节能高效热风炉在河南海博瑞20万吨/年特种功能纳米二氧化硅项目上的应用

＊祁建春 孙志英 张玉广,2

（1.河南海博瑞硅材料科技有限公司 河南 454650 2.上海志承热工设备有限公司 上海 200120）

前言

河南海博瑞年产20万吨特种功能纳米二氧化硅工程项目是河南省济源市人民政府支持的纳米材料产业发展重点项目，是河南大学完全自主知识产权技术孵化的产业化纳米材料项目，同时也是河南济源钢铁（集团）有限公司战略性投资项目。该项目总投资15亿元，分三期进行建设：第一期建设3万吨生产线，投资2.5亿元；第二期建设7万吨生产线，投资5亿元；第三期建设10万吨生产线，投资7.5亿元。项目一期工程建设于2019年9月7日奠基开工，2020年12月18日竣工投产。工程项目总设由在国内沉淀法二氧化硅生产方面具有丰富实践经验的专业设计单位中国轻工业长沙工程有限公司承接。本项目中二氧化硅的生产工艺路线采用河南大学开发的专有工艺路线，该工艺采用液相原位表面修饰技术，研发的特种功能二氧化硅项目经历实验室研究、小试试验、中试试验、工程技术验证，产品满足市场需求，技术达到国内先进水平。项目产品为特种功能纳米二氧化硅，采用硫酸沉淀法，工艺技术路线、生产设备均属于国内先进水平，工艺过程稳定可靠。本文中所谈到的高效节能热风炉主要为干燥设备提供热源，热风炉以液化天然气为气源，热风炉系统是成品干燥工艺重要组成部分，又是其中的关键工序，该系统运行的好坏直接影响到产品质量的高低，生产成本的控制程度，以及废气外排考核环保是否达标的一项重要指标。

1.工艺流程

20万吨/年特种功能纳米二氧化硅工程项目工艺流程如下：

图1 20万吨/年特种功能纳米二氧化硅项目工艺流程图

2.问题的提出

(1)项目背景

河南海博瑞硅材料科技有限公司新上一套年产3万吨白炭黑设备，采用喷雾干燥生产工艺，雾状物料在干燥塔内经550～750℃高温热风干燥后形成成品。现需要为喷雾干燥塔配置一套天然气直燃热风炉系统：系统热源采用天然气，热值8500kcal/Nm3，加热功率19200kW，工艺冷风量6～7.2万Nm3/h，氮氧化物排放要求：≤30mg/m3@3.5% O2基准氧含量，燃烧效率：≥99.9%。该系统需采用工业上广泛应用的直燃式加热技术方案，将线形燃烧器模块直接布置于风道之中，天然气通过安全控制阀组装置进入线形燃烧器模块点火稳火，燃烧产生的热气体直接加热经鼓风风机及引风风机送入风道的冷空气，在风道中充分混合，形成温度可调的均匀热风，经风道输送至喷雾干燥塔，在喷雾干燥塔内干燥物料之后携水蒸气排放至大气中。

(2)制造商选定

通过分析对比，线形燃烧直接加热是目前针对该工艺最高效的加热方法。经过市场调研，用户使用情况技术交流，以及热风炉生产厂家的装备制造水平，业绩情况等进行综合评定，最终决定热风炉系统的设计制造安装项目由上海志承热工设备有限公司承接。在燃烧器的选型上工程项目指挥部做了大量市场调研，最终选用美国霍尼韦尔—麦克森品牌燃烧器，该公司的燃烧器在行业内和工业燃烧领域处于技术领先地位，采用特殊烧嘴形式和配风结构，通过缩短火焰长度、燃气与空气预混合等多种技术措施，降低燃烧火焰温度（约1000℃），避开大量产生氮氧化物温区（1400℃），从而达到低氮燃烧效果。

