軋鋼加熱爐熱平衡分析及節(jié)能途徑探討--論文

1、.軋鋼加熱爐熱平衡分析及節(jié)能途徑探討能源動力部 賈共鵬摘 要：本文通過對軋鋼加熱爐的結(jié)構(gòu)、熱平衡和能耗等介紹，詳細分析了高爐煤氣的燃燒計算，闡述了生產(chǎn)過程中節(jié)能基本途徑和有效措施，為加熱爐設(shè)計和生產(chǎn)操作提供了借鑒。關(guān)鍵詞：軋鋼 加熱爐 節(jié)能 減排* 我國冶金產(chǎn)品的成本構(gòu)成中，軋鋼工序占整個冶金行業(yè)能耗的10%，加熱爐作為軋鋼工序的重要設(shè)備，占軋鋼工序能耗的7580%。因此，提高軋鋼加熱爐的能耗水平對鋼鐵企業(yè)的節(jié)能有著重要意義。一、 軋鋼加熱爐的基本要求和爐型分類（一）軋鋼加熱爐的基本要求1、 生產(chǎn)效率高在保證質(zhì)量的前提下，物料加熱速度越快越好，這樣可以提高加熱爐的生產(chǎn)效率，減少爐子座數(shù)或縮小爐

2、子尺寸，而且還能降低燒損和燃料消耗，節(jié)約維護費用。一般用單位生產(chǎn)率即爐底強度kg/（m2·h）的高低來評價一座爐子的優(yōu)劣。例如推鋼式連續(xù)加熱爐的爐底強度為600800kg/( m2·h），步進式加熱爐為700900 kg/( m2·h），先進的連續(xù)加熱爐為1000 kg/( m2·h）。2、 加熱質(zhì)量好金屬的軋制質(zhì)量和金屬的加熱質(zhì)量有很大的關(guān)系，加熱時鋼坯出爐溫度要符合工藝要求，斷面溫度分布均勻，金屬燒損率低，防止出現(xiàn)過燒和表層的脫碳。近幾年出現(xiàn)的低溫軋制技術(shù)，是在保證工藝要求的前提下，將鋼坯加熱到低于常規(guī)加熱溫度，在低于常規(guī)溫度下進行軋制，從而大幅度降

3、低坯料加熱所消耗的燃料，減少金屬燒損，是鋼坯加熱方式在節(jié)能方面的有益探索。3、 燃料消耗低節(jié)省燃料對降低成本和節(jié)約能源有重大意義，加熱爐的燃料消耗應(yīng)盡量降低。根據(jù)國標火焰加熱爐節(jié)能監(jiān)測方法(GB/T 15319-1994)的規(guī)定，使用可比單位燃耗來表示加熱爐的能耗水平，即以不少于一個生產(chǎn)周期的合格加熱工件折合質(zhì)量計算的單位產(chǎn)品燃料消耗稱為可比單位燃耗，簡稱為可比單耗。其中對于生產(chǎn)線材的加熱爐，規(guī)定可比單耗90千克標煤/t（坯或錠）。4、 爐子壽命長由于高溫作用和機械磨損，爐子不可避免會有損壞，因此要定期檢修，保證爐子使用壽命，降低維護費用。5、 工作環(huán)境好要求爐子的機械化及自動化程度較高，操作

4、條件好，安全衛(wèi)生，對環(huán)境無污染。（二）軋鋼加熱爐的爐型分類爐型結(jié)構(gòu)是加熱爐節(jié)能與否的先決條件，因此在加熱爐新建時應(yīng)該盡量考慮到加熱爐節(jié)能的需要。一般加熱爐的爐型結(jié)構(gòu)按如下標準分類：1、 均熱爐均熱爐位于煉鋼與初軋工序中間，可最大限度的降低鋼坯表面的過熱，把鋼坯均勻加熱到可軋制的溫度。有時候煉鋼和軋鋼不能很好銜接，均熱爐也需要加熱冷鋼坯。均熱爐有下部燃燒式和上部燃燒式兩種?，F(xiàn)在新建的大部分采用上部燃燒型。2、 連續(xù)加熱爐連續(xù)加熱爐是軋鋼車間最普遍的爐子。料坯由爐尾裝入，加熱后由另一端送出，其工作性質(zhì)是連續(xù)的。在爐子穩(wěn)定工作的條件下，爐內(nèi)各點的溫度可以視為不隨時間而變，屬于穩(wěn)定態(tài)溫度場，爐膛內(nèi)傳熱

