轧钢加热炉节能途径探讨

▼轧钢加热炉热平衡分析及节能途径探讨能源动力部贾共鹏摘要：本文通过对轧钢加热炉的结构、热平衡和能耗等介绍，详细分析了高炉煤气的燃烧计算，阐述了生产过程中节能基本途径和有效措施，为加热炉设计和生产操作提供了借鉴。关键词：轧钢加热炉节能减排*******************************************************************************我国冶金产品的成本构成中，轧钢工序占整个冶金行业能耗的10%，加热炉作为轧钢工序的重要设备，占轧钢工序能耗的75~80%。因此，提高轧钢加热炉的能耗水平对钢铁企业的节能有着重要意义。一、轧钢加热炉的基本要求和炉型分类（一）轧钢加热炉的基本要求1、生产效率高在保证质量的前提下，物料加热速度越快越好，这样可以提高加热炉的生产效率，减少炉子座数或缩小炉子尺寸，而且还能降低烧损和燃料消耗，节约维护费用。一般用单位生产率即炉底强度[kg/（m2·h）]的高低来评价一座炉子的优劣。例如推钢式连续加热炉的炉底强度为600~800kg/(m2·h），步进式加热炉为700~900kg/(m2·h），先进的连续加热炉为1000kg/(m2·h）。2、加热质量好金属的轧制质量和金属的加热质量有很大的关系，加热时钢坯出炉温度要符合工艺要求，断面温度分布均匀，金属烧损率低，防止出现过烧和表层的脱碳。近几年出现的低温轧制技术，是在保证工艺要求的前提下，将钢坯加热到低于常规加热温度，在低于常规温度下进行轧制，从而大幅度降低坯料加热所消耗的燃料，减少金属烧损，是钢坯加热方式在节能方面的有益探索。3、燃料消耗低节省燃料对降低成本和节约能源有重大意义，加热炉的燃料消耗应尽量降低。根据国标火焰加热炉节能监测方法(GB/T15319-1994)的规定，使用可比单位燃耗来表示加热炉的能耗水平，即以不少于一个生产周期的合格加热工件折合质量计算的单位产品燃料消耗称为可比单位燃耗，简称为可比单耗。其中对于生产线材的加热炉，规定可比单耗≤90千克标煤/t（坯或锭）。4、炉子寿命长由于高温作用和机械磨损，炉子不可避免会有损坏，因此要定期检修，保证炉子使用寿命，降低维护费用。5、工作环境好要求炉子的机械化及自动化程度较高，操作条件好，安全卫生，对环境无污染。（二）轧钢加热炉的炉型分类炉型结构是加热炉节能与否的先决条件，因此在加热炉新建时应该尽量考虑到加热炉节能的需要。一般加热炉的炉型结构按如下标准分类：1、均热炉均热炉位于炼钢与初轧工序中间，可最大限度的降低钢坯表面的过热，把钢坯均匀加热到可轧制的温度。有时候炼钢和轧钢不能很好衔接，均热炉也需要加热冷钢坯。均热炉有下部燃烧式和上部燃烧式两种。现在新建的大部分采用上部燃烧型。2、连续加热炉连续加热炉是轧钢车间最普遍的炉子。料坯由炉尾装入，加热后由另一端送出，其工作性质是连续的。在炉子稳定工作的条件下，炉内各点的温度可以视为不随时间而变，属于稳定态温度场，炉膛内传热可近似的认为稳定态传热，金属内部热传导则属于不稳定态导热。具有连续加热炉热工特点的炉子很多，从结构、热工制度等方面看，连续加热炉可按下列特征分类：（1）按温度制度可分为：两段式、三段式和强化加热式。（2）按被加热金属的形状可分为：加热方坯的、加热板坯的、加热圆管坯的、加热异型坯的。（3）按所用燃料种类可分为：使用固体燃料的、使用重油的、使用混合燃料的。（4）按空气和煤气的预热方式可分为换热式的、蓄热式的、不预热的。（5）按出料方式可分为：端出料的和侧出料的。（6）按物料在炉内的运动方向可分为：推送式连续加热炉、步进式炉、辊底式炉、转底式炉、链式炉等。其中，推送式连续加热炉是应用最广放的形式，根据炉温制度可分为两段式加热炉、三段式加热炉、多点供热式加热炉。▼二、轧钢加热炉的热平衡分析及计算燃料在锅炉中燃烧所放出的热量一部分通过受热面被锅炉中的水和蒸汽吸收而得到有效利用，其余部分则以不同的方式损失掉了，这种锅炉热量的收支平衡关系，即为热平衡。