不同混合煤气配比方式对加热炉热效率影响的理论与实验研究

2021-04-21宋澜波郭德福张耀江

工业加热 2021年3期

姚旭，汪净，宋澜波，郭德福，张耀江

(湖南华菱涟源钢铁有限公司，湖南娄底 417009)

1 加热炉热传递方式

轧钢加热炉的热传递方式主要分为两种模式：①预热段区域(低温区域)：由煤气燃烧的烟气热量对钢坯进行预热，炉温一般低于800 ℃，该段以对流传热为主，辐射传热为辅；②加热段及均热段(高温区域)作为主要供热段，提高炉膛温度对钢坯进行强化加热以及降低钢坯的断面温度差，该区域炉温一般在1 200 ℃以上，主要以辐射传热对钢坯进行加热[1]。

根据Stefan-Boltzmann law的热辐射能力计算公式[1]：

式中：C0为黑体辐射系数，5.67 W/(m2·K4)：ξ为物体(气体)的黑度，与物体本身的性质，温度以及表面状况有关，同一灰体辐射吸收率与黑度(发射率)在同一温度下数值上是相等的。

混合煤气(高、焦、转)燃烧后高温烟气的主要成分为CO2、H2O以及惰性气体N2、SO2、少量残余的O2、CO等。一般认为，三原子气体、多原子以及结构不对称的双原子气体(如：CO2、H2O、SO2、CH4等等)具有辐射及吸收能力，而惰性气体、结构对称的双原子气体(如：N2、O2、H2等)对辐射透明，即吸收率与发射率为零。高温烟气中同时存在CO2和H2O，气体黑度(发射率，取决于烟气温度)计算公式如下[4]：

同理，气体吸收比(取决于板坯温度)计算如下：

则，气体与板坯的辐射换热计算如下：

式中：Tg和Tw分别为烟气温度和板坯温度，K;q为高温烟气与板坯的辐射换热量，W/m2。

2 相同热值不同配比混合煤气的燃烧计算

为了对比同煤气热值在不同煤气配比模式(高-焦-转与焦-转两种配比模式)下对加热炉燃耗的影响，按10 390 kJ/m3热值进行配比，两种配比情况如下表1所示。

表1 同热值混合煤气配比浓度计算

两种配比模式下，混合煤气热值按10 390 kJ/m3，混合煤气主要成分浓度变化如表2所示，焦炉煤气和转炉煤气配比的混合煤气H2比例降低4%，CO提高8.66%，N2比例降低5.17%，CH4比例降低1.6%，其他成分基本一致。

表2 两种配比煤气主要成分

按混合煤气理论上完全燃烧计算[2]，两种煤气的空燃比、生成烟气量以及烟气成分情况见表3和表4，焦-转混合煤气的空燃比较高焦转混煤低0.06，烟气生成量降低0.083 m3/m3煤气。生成烟气成分中，焦-转混合煤气CO2占比高3%、H2O占比少2%、N2占比少1.1%，燃烧温度高出42 ℃左右。加热炉正常生产时维持微正压(一般控制在+30 Pa以内)，烟气压力取105Pa。

表3 高-焦-转混合煤气完全燃烧情况

表4 焦-转混合煤气完全燃烧情况

3 同热值混合煤气热辐射强度及燃耗影响计算

混合煤气燃烧后烟气热辐射强度计算(下标1为CO2，下标2为H2O，以下同)：

P2S=0.163×105×3.6=0.586 8×105Pa·m

P1S=0.16×105×3.6=0.576×105Pa·m

烟气温度(燃烧温度)取1 698 ℃，即Tg=1 971 K以及以上两个计算值，查表[3]：

计算过程量：

(P+P2)/2=(1+0.163)×105/2=0.581 5×105Pa

P=105Pa

P2/(P2+P1)=0.163/(0.163+0.16)=0.505

(P2+P1)·S=(0.163+0.16)×105×3.6=1.162 8×105Pa·m

根据过程量查表：

C2=1.1C1=1Δξ=0.051

此时，对应的高温烟气对板坯的辐射黑度为

其他条件不变，假设板坯温度为Tw=1 000℃=1 273 K(加热段至均热段区域)，即为确定高温烟气对板坯辐射的吸收能力，同样计算过程参数：

查表，得出：

于是

Δα=0.051

烟气辐射吸收比为

不同配比混合煤气燃烧后生成烟气成分一致，各成分占比差异较小，且燃烧温度均在一定范围内，故可粗略认为烟气黑度和吸收比保持不变(实际发射率与烟气温度成反比，本节计算进行计算适当调整)。