5、可近似的認為穩(wěn)定態(tài)傳熱，金屬內(nèi)部熱傳導(dǎo)則屬于不穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱。具有連續(xù)加熱爐熱工特點的爐子很多，從結(jié)構(gòu)、熱工制度等方面看，連續(xù)加熱爐可按下列特征分類：（1） 按溫度制度可分為：兩段式、三段式和強化加熱式。（2） 按被加熱金屬的形狀可分為：加熱方坯的、加熱板坯的、加熱圓管坯的、加熱異型坯的。（3） 按所用燃料種類可分為：使用固體燃料的、使用重油的、使用混合燃料的。（4） 按空氣和煤氣的預(yù)熱方式可分為換熱式的、蓄熱式的、不預(yù)熱的。（5） 按出料方式可分為：端出料的和側(cè)出料的。（6） 按物料在爐內(nèi)的運動方向可分為：推送式連續(xù)加熱爐、步進式爐、輥底式爐、轉(zhuǎn)底式爐、鏈式爐等。其中，推送式連續(xù)加熱爐是應(yīng)用最廣

6、放的形式，根據(jù)爐溫制度可分為兩段式加熱爐、三段式加熱爐、多點供熱式加熱爐。二、 軋鋼加熱爐的熱平衡分析及計算燃料在鍋爐中燃燒所放出的熱量一部分通過受熱面被鍋爐中的水和蒸汽吸收而得到有效利用，其余部分則以不同的方式損失掉了，這種鍋爐熱量的收支平衡關(guān)系，即為熱平衡。對于燃氣鍋爐，鍋爐的熱平衡是以1m3氣體燃燒為單位的，熱平衡可用下式表示Qr=Ql+Q2+Q3+Q4 kJ/m3式中：Qr1m3燃料帶入鍋爐的熱量，kJm3；Ql鍋爐有效利用熱量，kJm3； Q2排煙熱損失，kJm3；Q3化學(xué)未完全燃燒熱損失，kJm3； Q4鍋爐散熱損失，kJm3。燃料燃燒發(fā)出的熱量中，有效利用的熱量是使風溫、煤氣溫度

7、和鋼坯溫度提高所必須傳入的熱量。鍋爐煙氣帶走的物理熱是熱損失中的主要部分。當鼓風量過大時（即空燃比偏大），雖然能使燃料充分燃燒，但煙氣中過剩空氣量偏大，表現(xiàn)為煙氣中氧氣O2含量偏高，過?？諝鈳ё叩臒釗p失增大，導(dǎo)致熱效率偏低。與此同時過量的氧氣會和燃料中的S、煙氣中的N2反應(yīng)生成SO2、NOX等有害物質(zhì)。而對于軋鋼加熱爐，煙氣中的氧氣含量過高，還會導(dǎo)致鋼坯氧化鐵皮增厚，增加氧化燒損。當鼓風量偏低時（即空燃比偏小），表現(xiàn)為煙氣中氧氣O2含量低，CO含量高，雖說排煙熱損失小，但燃料沒有完全燃燒，熱損失增大，熱效率也將降低。另外煙囪冒黑煙而污染環(huán)境。由于現(xiàn)在大部分加熱爐均采用高爐煤氣作為燃料，故以燃燒

