李东

（上海嘉德环境能源科技有限公司，上海200335）

钢铁联合企业应用复合燃烧技术的探讨与实践

李东

（上海嘉德环境能源科技有限公司，上海200335）

相对于常规燃烧以及蓄热式燃烧技术，复合燃烧是在同一热工设备上同时采用两种燃料或两种燃烧技术的燃烧方式。复合燃烧技术提倡钢企燃气不再混合，各种燃气独立走网，以实现燃气配置与最优的燃烧技术相匹配。燃气作为一种宝贵的资源，从发展的角度，以实现最优节能和最优市场效益的理念对大型钢铁联合企业的能源配置重新定义和整合。

复合燃烧技术；大型钢铁联合企业；蓄热式技术；加热炉节能；燃气资源优化

低热值高转炉煤气双蓄热技术的节能效果已被越来越多的业内人士所认同，蓄热式燃烧系统设备和材料也越来越可靠、长寿，维护成本大幅度降低。大多数民营钢铁企业及中小型钢铁企业已基本普及低热值煤气双蓄热技术。然而在大型钢铁企业，尤其在国有大型钢铁联合企业中，该技术的推广工作仍旧步履艰难。早期就被广为议论的“双蓄热技术只是为了使用低热值高转炉煤气，节能效果不明显”，以及“蓄热式燃烧设备、技术可靠度不高，节能不节钱”等诸多矛盾和提法，在技术进步和生产实践中已经逐步得到解决。例如在鞍钢一炼钢连轧作业区1#蓄热式加热炉，在2012年重新改造后，连续12个月统计平均能耗0.8 GJ/t钢，氧化烧损测试指标0.7%。与其毗邻的2#燃混合煤气的常规加热炉能耗统计指标1.35 GJ/t钢。1#炉较2#炉节能高达40%，由此可见，蓄热式燃烧技术节能效果显著，经济效益也是非常可观的。

然而在双蓄热技术继续推广中又遇到了新的难题，那就是大多数大型钢铁联合企业厂区内煤气资源分配已经平衡完毕，大多数以加热炉为代表的加热设备普遍使用热值（1 800～2 300）×4.18 kJ/m3的高、转、焦混合煤气，采用常规燃烧技术，能耗及氧化烧损等指标虽然不甚理想，但由于企业内部煤气尚能满足需要，同时多余的低热值煤气已经用往发电，没有多余的低热值煤气供加热炉使用，高炉煤气双蓄热技术的推广工作再一次受到困扰。

1 问题讨论

热值（1 800～2 200）×4.18 kJ/m3区间的混合煤气是否可以采用双蓄热技术？国内的一些钢企有过一些尝试，发现该类型加热炉普遍存在的两大问题。首先是在长期使用后排烟管道出现大范围的腐蚀破坏，严重时会在煤气侧引风机附近出现爆炸事故。其原因是高焦混合煤气不同于低热值燃气以CO为主燃成分的特点，混合煤气中含有相当比例的CH4、H2成分，燃烧后生成一定量的H2O，包含有H2O成分的烟气经蓄热体后温度迅速降低，低于150℃后的H2O以液态形式析出。同时其中焦炉煤气中或多或少含有一定量的硫化物，在加热炉内燃烧反应后形成SO2、SO3，再与烟气中析出的液态水结合生成硫酸或亚硫酸，严重腐蚀排烟管道、阀门和引风机等设备、设施，最终导致排烟系统大面积腐蚀、泄漏。

当换向阀被腐蚀出现内漏以及煤气/烟气在换向瞬间不可避免的交叉污染，使得少量煤气被抽到煤气排烟管道中，煤气引风机附近管道、设备通过腐蚀漏点吸入空气后，当有适宜温度的情况下，就极易出现爆炸。据了解，大部分采用过高焦混合煤气双蓄热的加热炉在煤气侧引风机位置都或轻或重的出现过爆炸事故。由于液态水也是形成酸性液体的原因之一，高焦混合煤气燃烧后烟气低于150℃就会形成液态水，由于北方地区冬季寒冷，环境温度低，烟气低于露点幅度较大，距离烟管下游的引风机位置越近，烟气温度越低，液态水越多，这就是采用双蓄热技术北方地区排烟管道腐蚀较南方地区更为严重的原因。因此尽可能使排烟管道保持一定温度，是减少液态水形成、延缓烟管腐蚀的方法之一。

