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算及節能技術的研究周 暐1王 浩2朱宗銘2韓洪濤2吳榮祥3(1 安徽工業大學,2 中冶華天工程技術有限公司,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算的方法,并運用工程實例對計算結果進行分析,通過對蓄熱式加熱爐的節能技術進行討論,指出了影響蓄熱式加熱爐節能效果的主要因素及技術方向。關鍵詞 蓄熱式加熱爐 熱平衡計算 節能技術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蓄熱式燃燒技術通常也被稱作高溫空氣燃燒技術,是一種新型燃燒技術,具有高效煙氣余熱回收和高溫預熱空氣助燃以及低NO x 排放等多重優越性,其基本思想是讓燃料在高溫、低氧濃度氣氛中燃燒。它包含兩項基本技術措施:一項是采用溫度效率高達95%,熱回收率達80%以上的蓄熱式換熱裝置,極大限度回收高溫煙氣中的顯熱,用于獲得高溫助燃空氣或燃氣,實現極限熱回收;另一項是由于高溫助燃空氣或燃氣進

5、入爐內,并采取燃料分級燃燒和高速氣流卷吸爐內燃燒產物,稀釋反應區的含氧體積濃度,獲得濃度為2%15%的低氧燃燒,實現低NO x 排放1。燃料在這種高溫低氧的氣氛中,造成與傳統燃燒過程完全不同的熱力學條件。蓄熱式燃燒技術自20世紀90年代以來,在中國得已迅速發展并廣泛應用于軋鋼加熱爐上,現已取得了顯著的經濟效益和社會效益。文章主要介紹在具體爐型及具體的操作參數下的能耗基本構成,并且對能耗的收支情況進行了分析,對高爐煤氣雙蓄熱加熱爐節能的技術方向進行了探索。1 蓄熱式加熱爐的主要技術性能(1爐子用途:鋼坯軋前加熱(2爐型:高爐煤氣雙蓄熱步進梁式加熱爐(3裝出料方式:側進側出(4加熱鋼種:碳素結構鋼

6、、優質碳素結構鋼、低合金鋼(5鋼坯規格:150 150 12000(6鋼坯入爐溫度:常溫(7加熱溫度:9501200 (8爐子額定產量:130t/h(9爐子裝出料輥道中心線距離:19580mm (10爐子內寬:12700mm(11爐底鋼壓強度:555kg /(m 2h(12燃料及低發熱量:高爐煤氣,(700800 4 18kJ/m3(13設計額定單耗:1 2GJ/t(14供熱方式:兩側交替供熱(15預熱方式: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、江衢州元立高線加熱爐,由中冶華天工程技術有限公司設計,并于2007年7月投產,投產至今工作正常,其中加熱爐各項操作參數及能耗情況比較理想。加熱爐在投產后很快達產,在冷坯加熱,小時產量為100t時,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,噸鋼能耗為1 088G J,達到國內先進水平。3 熱平衡計算由熱力學第一定律可知,加熱爐熱平衡熱量收入項與支出項的總和,在數值上必須相等2-3。準確而又經得起實踐檢驗的爐子熱平衡計算,是節能型加熱爐設計的重要參考依據,最終能在爐子投產后經得起測試檢驗,并對數據偏差作出

8、分析和調整。熱平衡中的各項,是用單位時間的熱量收入和支出的千焦數為單位。以加熱爐額定產量時采集的相對穩定的參數作為一個基準計算條件,對雙蓄熱加熱爐的能耗收支情況及影響能耗收支的因素進行比較,從而得出相應的節能措施,并對雙蓄熱加熱爐今后的設計及生產操作提供指導。3 1 熱平衡子項的建立對于高爐煤氣雙蓄熱加熱爐,熱平衡系統的熱平衡子項建立與常規式加熱爐在一定程度上有所不同,主要表現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與常規采用換熱器的加熱爐有很大不同,雙蓄熱系統的換熱器就在爐壁上,被預熱介質及煙氣的熱交換在蓄熱體內進行

9、。由于被預熱介質通過蓄熱體后的溫度測量比較困難,所以在雙蓄熱加熱爐的熱平衡系統中,認為空氣及高爐煤氣的溫度為常溫,而從爐內排出的煙氣溫度為煙氣經過蓄熱體后煙氣的溫度。從這種意義上來說,已將蓄熱體換熱裝置劃入加熱爐的熱平衡系統內,否則該部分的熱量收支計算將非常復雜,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式爐也不一樣。對于常規式爐,燃料的外泄量是不計的,但是對于雙蓄熱加熱爐,不同的燃燒系統,根據燒嘴結構等條件不同,化學不完全燃燒熱損失會有不小的差別。有的蓄熱式加熱爐由于煤氣在進入蓄熱體時未燃盡,以致在蓄熱室內繼續燃燒,既造成化學不完全燃燒損失,又給蓄熱體造成嚴重破壞。對于分散換向

