空气预热温度、过剩系数与烧嘴火焰特性和加热炉节能 关系的研究与应用

李 栋

（安阳钢铁股份有限公司）

0 前言

安钢1 780 mm 机组生产线设有3座步进梁式加热炉，每座加热炉燃烧控制系统配备有5种型号的烧嘴，数量为108 个/炉。其中，上均热段30台、下均热段10台、二上加热段36台、二下加热段12台、一上加热段10台、一下加热段10台。烧嘴的主要布置形式为平焰烧嘴和调焰烧嘴两种。在实际生产运行过程中，因燃料热值和炉温工况的波动变化，各段烧嘴火焰特性出现了一些关键性的问题，主要体现在：（1）烧嘴火焰温度过低；（2）烧嘴燃烧时火焰长度和刚度变化大；（3）烧嘴内燃料不能完全燃烧，钢坯带走的有效热量过少，加热炉燃料消耗偏高。笔者根据以上问题，结合该机组加热炉烧嘴的相关技术参数，从生产运行操作过程及烧嘴设备本体开展了工艺技术研究，最终取得了较好的应用用效果。

1 1780机组加热炉及烧嘴主要技术参数

安钢1780机组加热炉的炉体内砌尺寸为43 500 mm×11 700 mm，烧嘴燃烧所用的燃料是高、焦炉混合煤气，烧嘴类型是“平焰+调焰”，燃烧控制段一共有6段，烧嘴的烟气余热回收方式为空、煤气换热器双预热。具体烧嘴的布置情况和烧嘴热能力见表1。

在实际的生产运行中，由于混合煤气燃料热值一直在波动，使烧嘴的性能不能够完全得以发挥，烧嘴出口流速发生变化[1]，烧嘴火焰中心温度以及其火焰长度都没有达到生产要求，因烧嘴内燃烧不充分，使钢坯度方向的温度受热不均匀，钢坯带走的热量偏少，而且影响工艺操作的稳定性，给稳定生产带来了很大的影响。

2 研究方向的确定

为有效解决上述问题，决定开展空气预热温度、空气过剩系数对烧嘴火焰特性关系的研究，并依据研究结果制定出有效措施。同时，将提高操作人员新技术、新知识的学习能力和实际操作水平作为优化、完善加热工艺制度的一项必要措施。

表1 各段烧嘴布置情况和烧嘴供热能力

一般来讲，空气预热温度越高，烟气余热回收的物理热量也就越大，烧嘴燃烧时火焰温度会相应的升高，加热炉煤气消耗也会越低。另外，在理想条件下，混合煤气完全燃烧时所必需的最少空气量称为理论空气消耗量；在实际生产过程中，煤气完全燃烧或不完全燃烧所需的空气量称为实际空气消耗量。实际空气消耗量与理论空气消耗量之比称为空气过剩系数，空气过剩系数值的大小会影响到烧嘴火焰的长短和火焰燃烧范围。因而可以看出，烧嘴空气预热温度和燃烧过程中的空气过剩系数对加热炉烧嘴燃烧有着很大的影响，对这两方面的研究是开展加热炉燃料节能方面的一个有效的方向。

2.1 空气预热温度与烧嘴燃烧火焰温度的理论关系

先确定燃料热值Qd为2 300 Kcal/m3，空气过剩系数值L0为1.15情况下，烟气量Va即为3.73 m3/N3,烟气平均比热C产一般为1.578 K/m3℃，然后根据经验公式分别理论计算出空气预热温度tk在400 ℃、450 ℃、500 ℃、550 ℃时燃料的实际计算燃烧温度。

经验公式：

以空气预热温度400 ℃为例，tr为330℃，Cr取1.55 kJ/m3℃；tk为400 ℃，Ck取1.328 9 kJ/m3℃；取α=1.15，将相关数值代入式（1）～式（4）计算得出T实=1 983 ℃。

通过上述理论计算，可以得出燃料热值在2 300 Kcal/m3,空气预热温度在400 ℃时，设定空气系数α为1.15，则燃料实际计算燃烧温度为1 983 ℃（该温度是假定加热炉完全绝热的条件下理论计算得出）。在实际生产过程中，加热炉存在约35%的热损失，即燃料燃烧热效率仅为65%，则在上述条件下，实际燃料理论燃烧产生的炉温则为T实=1 288.95 ℃。