其次是空煤气双双蓄热到1 000℃后，由于煤气热值高，蓄热的空煤气温度也高，造成空煤气混合燃烧速度极快，理论燃烧温度也非常高，在炉膛内形成又短又亮的火焰。这种情况下的火焰长度以及炉膛内的局部高温很难被控制，造成钢坯长度方向两边温度高，中间温度低的现象，影响轧制后产品质量。同时局部高温也造成相当大的氧化烧损，以及较高的NOx排放。笔者在大型宽带钢双蓄热加热炉上有过一定的经验，当高焦混合煤气双蓄热烧嘴布置在加热炉的高温区时，烧嘴喷出的火焰短而白亮，炉宽方向温差大，氧化烧损高；当高焦混合煤气双蓄热烧嘴布置在加热炉的低温区时，火焰长度基本可以达到炉膛中间，也没有白亮的火焰产生。

基于上述两大问题，（1 800～2 300）×4.18 kJ/m3区间的高焦混合煤气双蓄热技术是不合理的，应当将之否定。

采用单蓄热技术是否可行？国内不少大型钢铁企业采用了这项技术，并相继引进了价格昂贵的进口单蓄热燃烧系统，然而效果也不理想，主要反映的问题是节能效果不明显，几乎等同于常规加热炉。从下面进行的不同热值高焦混合煤气采用单蓄热能耗模拟计算（见表1）中可以找出其中的原因。

表1 不同热值高焦混合煤气采用单蓄热能耗计算表

表1的计算假定条件是：单蓄热加热炉只有很短的不供热段，炉尾自然排烟部分出炉烟温900℃，煤气按照20℃常温计算，空气蓄热温度1 050℃，钢坯全部冷装入炉,钢坯加热温度1 230℃。

从表1中可以对采用单蓄热技术的加热炉得出如下推理和结论：

（1）燃料热值越高通过蓄热室的烟气比例越大，反之从炉尾自然排出的高温烟气比例越小；

（2）煤气热值越低综合排烟温度越高，其节能效益越不明显。

（3）煤气热值越高，采用单蓄热节能越明显。

从表1可以看出，（1 800～2 200）×4.18 kJ/m3热值区间的高焦混合煤气采用单蓄热节能效果本身就不明显，可以说，这个热值区间混合煤气采用单蓄热技术本身的思路就是不合理的。也可以看出，纯焦炉煤气节能效果是显著的，这个结论对复合燃烧技术的提出提供了部分依据。

常规燃烧方式如图1所示，单蓄热常规组合燃烧方式如图2所示。

2 复合燃烧技术的构成和特点

图1 常规燃烧方式（100%烟气从炉尾排出）

图2 单蓄热常规组合式（相当一部分烟气从炉尾排出）

既然（1 800～2 200）×4.18 kJ/m3区间的高焦混合煤气采用单蓄热、双蓄热技术都不合理，那么破解这个问题的途径又在哪里？为此，笔者提出了复合燃烧技术的概念，下文浅析这项技术的构成和特点。

复合燃烧技术有两个方面的含义：①复合燃料，也就是说就对同一座加热炉而言，一部分供热段采用低热值的高炉煤气或转炉煤气；一部分供热段采用高热值的混合煤气、焦炉煤气、乃至天然气；②复合燃烧技术，低热值燃气部分采用双蓄热技术，高热值燃气部分采用单蓄热或是常规燃烧技术。

