燃燒沼氣對加熱爐相關性能影響研究

徐亞男 姬愛民＊ 劉曉偉

（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(tài)環(huán)境局，河北唐山 063399）

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(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)“碳達峰”，爭取于2060年前實現(xiàn)“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(fā)展迅速，沼氣是優(yōu)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22～25 MJ/m3。沼氣是有機廢棄物的產物，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行相應研究意義重大。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(shù)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=12 m，加熱段L2=10 m，均熱段L3=10 m，爐寬W=13.5 m，預熱段爐高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 ℃，煙氣進入預熱段的溫度為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(xù)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。

圖2 均熱段校核計算流程

2.3 關鍵點煙溫計算

（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）預熱段煙溫。

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

式中：t3——均熱段平均煙溫（℃）；t終——爐氣預熱段末端溫度（℃）；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。

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

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(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。