蓄热式加热炉热平衡计算及节能技术的研究

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Vol127　No16

ENERGYFORMETALLURGICALINDUSTRYNov12008

冶　金　能　源

蓄热式加热炉热平衡计算及节能技术的研究

周　暐　王　浩　朱宗铭　韩洪涛　吴荣祥

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2

3

(11安徽工业大学,21中冶华天工程技术有限公司,31浙江衢州元立金属制品有限公司)

摘　要　介绍了蓄热式加热炉热平衡计算的方法,并运用工程实例对计算结果进行分析,通过对蓄热式加热炉的节能技术进行讨论,指出了影响蓄热式加热炉节能效果的主要因素及技术方向。

关键词　蓄热式加热炉　热平衡计算　节能技术

Theheatbalancecalculationofregenerativeheatingand

theresearchofenergy2savingZhouWei　WangHao　ZhuZongming1

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(11AnhuiUniversityofTechnology,2ogyCorporation,

on)

　waytheregenerativeheatingfurnaceheatbalancecalculation,usingtheprojectexample.Baseonthediscussingaboutenergy2savingtheregenerativeheatingfurnace,themainfactorsandtechnologywhichinfluencetheen2ergy2savingoffurnacearefounded.

Keywords　regenerativeheatingfurnace　heatbalancecalculation　technologyofenergy2saving

蓄热式燃烧技术通常也被称作高温空气燃烧技术,是一种新型燃烧技术,具有高效烟气余热回收和高温预热空气助燃以及低NOx排放等多重优越性,其基本思想是让燃料在高温、低氧浓度气氛中燃烧。它包含两项基本技术措施:一项是采用温度效率高达95%,热回收率达80%以上的蓄热式换热装置,极大限度回收高温烟气中的显热,用于获得高温助燃空气或燃气,实现极限热回收;另一项是由于高温助燃空气或燃气进入炉内,并采取燃料分级燃烧和高速气流卷吸炉内燃烧产物,稀释反应区的含氧体积浓度,获得浓度为2%～15%的低氧燃烧,实现低NOx排放。燃料在这种高温低氧的气氛中,造成与传统燃烧过程完全不同的热力学条件。蓄热式燃烧技术自20世纪90年代以来,在中国得已迅速发展并广泛应用于轧钢加热炉上,现已取得了显著的经济效益和社会效益。

收稿日期:2008-08-05周　暐(1974-　),工程师;243002安徽省马鞍山市。

[1]

文章主要介绍在具体炉型及具体的操作参数

下的能耗基本构成,并且对能耗的收支情况进行了分析,对高炉煤气双蓄热加热炉节能的技术方向进行了探索。

1　蓄热式加热炉的主要技术性能

(1)炉子用途:钢坯轧前加热

(2)炉型:高炉煤气双蓄热步进梁式加热炉(3)装出料方式:侧进侧出

(4)加热钢种:碳素结构钢、优质碳素结构

钢、低合金钢

(5)钢坯规格:150×150×12000(6)钢坯入炉温度:常温(7)加热温度:950～1200℃(8)炉子额定产量:130t/h

(9)炉子装出料辊道中心线距离:19580mm(10)炉子内宽:12700mm

(11)炉底钢压强度:555kg/(m2h)

(12)燃料及低发热量:高炉煤气,(700～

3

800)×4118kJ/m

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(13)设计额定单耗:112GJ/t(14)供热方式:两侧交替供热

(15)预热方式:空煤气双蓄热至900～1000℃(16)蓄热体形式:蜂窝体(17)换向阀形式:二位三通换向阀(18)换向方式:分散顺序换向(19)排烟方式:机械排烟(20)炉底水管冷却方式:水冷2　使用情况

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上,被预热介质及烟气的热交换在蓄热体内进

行。由于被预热介质通过蓄热体后的温度测量比较困难,所以在双蓄热加热炉的热平衡系统中,认为空气及高炉煤气的温度为常温,而从炉内排出的烟气温度为烟气经过蓄热体后烟气的温度。从这种意义上来说,已将蓄热体换热装置划入加热炉的热平衡系统内,否则该部分的热量收支计算将非常复杂,而且难以确定。