具体实施上，根据生产工艺特点及燃料介质条件，加热炉可以采用双蓄热+常规的蓄热—换热燃烧技术，双蓄热+单蓄热，亦或不同热值燃料的双蓄热+双蓄热复合蓄热燃烧技术。

实施常规燃烧技术的基本思路是燃烧技术要符合燃料的特性，即燃烧技术要服务于燃料介质，设计上要针对于燃气的特点考虑燃烧技术。在低热值煤气双蓄热技术成熟可靠的情况下，燃料介质的使用得到了极大的解放，低热值煤气与高热值煤气之间可以不再因考虑高炉煤气热值低理论燃烧温度不足而必须与焦炉煤气掺混提高热值，可以实现高炉煤气、焦炉煤气各自独立的供应加热炉，这是提出复合燃烧方式的基础条件。复合燃烧技术的核心理念是燃料配置与最高效的节能技术之间实现最佳匹配，即可以根据实际需要灵活配置、组合燃料和燃烧技术。

复合燃烧技术在具体应用上有两种方案，方案一：双蓄热+常规的蓄热—换热复合燃烧技术（见图3），即低热值煤气设置在加热段，采用双蓄热燃烧技术；高热值煤气设置在均热段，采用常规燃烧技术，这种方案的优点是在主要供热部分采用高效节能的蓄热式技术的基础上，利用均热段高热值煤气常规燃烧轴向、侧向可调焰烧嘴或平焰烧嘴的调节上的灵活性，来满足某些特殊钢种的温度要求。

图3 复合燃烧方式（少量烟气从炉尾排出）

方案二：双蓄热+单蓄热的复合蓄热燃烧技术（见图4），即高热值煤气放在加热炉低温段采用单蓄热技术，将低热值煤气双蓄热放在中高温段采用双蓄热技术；在混合煤气热值不高的情况下，也可以采用将混合煤气以双蓄热的方式放在第一加热段（仅是第一加热段），其它各供热段采用高炉煤气双蓄热的复合燃烧方式。

图4 复合燃烧方式（很少量烟气从炉尾排出）

这种方案偏重于更高效率的节能，同时利用高热值煤气燃烧升温速度快的优势，可靠地提高加热炉低温段炉膛升温速度，加大炉膛与钢坯之间的温度梯度，使得钢坯在低温段就能够大量吸收热量，这对于希望提高产量的加热炉而言是一个不错的选择。

3 复合燃烧技术的实例分析

由上海嘉德环境能源科技有限公司总承包建设的西南地区某大型钢企2050生产线采用双蓄热+常规的蓄热—换热复合燃烧技术，即第一、二、三加热段采用高炉煤气双蓄热技术；均热段采用焦炉煤气常规燃烧方式（见图5、图6），均热段上部采用平焰烧嘴，均热段下加热采用侧向可调焰烧嘴，炉尾设置自然排烟烟道，烟道内设置换热器，预热500℃的助燃空气供均热段常规烧嘴使用，表2是该加热炉的有关参数。

图5 高炉煤气双蓄热+常规燃烧实物图

图6 蓄热室排烟+炉尾自然排烟实物图

自投产以来，钢坯加热质量完全满足生产需要，可顺利轧制质量优良的1.3 mm厚度板卷，其热轧板卷“以热代冷”（替代酸洗板）受到用户的一致好评，也进一步印证的钢坯被加热温度的均匀性。2013年1～4月份统计能耗指标1.18 GJ/t坯，统计氧化烧损1.12%，这个指标在国内大型钢铁联合企业中处于领先地位。需要说明的是，由于目前该2050生产线受产品大纲的限制，造成生产中入炉钢坯仅有20%～30%的温装比例，温装坯入炉温度也仅有300～500℃，这与国内其它大型热连轧70%热装率，600℃以上热装温度相比尚有不小的差距，若未来热装比能够与其它钢企相近，其节能幅度、氧化烧损控制会有更显著的提高。

表2 西南地区某大型钢企2050线蓄热—换热加热炉技术性能表

华北地区某钢企1700生产线2#加热炉采用的是复合蓄热燃烧技术，即第一加热段采用高焦转混合煤气蓄热式技术（焦炉煤气量较少），第二加热段和均热段采用高炉煤气双蓄热技术。加热炉没有辅助烟道，烟气全部从蓄热室后以低于150℃排出炉外。该钢企1700线复合蓄热加热炉技术性能见表3。

