加热炉换热器降温节能操作实践与分析

李会朝，冯叶龙，李爱国， 李安州

(河钢邯钢邯宝公司热轧厂， 河北 邯郸 056015)

当前我国经济发展方式，正在经历从高速发展向高质量发展的关键转变期，钢铁工业作为国民经济的支柱产业，首当其冲受到经济增长方式的影响，面对新的经济形势，国内各大钢铁企业，纷纷将“绿色、低碳、节能、减排”纳入企业的战略调整内容。在此背景下探索、轧钢加热炉生产、维护的节能、减排方法意义更加明显。

1 工况与工艺参数

某公司热轧厂(以下简称热轧厂)，建有一条常规2250热连轧带钢生产线，于2008年8月份投产，年设计产能480万t。该生产线配备有四座步进梁加热炉，单炉冷装设计产能375 t/h，燃料为高炉、焦炉和转炉混合煤气，混合煤气热值8 364 kJ/m3(标准)，燃烧系统采用数字化脉冲燃烧技术，助燃空气单预热。空气换热器采用列管式金属换热器，每座加热炉有六组，每组顺烟气流向，热风部分22排换热管，冷风部分21排，沿宽度方向为23根，前10排材质为OCr18SiAl(厚度3.5 mm)，共计230根，后12排为材质OCr17(厚度3 mm)，共计276根；冷风组全部为20 g渗铝(厚度3 mm)，共计483根，自建厂使用至今，换热效率95%以上，设备运行稳定，每年对换热管和换热箱体进行除尘，去灰一次，相关工艺参数如表1所示。

2 操作方法

2.1 降 温

加热炉停止生产后，加热炉按照50 ℃/h进行降温，降温过程中，烟道闸板，冷风注入阀门，冷风稀释阀门控制方式均为自动模式，炉膛温度降至1 000 ℃后，加热炉各功能区段按表2所示，设定各区段温度控制值，到达设定温度后，加热炉进入压力调整阶段。

表1 空气换热器工艺参数

表2 炉膛各段温度设定值 ℃

2.2 换热器后过度区建立

将换热器与烟道闸板之间、冷风注入阀门的控制模式切换为手动，把开度值调整为100%。将烟道闸板控制模式切换为手动，调整开度值，直至炉膛压力稳定在0～20 Pa。此举目的是在换热器与烟道闸板之间烟道封闭区域，形成一定压力的含有冷风的烟气过渡区。

2.3 换热器前过度区建立

将换热器前冷风稀释阀门控制模式，切换为手动，开度值调整为100%，重新调整烟道闸板开度值，直至炉膛压力稳定在0～20 Pa，具体工艺参数如表3所示。此举目的是在换热器前引入冷风，在换热器入口区域，形成一定压力的含有冷风的过度区。

表3 快速冷却工艺控制值

2.4 换热器过度区建立

首先将烟道闸板开度值按照每次减小5%、逐步减小，每次烟道闸板开度调整后，同步减小冷风注入和稀释风阀门开度，保持炉膛压力p稳定在0～20 Pa。其次、每次阀门调整完毕，记录换热器前烟气温度t值，当满足炉压0～20 Pa，t值最小时，停止调整，换热器过度区建立完成。数据显示，换热器过度区建立过程中，t值和p值随烟道闸板开度变化趋势如图1所示。

图1 炉压烟气温度随烟道闸板开度关系

2.5 快速冷却

首先将热风放散阀门控制模式切换为手动，将阀门开度设置为100%。其次调整助燃空气压力工艺设定值至最大，增加助燃风机送风量。第三对冷风注入和稀释风阀门进行调整，保持炉膛压力稳定在0～20 Pa。

2.6 升温恢复

首先将烟道闸板、冷风注入、稀释风和热风放散控制模式均设置为自动，炉压设定值0～5 Pa。其次设定升温梯度50 ℃/h，炉膛各区温度目标值1 100 ℃，开始升温。第三步炉膛温度达到1 100 ℃后，升温梯度根据生产需要按50～200 ℃/h设定，炉膛目标温度设置为1 250 ℃。

