蓄热式中间包烘烤工艺节能技术开发*

秦爱虎， 王小峰

(江苏派尔钢铁节能技术有限公司, 南京 210009)

蓄热式中间包烘烤工艺节能技术开发*

秦爱虎， 王小峰

(江苏派尔钢铁节能技术有限公司, 南京 210009)

介绍了江苏派尔钢铁节能技术有限公司蓄热式中间包烘烤工艺节能技术的特点及开发过程，项目应用效果证明，改进后的蓄热式烘烤技术更加节能、高效。

蓄热式中间包; 烘烤设备；工艺节能技术

引 言

随着钢铁行业对产品质量和能源消耗的重视，对中间包烘烤温度和能耗提出了更高的要求。

目前，国内大多数钢铁企业的中间包烘烤装置仍采用常规烘烤技术，存在诸如火焰直接冲刷包壁、包内温差大、烘烤时间长、包内存在局部高温点和烘烤盲点、能源消耗量大、余热利用效果欠佳等不足。

因此，开发新型烘烤设备，完善工艺曲线，利用烧嘴和PLC控制火焰，推进了中间包烘烤工艺节能技术的研究。在当前能源日趋紧张的情况下进一步开发、应用蓄热式燃烧技术，对节约能源，环境保护，实现清洁生产有重要的意义。

1 理论研究与工艺改进方向

1.1 蓄热工作原理

高温空气燃烧技术(HTAC)应用了蓄热技术，充分利用高温烟气中的物理热，通过陶瓷蓄热体，将助燃空气预热至高温，使燃料能够在低氧气浓度下达到稳定、充分的燃烧。

其工作原理为：如图1所示，使用高温换向阀，周期性地变换气体流向。燃烧后的烟气通过一个喷嘴—蓄热体组合，接通引风机向外排出，高温废气通过陶瓷蓄热体时，热量被蓄热体所吸收，烟气温度降到200 ℃以下，此时蓄热体富集了大量的热量；换向后鼓风机送出的助燃空气通过该蓄热体预热后，喷入包内，开始充分的燃烧过程。

图1 蓄热式烘烤工作原理

1.2 蓄热式中间包烘烤器数学模型

烘烤过程模型主要包括流动、燃烧、传热模型，其基本表达式为：

(1) 流动模型

连续方程

动量方程

能量方程

(2) 燃烧模型

k-ε-g模型在x-φ坐标系中控制方程的一般形式为

式中φ为流函数。选用PDF形式进行计算，平均混合分数f及其均方根脉动值gf的输运方程表示为：

式中 常数σt=0.7，Cg=2.86，Cd=2。

(3)传热模型

辐射模型的数学表达式为

式中a为吸收系数，σs为散射系数，r为位移矢量，s为方向矢量，s′为散射方向矢量，si为s分量，σ为Stefan-Boltzmann常数，σ=5.672×10-8W/(m2·K4)，n为折射系数，I为总辐射强度，T为热力学温度，Ω′为立体角，φ为相函数。

中间包内衬的导热方程可描述为

式中ρs,Cp,s,λs分别为材料的密度、比热、导热系数，Ts为固体温度。

1.3 蓄热式工艺改进方向

(1)高温空气助燃，热效率更高；

(2)燃烧热影响区域大，使罐内温度更均匀；

(3)合理的空气过剩系数，更安全、节能、环保。

2 新工艺开发

2.1 数据采集与分析

以江苏省某钢铁厂两个分厂的中间包烘烤器为试验对象，进行现场勘察。一个分厂4台在线，2台离线；另一个分厂6台在线，3台离线。对在线中间包、离线中间包等采取不同烘烤形式的检测；开展燃料消耗的检测及数据采集；对现有检测数据进行整理、回归与拟合，分析并找出目前问题存在的原因。

主要检测工具：一体式探针流量计3台、低温红外测温仪1台、高温红外测温仪1台。

2.2 方案制定和产品试制

开发过程包括：拟定初步研究计划，确定新的工艺路线与可行性研究方案；根据现有测试结果进行分析，找出可参照的工艺路线；进行理论分析与计算；开发出新型高效节能型中间包烘烤器；通过试验验证，制定出该新型高效节能型中间包烘烤器的相关技术文件。

经过开发过程后，分别对前述两个分厂进行工艺优化改造，新型烘烤设备及新工艺如下：

中间包的烘烤按工艺要求分为在线烘烤、离线烘烤或新砌筑中间包的干燥烘烤三种形式(一般把冷包和新包归为一类，统称为离线包)。

蓄热式中间包烘烤器由首家在国内开发产品的派尔公司设计，具备国内领先的技术优势。根据中间包的形状和使用方式不同，烘烤器分别设计成纵置式和横置式。

图2, 3分别是纵置式和横置式中间包烘烤器的示意图。图4, 5分别是在线、离线蓄热式中间包烘烤器的升温曲线。

2.3 结果分析

经过整体的设备及工艺改造后，其试验结果如下：

(1)设备达到烘烤要求：温度1 200 ℃，温差≤50℃；

(2)烘烤温度达到1 200 ℃时，烘烤器自动执行保温曲线，此烘烤状态消耗的煤气主要用于平衡烘烤包的散热损失，量少且为间歇燃烧。

(3)新包烘烤达到最高温度时，内衬耐火材料没有开裂现象；

(4)中间包烘烤器的程序设计严格按升温曲线进行控制，每台烘烤器可预先设置两条不同的升温曲线(见图4, 5所示)，用户可根据实际情况进行选用。过程数据记录及分析如图6, 7所示。

2.4 工艺成果

本次开发过程同时取得以下成果：

(1)制定了节能型蓄热式中间包烘烤器数学模型建立的标准。

图2 纵置式中间包烘烤器

图3 横置式中间包烘烤器

图4 在线中间包(冷包)蓄热式烘烤升温曲线

图5 离线中间包蓄热式烘烤升温曲线

(2)研发专用软件，利用数学模型，模拟工况，分析中间包烘烤工艺中的关键点，配套先进的技术进行仿真；开发新型的燃烧技术，实现低热值煤气的高效利用。

(3)利用蓄热式燃烧技术，结合实际工况，研发出使用低热值煤气的新型蓄热式中间包烘烤器(含板坯、方坯两种结构布局)，包括：新型一体化烧嘴，新型的两位四通阀，新型的PXR系列燃烧器等，形成新型蓄热式中间包烘烤器(常规板坯、方坯)设计标准。

(4)目前江苏派尔钢铁节能公司已有两项实用新型专利，包括“一种中间包蓄热式烘烤装置”和“一体化中间包蓄热式燃烧器”专利技术，实现多种控制于一体的安全保护措施；

图6 改造前、后包口温度对比

图7 改造前、后包中温度对比

(5)通过研发新的自动化控制技术，实现精确的时控、温控，满足工艺要求，实现单台设备每年减少有毒、有害气体的排放量为30 000 m3；外排烟气的温度降低到150 ℃以下，减少高温烟气生成的氮、氧化物对大气环境的污染，烟气排放量减少70%。

3 结束语

(1)实现蓄热式在中间包烘烤器上合理布局，开发出结构合理、新型高效的设备；研发了一种新型的燃烧技术，从根本上解决低热值煤气高效利用的问题，显著增强节能效果；研发了自动化控制技术，减少了环境污染。

(2)节能技术的开发，对企业的节能降耗、提高经济效益、改善环境、治理大气污染方面具有重大意义和推广应用价值。

2015-07-15

秦爱虎(1967—)，男，硕士。电话：13382015666；E-mail:aihu812@163.com

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