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(dòng)力部 賈共鵬摘 要：本文通過(guò)對(duì)軋鋼加熱爐的結(jié)構(gòu)、熱平衡和能耗等介紹，詳細(xì)分析了高爐煤氣的燃燒計(jì)算，闡述了生產(chǎn)過(guò)程中節(jié)能基本途徑和有效措施，為加熱爐設(shè)計(jì)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(guó)冶金產(chǎn)品的成本構(gòu)成中，軋鋼工序占整個(gè)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(duì)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(lèi)（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(hù)費(fèi)用。一般用單位生產(chǎn)率即爐底強(qiáng)度kg/（m2·h）的高低來(lái)評(píng)價(jià)一座爐子的優(yōu)劣。例如推鋼式連續(xù)加熱爐的爐底強(qiáng)度為600800kg/( m2·h），步進(jìn)式加熱爐為700900 kg/( m2·h），先進(jìn)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(shí)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(guò)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(jìn)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(duì)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(guó)標(biāo)火焰加熱爐節(jié)能監(jiān)測(cè)方法(GB/T 15319-1994)的規(guī)定，使用可比單位燃耗來(lái)表示加熱爐的能耗水平，即以不少于一個(gè)生產(chǎn)周期的合格加熱工件折合質(zhì)量計(jì)算的單位產(chǎn)品燃料消耗稱為可比單位燃耗，簡(jiǎn)稱為可比單耗。其中對(duì)于生產(chǎn)線材的加熱爐，規(guī)定可比單耗90千克標(biāo)煤/t（坯或錠）。4、 爐子壽命長(zhǎng)由于高溫作用和機(jī)械磨損，爐子不可避免會(huì)有損壞，因此要定期檢修，保證爐子使用壽命，降低維護(hù)費(fèi)用。5、 工作環(huán)境好要求爐子的機(jī)械化及自動(dòng)化程度較高，操作

4、條件好，安全衛(wèi)生，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。（二）軋鋼加熱爐的爐型分類(lèi)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)：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(guò)熱，把鋼坯均勻加熱到可軋制的溫度。有時(shí)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。現(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(chē)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(diǎn)的溫度可以視為不隨時(shí)間而變，屬于穩(wěn)定態(tài)溫度場(chǎng)，爐膛內(nèi)傳熱

5、可近似的認(rèn)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(diǎn)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(lèi)：（1） 按溫度制度可分為：兩段式、三段式和強(qiáng)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(lèi)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(yùn)動(dòng)方向可分為：推送式連續(xù)加熱爐、步進(jìn)式爐、輥底式爐、轉(zhuǎn)底式爐、鏈?zhǔn)綘t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(diǎn)供熱式加熱爐。二、 軋鋼加熱爐的熱平衡分析及計(jì)算燃料在鍋爐中燃燒所放出的熱量一部分通過(guò)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(duì)于燃?xì)忮仩t，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(fēng)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(dāng)鼓風(fēng)量過(guò)大時(shí)（即空燃比偏大），雖然能使燃料充分燃燒，但煙氣中過(guò)剩空氣量偏大，表現(xiàn)為煙氣中氧氣O2含量偏高，過(guò)剩空氣帶走的熱損失增大，導(dǎo)致熱效率偏低。與此同時(shí)過(guò)量的氧氣會(huì)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(duì)于軋鋼加熱爐，煙氣中的氧氣含量過(guò)高，還會(huì)導(dǎo)致鋼坯氧化鐵皮增厚，增加氧化燒損。當(dāng)鼓風(fēng)量偏低時(shí)（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(shuō)排煙熱損失小，但燃料沒(méi)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(jìn)行熱平衡的計(jì)算。（一）熱平衡的一般計(jì)算1、煤氣熱值高爐煤氣為煉鐵過(guò)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?dú)猓∟2）、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。可單獨(dú)供低熱值煤氣的用戶或與焦?fàn)t煤氣混合成混合煤氣（M煤氣）供加熱爐等用戶使用。為了準(zhǔn)確測(cè)定高爐煤氣的熱值，煉鐵廠煤氣化驗(yàn)室每天化驗(yàn)高爐煤氣組分，根據(jù)如下公式計(jì)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(yàn)室查詢數(shù)據(jù)，11月份上旬的各高爐煤氣化驗(yàn)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?dú)庖谎趸技淄槎趸及l(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(yàn)室的計(jì)算公式，計(jì)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(shuō)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(jì)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(shí)際空氣量VKVK=Vk0 m3/m3式中為過(guò)剩空氣系數(shù)3、 燃燒產(chǎn)物量計(jì)算（1） 理論煙氣量Vyo 理論煙氣量可按下式計(jì)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(shí)際煙氣容積Vy實(shí)際煙氣容積式指在過(guò)剩空氣系數(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(jiǎn)稱為每m3干空氣的濕空氣焓，kJ/m3；C表示空氣在0時(shí)的平均熱容。（2） 煙氣焓的計(jì)算煙氣的焓是煙氣各種成分的焓的總和，當(dāng)煙氣溫度為，理想煙氣溫度容積Iyo的計(jì)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(shí)，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?dú)?、水蒸氣在的焓，kJ/m3；通常>1時(shí)，煙氣中除包括上述理