采用复合蓄热技术的该1700线2#加热炉，正常产量情况下统计能耗指标1.02 GJ/t坯，氧化烧损统计指标0.8%～0.9%。

表3 华北地区某钢企1700线复合蓄热加热炉技术性能表

4 加热炉采用复合燃烧技术效益和优势分析

4.1 复合燃烧可使加热炉实现更显著的节能效益

从表4国内部分热轧加热炉运行经济技术指标统计对照表可以看出，就加热炉这一工序而言，西南地区某大型钢企2050热轧厂采用复合燃烧技术的加热炉与其它公司相比，吨钢燃料消耗费用最高相差50余元人民币，氧化烧损也相差13元人民币，假若对一家1 000万t级的钢企而言，每年就有6～7亿的节能效益。在冶金全行业普遍亏损的形势下，如此大的成本差异对钢铁企业来说是非常有意义的。当然不排除各企业间煤气价格不相同的因素，以及焦炉煤气作为一种优质气源与低品质的高炉煤气之间的价格差异。但即使抛开不同企业之间燃气的价格差异，不同加热炉之间也有20元人民币的燃料/烧损成本差异。而且，这还是在该2050生产线加热炉热装率和热装温度与其它公司相差悬殊的情况下比较的。笔者预计在热装比达到正常水平下（70%热装率，600℃以上热装温度），该加热炉统计单耗应在0.95 GJ/t坯以下。

然而，也不难发现，为什么生产实践中蓄热式技术与常规燃烧技术有着比理论计算更大的节能幅度？这很容易让人怀疑这些数据的真实性。实际上，蓄热式燃烧技术除了大幅度提高空气或煤气温度以外，与常规燃烧相比还有两项重要的节能途径。

（1）对于常规加热炉而言，预热段回收高温炉气的节能作用是非常重要的，炉膛内高温烟气往往在通过预热段后以700℃左右的温度排向烟道。大型钢铁联合企业热装热送的水平相当高，尤其在热连轧生产线上，热送温度更高，热装率更大，热装到加热炉中相当一部分的钢坯自身温度近似于甚至等同于预热段炉温，造成热装钢坯在预热段回收烟气热量十分有限，预热段相当于没起到作用。借此，也需要明确一个推论，对于常规加热炉而言，其预热段回收余热对冷坯或低温坯是有效的；相反，对于热装温度较高的坯料而言，余热回收是低效甚至无效。

而蓄热式燃烧技术本身是无需预热段这一回收手段的，蓄热式烧嘴可以一直布置到炉尾，通过蓄热式对全部炉气进行余热回收。基于此，可以得出的另一个结论是，蓄热式燃烧更适合于热送热装水平高的生产线的节能降耗。

既然常规加热炉中，热装钢坯在预热段吸收热量很少，对产量而言就意味着加热炉的实际长度变短，预热段对钢坯的加热效能被削弱了。而蓄热式燃烧技术刚好相反，蓄热式烧嘴一直布置到炉尾，钢坯入炉就开始被加热，整座炉子长度都被充分的用于钢坯的加热，这对于提高加热炉产量是非常有益的，尤其是采用复合蓄热技术，效果更加明显。这对于热连轧等多座加热炉生产的节能也提供了另外一种可能，当采用复合燃烧技术的加热炉产能得以明显提高后，可以减少其中的一座加热炉进行生产，这也可以获得明显的节能效果。

（2）常规加热炉中高温烟气以及预热后的助燃空气在长距离输送过程中的温度降往往为人们所忽视，在大型加热炉上，换热器前的烟道长度一般都长达几十米，按照经验3～5℃/m的温度降计算，高温烟气从炉膛出来到换热器前，烟温可下降100℃以上，笔者见到炉尾与换热器前烟温最大差值的有180℃之多；此外，在大型加热炉上，从换热器出来的预热空气到达最远端烧嘴的管道长度，其距离可能长达近百米，按照经验1～2℃/m的温度降计算，高温空气从换热器到达嘴前温度下降了150℃以上，这同样是很大的能源浪费。