10、的燃燒系統,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,而對于集中分側換向及集中換向,該部分殘留的煤氣量就相對多些。而且換向周期的長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計及換向系統的運用很有關系。經過部分加熱爐的統計及計算,得出以下數據:全分散換向系統的不完全燃燒化學熱損失為煤氣總量的1%3%;分側集中換向系統的為煤氣總量的2%5%;集中換向系統的為煤氣總量的4%10%。如果換向閥內部還存在煤氣向煙氣中泄漏的情況,則該項將擴大。(3其他熱損失對于蓄熱式加熱爐,此項熱損失較難以確定。對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,該項與常規式加熱爐相近,占總熱支出項的1%左右;對于爐壓控制在+30Pa以上的雙蓄熱加熱爐,有的火焰從爐底水封槽中翻出來,有的火焰從爐墻及爐頂泄露出來,全爐的爐況惡化,該項有可能達到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。對于元立高線加熱爐,由于爐況良好,該項確定在總熱損失的1%左右。3 2 熱平衡計算結果表1 熱平衡計算結果表熱量收入GJ/h%燃料燃燒化學熱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鋼氧化反應化學熱4 523 86總計收入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爐底開孔散熱3 302 82其他(爐門等0 300 25水冷系統吸收熱6 495 54不完全燃燒損失熱2 612 23其他損失0 090 08總計支出117 17100 004 熱平衡計算結果分析及節能技術探索通過熱平衡計算,可以得出雙蓄熱加熱爐主要的熱收入項及熱支出項,只要分析出對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,針對該項進行討論,找出人為增減的辦法,就能分析出最有效的節能方向。4 1 熱收入項從熱收入項的構成來看,以及對蓄熱式加熱爐熱平衡系統的劃分來看,其中鋼氧化反應化學熱是

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;燃料燃燒化學熱是根據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,可以大大提高該項的比例,增加熱收入項總值,在同等產量條件下,可以減少供熱量,達到節能的目的。4 2 熱支出項(1爐料加熱物理熱從該項來看,如果能降低該項的數值,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。通過降低軋機的鋼坯開軋溫度可以降低鋼坯出爐時的最終熱焓,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、物理熱是加熱爐節能減排的一項非常有效的措施,也是今后鋼鐵廠節能減排的一大方向。(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。這種辦法為生產帶來了一定的問題。首先,增加蓄熱體體積會使本來就擁擠的擺滿蓄熱箱的加熱爐兩側通道更加擁擠,為操作及維護帶來一定因難,而且會增加煙氣通過蓄熱體的阻力,增大引風機的負荷,動力損耗加大,增加了爐壓控制的難度;而減小蓄熱體的壁厚會引起蓄熱體的強度下降,縮短了蓄熱體的壽命,同時降低了蓄熱體的蓄熱量,使換向周期變短,從對不完

15、全燃燒化學熱的分析來看,會增大該部分的損失。所以,在工藝允許的情況下,增加蓄熱體的體積是可行的,而在蓄熱體的低溫換熱段采用減小蓄熱體壁厚也是可行的。不過這種做法的節能效果是有限的,畢竟這只是回收余熱,而且還需增加生產成本,從節能減排的角度來說并不是最優的。加強爐內換熱從高爐煤氣的成分來說,17%的C O是有效燃燒成分,其他均為不可燃成分,這些成分不僅沒有給鋼坯加熱帶來任何用處,而且當煙氣排放時這些成分還會帶走大量的熱量。唯一的解決辦法就是加強爐內換熱,提高熱效率,以達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說,經預熱的煤氣與空氣從蓄熱式燒嘴噴出后,在爐膛內彌漫燃燒,燃燒完全后形

16、成高溫煙氣,鋼坯吸收煙氣內的熱量以達到加熱的目的,而后高溫的煙氣由噴嘴對面的蓄熱式燒嘴抽出,經蓄熱體降溫后,再排出爐外。每次換熱都存在一個換熱效率問題,而置換的熱量再由鋼坯吸收,又有個換熱效率問題,所以,能將高溫煙氣的熱量盡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,如何加強爐內換熱,提高換熱效率,是目前有待解決的一大難題。通過爐膛輻射換熱計算公式計算鋼坯表面的熱流密度q,其表達式為4:q=C gwm t f+2731004-t s+2731004+ (t f-t s(1式中:C gwm為導來輻射系數/W#(m2k4-1;t f為環境溫度/;t s為鋼坯表面溫度/;