①高-焦-转混合煤气燃烧后烟气与板坯辐射换热效率为(Tg=1 971 K，Tw=1 273 K)

②焦-转混合煤气燃烧后烟气与板坯热辐射换热效率为(Tg=2 013 K，Tw=1 273 K)：

高-焦-转混煤改为相同热值焦-转混合煤气后，燃烧后烟气与板坯之间的辐射换热效率由161.4 kJ/(m2·s)提高至173.5 kJ/(m2·s)，辐射换热效率提高7%，按加热炉热效率55%、1.0 GJ/t燃耗折算对加热炉整体燃耗的影响达到0.12 GJ/t(实际板坯温度的变化趋势较为复杂，与选取固定计算温度存在较大区别，取板坯温度1 000 ℃仅作为计算对比说明，且辐射换热只有一定占比，整体燃耗的影响无法进行准确的定量计算，但可根据计算结果为定性分析提供依据)。

从上述计算过程可以看出，影响辐射换热的主要影响因素为燃烧温度，而影响燃烧温度的最主要因素则为煤气热值与成分。在只掺混焦炉煤气和转炉煤气的前提下，为了验证煤气成分及热值对燃烧温度和辐射换热效率的影响，取多种配比进行计算，见表5。

表5 不同配比焦转混合煤气燃烧温度及辐射换热效率计算

如图1所示，不同热值的焦-转混合煤气实际燃烧温度和烟气辐射换热效率的变化趋势，随着热值的不断增加，燃烧温度和换热效率增长率不断变小，理想最佳焦-转混合煤气热值范围为10 150～10 700 kJ/m3(标准)。

图1 热值与燃烧温度、辐射强度之间的关系

4 不同类型混合煤气燃烧和辐射强度对比

为了进一步验证高炉煤气掺混对燃烧温度和辐射换热效率的影响，以高-焦混合煤气进行验证计算，见表6。

表6 高-焦混合煤气燃烧温度及辐射强度计算

同热值条件下，高-焦混合煤气与焦-转混合煤气燃烧温度变化趋势见图2。可见，焦-转混合煤气的燃烧温度显著高于高-焦混合煤气燃烧温度，热值为8 500 kJ/m3时，温度差达到117 ℃。随着热值的不断提高，该差异也越来越小，总体燃烧温度影响2.2%～7.4%。达到相同燃烧温度1 703 ℃，焦-转混合煤气所需热值8 500 kJ/m3远低于高焦混合煤气热值11 800 kJ/m3。

图2 高-焦混煤与焦-转混煤燃烧温度对比

同热值条件下，高-焦混合煤气与焦-转混合煤气燃烧辐射换热效率变化趋势如图3所示。同样，焦-转混合煤气的辐射换热效率显著高于高-焦混合煤气换热效率，热值为8 500 kJ/m3时，辐射换热效率差达到48.6 kJ/m2·s。随着热值的不断提高，辐射换热效率差异也越来越小，总体效率影响10.8%～45%。同样，达到相同辐射换热效率156 kJ/m2·s，焦-转混合煤气所需热值8 500 kJ/m3远低于高焦混合煤气所需热值11 800 kJ/m3。

图3 高-焦混煤和焦-转混煤之间辐射换热效率对比

5 实际应用效果

根据2250热轧板厂加热炉煤气调整试验的分析报告(见表7)，按班统计数据，焦转混供对加热炉燃耗的影响较为显著，加热炉燃耗总体维持在0.91～0.95 GJ/t左右的水平，并且钢坯加热稳定性相比之前的煤气配比方式稳定性更好。综合考虑轧制产量、装炉温度、出炉温度、加热炉状况四个大的因素的影响后，高煤占比对燃耗的影响约为0.343 GJ/(t×100%)，即高煤掺混比例从20%调整至3%，燃耗降低0.06 GJ/t，吨钢成本节约2.4元，节约出来的煤气供发电用则产生更大的经济效益。