蓄熱式加熱爐熱平衡計(jì)算及節(jié)能技術(shù)的研究

1、收稿日期:2008-08-05周 暐(1974- ,工程師;243002安徽省馬鞍山市。蓄熱式加熱爐熱平衡計(jì)算及節(jié)能技術(shù)的研究周 暐1王 浩2朱宗銘2韓洪濤2吳榮祥3(1 安徽工業(yè)大學(xué),2 中冶華天工程技術(shù)有限公司,3 浙江衢州元立金屬制品有限公司摘 要 介紹了蓄熱式加熱爐熱平衡計(jì)算的方法,并運(yùn)用工程實(shí)例對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,通過(guò)對(duì)蓄熱式加熱爐的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行討論,指出了影響蓄熱式加熱爐節(jié)能效果的主要因素及技術(shù)方向。關(guān)鍵詞 蓄熱式加熱爐 熱平衡計(jì)算 節(jié)能技術(shù)The heat balance calculation of regenerative heating furnace andthe res

2、earch of energy saving technologyZhou W ei 1W ang H ao 2Zhu Zong m ing 2H an H ongtao 2W u Rongx iang3(1 Anhu iUniversity of Techno logy ,2 H uatia n Engineering and Techno l o gy Cor porati o n ,3 YuanliM etal Products Corporati o nAbstract T h i s paper i ntroduces t he w ay o f the regene ra tive

3、 heati ng furnace heat balance ca l culati on ,ana l yzes the calculati on result using the pro ject examp l e .Base on the d i scussing about energy saving techno logy of t he regenerative heati ng f urnace ,t he m a i n factors and techno logy wh ich infl uence t he en ergy sav ing o f furnace are

4、 founded .K eyword s reg enerati ve heati ng furnace heat balance ca lculationtechno l ogy o f energy sav i ng蓄熱式燃燒技術(shù)通常也被稱(chēng)作高溫空氣燃燒技術(shù),是一種新型燃燒技術(shù),具有高效煙氣余熱回收和高溫預(yù)熱空氣助燃以及低NO x 排放等多重優(yōu)越性,其基本思想是讓燃料在高溫、低氧濃度氣氛中燃燒。它包含兩項(xiàng)基本技術(shù)措施:一項(xiàng)是采用溫度效率高達(dá)95%,熱回收率達(dá)80%以上的蓄熱式換熱裝置,極大限度回收高溫?zé)煔庵械娘@熱,用于獲得高溫助燃空氣或燃?xì)?實(shí)現(xiàn)極限熱回收;另一項(xiàng)是由于高溫助燃空氣或燃?xì)膺M(jìn)

5、入爐內(nèi),并采取燃料分級(jí)燃燒和高速氣流卷吸爐內(nèi)燃燒產(chǎn)物,稀釋反應(yīng)區(qū)的含氧體積濃度,獲得濃度為2%15%的低氧燃燒,實(shí)現(xiàn)低NO x 排放1。燃料在這種高溫低氧的氣氛中,造成與傳統(tǒng)燃燒過(guò)程完全不同的熱力學(xué)條件。蓄熱式燃燒技術(shù)自20世紀(jì)90年代以來(lái),在中國(guó)得已迅速發(fā)展并廣泛應(yīng)用于軋鋼加熱爐上,現(xiàn)已取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。文章主要介紹在具體爐型及具體的操作參數(shù)下的能耗基本構(gòu)成,并且對(duì)能耗的收支情況進(jìn)行了分析,對(duì)高爐煤氣雙蓄熱加熱爐節(jié)能的技術(shù)方向進(jìn)行了探索。1 蓄熱式加熱爐的主要技術(shù)性能(1爐子用途:鋼坯軋前加熱(2爐型:高爐煤氣雙蓄熱步進(jìn)梁式加熱爐(3裝出料方式:側(cè)進(jìn)側(cè)出(4加熱鋼種:碳素結(jié)構(gòu)鋼