17、為對流換熱系數/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為爐壁對坯料的角度系數: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 為板坯長度/m;N m為坯料排數。從式(1中可以看出,提高導來輻射系數C g wm和對流換熱系數 可以提高鋼坯表面的熱流密度。!提高導來輻射系數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,而鋼坯黑度系數根據坯料的種類基本也是不可變的,唯一可變的是在加熱爐設計時爐膛角度系數的設計。

18、從目前國內各大鋼廠生產的情況來看,在爐內壁表面增加黑體材料是一個解決的辦法,能有效強化輻射換熱系數,增強爐內熱交換的過程,但是黑體材料的壽命及造價的問題還沒有徹底解決,并沒有全面推廣。由式(2可以看出,當wm趨向于0時, C g wm有極大值,而從式(3中可以看出,當(H+B趨向無窮大時,wm趨向于0。爐膛角度系數wm的設計也受到限制,因為坯料的長度定好后,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,但是散熱面積也會增加。對于雙蓄熱加熱爐,由于爐膛尺寸的限制,一般蓄熱箱的體積是受限制的,適當增大爐膛高度,可以增加單個蓄熱式燒嘴的供熱能力

19、;由于工程造價的原因,爐膛也不可能無限升高,爐膛升高,會增大爐體散熱面積;如果爐氣無法充滿爐膛,爐氣會上浮,達不到加熱的效果。所以找出最佳的爐膛高度是解決這個問題的唯一途徑,而找出這一最佳途徑的唯一方法就是找到爐膛升高帶來的節能效果與擴大散熱面積損失熱量之間的最佳結合點。從目前國內外的一些加熱爐的資料來看,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濟的。而下加熱爐爐膛高度由于爐底結構復雜,不在高度上進行變化,國內通用設計一般在2 52m之間5。加熱爐采用這種駝峰式結構,在實踐中也取得了良好的效果。提高對流換熱系數對流換熱項在整個熱流密度所占的比例約在10%左右,所占的比重

20、并不大,當鋼坯進入加熱段及均熱段后,所占的比例更小。雖然提高氣流擾動,增加蓄熱式燒嘴的出口速度可以提高對流換熱系數,但是也增加了噴口處排煙的難度,所以噴口的設計流速應適當。綜上所述,減少煙氣物理熱,其實最重要的就是要強化爐內換熱的過程,提高熱效率也正是加熱爐節能減排工作的重點。(3爐墻孔洞及水冷系統散熱這幾項雖然在熱支出項中占10%左右,但是控制該部分的支出有很多人為的因素,比如設計、施工、操作、維護等,從設計直至投產后的操作維護,均應注意才能控制住該部分的熱損失。(4不完全燃燒化學熱該部分與蓄熱式換向系統的選型及設備運行情況有關。從設備本身來講,控制內泄漏率,可以控制部分不完全燃燒化學熱損失

21、;從系統來講,盡量減少換向閥后管路的長度也可以有效降低該部分的損失。但是對于雙蓄熱加熱爐來說,該部分損失是不可避免的。(5其他熱損失其實這部分損失,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,也就是說這部分熱損失將急劇擴大,而且一旦熱負荷跟不上,繼續加大熱負荷,只會惡化爐況,所以其他熱損失與加熱爐的實際工況關系緊密,控制住該部分損失才能有一個良性循環,也就是說最關鍵是控制爐壓。5 結論(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降低軋機要求的開軋溫度,可降低加熱爐的能耗水平;(3強化爐內加熱的熱效率,關鍵是適當的爐膛角度系數;(4選擇不同的換向系統及管

22、路設計,對能耗有直接的影響;(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的節能減排做出了巨大貢獻,而如何進一步的節能增效,挖掘蓄熱式加熱爐的潛力,有待廣大科研技術人員更進一步的研究與探索。參考文獻1鄒琳江,王 浩 二次空氣對高溫低氧空氣燃燒污染物排放的影響 工業爐,2007,29(6:52張先棹,尹丹模 加熱爐的節能技術及其計算(上 工熱爐,1999,21(1:19-263張先棹,尹丹模 加熱爐的節能技術及其計算(下 工熱爐,1999,21(2:21-274趙鎮南.傳熱學 北京:高等教育出版社,20025饒文濤,王 華 蓄熱式板坯爐優化設計方法