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徐亞男1，姬愛民1，劉曉偉2
（1.華北理工大學冶金與能源學院，河北唐山063210；2.唐山市生態環境局，河北唐山063399）
摘要：為了緩解傳統能源短缺和污染問題，嘗試將燃燒液化天然氣（LNG）的三段步進式加熱爐改為燃燒沼氣。文章基于加熱爐實際工況，采用加熱爐設計方法，從熱平衡計算及傳熱校核角度研究燃燒沼氣對加熱爐各段平均煙溫和加熱爐熱效率的影響，使加熱爐運行穩定，實現節能減排。結果表明，更換燃料后爐內各段平均煙氣溫度降低，燃燒LNG的加熱爐熱效率為64.58%，燃燒沼氣的加熱爐熱效率為64.02%，熱效率變化不明顯，加熱爐運行穩定，為實際生產提供參考。
熱軋軋鋼加熱爐是軋鋼生產工序中的主要耗能設備[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。為了應對全球氣候變化，減緩地球變暖，實現綠色發展，國家CO2排放力爭在2030年實現“碳達峰”，爭取于2060年前實現“碳中和”。2030年，單位國內生產總值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]。我國沼氣工程發展迅速，沼氣是優質、廉價、清潔的氣體燃料，是可再生的生物質能源，主要成分為CH4和CO2，熱值一般為22~25MJ/m³。沼氣是有機廢棄物的產物，使用沼氣作為能源代替傳統化石能源不會增加碳排放。選擇可再生能源替代傳統化石能源作為加熱爐燃料進行相應研究意義重大。果晶晶等[3]采用CFD數值模擬法，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系。本文將使用LNG為燃料的步進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加熱爐結構參數及燃料特性
以燃燒LNG的三段式步進式加熱爐為研究對象，加熱爐預熱段L1=12m，加熱段L2=10m，均熱段L3=10m，爐寬W=13.5m，預熱段爐高H1=0.7m，加熱段爐高H2=1.8m，均熱段爐高H3=1.65m。
加熱爐采用端進端出的出料方式，鋼坯在爐內采用單排放料、側加熱，加熱爐加熱能為83t/h，加熱鋼種為普碳鋼，鋼坯尺寸為0.15m×0.15m×12m。
加熱爐燃料組成成分如表1所示。
1.2加熱爐溫度參數和熱平衡
加熱爐爐內每段煙溫、加熱鋼坯溫度不同，鋼坯入爐時為20℃，空氣預熱溫度為400℃，鋼坯經預熱段的表面溫度為650℃，鋼坯進入均熱段的表面溫度為1250℃，鋼坯出爐的表面溫度為1200℃；煙氣在均熱段的平均煙溫為1275℃，煙氣進入預熱段的溫度為1400℃，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。
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
加熱爐膛內的熱交換過程復雜[6]，傳導、對流及輻射3種熱交換方式可能同時存在，爐內各處溫度、爐氣速度和壓力不均勻。為了滿足軋制要求，不減少鋼坯軋制產量，假設加熱爐內鋼坯在各段溫度保持設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重點，更換燃料后校核各段的平均煙氣溫度及排煙溫度進行爐內熱平衡計算。
2.2爐氣溫度校核方法
加熱爐的煙氣流動由均熱段到預熱段，為簡化計算，以各段的平均溫度為校核點，假設均熱段煙溫，結合加熱爐煙溫計算公式，計算值與假設值誤差在5%以內，熱平衡誤差大于5%則重新假設煙溫繼續計算，熱平衡誤差小于5%則校核結束，依次進行加熱段煙溫和預熱段煙溫校核，校核方法與均熱段一致。
均熱段校核計算流程如圖2所示。
2.3關鍵點煙溫計算
2.4加熱爐熱平衡
對加熱爐預熱段、加熱段、均熱段分別進行熱平衡計算。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、化學不完全燃燒熱損失、爐內冷水熱損失。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驗公式參考加熱爐設計相關資料[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。
2.5加熱爐熱效率
每噸鋼坯燃氣單耗是衡量加熱爐工作的重要指標之一，鋼坯燃氣單耗主要取決于加熱爐熱效率，加熱爐熱效率為出爐鋼坯吸收的有效熱量與供入爐內的熱量之比[8]。
3燃燒沼氣對加熱爐性能的影響
3.1對平均煙溫的影響
基于加熱爐設計工況對燃燒沼氣工況進行校核，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爐內各段的換熱發生變化，各段煙溫發生變化。均熱段煙氣的平均溫度由1275℃降至1220℃，加熱段煙氣的平均溫度由1726℃降至1632℃，預熱段的平均煙氣溫度由1100℃降至1062℃。
不同燃料的各段平均煙溫如圖3所示。
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結語
更換加熱爐燃料后爐內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。
參考文獻
[1]張先翅,高仲龍,高家銳,等.關于工業加熱爐發展方向的探討[J].工業爐,1990(2):3-8.
[2]朱震鋒.新形勢下推動碳達峰、碳中和的根本遵循與行動路徑[J].奮斗,2021(1):39-42.
[3]果晶晶,陳健.燃料配比與鋼坯運動軌跡對鋼坯加熱的影響[J].山西冶金,2021,44(1):26-29.
[4]許春山,田紅,黃竹青,等.燃料比對蓄熱式加熱爐熱工過程的影響[J].工業加熱,2015,44(1):28-31.
[5]邱夏陶,韓小良.環形加熱爐數學模型及最佳燃料配比[J].鋼鐵,1990(6):56-60.
[6]鋼鐵廠工業爐設計參考資料編寫組.鋼鐵廠工業爐設計參考資料[M].北京:冶金工業出版社,1979.
[7]吳文裴,陳偉鵬,劉中強,等,冶金加熱爐設計與實例[M].北京:化學工業出版社,2008.
[8]王秉銓.工業爐設計手冊[M].北京:機械工業出版社,2008. |
