燃燒沼氣對加熱爐相關(guān)性能影響研究

徐亞男 姬愛民＊ 劉曉偉

（1.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山 063210；2.唐山市生態(tài)環(huán)境局，河北唐山 063399）

熱軋軋鋼加熱爐是軋鋼生產(chǎn)工序中的主要耗能設(shè)備[1]。軋鋼加熱爐的燃料消耗約占整個工序的80%，短流程的軋鋼鋼鐵企業(yè)使用的燃料主要為煤、天然氣，依靠購買，對能源的需求來源較單一。為了應(yīng)對全球氣候變化，減緩地球變暖，實現(xiàn)綠色發(fā)展，國家CO2排放力爭在2030年實現(xiàn)“碳達(dá)峰”，爭取于2060年前實現(xiàn)“碳中和”。2030年，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重約25%[2]。我國沼氣工程發(fā)展迅速，沼氣是優(yōu)質(zhì)、廉價、清潔的氣體燃料，是可再生的生物質(zhì)能源，主要成分為CH4和CO2，熱值一般為22～25 MJ/m3。沼氣是有機廢棄物的產(chǎn)物，使用沼氣作為能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源不會增加碳排放。選擇可再生能源替代傳統(tǒng)化石能源作為加熱爐燃料進(jìn)行相應(yīng)研究意義重大。果晶晶等[3]采用CFD數(shù)值模擬法，以加熱爐爐氣與鋼坯換熱為對象，研究不同燃料配比對鋼坯換熱效率的影響。許春山等[4]建立蓄熱式加熱爐模型，研究燃料比變化對加熱爐工況的影響。邱夏陶等[5]建立環(huán)形加熱爐爐膛換熱一維模型，研究不同段燃料量的分配與爐溫的關(guān)系。本文將使用LNG為燃料的步進(jìn)式加熱爐改為使用沼氣，探討沼氣燃料對加熱爐各段煙溫和熱效率的影響。

1 加熱爐簡介

1.1 加熱爐結(jié)構(gòu)參數(shù)及燃料特性

以燃燒LNG的三段式步進(jìn)式加熱爐為研究對象，加熱爐預(yù)熱段L1=12 m，加熱段L2=10 m，均熱段L3=10 m，爐寬W=13.5 m，預(yù)熱段爐高H1=0.7 m，加熱段爐高H2=1.8 m，均熱段爐高H3=1.65 m。

加熱爐采用端進(jìn)端出的出料方式，鋼坯在爐內(nèi)采用單排放料、側(cè)加熱，加熱爐加熱能為83 t/h，加熱鋼種為普碳鋼，鋼坯尺寸為0.15 m×0.15 m×12 m。

加熱爐燃料組成成分如表1所示。

表1 加熱爐燃料組成成分 單位：%

1.2 加熱爐溫度參數(shù)和熱平衡

加熱爐爐內(nèi)每段煙溫、加熱鋼坯溫度不同，鋼坯入爐時為20 ℃，空氣預(yù)熱溫度為400 ℃，鋼坯經(jīng)預(yù)熱段的表面溫度為650 ℃，鋼坯進(jìn)入均熱段的表面溫度為1 250 ℃，鋼坯出爐的表面溫度為1 200 ℃；煙氣在均熱段的平均煙溫為1 275 ℃，煙氣進(jìn)入預(yù)熱段的溫度為1 400 ℃，煙氣的出爐溫度為800 ℃。

加熱爐的整體熱平衡情況如圖1所示。

圖1 加熱爐整體熱平衡情況

加熱爐燃燒LNG時金屬吸收的熱量占總能量輸入的56%，煙氣損失占32%，汽化冷卻損失占5%，爐壁熱損失占5%，出鋼口輻射熱損失占0.9%，化學(xué)不完全燃燒熱損失占0.4%，裝料口輻射熱損失占0.1%。

2 加熱爐理論分析及計算

2.1 加熱爐理論分析

加熱爐膛內(nèi)的熱交換過程復(fù)雜[6]，傳導(dǎo)、對流及輻射3種熱交換方式可能同時存在，爐內(nèi)各處溫度、爐氣速度和壓力不均勻。為了滿足軋制要求，不減少鋼坯軋制產(chǎn)量，假設(shè)加熱爐內(nèi)鋼坯在各段溫度保持設(shè)計值且各段加熱時間保持不變，以各段煙氣平均溫度的變化為側(cè)重點，更換燃料后校核各段的平均煙氣溫度及排煙溫度進(jìn)行爐內(nèi)熱平衡計算。