3.热风炉系统总体设计

(1)主要技术指标及设计要求

热风炉出口气流温度：550～750℃，可连续调节。

工作方式：连续运行，每天运行最大24h。

控制方式：本地控制可实现燃烧器系统独立运行，并可在总控系统远程调度下实现全自动运行控制与安全联锁（DCS）。

氮氧化物排放要求：≤30mg/m³@3.5% O2基准氧含量。

燃烧效率：≥99.9%。

热风炉数量：1台。

助燃风机风量：28800Nm3/h。

燃烧器最大功率：19200kW。

天然气热值：8500kcal/Nm3。

天然气压力：1～3bar。

(2)总体设计

①系统性能优良、技术成熟、操作方便、控制容易、配置经济合理、安全、低耗。

②系统的设计符合国家、行业、制造厂商所规定的设计标准和规范。系统设计寿命为10年。

③设计时安全问题放在首位，包括全系统安全防护的总体设计、安全联锁保护与监控系统设计，满足国家相关安全评估要求。

④系统总体工艺布局、控制系统设备布置及布线、供配电系统等统一综合设计，确保系统的安全、可靠、先进、经济和美观。

(3)热风炉设计

①采用直燃式线形燃烧加热方案，将燃烧器直接布置在热风炉内部，尽可能减少设备体积，提高空间利用率。

②根据喷雾干燥塔性能指标要求，设计出相应的燃烧器热风炉加热方案，具体包括加热器主要技术参数、加热器结构参数、燃料性能及配比、燃烧效率、温度场均匀性、控制系统调节性能、安全运行监测系统等，并对几个典型工况下加热器的性能进行评估。

③为保证热风炉使用寿命要求，热风炉高温段采用310S不锈钢材料，炉体过流部分采用304不锈钢材质。

④为方便燃烧器布置以及施工、维护保养，提高使用寿命，采取成熟双层热风炉技术，热风炉截面形状采用圆形结构。

⑤为防止因燃烧导致风道外壁温度高而发生烫伤等事故，需对整个热风炉进行保温。

(4)助燃风机选型

①依据系统的总体技术要求，对风机的参数进行设计计算，为风机的性能评估和选型提供参考。

②依据加热器的结构型式、流量以及差压需求，对风机进行选型，对风机转子、轴承、电机等关键部件，需要给出结构型式、材质、型号等技术参数，同时也要给出风机设备的风压、风量、功率、性能、结构、重量等关键参数。

③考虑到整个系统中，风机的噪声占较大的比重，有效降低风机噪声，对抑制系统噪声有非常大的帮助。因此，风机选型过程中，要充分考虑风机的噪声水平以及风机抑制噪声的策略和措施。

图2 燃烧器工作原理流程图

(5)燃烧器的设计选型

依据热风炉总体设计要求，选用霍尼韦尔-MAXON高效节能燃烧器。

(6)控制系统设计要求

①控制系统具有较高的可靠性、实时性、使用操作和维护的方便性。

②本系统的控制系统属于喷雾干燥塔控制系统下属分系统之一，在总控系统能完成本系统的自动运行控制与安全联锁，运行过程能实现全监控。天然气燃烧器控制系统放置于干燥车间操作室内，同时与换热风机及引风机连锁。

③系统监测对象主要包括用于流场压力、温度测量的检测设备和用于流量、压力调节的各种控制设备，以及风机、燃烧器的运行状态监测等实时监控等。

④控制柜具有完善的操作按钮，功能上包括：控制柜门上设置必要的急停按钮、本地/远程操作切换开关、复位按钮、指示灯等，可通过DCS远端控制。

⑤控制柜所有元器件，如开关、指示灯、按钮、接线端子等，选用品牌产品，如西门子、施奈德等。

⑥柜内元器件布局、线缆走线科学、合理，配置足够的备用继电器、端子、开关等元器件，强弱电接线端子分开布置并设计专用接地端子。

4.系统分析

(1)可靠性分析

系统是要按照长久使用标准进行设计，燃烧室采用不锈钢材料，燃烧器本体为全不锈钢，天然气管道采用无缝碳钢管，核心阀门仪表选择进口高性能产品，控制柜采用不锈钢防水设计，保证主体设备使用10年寿命。燃烧器点火控制按照行业标准执行，燃烧器是专利产品，能够做到一次点火成功，正常运行不熄火，故障熄火能切断，能够保证24h连续运行，故障率低，运行稳定可靠，自动化程度高。系统设备的所有信号接入DCS系统，在总控室进行实时监测和远程操控。

(2)空气加热器的核心部件燃烧器的可靠性

①一次点火成功率是可靠性重要指标，采用引导火模式，这种点火方式在工业上是最可靠的模式，先点一路引导火，功率不大，这个小火稳定建立之后，再点燃主火焰，等主火焰稳定建立之后，引导火关闭。