对于燃气锅炉，锅炉的热平衡是以1m3气体燃烧为单位的，热平衡可用下式表示Qr=Ql+Q2+Q3+Q4kJ/m3式中：Qr—1m3燃料带入锅炉的热量，kJ／m3；Ql—锅炉有效利用热量，kJ／m3；Q2—排烟热损失，kJ／m3；Q3—化学未完全燃烧热损失，kJ／m3；Q4—锅炉散热损失，kJ／m3。燃料燃烧发出的热量中，有效利用的热量是使风温、煤气温度和钢坯温度提高所必须传入的热量。锅炉烟气带走的物理热是热损失中的主要部分。当鼓风量过大时（即空燃比α偏大），虽然能使燃料充分燃烧，但烟气中过剩空气量偏大，表现为烟气中氧气O2含量偏高，过剩空气带走的热损失增大，导致热效率η偏低。与此同时过量的氧气会和燃料中的S、烟气中的N2反应生成SO2、NOX等有害物质。而对于轧钢加热炉，烟气中的氧气含量过高，还会导致钢坯氧化铁皮增厚，增加氧化烧损。当鼓风量偏低时（即空燃比α偏小），表现为烟气中氧气O2含量低，CO含量高，虽说排烟热损失小，但燃料没有完全燃烧，热损失增大，热效率也将降低。另外烟囱冒黑烟而污染环境。由于现在大部分加热炉均采用高炉煤气作为燃料，故以燃烧高炉煤气加热炉为例进行热平衡的计算。（一）热平衡的一般计算1、煤气热值高炉煤气为炼铁过程中产生的副产品，也称BFG煤气或B煤气，主要成分为:一氧化碳（CO）,二氧化碳（C02）,氮气（N2）、氢气（H2）、甲烷（CH4）等，其中可燃成分CO含量约占25%左右，H2、CH4的含量很少，CO2,N2的含量分别占15%,55%，热值仅为3500kj/m3左右。可单独供低热值煤气的用户或与焦炉煤气混合成混合煤气（M煤气）供加热炉等用户使用。为了准确测定高炉煤气的热值，炼铁厂煤气化验室每天化验高炉煤气组分，根据如下公式计算高炉煤气热值：HL=H2×107.7+CO×126.2+CH4×358.4其中：HL—煤气低位热值（kj/m3）H2—氢气的百分比（如1.94）CO—氢气的百分比CH4—氢气的百分比2010年11月上旬（前10天），3#、4#和5#高炉正常生产，6#高炉检修，经炼铁煤气化验室查询数据，11月份上旬的各高炉煤气化验分析数据的平均数如下表所示：公司高炉煤气成分平均分析2010/11组分（%）氢气氧气氮气一氧化碳甲烷二氧化碳发热值（kj/m3)公司平均2.4580.00254.93523.9490.01219.4193291根据炼铁煤气化验室的计算公式，计算公司高炉煤气的平均热值如下：H=2.458×107.7+23.949×126.2+0.012×358.4=3291（kj/m3）=787.32（kcal/m3）2、燃料燃烧所需的空气量（1）理论（干）空气量Vko根据《煤气安全技术》（冶金工业部冶金安全教育指导站，蒋路编著，1992年，P12）的说明，“煤气是混合气体，若已知各组分，煤气燃烧需要的理论空气量可按下式计算：”Vk0=211[0.5×H2+0.5×CO+Σ(m+4n)CmHn+1.5H2S-O2]则公司煤气燃烧的理论空气需要量为：Vk0=211[0.5×2.458+0.5×23.949+(1+44)×0.012-0.002]=0.63m3/m3（2）实际空气量VKVK=αVk0m3/m3式中α为过剩空气系数3、燃烧产物量计算（1）理论烟气量Vyo理论烟气量可按下式计算：Vy0=1001[C0+H2+Σ(m+2n)CmHn+2H2S+CO2+N2+H2O]+10079×Vk0=1001[23.949+2.458+(1+24)×0.012+19.419+54.935]+10079×0.63=1.50m3/m3（2）实际烟气容积Vy实际烟气容积式指在过剩空气系数α1，完全燃烧后的烟气容积。Vy=Vy0+（α-1）Vk0m3/m34、空气和烟气的焓空气和烟气的焓是表示每立方米燃料所需要的理论空气量或生成的烟气量在等压下从0℃加热到某一温度的热量。