加热炉无焰氧燃烧技术应用

zhd1998cn

引言
    2005年安赛乐米塔尔 Shelby公司与林德公司（前身为林德燃气公司）一起对Shelby公司位于俄亥俄州的无缝钢管厂进行了一次技术改进。将5%氧气富集工艺应用于环形炉上，结果显示这项改进节约了30%的燃料。在降低了燃料消耗以后，安赛乐米塔尔 Shelby公司试图通过增加加热炉的加热能力来提高无缝钢管厂的产量，为大规模钢坯生产做准备。
    2007年，林德公司把REBOX氧燃料解决方案用于加热炉改造工程。与氧气富集工艺相比，新工艺使加热炉增加了25%的加热能力并减少了50%的燃料消耗，并且相对于空气燃烧，氧燃料在整体上减少了65%的燃料消耗。 以上结果同时还包括为实现更好的打孔效果而提升的炉温均匀性，50%的结构减少以及被降到最低的NOX、CO2排放量。这些都是这项改造工程的目的，这表示无焰氧燃料的应用效果卓越。
    安赛乐米塔尔钢管部门
    安赛乐米塔尔公司的钢管部门在9个国家共拥有18家工厂，是世界最大的钢管生产商之一。Dofasco钢管部门于2005年由Dofasco de Mexico，Hamilton和Marion三个配管厂与Copperweld公司的汽车与机械配件部门合并而成。之后与安赛乐米塔尔合并后成立Shelby公司，主要生产内规管与外规管。
    安赛乐米塔尔 Shelby公司主要生产高精度焊管或无缝钢管。其产品几乎可以涵盖所有主要的钢管类型，包括热加工无缝钢管、冷拔无缝钢管、焊接无缝化钢管和焊管，其中产量最大的产品是各种尺寸的厚壁电阻焊管。Shelby公司产品的主要市场包括汽车、工业与建筑设备、娱乐设备、石油勘探与开采以及其他设备制造行业。
    Shelby工厂购买的长坯料会首先被切成指定规格并装填入环形炉加热。加热炉原本装备了一个采用同流换热器预先加热的空气燃烧系统。部分能量由锅炉产生的蒸汽中回收并用于后续工序。
    大尺寸坯料制管厂的产量提高
    2004年安赛乐米塔尔 Shelby就曾与林德公司讨论过如何减少现有环形加热炉的能量消耗，并于2005年将氧富集技术用于正在使用的空气燃烧系统中，使燃料消耗减少了30%。紧接着Shelby公司将目标制定为进一步减少燃料成本和增加无缝管厂的产量，尤其是对大尺寸坯料的加工。为此Shelby公司策划团队制定了几个不同方面的目标：
    1.增加加热炉加热能力——为6"及更大的坯料增加25%的加热能力；
    2. 减少成本——减少能源及设备维护的成本；
    3. 更好的产品质量和炉温均匀性——可行的解决方法必须包括为下游工序提高坯料质量与温度均匀性；
    4. 环境要求——老式的燃烧炉会产生大量排放物，首要解决的问题就是减少NOX与CO2的产生，使其符合环境发展规划；
    5. 较短的项目投资回报时间——最短在24个月以内；
    6. 高效可靠的实施——像工程总承包项目一样制定小的项目时间表以减少加热炉与生产线的停机时间。
    为顺利完成技术改造，安赛乐米塔尔 Shelby派出了一个团队到Ovako公司位于瑞典胡福什市的钢厂进行考察。Ovako钢厂有一个与Shelby相似的生产线且其均热炉从1994年起就开始使用氧燃料了。Ovako的另外两个环形炉于1998年开始使用氧燃料加热。2006年Ovako将它的均热炉改为无焰氧燃料，这使其加热时间比空气燃烧减少了43%（图1），另外还节省了17%的燃料，并减少5%～20%的结构规模。
    无焰氧燃料燃烧技术说明