2.2 爐氣溫度校核方法

加熱爐的煙氣流動由均熱段到預(yù)熱段，為簡化計算，以各段的平均溫度為校核點，假設(shè)均熱段煙溫，結(jié)合加熱爐煙溫計算公式，計算值與假設(shè)值誤差在5%以內(nèi)，熱平衡誤差大于5%則重新假設(shè)煙溫繼續(xù)計算，熱平衡誤差小于5%則校核結(jié)束，依次進(jìn)行加熱段煙溫和預(yù)熱段煙溫校核，校核方法與均熱段一致。

均熱段校核計算流程如圖2所示。

圖2 均熱段校核計算流程

2.3 關(guān)鍵點煙溫計算

（1）均熱段煙溫。

式中：T1——均熱段平均煙溫（K）；T表——鋼坯在均熱段的表面溫度（K）；C氣——爐氣、爐壁對鋼坯表面的導(dǎo)來輻射系數(shù)［W/(m2·K4)］；q——熱流（W/m2）。

（2）加熱段煙溫。

式中：T2——加熱段平均煙溫（K）；T理——燃料理論燃燒溫度（K）；T均表——加熱段金屬表面的平均溫度（K）；T出氣——流出加熱段煙溫（K）。

（3）預(yù)熱段煙溫。

預(yù)熱段的平均煙氣溫度用算數(shù)平均值計算，假設(shè)爐氣在預(yù)熱段終了溫度為800 ℃。

式中：t3——均熱段平均煙溫（℃）；t終——爐氣預(yù)熱段末端溫度（℃）；t出氣——流出加熱段煙溫（℃）。

2.4 加熱爐熱平衡

對加熱爐預(yù)熱段、加熱段、均熱段分別進(jìn)行熱平衡計算。均熱段熱平衡熱量收入項為燃料帶入熱量、預(yù)熱空氣帶入熱量；熱量支出項為金屬吸收的熱量、爐墻損失的總熱量、出鋼口輻射熱損失、煙氣帶走的熱量、化學(xué)不完全燃燒熱損失、爐內(nèi)冷水熱損失。加熱段和均熱段的熱量收入項增加金屬氧化反應(yīng)放出熱量、煙氣帶入熱量，其他項與均熱段相同，熱量收入與支出項具體計算經(jīng)驗公式參考加熱爐設(shè)計相關(guān)資料[7]。

定義加熱爐熱平衡誤差，熱平衡誤差小于5%則視為加熱爐熱平衡。

式中：ε——加熱爐熱平衡誤差（%）；Q1、Q2、Q3——均熱段、加熱段、預(yù)熱段的熱量收入項之和（kJ/h）；——均熱段、加熱段、預(yù)熱段的熱量支出項之和（kJ/h）。

2.5 加熱爐熱效率

每噸鋼坯燃?xì)鈫魏氖呛饬考訜釥t工作的重要指標(biāo)之一，鋼坯燃?xì)鈫魏闹饕Q于加熱爐熱效率，加熱爐熱效率為出爐鋼坯吸收的有效熱量與供入爐內(nèi)的熱量之比[8]。

式中：η——加熱爐熱效率（%）；Qy——鋼坯吸收的有效熱量（kJ/h）；Qg——供入爐內(nèi)的總熱量（kJ/h）。

3 燃燒沼氣對加熱爐性能的影響

3.1 對平均煙溫的影響

基于加熱爐設(shè)計工況對燃燒沼氣工況進(jìn)行校核，在熱量供給相同且加熱爐加熱能力不變的條件下，燃料熱值及燃料成分改變使?fàn)t內(nèi)各段的換熱發(fā)生變化，各段煙溫發(fā)生變化。均熱段煙氣的平均溫度由1 275 ℃降至1 220 ℃，加熱段煙氣的平均溫度由1 726 ℃降至1 632 ℃，預(yù)熱段的平均煙氣溫度由1 100 ℃降至1 062 ℃。

不同燃料的各段平均煙溫如圖3所示。

圖3 不同燃料的各段平均煙溫

3.2 燃燒沼氣對熱效率的影響

保證加熱爐熱量供給不變，換熱主要因素為平均煙溫變化，加熱爐的熱效率變化不大，燃燒LNG工況的加熱爐熱效率為65.58%，燃燒沼氣工況的熱效率為64.02%。

4 結(jié)語

更換加熱爐燃料后爐內(nèi)各段煙氣平均溫度顯著下降。沼氣代替LNG作為加熱爐燃料在保證相同熱量供給的條件下，加熱爐熱效率有所降低，變化不明顯，為實際生產(chǎn)提供參考。沼氣提純有助于減少煙氣溫度的下降并提高加熱爐熱效率。