6、、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼(5鋼坯規(guī)格:150 150 12000(6鋼坯入爐溫度:常溫(7加熱溫度:9501200 (8爐子額定產(chǎn)量:130t/h(9爐子裝出料輥道中心線(xiàn)距離:19580mm (10爐子內(nèi)寬:12700mm(11爐底鋼壓強(qiáng)度:555kg /(m 2h(12燃料及低發(fā)熱量:高爐煤氣,(700800 4 18kJ/m3(13設(shè)計(jì)額定單耗:1 2GJ/t(14供熱方式:兩側(cè)交替供熱(15預(yù)熱方式:空煤氣雙蓄熱至9001000(16蓄熱體形式:蜂窩體(17換向閥形式:二位三通換向閥(18換向方式:分散順序換向(19排煙方式:機(jī)械排煙(20爐底水管冷卻方式:水冷2 使用情況該加熱爐為浙

7、江衢州元立高線(xiàn)加熱爐,由中冶華天工程技術(shù)有限公司設(shè)計(jì),并于2007年7月投產(chǎn),投產(chǎn)至今工作正常,其中加熱爐各項(xiàng)操作參數(shù)及能耗情況比較理想。加熱爐在投產(chǎn)后很快達(dá)產(chǎn),在冷坯加熱,小時(shí)產(chǎn)量為100t時(shí),高爐煤氣耗量為32000m3/h,爐壓控制在+20Pa 左右,氧化燒損也控制在0 8%以下。以高爐煤氣熱值800 4 18kJ/m3計(jì),噸鋼能耗為1 088G J,達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。3 熱平衡計(jì)算由熱力學(xué)第一定律可知,加熱爐熱平衡熱量收入項(xiàng)與支出項(xiàng)的總和,在數(shù)值上必須相等2-3。準(zhǔn)確而又經(jīng)得起實(shí)踐檢驗(yàn)的爐子熱平衡計(jì)算,是節(jié)能型加熱爐設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù),最終能在爐子投產(chǎn)后經(jīng)得起測(cè)試檢驗(yàn),并對(duì)數(shù)據(jù)偏差作出

8、分析和調(diào)整。熱平衡中的各項(xiàng),是用單位時(shí)間的熱量收入和支出的千焦數(shù)為單位。以加熱爐額定產(chǎn)量時(shí)采集的相對(duì)穩(wěn)定的參數(shù)作為一個(gè)基準(zhǔn)計(jì)算條件,對(duì)雙蓄熱加熱爐的能耗收支情況及影響能耗收支的因素進(jìn)行比較,從而得出相應(yīng)的節(jié)能措施,并對(duì)雙蓄熱加熱爐今后的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)操作提供指導(dǎo)。3 1 熱平衡子項(xiàng)的建立對(duì)于高爐煤氣雙蓄熱加熱爐,熱平衡系統(tǒng)的熱平衡子項(xiàng)建立與常規(guī)式加熱爐在一定程度上有所不同,主要表現(xiàn)在空煤氣帶入的物理熱、煙氣帶走的物理熱、不完全燃燒化學(xué)熱及其他熱損失的確定。(1空煤氣帶入的物理熱高爐煤氣雙蓄熱系統(tǒng)與常規(guī)采用換熱器的加熱爐有很大不同,雙蓄熱系統(tǒng)的換熱器就在爐壁上,被預(yù)熱介質(zhì)及煙氣的熱交換在蓄熱體內(nèi)進(jìn)行