    在升温时肉眼观察不到温度差异的燃烧叫做无焰燃烧，燃烧火焰与炉壁温度差在180～360℉之间；当炉温达到2200～2400℉时火焰就变得不可见了。
    应用无焰氧燃料的主要目的：
    ●大幅度减少加热时间；
    ●减少低温有焰燃烧可能产生的NOX气体；
    ●达到炉温均匀的环境；
    ●减少能源消耗；
    ●因实际加热效果的提高和加热时间的缩短而减少加热炉结构规模。
    所有这些都可以通过应用低温无焰氧燃料燃烧来实现。其无焰的特性是通过氧燃料燃烧时产生的无氮炉内气体冲淡火焰获得的。这种稀释效果同时还会达到有效搅拌燃气的目的，其促进热传递的效果与同步加热装置不相上下。无焰氧燃料的火口是双模的，在炉温达到1400℉以前类似普通氧燃料，当炉温超过1400℉时火口开始自动点燃，此时的火焰被冲淡达到无焰氧燃料燃烧的最佳状态。到目前为止，林德公司已经为应用氧燃料燃烧技术更换了超过110个加热炉，其中有25个已经装备了无焰氧燃料系统，在Outokumpu 不锈钢公司、Ascometal、 Uddeholm Tooling、 Scana、Ovako以及安赛乐米塔尔 Shelby公司的生产中表现的性能达到并超过了预期的目标。瑞典皇家工业学会的一项工业调研也证明了其低NOX排放量水平。
    无焰氧燃料在Shelby旋转炉上的应用
    林德公司研究分析了Shelby旋转炉，并在以往经验知识与数学模型的基础上制定了一个新的燃烧解决方案。林德REBOX氧燃料解决方案的应用要满足以下方面要求：
    ●完整的工程总承包项目方案，委托与实施要在4个月以内；
    ●用半自冷无焰氧燃料的陶瓷火口（60.6mmBtu/hr）替换现有的空气燃烧火口（109 mmBtu/hr）；
    ●在恰当的温度标准下将加热区由4个改为5个；
    ●通过关闭三个炉气出口中的两个并增加一个活动调节阀来提高压力控制；
    ●包括天然气与氧循环系统在内的新的燃料与氧气燃烧控制系统；
    ●去掉两个空气冷却隔板；
    ●去掉空气风箱；
    ●2007年8月26日开始生产并且每天维护16次。
    新加热区的修订加热廓线
    加热炉与燃烧系统的修改都是基于一个修订的加热廓线。这条廓线说明了无焰氧燃料更高的燃烧性能，更好更同一的加热协调性能和70%~80%的炉气减少量。这使在不需要考虑烟道巨大能量流失的同时更早更有效的加热成为可能。这条加热廓线是为提高6"及更大尺寸钢坯的加热性能而特别绘制的（图2）。
    去掉隔板增加控制
    在氮产物和燃料消耗的减少使炉气减少了70%～80%以后，氧燃料的温度控制变得更加容易了，并使得去掉加热区间的隔板成为可能。现在只有加载/卸载区的隔板仍然保存着。去除空气冷却隔板会大大增加炉子的保温效果，同时还能降低维修成本。
    为了保证能源的效率并把NOx等废气排放量减少到最低，炉子的压力必须得到严格控制，这一点对任何种类的燃烧系统都是相当重要的。然而对于氧燃料燃烧系统来说，要大幅减少炉气量，还需要一个更加灵活的压力控制系统。新的压力控制系统是在林德公司的监督下重新设计的，它在仅剩的一个炉气出口处加了一个活动调节阀。
    为了实现新的加热廓线，监控反馈，控制和安全都是必不可少的。正确的温度测量，包括过热响应，废气温度和最高温度是相当重要的。热电偶的安置必须符合新的区域安排和控制要求。
    温度控制器和可编程逻辑控制器与人机接口组成一个独立的温度与加热炉联动控制系统。这个系统控制旋转炉的温度、比率、循环等参数以及火口打火顺序和加热炉安全联动。开始/停机及功能设置需要在控制间或控制箱的部分人机接口来完成。火口边上的控制箱包括火口控制系统和操作指示灯与开关。