8、高爐煤氣加熱爐為例進行熱平衡的計算。（一）熱平衡的一般計算1、煤氣熱值高爐煤氣為煉鐵過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，也稱BFG煤氣或B煤氣，主要成分為:一氧化碳（CO）, 二氧化碳（C02）, 氮氣（N2）、氫氣（H2）、甲烷（CH4）等，其中可燃成分CO含量約占25%左右，H2、CH4的含量很少，CO2, N2的含量分別占15%,55 %，熱值僅為3500kj/m3左右?？蓡为毠┑蜔嶂得簹獾挠脩艋蚺c焦爐煤氣混合成混合煤氣（M煤氣）供加熱爐等用戶使用。為了準確測定高爐煤氣的熱值，煉鐵廠煤氣化驗室每天化驗高爐煤氣組分，根據(jù)如下公式計算高爐煤氣熱值：H L=H 2×107.7+CO×126

9、.2+CH 4×358.4其中： H L煤氣低位熱值（kj/m3）H 2氫氣的百分比（如1.94）CO 氫氣的百分比CH4氫氣的百分比2010年11月上旬（前10天），3#、4#和5#高爐正常生產(chǎn)，6#高爐檢修，經(jīng)煉鐵煤氣化驗室查詢數(shù)據(jù)，11月份上旬的各高爐煤氣化驗分析數(shù)據(jù)的平均數(shù)如下表所示：公司高爐煤氣成分平均分析 2010/11組分（%）氫氣氧氣氮氣一氧化碳甲烷二氧化碳發(fā)熱值（kj/m3)公司平均2.4580.00254.93523.9490.01219.4193291根據(jù)煉鐵煤氣化驗室的計算公式，計算公司高爐煤氣的平均熱值如下：H =2.458×107.7+23.94

10、9×126.2+0.012×358.4=3291 （kj/m3）=787.32 （kcal/m3）2、 燃料燃燒所需的空氣量（1） 理論（干）空氣量 Vko根據(jù)煤氣安全技術(shù)（冶金工業(yè)部冶金安全教育指導(dǎo)站，蔣路編著，1992年，P12）的說明，“煤氣是混合氣體，若已知各組分，煤氣燃燒需要的理論空氣量可按下式計算：”Vk0=0.5×H 2+0.5×CO+(m+)CmHn+1.5H2S-O2則公司煤氣燃燒的理論空氣需要量為：Vk0=0.5×2.458+0.5×23.949+(1+)×0.012-0.002 =0.63 m3/m3（

11、2） 實際空氣量VKVK=Vk0 m3/m3式中為過?？諝庀禂?shù)3、 燃燒產(chǎn)物量計算（1） 理論煙氣量Vyo 理論煙氣量可按下式計算：Vy0=C0+H2+(m+)CmHn+2H2S+CO2+N2+H2O+×Vk0=23.949+2.458+(1+)×0.012+19.419+54.935+ ×0.63=1.50 m3/m3（2） 實際煙氣容積Vy實際煙氣容積式指在過?？諝庀禂?shù)>1，完全燃燒后的煙氣容積。Vy= Vy0+（-1）Vk0 m3/m34、 空氣和煙氣的焓空氣和煙氣的焓是表示每立方米燃料所需要的理論空氣量或生成的煙氣量在等壓下從0加熱到某一溫度的熱量。

12、（1） 理論空氣焓Iko Iko= Vk0（C ）k式中（C ）k為每m3干空氣連同其帶入的水蒸氣在溫度為的焓，簡稱為每m3干空氣的濕空氣焓，kJ/m3；C表示空氣在0時的平均熱容。（2） 煙氣焓的計算煙氣的焓是煙氣各種成分的焓的總和，當煙氣溫度為，理想煙氣溫度容積Iyo的計算式為：Iyo=VCO2（C ）CO2+VON2（C ）N2+VOH2O（C ）H20 kJ/m3式中：VCO2、VON2、VOH2O、分別為=1時，煙氣中CO2、N2、H2O的容積，m3/m3；（C ）CO2、（C ）N2、（C ）H20分別為二氧化碳、氮氣、水蒸氣在的焓，kJ/m3；通常>1時，煙氣中除包括上述理