9、。由于被預(yù)熱介質(zhì)通過(guò)蓄熱體后的溫度測(cè)量比較困難,所以在雙蓄熱加熱爐的熱平衡系統(tǒng)中,認(rèn)為空氣及高爐煤氣的溫度為常溫,而從爐內(nèi)排出的煙氣溫度為煙氣經(jīng)過(guò)蓄熱體后煙氣的溫度。從這種意義上來(lái)說(shuō),已將蓄熱體換熱裝置劃入加熱爐的熱平衡系統(tǒng)內(nèi),否則該部分的熱量收支計(jì)算將非常復(fù)雜,而且難以確定。(2不完全燃燒熱損失不完全燃燒熱損失與常規(guī)式爐也不一樣。對(duì)于常規(guī)式爐,燃料的外泄量是不計(jì)的,但是對(duì)于雙蓄熱加熱爐,不同的燃燒系統(tǒng),根據(jù)燒嘴結(jié)構(gòu)等條件不同,化學(xué)不完全燃燒熱損失會(huì)有不小的差別。有的蓄熱式加熱爐由于煤氣在進(jìn)入蓄熱體時(shí)未燃盡,以致在蓄熱室內(nèi)繼續(xù)燃燒,既造成化學(xué)不完全燃燒損失,又給蓄熱體造成嚴(yán)重破壞。對(duì)于分散換向

10、的燃燒系統(tǒng),由于換向閥與燒嘴很近,殘留在換向閥與燒嘴間的煤氣量較少,而對(duì)于集中分側(cè)換向及集中換向,該部分殘留的煤氣量就相對(duì)多些。而且換向周期的長(zhǎng)短也影響到該部分煤氣的損失,換向越頻繁,該部分損失越大,所以該部分損失與管路設(shè)計(jì)及換向系統(tǒng)的運(yùn)用很有關(guān)系。經(jīng)過(guò)部分加熱爐的統(tǒng)計(jì)及計(jì)算,得出以下數(shù)據(jù):全分散換向系統(tǒng)的不完全燃燒化學(xué)熱損失為煤氣總量的1%3%;分側(cè)集中換向系統(tǒng)的為煤氣總量的2%5%;集中換向系統(tǒng)的為煤氣總量的4%10%。如果換向閥內(nèi)部還存在煤氣向煙氣中泄漏的情況,則該項(xiàng)將擴(kuò)大。(3其他熱損失對(duì)于蓄熱式加熱爐,此項(xiàng)熱損失較難以確定。對(duì)于操作工況良好的蓄熱式爐,尤其是爐壓控制在+30Pa以下的

11、雙蓄熱加熱爐,該項(xiàng)與常規(guī)式加熱爐相近,占總熱支出項(xiàng)的1%左右;對(duì)于爐壓控制在+30Pa以上的雙蓄熱加熱爐,有的火焰從爐底水封槽中翻出來(lái),有的火焰從爐墻及爐頂泄露出來(lái),全爐的爐況惡化,該項(xiàng)有可能達(dá)到10%或更高,是這些操作狀況下加熱爐單耗居高不下的主要原因之一。對(duì)于元立高線(xiàn)加熱爐,由于爐況良好,該項(xiàng)確定在總熱損失的1%左右。3 2 熱平衡計(jì)算結(jié)果表1 熱平衡計(jì)算結(jié)果表熱量收入GJ/h%燃料燃燒化學(xué)熱108 8492 89燃料物理熱0 820 70空氣物理熱0 570 49坯料物理熱2 432 07鋼氧化反應(yīng)化學(xué)熱4 523 86總計(jì)收入117 17100 00加熱爐熱效率67 58%熱量支出GJ

12、/h%爐料加熱物理熱73 5562 77煙氣物理熱27 5523 51爐墻散熱3 282 80爐底開(kāi)孔散熱3 302 82其他(爐門(mén)等0 300 25水冷系統(tǒng)吸收熱6 495 54不完全燃燒損失熱2 612 23其他損失0 090 08總計(jì)支出117 17100 004 熱平衡計(jì)算結(jié)果分析及節(jié)能技術(shù)探索通過(guò)熱平衡計(jì)算,可以得出雙蓄熱加熱爐主要的熱收入項(xiàng)及熱支出項(xiàng),只要分析出對(duì)加熱爐單耗影響較大,而且處于人為可控制之下的熱量收支項(xiàng),針對(duì)該項(xiàng)進(jìn)行討論,找出人為增減的辦法,就能分析出最有效的節(jié)能方向。4 1 熱收入項(xiàng)從熱收入項(xiàng)的構(gòu)成來(lái)看,以及對(duì)蓄熱式加熱爐熱平衡系統(tǒng)的劃分來(lái)看,其中鋼氧化反應(yīng)化學(xué)熱是

