漏，事后对破裂的煤气管道取样进行化学成分、组织等检验。

金相检验表层无明显渗氮现象，组织为铁素体+碳化物，且碳化物沿晶分布，表层无明显渗氮现象，表明出现焊接开裂与异常的碳化物组织有关。

解决方案：将煤气预热温度纳入操作控制要点，并在加热炉一级HMI操作画面新增煤气预热温度曲线。

优化强制排烟、自然排烟的负荷分配、将煤气预热温度纳入稀释风机自动启动连锁控制，多举措确保煤气预热温度不超温，杜绝管道发生碳化。

3.4 内气氛控制不稳定大及解决方案
技术人员对加热炉正常生产时的炉膛气氛进行了检测，加热炉预热段、加热段和均热段残留O2和CO浓度测量数据见见表1。

从检测数据看该加热炉全炉呈氧化性气氛，说明炉内残氧含量较高、燃烧热效率低，一方面造成氧化烧损较高，另一方面影响炉况的稳定、环保排放等，未来节能工作还有一定空间。

解决方案：优化L1级、L2级控制系统,采用全自动燃烧控制，减小煤气热值波动，将煤气热值接入加热炉一级HMI画面，看火工根据热值变化进行实时干预，减小炉膛气氛波动。

4 蓄热式燃烧技术的优点
蓄热式燃烧技术的主要优点有以下几点：
（1）采用高温空气烟气余热回收装置，交替切换空气与烟气，使之流经蓄热体，能够在最大程度上回收高温烟气的显热，可节能30%以上，同时也降低了C02的排放量，减少了对温室效应的影响。

（2）将燃烧空气预到1000℃以上的温度水平；一般而言，预热空气温度每提高100度，可使理论燃烧温度提高50度左右，节能3%～5%。

此外该技术形成的是与传统火焰迥然不同的新火焰类型，真正实现了高温低氧燃烧，与传统的燃烧机理完全不同。

由于火焰的燃烧区域扩大从而消除了局部高温，形成均匀的炉内温度场分布，不但提高了产品的加热质量，同时延长了炉子耐火材料的使用寿命。

（3）通过组织贫氧状态下的燃烧，避免了通常情况下，高温热力氮氧化物NOx的大量生成，达到节能减排的目的。

在传统的燃烧机理中，由于存在局部高温区即使采用了低NOx技术也无法实现超低NOx排放。

而高温低氧燃烧形成的均匀温度场，
表1 重庆钢铁热卷线加热炉气氛环境检测数据
重庆钢铁热卷线加热炉气氛环境检测数据
加热炉名称加热炉基本信息气氛预热段加热段均热段
2#加热炉空气单蓄热步进加热炉约150万吨/年
O2（%） 1.48～1.720.55～12.360.16～14.54 CO（ppm）8244～333780～19400～928
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有效消除了局部高温，在预热助燃空气温度很高的情况下，真正实现了超低NOx排放。

（4）由于消除了炉内局部高温，炉膛内温度均匀，可使炉子的温度提高至耐火材料的使用极限以强化炉内传热，同样产量的炉膛尺寸可以缩小20%以上。

炉子尺寸减小后一方面可以降低造价，另一方面又可以使炉子散热减少，使节能工作又上了一个新台阶。

改变燃烧系统为蓄热式燃烧系统后，氧化烧损大大减少，可提高金属的成材率。

（5）用分散式余热回收方式代替集中式余热回收方式，当炉子的不同区域有不同温度控制要求时，控制调节手段更加方便有效。

（6）可以燃烧低热值燃料。

许多工业炉的工作温度都比较高，燃烧低热值燃料将达不到所需要的炉温。

要在轧钢加热炉和钢包烘烤上使用高炉煤气，理论上应将空气和高炉煤气预热到500%以上。

使用金属换热器实现空煤气预热到500℃以上，一方面成本很高，另一方面，在使用了一段时问后，金属换热器由于腐蚀和积灰总是再也达不到设计的换热器温度。

采用高温空气燃烧技术后，可以方便到将空气和高炉煤气预热至超过1000℃，其燃烧烟气可以满足目前所有工业炉的炉温要求。

在许多地方，高炉煤气由于无法使用不得不放散掉，因此，采用HTAC技术的经济效益是极其可观的。

（7）节能效果显著，宝钢2050mm热连轧常规加热炉2019年燃耗为45.77kgce/t；重庆钢铁热卷线加热炉燃耗仅为32.95kgce/t，重庆钢铁热卷线加热炉热送热装优于宝钢2050mm 热连轧常规加热炉，经测算重庆钢铁轧钢厂热卷线热送热装多贡献的燃耗约为5kgce/t～6kgce/t，剔除热送热装影响节能效果依然明显。