②火焰检测的实施性和故障反馈性是可靠性的另一个重要指标；采用自检式紫外线火焰探测器，此种探测器在化工领域常年连续运行的燃烧器上会采用，它有如下特点：自检功能，光电管是把火焰中的紫外线信号转换成电信号的设备，遮挡片是一个定时进行光线遮挡的拨片，类似于眼皮眨眼的效果。自检的流程是：隔一定的时间，遮挡片会遮住外界射来的紫外线一定的时间，光电管在这段时间是看不到紫外线的，过了这段时间遮挡片打开，光电管可以看到紫外线。火焰检测光电管在该看到火焰时能看到火焰，不该看到火焰时看不到火焰，视为正常；除此以外都不正常，提醒火检是否工作正常。

③安全关断阀，金属密封，快速关断，关闭时间小于1s，气动，防爆，防水。此阀门是国际上安全认证最齐全的，在燃烧器行业应用最高端的阀门，高可靠性，高安全性，长寿命。

霍尼韦尔-MAXON的安全关断阀为美国在管道燃料和氧气安全使用规范的最高标准，燃料安全关断阀都通过美国FM认证。霍尼韦尔-MAXON安全关断阀带有气动执行机构能在紧急情况下瞬间（少过1s）关断燃料及氧气的供应，确保系统的最高安全。高精度的金属密封结构防止泄漏，可连续无故障工作1,000,000次，升降式的开关动作使阀门具有自清洁的功能，直通式的阀体与阀芯结构让阀门有最大的流量系数，并且流体通过阀门的压降极小。

④流量控制阀采用MAXON的高精度智能型流量控制阀，SMARTLINK™MRV阀门是适用于高精度，可再现，防篡改，耐久性强的工业用燃烧系统的并联位置控制系统。可再现的流量控制以实现最佳燃料的燃烧效率，并满足严格的排放标准；减少燃料和氧气的浪费。

⑤燃烧器高温部分为耐温材质，接触火焰部分材质为310S。10年的使用寿命，各种工况切换，连续使用不停。

(3)安全性分析

燃烧器系统设计按照NFPA86的标准，对天然气使用的各种安全隐患进行了规避，采用FSG控制进行自动点火，实时检测火焰。

FSG控制系统在燃烧器系统的启动、停止、正常运行过程中实时进行监控的安全系统。它连续监视与燃烧系统相关的各种参数和状态，提供灵活可靠的控制操作，在事故工况下按照安全的顺序自动操作，中断向工业炉供给燃料，避免燃料在炉膛内积聚，以防范爆炸等事故，保障工业炉的安全运行。

①预吹扫安全

燃烧器在点火前，必须有一段时间的预吹扫，把炉膛内与烟道中的混合气吹除，因为燃烧炉膛内的混合气很有可能是爆炸性气体，如果未进行预吹扫而点火，会发生爆炸，所以必须把气吹扫干净，使其远低于爆炸极限下限。我们规定吹扫时间是以新鲜空气置换炉膛4次为最低限。

②自动点火安全

燃烧器采用自动电打火的方式点火，这样安全可靠。我们使用高压变压器产生电弧点火，其输出能量为：电压大于6kV，电流大于15mA，点火时间一般为：2～5s。

③燃烧状态监控安全

燃烧状态必须予以动态监控，一旦火焰探测器感测到熄火信号，必须在极短时间内反馈到燃烧控制器，燃烧控制器随即进入保护状态，同时切断燃气供给。火焰探测器要正常感测火焰信号，既不敏感，也不迟钝。如果太敏感，燃烧状态容易波动而产生误动作，如果太迟钝，则不利于熄火保护。

④点火失败保护安全

燃烧器点火时，电打火产生，通入燃气，引导火燃烧。如果点不着，火焰探测器感测不到火焰信号，程控器进入保护状态。引导火点着，主火建立后，引导火关闭，火焰探测器感测不到火焰信号，说明主火没有点着，程控器进入保护状态。电打火产生，还没有通入燃气时，火焰探测器感测到火焰信号，说明在点火前发现火焰信号，程控器进入保护状态。

⑤熄火保护安全

燃烧器在正常燃烧过程中，意外熄火，燃烧控制器进入保护状态。

⑥燃气压力高低限位保护安全

燃烧的时候，燃气压力要保持在一个合理的范围内，如果超过或者低于这个范围，那么我们认为对于燃烧来讲是不安全的，并关闭燃烧器。

⑦助燃空气不足保护安全

燃烧需要助燃空气中的氧气才能完全燃烧，如果助燃空气量不够或者停止，燃气发生不完全燃烧会产生爆炸，因此我们设置了助燃风压低保护。

⑧断电保护安全

燃烧器系统的正常运行是建立在有电的基础上，如果断电，就意味着很可能有不安全的情况发生，所以关闭燃气就是最安全的操作。

⑨预防燃气泄漏事故的措施安全可靠

燃气泄漏有2种情况，一是管道阀门内漏到炉膛，二是连接点外漏到环境空气当中；对于管道阀门内漏，需要保证吹扫时间和放散阀门装置的安装；对于外漏到环境中，需要减少漏点和采用防爆选型或者假装泄露报警器。