13、論煙氣外，還有過量空氣，這部分過量空氣的焓為：Ik=（-1）Iko kJ/m3煙氣焓為：Iy= Iyo+（-1）Iko kJ/m3（二）熱平衡及效率分析空氣在空氣預(yù)熱器中所吸收的熱量及煤氣在煤氣預(yù)熱器中所吸收的熱量又隨高爐煤氣進入爐膛，因此，在鍋爐熱平衡中不予考慮。在式Qr=Ql+Q2+Q3+Q4中兩邊分別除以Qr，則鍋爐熱平衡可用占輸入熱量的百分比表示，即ql+q2+q3+q4=1OO (11)在這種熱平衡計算的基礎(chǔ)上，可以計算鍋爐的熱效率，用以判斷鍋爐的性能和運行水平，還可以計算鍋爐的燃料消耗量。深入分析，測定各項熱損失，則可以找到減少熱損失，提高鍋爐熱效率的途徑。鍋爐熱效率是指鍋爐有效利

14、用的熱量占燃燒帶入鍋爐熱量的百分數(shù)gl=ql=100-（q2+q3+q4）下面以q2、q3、q4的選取分別討論如下：1. 排煙熱損失Q2排煙熱損失 系指排出鍋爐的煙氣具有的焓值高于進入鍋爐的空氣的焓值而造成的熱損失。其值可按排煙焓與冷空氣焓之差求得，即：Q2= Ipy-pyIlkoq2= Q2/Qr×100=（Ipy-pyIlko）/ Qr×100式中： Ipy為排煙的焓，kJm3； Ilko為進入鍋爐的冷空氣的焓，kJm3； py為排煙處的過量空氣系數(shù)。2. 化學(xué)未完全燃燒熱損失Q3化學(xué)未完全燃燒熱損失 是指排煙中含有未燃盡的CO、H2等可燃氣體造成的熱損失。其值應(yīng)等于各

15、可燃燒氣體容積與其容積發(fā)熱量體積的總和，即：Q3= Vgy(126.4CO+108H2) 式中： Vgy為1m3燃料燃燒后生成的實際干煙氣容積，m3m3；CO、H2分別為干煙氣中CO、H2體積百分數(shù)。3. 鍋爐散熱損失Q4鍋爐散熱損失Q4系指爐墻、鍋筒、集箱以及管道等外表面向外界空氣散熱所造成的熱損失。其大小主要取決于散熱表面積的大小、水冷壁和爐墻的結(jié)構(gòu)、保溫層的性能和厚度，以及周圍空氣的溫度等因素，通?？砂唇?jīng)驗選取，見圖1。鍋爐容量增大，其結(jié)構(gòu)緊湊，平均到單位燃料的鍋爐表面積減少，散熱損失相對值也減少。4. 輸入鍋爐的燃料熱量Qr進入鍋爐的熱量Qr可按下式計算(用于無外部熱源加熱空氣的情況)

16、。Qr=Qdwy+ir kJm3式中：Qdwy為燃料的應(yīng)用基低位發(fā)熱量kJm3；ir 為燃料中的物理顯熱。ir可按ir=Cry*tr kJm3計算。其中，Cry為為燃料的應(yīng)用基比熱容，kJ/（m3·）；tr為燃料溫度；Cr=4.18*100/ro0.31(co+H2+N2)+0.38CO2；ro為燃料的密度，kg/m3；ro=0.0125CO+0.0009H2+0.0192CO2+0.0125N2+0.0008H20。5. 鍋爐燃料消耗量Q1鍋爐燃料消耗量可按下式計算B=100Dgr（igr-igs）+Dps（ips-igs）/·Qr式中：Dgr為過熱蒸汽量，kg/h；Dp