(2)不完全燃烧热损失不完全燃烧热损失与常规式炉也不一样。对于常规式炉,燃料的外泄量是不计的,但是对于双蓄热加热炉,,根据烧嘴结构等条件不同,,,既造成化,又给蓄热体造成严重破坏。

对于分散换向的燃烧系统,由于换向阀与烧嘴很近,残留在换向阀与烧嘴间的煤气量较少,而对于集中分侧换向及集中换向,该部分残留的煤气量就相对多些。而且换向周期的长短也影响到该部分煤气的损失,换向越频繁,该部分损失越大,所以该部分损失与管路设计及换向系统的运用很有关系。

经过部分加热炉的统计及计算,得出以下数据:全分散换向系统的不完全燃烧化学热损失为煤气总量的1%～3%;分侧集中换向系统的为煤气总量的2%～5%;集中换向系统的为煤气总量的4%～10%。如果换向阀内部还存在煤气向烟气中泄漏的情况,则该项将扩大。

(3)其他热损失对于蓄热式加热炉,此项热损失较难以确定。对于操作工况良好的蓄热式炉,尤其是炉压控制在+30Pa以下的双蓄热加热炉,该项与常规式加热炉相近,占总热支出项的1%左右;对于炉压控制在+30Pa以上的双蓄热加热炉,有的火焰从炉底水封槽中翻出来,有的火焰从炉墙及炉顶泄露出来,全炉的炉况恶化,该项有可能达到10%或更高,是这些操作状况下加热炉单耗居高不下的主要原因之一。

对于元立高线加热炉,由于炉况良好,该项确定在总热损失的1%左右。312　热平衡计算结果

该加热炉为浙江衢州元立高线加热炉,由中

冶华天工程技术有限公司设计,并于2007年7月投产,投产至今工作正常,其中加热炉各项操作参数及能耗情况比较理想。加热炉在投产后很快达产,在冷坯加热,小时产量为100t时,高

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炉煤气耗量为32000m/h,炉压控制在+左右,氧化烧损也控制在01气热值8001,能为11088GJ,3　热平衡计算

由热力学第一定律可知,加热炉热平衡热量收入项与支出项的总和,在数值上必须相[2-3]等。准确而又经得起实践检验的炉子热平衡计算,是节能型加热炉设计的重要参考依据,最终能在炉子投产后经得起测试检验,并对数据偏差作出分析和调整。热平衡中的各项,是用单位时间的热量收入和支出的千焦数为单位。

以加热炉额定产量时采集的相对稳定的参数作为一个基准计算条件,对双蓄热加热炉的能耗收支情况及影响能耗收支的因素进行比较,从而得出相应的节能措施,并对双蓄热加热炉今后的设计及生产操作提供指导。311　热平衡子项的建立对于高炉煤气双蓄热加热炉,热平衡系统的热平衡子项建立与常规式加热炉在一定程度上有所不同,主要表现在空煤气带入的物理热、烟气带走的物理热、不完全燃烧化学热及其他热损失的确定。

(1)空煤气带入的物理热高炉煤气双蓄热系统与常规采用换热器的加热炉有很大不同,双蓄热系统的换热器就在炉壁

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表1　热平衡计算结果表

热量收入

燃料燃烧化学热燃料物理热空气物理热坯料物理热

钢氧化反应化学热总计收入加热炉热效率热量支出

炉料加热物理热烟气物理热炉墙散热炉底开孔散热其他(炉门等)水冷系统吸收热不完全燃烧损失热其他损失总计支出

GJ/h108184018201572143415211711767158%GJ/h7315527155312831300130614921610109117117

%6217723151218021820125515421230108100100%921890170014921073186100100

钢铁厂节能减排的一大方向。

(2)烟气物理热

降低烟气物理热的方式有:①选用换热面积大、体积小的蜂窝蓄热体增加蓄热体换热面积,使烟气充分换热,降低烟气的排烟温度。这就要求增加蓄热体的体积,或在体积不变的情况下减小蓄热体的壁厚。

这种办法为生产带来了一定的问题。首先,增加蓄热体体积会使本来就拥挤的摆满蓄热箱的加热炉两侧通道更加拥挤,为操作及维护带来一定因难,而且会增加烟气通过蓄热体的阻力,增大引风机的负荷,,增加了炉压控制的难度;,,同时降低了蓄,,从对不完全燃,会增大该部分的损失。