而蓄热式燃烧技术中，蓄热式烧嘴是直接插在炉墙上的，从蓄热式烧嘴排出的低温烟气已经于炉子热效率无关，而蓄热后的高温烟气又从烧嘴直接喷入炉膛。这一进一出都几乎没有热量损失，可以把这定义为无损失热流体输送。这与常规燃烧一进一出的热量损耗相比节能效果也是非常可观的。

4.2 复合燃烧技术为钢铁企业的能源使用提供了极大的灵活度和自由度

在低热值煤气双蓄热技术没有成熟运用之前，大型钢铁联合企业的混合燃气常常受用户的制约而陷于被动，热值频繁变化、压力频繁变化，常处于用户不满意，计量不准确的状态，也常常出现燃气偶有不足/燃气经常放散并存的状况，更谈不上燃气分配与燃烧技术最佳匹配的问题。

在采用复合燃烧技术后，高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气完全可以实现不掺混的独立供应，各自走各自的管路系统。各燃气用户既可以使用单一的燃气资源，也可以类似于加热炉采用复合燃烧技术，其目的是在稳定生产的情况下，燃气配置与最适合的燃烧技术紧密配合，实现根本上的节能效益最大化。

燃气资源的解放，使得我们提倡钢铁企业中尽可能的使用低热值煤气，更好发挥高质的焦炉煤气效益的思路得以实现。通过调查以及从低热值煤气锅炉发电反推都可以得出高炉煤气0.10元/m3左右的市场价值，1 m3焦炉煤气热值近似等同于5 m3高炉煤气，相对应的，1 m3焦炉煤气仅用于燃烧的话，其价值也就是0.5元/m3。假若把焦炉煤气用于制造甲醇，每m3焦炉煤气价值相当于1.25～1.3元之间，效益大为提升，或是作为LNG的原料，也能够得出近似的价值。在辽宁地区，工业用罐装天然气价格4.3元/m3，2 m3焦炉煤气近似于1 m3天然气的热量，也就是说焦炉煤气若用于地方工业，其价值更是提高到2.15元/m3。

在钢铁企业内部，焦炉煤气除了可用于制氢，还可以直接用于高炉喷吹，可以降低少部分焦炭，以及一部分优质的高炉喷煤，焦炉煤气中富含的大量H2，是优良的还原剂，可以更好的促进高炉内的还原反应。即便是用于发电，从节能角度，笔者也提倡用焦炉煤气而不是高炉煤气。原因是在常规燃烧技术中，在获得同样的热量的情况下，烟气量越少，就意味着设备节能效果越明显。1 m3焦炉煤气燃烧生成的烟气量大致为5.5 m3，1 m3高炉煤气燃烧生成的烟气量大致为1.66 m3，1 m3焦炉煤气热量近似于5 m3高炉煤气，也就是说对等1 m3焦炉煤气热量的情况下高炉煤气燃烧生成的烟气总量为8.3 m3，烟气量超过同等热量焦炉煤气的50%，从这个推导上看，常规燃烧方式采用焦炉煤气更节能。

遗憾的是，大部分人的观念均与之相反。认为焦炉煤气作为优质燃料应首先用于加热，高炉煤气作为低质燃料应用于发电。

4.3 复合燃烧解决了蓄热式燃烧难以实现的炉宽方向特殊温度控制的问题

由于蓄热式燃烧采用的是扩散燃烧方式，因此可以获得良好的炉温均匀性，尤其是低热值煤气双蓄热技术，由于喷入炉内的燃气量大，速度高，高温情况下对流传热也占到一定比例，使得炉温更加均匀。但是在一些特殊的情况下，例如一些热连轧希望钢坯首尾有30℃左右的温差；例如一些炉卷轧机希望钢坯两边的温度比中间温度略高一些等等，蓄热式燃烧技术很难实现这样的控制。但采用复合燃烧技术就可以很好的实现这样的调节功能，即采用蓄热式—换热技术，均热段采用常规燃烧，加热炉采用低热值煤气双蓄热技术。