13、有害的,必須減少;空煤氣的物理熱受氣候影響較大,是人為不可控的;燃料燃燒化學(xué)熱是根據(jù)熱支出的需要而變化的;只有坯料物理熱,提高鋼坯熱裝熱送的溫度及比例,可以大大提高該項(xiàng)的比例,增加熱收入項(xiàng)總值,在同等產(chǎn)量條件下,可以減少供熱量,達(dá)到節(jié)能的目的。4 2 熱支出項(xiàng)(1爐料加熱物理熱從該項(xiàng)來(lái)看,如果能降低該項(xiàng)的數(shù)值,可以大大降低加熱爐的能耗,而解決的辦法只有降低鋼坯出爐溫度以及提高鋼坯入爐溫度。通過(guò)降低軋機(jī)的鋼坯開(kāi)軋溫度可以降低鋼坯出爐時(shí)的最終熱焓,而在相同出鋼溫度下提高鋼坯的熱裝熱送溫度,可大幅提高鋼坯的初始熱焓,最終減少鋼坯在爐內(nèi)的吸熱量。以上措施均可以大幅降低加熱爐的能耗水平,所以降低爐料加熱

14、物理熱是加熱爐節(jié)能減排的一項(xiàng)非常有效的措施,也是今后鋼鐵廠節(jié)能減排的一大方向。(2煙氣物理熱降低煙氣物理熱的方式有:!選用換熱面積大、體積小的蜂窩蓄熱體增加蓄熱體換熱面積,使煙氣充分換熱,降低煙氣的排煙溫度。這就要求增加蓄熱體的體積,或在體積不變的情況下減小蓄熱體的壁厚。這種辦法為生產(chǎn)帶來(lái)了一定的問(wèn)題。首先,增加蓄熱體體積會(huì)使本來(lái)就擁擠的擺滿(mǎn)蓄熱箱的加熱爐兩側(cè)通道更加擁擠,為操作及維護(hù)帶來(lái)一定因難,而且會(huì)增加煙氣通過(guò)蓄熱體的阻力,增大引風(fēng)機(jī)的負(fù)荷,動(dòng)力損耗加大,增加了爐壓控制的難度;而減小蓄熱體的壁厚會(huì)引起蓄熱體的強(qiáng)度下降,縮短了蓄熱體的壽命,同時(shí)降低了蓄熱體的蓄熱量,使換向周期變短,從對(duì)不完

15、全燃燒化學(xué)熱的分析來(lái)看,會(huì)增大該部分的損失。所以,在工藝允許的情況下,增加蓄熱體的體積是可行的,而在蓄熱體的低溫?fù)Q熱段采用減小蓄熱體壁厚也是可行的。不過(guò)這種做法的節(jié)能效果是有限的,畢竟這只是回收余熱,而且還需增加生產(chǎn)成本,從節(jié)能減排的角度來(lái)說(shuō)并不是最優(yōu)的。加強(qiáng)爐內(nèi)換熱從高爐煤氣的成分來(lái)說(shuō),17%的C O是有效燃燒成分,其他均為不可燃成分,這些成分不僅沒(méi)有給鋼坯加熱帶來(lái)任何用處,而且當(dāng)煙氣排放時(shí)這些成分還會(huì)帶走大量的熱量。唯一的解決辦法就是加強(qiáng)爐內(nèi)換熱,提高熱效率,以達(dá)到最終減少煙氣排放量的目的。另外從雙蓄熱燒嘴燃燒原理上來(lái)說(shuō),經(jīng)預(yù)熱的煤氣與空氣從蓄熱式燒嘴噴出后,在爐膛內(nèi)彌漫燃燒,燃燒完全后形