同理，可以计算出空气预热温度分别为450 ℃、500 ℃、550 ℃时的实际计算燃烧温度，分别1 309.7 ℃、1 331.2 ℃和1 352.5 ℃。

根据上述理论计算可知，加热炉烧嘴内的空气预热温度每提升50 ℃，燃料理论燃烧温度增加约20.1～21.5 ℃。因此，尽量提高空气预热温度，可以增加加热炉燃料带入炉内的物理热量，同时可以有效提高烧嘴燃烧温度和炉膛温度。

2.2 空气过剩系数与调焰烧嘴火焰长度的关系

调焰烧嘴中心风、煤气和一次风混合后，形成一级燃烧状态；一级燃烧的混合物与二次风混合，进入二级燃烧状态。增加二次风的流量，会提高烧嘴火焰的喷出速度，增加烧嘴火焰长度[2-3]。

依据该理论，研究人员按照各加热段设定的空气过剩系数值（见表2），重点针对调焰烧嘴一次供风阀的供风量、二次供风阀的供风量、阀位比例以及烧嘴在炉体各加热段的布置位置、距离与所占供热段总供风量的比例关系进行了现场优化调整。首先优化统一设定一加热段、二加热段、均热段不同的空气过剩系数,然后单独对每个加热段不同功率的烧嘴上一次风阀、二次风阀和中心风阀进行分别调整。

表2 加热炉各燃烧段空气过剩系数控制

通过对不同加热段、不同功率的烧嘴进行优化调整，当一加热段烧嘴的过热系数为1.15、二加热段温度烧嘴的过热系数为1.05、均热段过热系数为1.0时，可以明显增加烧嘴的火焰长度和强度，大大提升了烧嘴火焰的性能。

2.3 调焰烧嘴内腔中心风管本体结构问题的优化改进

HDN调焰烧嘴，由于取压头漏风、中心风喷头与过渡管断裂和喷头方向等问题，导致调焰烧嘴燃烧时火焰长度和刚度不够，炉内中心区域温度场对钢坯辐射强度和对流强度减弱，延长了钢坯在炉内的加热时间，降低了煤气燃烧热效率，增加了加热炉煤气消耗用量。各加热段低 NOx 调焰烧嘴参数调整见表3。

表3 各加热段低NOx调焰烧嘴参数调整

利用加热炉停炉检修期间，对烧嘴内的原中心风管本体中的过渡管材质和中心风喷头尺寸进行了优化，优化前后的烧嘴内中心风喷头如图1所示。

图1 烧嘴内中心风喷头

3 应用效果

通过对加热炉生产期间空气预热温度、空气过剩系数与烧嘴燃烧火焰特性关系的工艺技术研究和措施应用，达到了不错的效果。

（1）依据空气预热温度每提高50 ℃，烧嘴火焰温度提高约20 ℃的理论。1 780 mm机组加热炉在正常生产期间，将空气预热温度由原来的500 ℃提高到了550 ℃，将煤气预热温度由原来的280 ℃提高到了320 ℃，以此强化增加烧嘴燃烧期间的火焰温度。

（2）通过对各加热段烧嘴一次风阀、二次风阀的空气用量及阀位优化调整、固定以及对调焰烧嘴内中心风管结构和材质的优化改进，调焰烧嘴火焰长度由原来的3～4 m增加到5～6 m，火焰燃烧速度、长度和刚度得到了有效增加，实际效果如图2所示。

图2 调焰烧嘴优化后的燃烧效果

（3）钢坯在炉内表面加热质量得到了进一步提升。通过对加热炉进行热平衡测试，发现钢坯带走的热量从原来的40.4%提高到了45%，烧嘴内燃料燃烧完全，加热炉煤气消耗降低1.21 kgce/t，节能降耗效果明显。

4 结语

通过开展空气预热温度和空气过剩系数对烧嘴火焰特性关系的研究，在混合煤气波动较大的情况下采用调整空气过剩系数、烧嘴中心风管及提高空气预热温度等措施，可以有效提高加热炉内钢坯加热质量。同时确保烧嘴内燃料的完全燃烧，从而提升燃料燃烧的热效率，降低加热炉燃料消耗，达到钢铁企业节能减排的目的。