所以,在工艺允许的情况下,增加蓄热体的体积是可行的,而在蓄热体的低温换热段采用减小蓄热体壁厚也是可行的。不过这种做法的节能效果是有限的,毕竟这只是回收余热,而且还需增加生产成本,从节能减排的角度来说并不是最优的。

②加强炉内换热

从高炉煤气的成分来说,17%的CO是有效燃烧成分,其他均为不可燃成分,这些成分不仅没有给钢坯加热带来任何用处,而且当烟气排放时这些成分还会带走大量的热量。唯一的解决办法就是加强炉内换热,提高热效率,以达到最终减少烟气排放量的目的。

另外从双蓄热烧嘴燃烧原理上来说,经预热的煤气与空气从蓄热式烧嘴喷出后,在炉膛内弥漫燃烧,燃烧完全后形成高温烟气,钢坯吸收烟气内的热量以达到加热的目的,而后高温的烟气由喷嘴对面的蓄热式烧嘴抽出,经蓄热体降温后,再排出炉外。每次换热都存在一个换热效率问题,而置换的热量再由钢坯吸收,又有个换热效率问题,所以,能将高温烟气的热量尽可能的由钢坯直接吸收,是提高热效率的主要方法。

高炉煤气的火焰黑度很低,如何加强炉内换热,提高换热效率,是目前有待解决的一大难题。通过炉膛辐射换热计算公式计算钢坯表面的

[4]

热流密度q,其表达式为:

4　单耗影响较大,收支项,针对该项进行讨论,找出人为增减的办法,就能分析出最有效的节能方向。411　热收入项

从热收入项的构成来看,以及对蓄热式加热炉热平衡系统的划分来看,其中钢氧化反应化学热是有害的,必须减少;空煤气的物理热受气候影响较大,是人为不可控的;燃料燃烧化学热是根据热支出的需要而变化的;只有坯料物理热,提高钢坯热装热送的温度及比例,可以大大提高该项的比例,增加热收入项总值,在同等产量条件下,可以减少供热量,达到节能的目的。412　热支出项

(1)炉料加热物理热

从该项来看,如果能降低该项的数值,可以大大降低加热炉的能耗,而解决的办法只有降低钢坯出炉温度以及提高钢坯入炉温度。通过降低轧机的钢坯开轧温度可以降低钢坯出炉时的最终热焓,而在相同出钢温度下提高钢坯的热装热送温度,可大幅提高钢坯的初始热焓,最终减少钢坯在炉内的吸热量。以上措施均可以大幅降低加热炉的能耗水平,所以降低炉料加热物理热是加热炉节能减排的一项非常有效的措施,也是今后

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q=Cgwm

tf+4

25

100

-

ts+100

+α(tf-ts)(1)

2

4

-1

式中:Cgwm为导来辐射系数/W (mk);tf为环境温度/℃;ts为钢坯表面温度/℃;α为对流换热系数/W (mk)。

ε5167gεm[1+<wm(1-εg)]

(2)Cgwm=

εεεg+<wm(1-εg)(g+m-εgεm)

式中:εg为炉气黑度;εm为坯料黑度;<wm为炉壁对坯料的角度系数:

<wmLmNm

2(H+B)-LmNm

(3)

2

-1

之间的最佳结合点。

从目前国内外的一些加热炉的资料来看,一般上加热炉膛高度在加热段升至215m左右,是比较合理也是比较经济的。而下加热炉炉膛高度由于炉底结构复杂,不在高度上进行变化,国内通

[5]

用设计一般在215～2m之间。加热炉采用这种驼峰式结构,在实践中也取得了良好的效果。

②提高对流换热系数α

对流换热项在整个热流密度所占的比例约在10%左右,所占的比重并不大,当钢坯进入加热

式中:B为炉膛宽度/m;H为炉膛高度/m;Lm为板坯长度/m;Nm为坯料排数。

从式(1)中可以看出,提高导来辐射系数Cgwm和对流换热系数α可以提高钢坯表面的热流密度。

①提高导来辐射系数C炉,,唯一可变的是在加热炉设计时炉膛角度系数的设计。

从目前国内各大钢厂生产的情况来看,在炉内壁表面增加黑体材料是一个解决的办法,能有效强化辐射换热系数,增强炉内热交换的过程,但是黑体材料的寿命及造价的问题还没有彻底解决,并没有全面推广。