4.4 解决了双蓄热技术较难实现的不锈钢/合金钢加热的问题

不锈钢/高合金钢都有一个相似的特点，就是希望在低温区缓慢加热，高温区快速加热。双蓄热技术往往会把烧嘴一直排布到炉尾，使得钢坯刚一入炉就处于高温饱和加热的状态下，钢坯升温过快很容易造成的钢坯开裂、断裂等问题，不仅给生产带来严重损失，而且断裂后的钢坯很难从炉内清空，给生产组织带来严重的的影响。采用复合燃烧技术，即采用双蓄热+单蓄热或是双蓄热+常规的方式，一部烟气可以流经炉尾，对钢坯进行缓慢加热，都可以很好的解决这个问题。

4.5 热值稳定，自动化控制易于实现

钢铁企业的混合煤气热值是不稳定的，不仅受到用户的制约，同时也受到季节变化的影响。热值的变化直接影响到空燃比，这是能耗控制以及烧损控制重要途径。虽然有热值仪和氧化锆探头等热工手段，但是设备的稳定性、测量的准确性以及参与闭环控制的可行性等问题都制约着优化空燃比的效果，目前大多数企业对此都没有特别好的办法。

单一煤气热值波动很小，可以近似于不变。燃气热值稳定的情况下，加热炉易于实现自动化控制。自动化控制的可靠运行，为加热炉长期的节能、控制炉内气氛有很好的作用。

5 结论

（1）复合燃烧方式为已经平衡的大型钢铁联合企业燃气资源，如何进一步使用最佳的节能技术提供了解决方案。

（2）复合燃烧方式为以往大型钢铁联合企业的混合煤气方式彻底松绑，焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气管线各种独立，无须掺混，不仅使厂区内燃气资源可以适应任何生产情况的变化，最终可使焦炉煤气作为一种宝贵的资源得以优化，为企业提供更好的效益。

（3）复合燃烧方式的提出使得以往焦炉煤气为优质煤气用于加热，高炉煤气、转炉煤气为低质煤气用于发电的观念应该得到改变，燃料的优质与否更体现在市场价值和适应性上，对于加热炉而言，高炉煤气、转炉煤气就是优质煤气，对于市场价值而言，焦炉煤气就是优质资源，尽可能避免被白白烧掉。

（4）复合燃烧方式在节能的同时，也符合环保减排的理念，可大量减少NOx排放，减少温室气体的排放，钢铁企业也可以通过“碳交易”，增收创效。

（5）建议更多的大型钢铁联合企业从被动的“煤气平衡观”，走向主动的“资源节约观”，为企业和社会创造更大的效益。

Discussion and Practice on Application of Combined Combustion Technology in Integrated Iron and Steel Companies

LI Dong
（Shanghai Cadre Environment Energy Science&Technology Co.,Ltd,Shanghai 200335,China）

Compared with conventionaland regenerative combustion technology，CCT（combined combustion technology）is a kind combustion mode which can utilize two kinds of fuels or adopt two kinds of combustion technology in the same thermal equipment.To realize fuel gas distribution matching with the optimal combustion technology,CCT advocate fuels transport separately without mixing.Fuel gas is precious resource.From perspective of development energy source configuration of large scale integrated iron and steel companies shall be defined,arranged and combined renewedly according to the ideas of realizing the optimal energy conservation and market efficiency.

CCT（combined combustion technology）；large scale integrated iron and steel enterprise；regenerative combustion technology；reheating furnace energy-saving;fuel gas resource optimizing

TF066.1+5

B

1001-6988（2016）06-0016-06

2016-10-25

李东（1972—），男，高级工程师，主要从事工业炉窑及热能工程技术研究工作.