    加热炉加热能力提高25%
    2005年的氧富集技术并不能提高加热炉的加热能力，但对无焰氧燃料的测试表明其对6.5"钢坯的加热能力提高了35%。空气燃烧或氧富集方法需要100min，而新的技术只要75min（图2）。其对于大尺寸钢坯（6"或更大）的加热能力平均提高幅度达到了工程预期的25%。在保证产品质量的同时缩短加热时间已经实现并替代了之前的改进，其更高的温度均匀性减少了炉子规模。
    燃料总体消耗率减少50%（Btu/t）
    燃料总体消耗率（加热炉工作过程中所有的能量消耗）通过氧富集技术减少了30%。无焰氧燃料技术将其进一步减少了50%。也就是相对与原始的空气燃烧技术减少了65%。6.5"钢坯冷装炉的能量消耗率现在为1.1 mmBtu/t。同时去掉鼓风机也进一步节约了能量。
    提升温度均匀性并减少炉子规模
    炉子改造前后对6.5"钢坯的加热图像都被记录下来以便实时监测加热温度与均匀性。通过记录的数据与操作员的经验，温度均匀性得到提高，且更有益于后续的穿孔工序。操作员同时发现新的加热炉炉壁温度也更加均匀，这进一步提高了钢坯的加热效果。钢坯长度方向的温度差异减少了50%，使得炉子加热能力增加了25%，并促进了后续工序的进行。
    对于Shelby，无焰氧燃料使得大尺寸钢坯的循环加热时间缩短了。可编程控制器与天然气和氧循环系统精确地控制着炉温、炉内气氛与压力，并使炉内氧气保持在适宜且可控的水平上。这都归功于50%的结构规模减少。新的加热炉结构使得Shelby生产线的清理只需每周一次而不是之前的每天一次。
    相对空气燃烧NOX废气减少76%(lb/a)，CO2减少65%(lb/a)
    Shelby的策划团队在项目说明中提出了许多减少废气，特别是NOX排放量的方案来满足日益严格的最大排放量标准。林德公司的许多相关设备及瑞典Ovako钢铁厂旋转炉的数据都证明了无焰氧燃料减少NOX排放量的能力。新技术通过降低燃烧温度来减少由加热而产生的NOX废气。在无焰氧燃料的工业测试与工业生产中可以发现空气进入的水平实际上不会影响由加热产生的NOX量，这对保持NOX的低排放量有很大的帮助。在无焰氧燃料改进的前后都进行了NOX排放量的测量。结果显示NOX年排放量（lb/a）减少了76%，NOX排放水平（lb/mmBtu）减少了85%。而CO2的排放量则直接跟燃料消耗量成正比，所以65%的燃料消耗降低量导致同样数值的CO2年排放量的减少。
    改进工作环境与减少维护
    应用无焰氧燃料技术后的工作环境大为改观，不仅仅是减少了清洁的工作量与加热炉的规模，还有去除空气鼓风机后的安静环境。另外除去鼓风机也减少了维护费用。加热炉的外壳也降低了温度，这使维护与修理工作变得十分方便，同时也减少了由于高温而引起的结构磨损。负责卸载的操作员再也不会因为火口的强光而看不清东西。另外新的模块化的火口允许在生产过程中对其进行检查与维护。最后，唯一的烟道使炉外的导管与管道大大减少。
    小结
    安赛乐米塔尔 Shelby与林德公司从2004年起就一起对现有的环形炉加热过程进行改进。REBOX氧燃料方案在短周期，短停产时间的前提下迅速降低成本，并达到一个长期有效的结果。2005年5%氧富集技术的使得燃料总体消耗率减少了30%。在此基础上安赛乐米塔尔Shelby公司希望进一步提高钢坯尤其是对大尺寸钢坯的加热能力。于是2007年林德公司得到了这个对旋转炉使用无焰氧燃料技术进行改进的工程总承包项目。加热炉于2007年8月重新启动。（余万华）