16、成高溫?zé)煔?鋼坯吸收煙氣內(nèi)的熱量以達(dá)到加熱的目的,而后高溫的煙氣由噴嘴對(duì)面的蓄熱式燒嘴抽出,經(jīng)蓄熱體降溫后,再排出爐外。每次換熱都存在一個(gè)換熱效率問(wèn)題,而置換的熱量再由鋼坯吸收,又有個(gè)換熱效率問(wèn)題,所以,能將高溫?zé)煔獾臒崃勘M可能的由鋼坯直接吸收,是提高熱效率的主要方法。高爐煤氣的火焰黑度很低,如何加強(qiáng)爐內(nèi)換熱,提高換熱效率,是目前有待解決的一大難題。通過(guò)爐膛輻射換熱計(jì)算公式計(jì)算鋼坯表面的熱流密度q,其表達(dá)式為4:q=C gwm t f+2731004-t s+2731004+ (t f-t s(1式中:C gwm為導(dǎo)來(lái)輻射系數(shù)/W#(m2k4-1;t f為環(huán)境溫度/;t s為鋼坯表面溫度/;

17、為對(duì)流換熱系數(shù)/W#(m2k-1。C g wm=5 67 g m1+wm(1- gg+wm(1- g( g+ m- g m(2式中: g為爐氣黑度; m為坯料黑度;wm為爐壁對(duì)坯料的角度系數(shù):wm=L m N m2(H+B-L m N m(3式中:B為爐膛寬度/m;H為爐膛高度/m;L m 為板坯長(zhǎng)度/m;N m為坯料排數(shù)。從式(1中可以看出,提高導(dǎo)來(lái)輻射系數(shù)C g wm和對(duì)流換熱系數(shù) 可以提高鋼坯表面的熱流密度。!提高導(dǎo)來(lái)輻射系數(shù)C g wm一旦燃料確定,如果不采取特殊的措施,爐氣黑度基本是不可變的,而鋼坯黑度系數(shù)根據(jù)坯料的種類(lèi)基本也是不可變的,唯一可變的是在加熱爐設(shè)計(jì)時(shí)爐膛角度系數(shù)的設(shè)計(jì)。

18、從目前國(guó)內(nèi)各大鋼廠生產(chǎn)的情況來(lái)看,在爐內(nèi)壁表面增加黑體材料是一個(gè)解決的辦法,能有效強(qiáng)化輻射換熱系數(shù),增強(qiáng)爐內(nèi)熱交換的過(guò)程,但是黑體材料的壽命及造價(jià)的問(wèn)題還沒(méi)有徹底解決,并沒(méi)有全面推廣。由式(2可以看出,當(dāng)wm趨向于0時(shí), C g wm有極大值,而從式(3中可以看出,當(dāng)(H+B趨向無(wú)窮大時(shí),wm趨向于0。爐膛角度系數(shù)wm的設(shè)計(jì)也受到限制,因?yàn)榕髁系拈L(zhǎng)度定好后,爐膛的寬度基本上變化不大,唯一可變化的是爐膛高度。加大爐膛高度可以增加氣體厚度,有效提高熱氣體輻射率,但是散熱面積也會(huì)增加。對(duì)于雙蓄熱加熱爐,由于爐膛尺寸的限制,一般蓄熱箱的體積是受限制的,適當(dāng)增大爐膛高度,可以增加單個(gè)蓄熱式燒嘴的供熱能力

19、;由于工程造價(jià)的原因,爐膛也不可能無(wú)限升高,爐膛升高,會(huì)增大爐體散熱面積;如果爐氣無(wú)法充滿(mǎn)爐膛,爐氣會(huì)上浮,達(dá)不到加熱的效果。所以找出最佳的爐膛高度是解決這個(gè)問(wèn)題的唯一途徑,而找出這一最佳途徑的唯一方法就是找到爐膛升高帶來(lái)的節(jié)能效果與擴(kuò)大散熱面積損失熱量之間的最佳結(jié)合點(diǎn)。從目前國(guó)內(nèi)外的一些加熱爐的資料來(lái)看,一般上加熱爐膛高度在加熱段升至2 5m左右,是比較合理也是比較經(jīng)濟(jì)的。而下加熱爐爐膛高度由于爐底結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不在高度上進(jìn)行變化,國(guó)內(nèi)通用設(shè)計(jì)一般在2 52m之間5。加熱爐采用這種駝峰式結(jié)構(gòu),在實(shí)踐中也取得了良好的效果。提高對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)流換熱項(xiàng)在整個(gè)熱流密度所占的比例約在10%左右,所占的比重