3 有益效果

3.1 工作效率

原方法主要分四步：第一步控制降温，通过降低炉膛温度，来降低换热器外高温烟气温度。第二步 自然降温，根据轧钢安全规程，当炉膛温度低于800 ℃后，执行停炉作业，将炉膛烧嘴熄火，炉膛及换热器进行自然降温。第三步强制降温，炉膛温度自然降温至400 ℃温度后，为了加快降温速度，会将换热器部位维修人孔打开，接入鼓风机等降温设备，对换热器进行强制降温，直至维修可以接受的温度(换热器管壁温度小于50 ℃)，第四步升温恢复至可以生产温度(1 250 ℃)，整个过程需要48 h。

新方法分为三步：第一步控制降温，炉膛温度从1 250 ℃，降温至1 000 ℃。第二步平衡调节，使炉膛与换热器建立压力平衡，将冷却模式调整至快速冷却。第三步将炉膛温度升温至可以生产温度(1 250 ℃)，整个过程用时12 h。

3.2 能源消耗

根据统计，按照原来方法，完成一次换热器降温过程，炉膛温度需要从1 250 ℃降低至200 ℃，在此过程中，需要启停炉期间的煤气管道置换，维修完毕需要将炉膛温度恢复至1 250 ℃生产工况，整个过程需要消耗49.3 t标煤，新方法仅需降温至1 000 ℃，然后炉膛保温，处理完毕再升温至装钢温度即可，全程需要13.7 t标煤，两种方法对比能源消耗(以维修用时5 h为例)如表4所示。

3.3 环保因素

对环保的不利影响主要包括两个方面：一是在此过程产生的颗粒物，SO2和氮氧化物的排放，特别是氮氧化合物，根据实践，启停炉期间由于炉膛气氛可控性差，会大量产生氮氧化合物，排放到大气中形成，增加大气污染压力。其次是启停炉过程中需要对煤气扫线，置换，放散。煤气中除了一氧化碳外还含有多种对大气又危害的成分，这些组分对周围生态均有不同影响，两种方法加热炉排放数据(以维修用时5 h为例)如表5所示。

表4 煤气消耗数据

表5 加热炉排放数据

4 注意事项

4.1 换热管束热胀冷缩

金属材料在室温下通常是性质较为稳定的材料，并具有良好的抗腐蚀性、坚固耐磨、抗压力强的优点，但是当的使用温度变化后，大多数金属材料存在热胀冷缩现象。温度是影响金属热膨胀效应的主要外部环境因素，它能够为金属提供发生热膨胀效应的基本条件，金属中的原子能够从外部环境中吸收热量，并实现自身能量的提升，通过改变分子或原子之间的制约力，改变自身的运动空间和振动频率。当温度升高能够促使金属发生 体积的胀大和长度的增长，使得金属在宏观上的热膨胀现象[1]。加热炉用换热器多采用低碳或含合金元素的不锈钢材料，热胀冷缩特性较为明显。 该阶段需要注意，降温前要确认不同材质和尺寸换热器设备，不同温度工况换热管所发生的线变化量，确认在可承受该变形量，金属的热膨胀系数与热容有关，其变化规律与热容随温度变化规律一样[2]，可以根据如下经验公式进行测算。

金属材料线变化与温度对应关系经验公式[3]

L2=L1×[1+α×(T2-T1)]

式中:L1为对应温度T1时物体长度,m；L2为对应温度T2时物体长度,m；T1、T2为温度,℃；Α为金属的线膨胀系数。

4.2 煤气安全

在调节助燃空气压力和炉压过程中，要保证炉膛氧含量大于1%，空燃比满足煤气规程要求，避免因煤气操作不当引发爆炸。煤气爆炸必须具备三个条件，一是煤气和空气(或氧气)在煤气管道、设备或炉窑里混合；二是煤气浓度达到爆炸极限；三是要有激发能源。三个条件同时存在才能发生爆炸。防止煤气爆炸事故可从以上三个方面采取措施，但重点是控制煤气和空气的混合，使其达不到爆炸极限。各种煤气的可燃成分和爆炸范围[4]如表6所示。

表6 煤气可燃成分及爆炸范围 %

5 结 语

本文介绍的换热器降温节能操作方法，是技术人员在工作实践中总结而出，经过反复修改验证，目前该方法已经固化到热轧厂加热炉换热器设备维护规程，实际运行效果良好，对同类型操作，具有借鉴意义。