17、s為鍋爐機組排污水量，kg/h；igr為過熱蒸汽焓，kJ/kg；igs為給水焓，kJ/kg；ips為飽和水焓，kJ/h。三、 軋鋼加熱爐的節(jié)能途徑 軋鋼生產(chǎn)線由于產(chǎn)品和工藝技術(shù)不同，能耗水平也有差異，工序能耗指標存在很大差異。為了更好的實現(xiàn)節(jié)能目標，最好采取對標挖潛的辦法，加強自身縱向?qū)Ρ群蜋M向參照，有目的的開展各種技改工作。（一） 加熱爐本體節(jié)能技術(shù)1、合理的爐型結(jié)構(gòu)  爐型結(jié)構(gòu)決定了爐子的整體性能。爐型結(jié)構(gòu)的新建或改造，要使燃料燃燒盡可能多的在爐膛內(nèi)發(fā)生，余熱回收到爐膛中來，減少出爐膛的煙氣熱損失。步進式加熱爐與傳統(tǒng)推鋼式加熱爐相比具有加熱質(zhì)量好、鋼材加熱溫度均勻、加熱速度快、操

18、作靈活、生產(chǎn)能力大等優(yōu)點；另外，適當增加爐體長度可以延長預(yù)熱段的長度，降低排煙溫度；減少爐膛空間增加爐內(nèi)隔墻等措施對爐子節(jié)能降耗都有明顯的效果。  2、減少爐膛損失爐膛熱損失主要包括水冷、爐門輻射、逸氣、爐襯散熱等熱量損失，減少這部分熱量可以大幅度降低單耗。  3、 蓄熱式燃燒技術(shù)  近年來，蓄熱式燃燒技術(shù)在軋鋼加熱爐上發(fā)展迅速。與無余熱回收的加熱爐相比，采用蓄熱式燃燒技術(shù)的加熱爐可節(jié)能40%以上。與換熱器技術(shù)比較也可實現(xiàn)1020%的節(jié)能潛力。采用雙蓄熱(同時預(yù)熱煤氣和空氣1000 oC以上)技術(shù)的加熱爐在利用富余高爐煤氣方面的確很有效，效率高于70，節(jié)

19、能效果顯著。4、高溫節(jié)能涂料的應(yīng)用       高溫節(jié)能涂料是一種新型節(jié)能材料，它比一般的遠紅外涂料具有更高的使用溫度和經(jīng)濟價值，在軋鋼加熱爐內(nèi)應(yīng)用該涂料，可節(jié)約燃料，保護爐襯表面、延長爐子使用壽命、提高爐子熱效率，縮短烘爐時間、提高被加熱件的加熱速度和爐子作業(yè)率。目前，國外普遍使用的節(jié)能涂料其成分主要為炭化硅粉，而國內(nèi)除此之外，還研制開發(fā)了其他系列節(jié)能涂料。采用高溫節(jié)能涂料的加熱爐一般可獲得節(jié)224%和提高爐子生產(chǎn)率2030%的經(jīng)濟效果。 5、步進爐和汽化冷卻技術(shù)步進爐不僅可以減少鋼坯加熱時間。降低氧化燒損，而且操作靈活。汽化冷卻不

20、僅可以減少軋鋼用水，而且可以生產(chǎn)蒸汽回收利用，具有一定的節(jié)能效果，在近年新建加熱爐上逐步推廣應(yīng)用。6、 控制燃燒及合理化加熱工藝       （1）燃料燃燒技術(shù)。目前軋鋼加熱爐使用的燃料主要有煤、重油、冶金煤氣及天然氣等，有單一燃料燃燒，也有混合燃料燃燒。為進一步節(jié)約能源、保護環(huán)境、增加效益，目前已研制開發(fā)出了多種燃料燃燒節(jié)能新技術(shù)，如水煤漿燃燒技術(shù)、重油乳化燃燒技術(shù)、磁化燃燒技術(shù)、加熱爐富氧燃燒技術(shù)以及高爐煤氣綜合利用等。       （2）控制低燃比的燃燒。根據(jù)燃料種類及燃燒方法，正確選擇空氣系數(shù)值，是降低單耗的一項重要措施。對完全燃燒的各類加熱爐，在保證燃燒的條件下要盡可能