（1）理论空气焓IkoIko=Vk0（Cθ）k式中（Cθ）k为每m3干空气连同其带入的水蒸气在温度为θ℃的焓，简称为每m3干空气的湿空气焓，kJ/m3；C表示空气在0～θ℃时的平均热容。（2）烟气焓的计算烟气的焓是烟气各种成分的焓的总和，当烟气温度为θ℃，理想烟气温度容积Iyo的计算式为：Iyo=VCO2（Cθ）CO2+VON2（Cθ）N2+VOH2O（Cθ）H20kJ/m3式中：VCO2、VON2、VOH2O、分别为α=1时，烟气中CO2、N2、H2O的容积，m3/m3；（Cθ）CO2、（Cθ）N2、（Cθ）H20分别为二氧化碳、氮气、水蒸气在θ℃的焓，kJ/m3；通常α1时，烟气中除包括上述理论烟气外，还有过量空气，这部分过量空气的焓为：ΔIk=（α-1）IkokJ/m3烟气焓为：Iy=Iyo+（α-1）IkokJ/m3（二）热平衡及效率分析空气在空气预热器中所吸收的热量及煤气在煤气预热器中所吸收的热量又随高炉煤气进入炉膛，因此，在锅炉热平衡中不予考虑。在式Qr=Ql+Q2+Q3+Q4中两边分别除以Qr，则锅炉热平衡可用占输入热量的百分比表示，即ql+q2+q3+q4=1OO％(11)在这种热平衡计算的基础上，可以计算锅炉的热效率，用以判断锅炉的性能和运行水平，还可以计算锅炉的燃料消耗量。深入分析，测定各项热损失，则可以找到减少热损失，提高锅炉热效率的途径。锅炉热效率是指锅炉有效利用的热量占燃烧带入锅炉热量的百分数ηgl=ql=100-（q2+q3+q4）下面以q2、q3、q4的选取分别讨论如下：1.排烟热损失Q2排烟热损失系指排出锅炉的烟气具有的焓值高于进入锅炉的空气的焓值而造成的热损失。其值可按排烟焓与冷空气焓之差求得，即：Q2=Ipy-αpyIlkoq2=Q2/Qr×100=（Ipy-αpyIlko）/Qr×100式中：：Ipy为排烟的焓，kJ／m3；Ilko为进入锅炉的冷空气的焓，kJ／m3；αpy为排烟处的过量空气系数。2.化学未完全燃烧热损失Q3化学未完全燃烧热损失是指排烟中含有未燃尽的CO、H2等可燃气体造成的热损失。其值应等于各可燃烧气体容积与其容积发热量体积的总和，即：Q3=Vgy(126.4CO+108H2)式中：Vgy为1m3燃料燃烧后生成的实际干烟气容积，m3／m3；CO、H2分别为干烟气中CO、H2体积百分数。3.锅炉散热损失Q4锅炉散热损失Q4系指炉墙、锅筒、集箱以及管道等外表面向外界空气散热所造成的热损失。其大小主要取决于散热表面积的大小、水冷壁和炉墙的结构、保温层的性能和厚度，以及周围空气的温度等因素，通常可按经验选取，见图1。锅炉容量增大，其结构紧凑，平均到单位燃料的锅炉表面积减少，散热损失相对值也减少。4.输入锅炉的燃料热量Qr进入锅炉的热量Qr可按下式计算(用于无外部热源加热空气的情况)。Qr=Qdwy+irkJ／m3式中：Qdwy为燃料的应用基低位发热量kJ／m3；ir为燃料中的物理显热。ir可按ir=Cry*trkJ／m3计算。其中，Cry为为燃料的应用基比热容，kJ/（m3·℃）；tr为燃料温度；Cr=4.18*100/ro[0.31(co+H2+N2)+0.38CO2]；ro为燃料的密度，kg/m3；▼ro=0.0125CO+0.0009H2+0.0192CO2+0.0125N2+0.0008H20。5.锅炉燃料消耗量Q1锅炉燃料消耗量可按下式计算B=100[Dgr（igr-igs）+Dps（ips-igs）]/η·Qr式中：Dgr为过热蒸汽量，kg/h；Dps为锅炉机组排污水量，kg/h；igr为过热蒸汽焓，kJ/kg；igs为给水焓，kJ/kg；ips为饱和水焓，kJ/h。三、轧钢加热炉的节能途径轧钢生产线由于产品和工艺技术不同，能耗水平也有差异，工序能耗指标存在很大差异。为了更好的实现节能目标，最好采取对标挖潜的办法，加强自身纵向对比和横向参照，有目的的开展各种技改工作。（一）加热炉本体节能技术1、合理的炉型结构炉型结构决定了炉子的整体性能。炉型结构的新建或改造，要使燃料燃烧尽可能多的在炉