20、并不大,當(dāng)鋼坯進(jìn)入加熱段及均熱段后,所占的比例更小。雖然提高氣流擾動(dòng),增加蓄熱式燒嘴的出口速度可以提高對(duì)流換熱系數(shù),但是也增加了噴口處排煙的難度,所以噴口的設(shè)計(jì)流速應(yīng)適當(dāng)。綜上所述,減少煙氣物理熱,其實(shí)最重要的就是要強(qiáng)化爐內(nèi)換熱的過(guò)程,提高熱效率也正是加熱爐節(jié)能減排工作的重點(diǎn)。(3爐墻孔洞及水冷系統(tǒng)散熱這幾項(xiàng)雖然在熱支出項(xiàng)中占10%左右,但是控制該部分的支出有很多人為的因素,比如設(shè)計(jì)、施工、操作、維護(hù)等,從設(shè)計(jì)直至投產(chǎn)后的操作維護(hù),均應(yīng)注意才能控制住該部分的熱損失。(4不完全燃燒化學(xué)熱該部分與蓄熱式換向系統(tǒng)的選型及設(shè)備運(yùn)行情況有關(guān)。從設(shè)備本身來(lái)講,控制內(nèi)泄漏率,可以控制部分不完全燃燒化學(xué)熱損失

21、;從系統(tǒng)來(lái)講,盡量減少換向閥后管路的長(zhǎng)度也可以有效降低該部分的損失。但是對(duì)于雙蓄熱加熱爐來(lái)說(shuō),該部分損失是不可避免的。(5其他熱損失其實(shí)這部分損失,尤其是爐氣外溢,在蓄熱式加熱爐上,一旦控制不住爐壓,燃耗急劇上升,也就是說(shuō)這部分熱損失將急劇擴(kuò)大,而且一旦熱負(fù)荷跟不上,繼續(xù)加大熱負(fù)荷,只會(huì)惡化爐況,所以其他熱損失與加熱爐的實(shí)際工況關(guān)系緊密,控制住該部分損失才能有一個(gè)良性循環(huán),也就是說(shuō)最關(guān)鍵是控制爐壓。5 結(jié)論(1提高鋼坯熱裝熱送溫度及比例,可大大降低加熱爐的能耗水平;(2降低軋機(jī)要求的開(kāi)軋溫度,可降低加熱爐的能耗水平;(3強(qiáng)化爐內(nèi)加熱的熱效率,關(guān)鍵是適當(dāng)?shù)臓t膛角度系數(shù);(4選擇不同的換向系統(tǒng)及管

22、路設(shè)計(jì),對(duì)能耗有直接的影響;(5控制蓄熱式加熱爐的爐壓,能有效減少熱量損耗。蓄熱式加熱爐采用高爐煤氣作為燃料本身就為鋼鐵企業(yè)的節(jié)能減排做出了巨大貢獻(xiàn),而如何進(jìn)一步的節(jié)能增效,挖掘蓄熱式加熱爐的潛力,有待廣大科研技術(shù)人員更進(jìn)一步的研究與探索。參考文獻(xiàn)1鄒琳江,王 浩 二次空氣對(duì)高溫低氧空氣燃燒污染物排放的影響 工業(yè)爐,2007,29(6:52張先棹,尹丹模 加熱爐的節(jié)能技術(shù)及其計(jì)算(上 工熱爐,1999,21(1:19-263張先棹,尹丹模 加熱爐的節(jié)能技術(shù)及其計(jì)算(下 工熱爐,1999,21(2:21-274趙鎮(zhèn)南.傳熱學(xué) 北京:高等教育出版社,20025饒文濤,王 華 蓄熱式板坯爐優(yōu)化設(shè)計(jì)方法