13、論煙氣外，還有過(guò)量空氣，這部分過(guò)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(jìn)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(jì)算的基礎(chǔ)上，可以計(jì)算鍋爐的熱效率，用以判斷鍋爐的性能和運(yùn)行水平，還可以計(jì)算鍋爐的燃料消耗量。深入分析，測(cè)定各項(xiàng)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?jǐn)?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(jìn)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(jìn)入鍋爐的冷空氣的焓，kJm3； py為排煙處的過(guò)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?xì)怏w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(shí)際干煙氣容積，m3m3；CO、H2分別為干煙氣中CO、H2體積百分?jǐn)?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?chē)諝獾臏囟鹊纫蛩?，通?？砂唇?jīng)驗(yàn)選取，見(jiàn)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(duì)值也減少。4. 輸入鍋爐的燃料熱量Qr進(jìn)入鍋爐的熱量Qr可按下式計(jì)算(用于無(wú)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(jì)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(jì)算B=100Dgr（igr-igs）+Dps（ips-igs）/·Qr式中：Dgr為過(guò)熱蒸汽量，kg/h；Dp

17、s為鍋爐機(jī)組排污水量，kg/h；igr為過(guò)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(biāo)存在很大差異。為了更好的實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，最好采取對(duì)標(biāo)挖潛的辦法，加強(qiáng)自身縱向?qū)Ρ群蜋M向參照，有目的的開(kāi)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(lái)，減少出爐膛的煙氣熱損失。步進(jìn)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(diǎn)；另外，適當(dāng)增加爐體長(zhǎng)度可以延長(zhǎng)預(yù)熱段的長(zhǎng)度，降低排煙溫度；減少爐膛空間增加爐內(nèi)隔墻等措施對(duì)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(mén)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(lái)，蓄熱式燃燒技術(shù)在軋鋼加熱爐上發(fā)展迅速。與無(wú)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(shí)現(xiàn)1020%的節(jié)能潛力。采用雙蓄熱(同時(shí)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(yuǎn)紅外涂料具有更高的使用溫度和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在軋鋼加熱爐內(nèi)應(yīng)用該涂料，可節(jié)約燃料，保護(hù)爐襯表面、延長(zhǎng)爐子使用壽命、提高爐子熱效率，縮短烘爐時(shí)間、提高被加熱件的加熱速度和爐子作業(yè)率。目前，國(guó)外普遍使用的節(jié)能涂料其成分主要為炭化硅粉，而國(guó)內(nèi)除此之外，還研制開(kāi)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(jì)效果。 5、步進(jìn)爐和汽化冷卻技術(shù)步進(jìn)爐不僅可以減少鋼坯加熱時(shí)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(jìn)一步節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、增加效益，目前已研制開(kāi)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(lèi)及燃燒方法，正確選擇空氣系數(shù)值，是降低單耗的一項(xiàng)重要措施。對(duì)完全燃燒的各類(lèi)加熱爐，在保證燃燒的條件下要盡可能