（8）对于低负荷生产时单耗增加不明显，采用高温空气燃烧技术的加热炉由于废气排放温度仅为150℃左右，废气热损失小，故炉子单耗随热负荷的变化小，而常规加热炉的单耗随热负荷变化而明显变化，这个特点使得采用高温空气燃烧技术的加热炉特别适合产量波动较大的生产单位。

（9）操作方便，劳动条件大大改善。

采用高温空气燃烧技术的加热炉只要在仪表室内操作即可，大大改善了工人的劳动条件，避免了高炉煤气中毒的危险。

（10）投资回报率高。

采用高温空气燃烧技术，可以减小炉子尺寸，降低筑炉造价；可以省略金属换热器和传统的高烟囱，降低投资；炉膛温度均匀，消除局部高温，可以延长炉子的使用寿命；空气过剩系数可以达到理想的配比，减少了料坯的氧化烧损，提高了工件的加热质量；极大地降低了燃料消耗。

可以说，HTAC技术要比传统燃烧技术经济的多。

蓄热式燃烧技术的主要缺点有以下几点：
（1）换向阀密封的寿命问题，现在的换向阀的金属结构基本上没有问题，关键是密封垫特别容易烧损，操作时要特别留意烟气温度。

一旦烟气温度超过350℃时会加速快切阀的密封面损坏。

（2）管道布置的错综复杂，且管道管径笔同等能力的常规加热炉大得多，检修及维护量大幅增加。

（3）换向阀数量多，零星故障比较多，每天都会有换向阀因为各种原因出现故障，需要长期有人蹲点维护。

目前有部分钢厂为了减少换向阀的数量，采用集中换向模式，这种模式可以最大限度减少换向阀的数量，从而减少投资和故障点，在不影响炉温调节的前提下，换向阀的数量越少越好。

采用集中换向的换向阀一旦再生产过程中出现阀体损坏或卡阻问题，可能导致整段无法加热，而分散换向则可以有效解决这个问题。

（4）换向周期问题，换向周期一定要把握好，一旦换向周期长了，排烟温度就会不断升高，可能出现超温现象，长时间超温会加快阀门密封面损坏，经过大量时间证明，换向周期宜设置在50s～60s之间。

（5）安装蓄热体的蓄热箱在设计时要尽量多留有余地，主要是考虑加热炉产能进一步提升时确保蓄热体换热能力足够大，保证蓄热体的正常使用和排烟温度不超限。

5 改进效果
重庆钢铁热卷线加热炉至2010年投产已运行超过10年，由于蓄热式燃烧技术和煤气预热技术在重庆钢铁均是第一次使用，使用和维护经验欠缺，在使用过程中遇到了诸多这样那样的问题，通过不断的优化和改进，取得了良好的效果。

随着科学技术的进步，越来越多的先进技术开始运用到加热炉上，目前国内部分钢厂加热炉已经实现了全自动烧钢。

新技术的诞生，在很大程度上减轻了操作人员的劳动强度，但对设备的稳定性和精准性提出了更高的要求。

未来蓄热式燃烧技术与其他节能技术组合应用是加热炉节能降耗的主要方向。

6 结语
蓄热式燃烧技术的应用及推广，使我国工业能源结构得到了改善，能耗指标快速赶上世界先进水平，是高能耗企业的福星，虽然蓄热式燃烧技术优点众多，但在使用过程中出现的一些问题需要不断改进。

如高温带来的管道、设备更易损坏、蓄热体堵塞、结块、寿命不长、炉内压力变化大，造成热量大量溢出等，蓄热式燃烧技术与黑体节能技术、激光在线气体分析仪精确燃烧控制系统等组合使用将是未来工业企业的开展节能降耗的主要方向。

（作者单位：重庆钢铁股份有限公司）
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