由式(2)可以看出,当<wm趋向于0时,

Cgwm有极大值,而从式

(3)中可以看出,当

(H+B)趋向无穷大时,<wm趋向于0。炉膛角

段及均热段后,所占的比例更小。虽然提高气流扰动,换热系数,,所,,其实最重要的,提高热效率也正是。

(3)炉墙孔洞及水冷系统散热

这几项虽然在热支出项中占10%左右,但是控制该部分的支出有很多人为的因素,比如设计、施工、操作、维护等,从设计直至投产后的操作维护,均应注意才能控制住该部分的热损失。

(4)不完全燃烧化学热

该部分与蓄热式换向系统的选型及设备运行情况有关。从设备本身来讲,控制内泄漏率,可以控制部分不完全燃烧化学热损失;从系统来讲,尽量减少换向阀后管路的长度也可以有效降低该部分的损失。但是对于双蓄热加热炉来说,该部分损失是不可避免的。

(5)其他热损失其实这部分损失,尤其是炉气外溢,在蓄热式加热炉上,一旦控制不住炉压,燃耗急剧上升,也就是说这部分热损失将急剧扩大,而且一旦热负荷跟不上,继续加大热负荷,只会恶化炉况,所以其他热损失与加热炉的实际工况关系紧密,控制住该部分损失才能有一个良性循环,也就是说最关键是控制炉压。5　结论

(1)提高钢坯热装热送温度及比例,可大

度系数<wm的设计也受到限制,因为坯料的长度定好后,炉膛的宽度基本上变化不大,唯一可变化的是炉膛高度。加大炉膛高度可以增加气体厚

度,有效提高热气体辐射率,但是散热面积也会增加。对于双蓄热加热炉,由于炉膛尺寸的限制,一般蓄热箱的体积是受限制的,适当增大炉膛高度,可以增加单个蓄热式烧嘴的供热能力;由于工程造价的原因,炉膛也不可能无限升高,炉膛升高,会增大炉体散热面积;如果炉气无法充满炉膛,炉气会上浮,达不到加热的效果。所以找出最佳的炉膛高度是解决这个问题的唯一途径,而找出这一最佳途径的唯一方法就是找到炉膛升高带来的节能效果与扩大散热面积损失热量

大降低加热炉的能耗水平;

(2)降低轧机要求的开轧温度,可降低加

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参

考

文

献

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热炉的能耗水平;

(3)强化炉内加热的热效率,关键是适当的炉膛角度系数;

(4)选择不同的换向系统及管路设计,对能耗有直接的影响;

(5)控制蓄热式加热炉的炉压,能有效减少热量损耗。

蓄热式加热炉采用高炉煤气作为燃料本身就为钢铁企业的节能减排做出了巨大贡献,而如何进一步的节能增效,挖掘蓄热式加热炉的潜力,有待广大科研技术人员更进一步的研究与探索。

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赵　艳　编辑

(上接第21页)

(2,;带,一方面是炉温分布不,另一方面是辐射传递系数沿带宽方向上的分布特点导致的,且后者的影响在带温与炉温差别较大时更为显著;由于炉膛结构的影响,带宽方向上均匀的炉温分布同样改变不了带温分布的不均匀性。

(3)对于其它以辐射传热为主的工业热设备,辐射传递系数和角系数的计算也十分复杂,应用笔者所建立的模型可以避免繁杂的计算,同时也为建立较为精确的辐射换热模型提供了必要的理论依据。

参

考

文

献

同时,从图6中qF-Si与qT-Si的差值可以看出,炉墙、影响是比较大的,模型时,炉墙

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图6　带宽方向热流密度分布

4　结论

(1)应用MC法建立的辐射透明介质中,不

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万　雪　编辑

透明表面间的辐射换热模型完全能够满足工程计算的精度要求。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tbfm.html