⑩超温安全保护

燃烧炉膛的温度不允许超过一定的安全温度，这个安全温度的设定是用来保护炉膛。如果超过了，快速切断燃料。

6.运行存在的问题及优化

经过近一年的生产实践，热风炉系统整体运行良好，满足整个生产工艺技术要求。但在生产过程中也存在一些问题，需要不断完善和优化。

(1)初期运行过程中出现的问题

①热风炉供热温度未达到合同设计的750℃要求，在升温过程中助燃风机共振现象时有发生。

②热风炉系统在运行过程中时有突然熄火现象发生。

(2)问题分析、解决方案及其实施效果

①按照合同要求系统热风温度满足550～750℃，实际运行在680℃，上线不达标。多次调试通过增加助燃风机风量以增加空燃比改变火焰频率，但风机风量已达极限，在运行升温过程中出现风机发生严重共振，对生产正常运行造成影响。后经分析认为制约风温继续上升的卡脖子环节在于助燃风量的不足，同时也是造成系统共振的主要因素。为此，决定将助燃风机加大一个档次，即电机功率由原来的90kW调整为110kW。经过一个月的准备，利用停产检修时机对助燃风机进行升级改造。经半年的生产运行效果明显，问题得到彻底解决。热风温度可在780℃稳定运行，已满足合同设计上线750℃的工艺温度要求；另共振问题至风机升级改造后再没发生过。

②从突然出现的熄火现象分析，主要是热风系统火检信号不稳所致。燃气热值变化剧烈，造成空燃比变化剧烈，火焰信号不稳定；同时在实际生产过程中也确实发现火焰信号比调试的时候弱了许多；提出以下解决方案：A.定期对uv火检的镜片进行清洁，尤其是在火焰信号低于2v的情况下；B.将现有的uv火检的安装位置缩短20cm；C.增加一个uv火检和现有火检并列，确保两个火检的信号中最强的信号送给程控器，保证将来不会轻易熄火。以上对策实施后，连续5个月运行熄火问题得到有效解决。

7.结语

河南海博瑞纳米特种功能二氧化硅工程项目于2020年12月18日顺利完工，经三个月试运行，十个月的连续生产，2021年全年共生产纳米二氧化硅12000t，产品远销山东、河南、江苏、浙江、上海、广东等省，用户多达100余家。实现了当年达产达效的良好运行效果。

经过一年来的生产运行实践证明，由上海志承热工设备有限公司承接的热风炉供热系统项目，应用效果良好，主要表现在以下几个方面：

（1）热风炉系统总体工艺设计先进、合理，设备选型合理，现场布局紧凑；热风炉运行效果良好，燃烧器采用霍尼韦尔麦克森（MAXON）专利技术，运行安全可靠。

（2）控制系统具有较高的可靠性、安全性、实时性以及使用操作和维护的方便性。

（3）主要技术指标满足工艺设计要求，热风炉节能、高效，且效果显著，系统供热温度在750℃以上，且天然气吨消耗指标远远低于同行业平均值，达到国内先进水平。全年能耗指标仅天然气一项效益可观。

（4）废气外排满足环保达标排放要求。干燥粉尘、热风炉废气，采用了低氮燃烧+袋式除尘器工艺技术，废气经25m高排气筒排放。经安装在线监测设备连续6个月监测数据显示的三项指标实测平均值：颗粒物3.194mg/m3、SO21.49mg/m3、NO27.53mg/m3，远低于《无机化学工业污染物排放标准》（GB31573-2015）大气污染物特别排放限值10mg/m3、100mg/m3、100mg/m3的指标要求。

节能高效热风炉在河南海博瑞20万吨/年特种功能纳米二氧化硅工程项目上的成功应用，为下一步二期三期工程项目建设提供了强有力的技术支撑。同时上海志承热工设备有限公司承接的热风炉专项技术将会在白炭黑行业得到更加广泛的应用。