2250熱軋板廠常規(guī)/蓄熱式加熱爐熱平衡對比分析

宋瀾波，汪 凈，姚 旭，張耀江

（湖南華菱漣源鋼鐵有限公司，湖南婁底417009）

加熱爐是軋鋼生產過程中能源消耗最多的設備，占整個冶金行業(yè)能耗的10%左右，其節(jié)能降耗問題顯得尤為重要。圖1 為熱軋步進梁式加熱爐的結構簡圖，其工作流程如下：坯料進入到加熱爐后，首先要經過預熱段進行緩慢的升溫，預熱段溫度控制在1 050 ℃左右，然后再進入加熱段進行強化加熱使鋼坯的平均溫度達到軋制溫度，一加熱段溫度在1 150 ℃左右，二加熱段溫度在1 250 ℃左右，最后鋼坯進入到均熱段進行均熱，使鋼坯內外溫度趨于一致，均熱段溫度在1 250～1 300 ℃。燒嘴分布在側面爐墻的上下部以及均熱段頂部[1]。

圖1 步進式加熱爐結構簡圖

某 2250 熱軋板廠 1#，2#，3#步進梁式加熱爐的主要設計概況分別如表1所示。

爐底面積：59×11.7=690.3 m2；

加熱坯料長度：10.0 m；

加熱鋼種：普碳鋼，低合金鋼，特殊鋼，不銹鋼等；

裝爐方式：熱裝，冷裝，混裝（冷裝≤350 ℃，熱裝≥500 ℃）；

燃料種類：高、焦、轉爐混合煤氣；

煤氣熱值：10 000～12 000 kJ/m3（標準）。

1 熱平衡測試實驗條件

2019年2月22日，白班8:00—16:00共8小時，對三座加熱爐進行熱平衡測試實驗，生產管理部要求對二混、三混熱值按12 000 kJ/m3進行配比供應，現場運行人員確保加熱爐穩(wěn)定運行。同時，對加熱爐關鍵運行參數進行實時記錄，分時間段對二混、三混管道煤氣取樣，送質量部分析成分及熱值，分析結果見表2。現場對加熱爐爐底、爐頂以及爐側的各段溫度進行測量記錄。

加熱爐實際燃燒煤氣熱值（化驗值），1#爐（二混）為14 992 kJ/m3，2#/3#爐（三混）為10 810 kJ/m3，與管道計量值（其中，二混（1#熱值儀）=11 553 kJ/m3，能源網計量二混（1#）=11 993 kJ/m3，三混（2#/3#）=11 968 kJ/m3）存在一定差異。

表1 2250熱軋板廠三座加熱爐簡要技術參數

表2 混合煤氣成分及熱值分析

2 熱平衡測算結果及說明

同一測試周期內，三座加熱爐熱量收支值存在一定差異。

2.1 三座加熱爐的熱平衡結果

三座加熱爐熱平衡計算結果分別見表3～表5。

2.2 熱平衡計算說明

本次熱平衡計算邊界條件為加熱爐爐膛區(qū)域，未包含煙道及預/蓄熱器部分，其中，因無蓄熱室測量數據，2#/3#爐的進入蓄熱室的煙氣溫度按1 000 ℃，蓄熱空氣平均溫度按蓄熱室煙氣量及蓄熱室損失量反推估算得到，2#爐為平均550 ℃，3#爐為平均650 ℃，未達到設計要求（1 150 ℃）。

3 熱平衡結果分析

試驗當天（白班）三座爐子的燃耗按能源網煤氣用量統(tǒng)計和化驗熱值計算，如表6所示：

表3 1#加熱爐熱平衡

表4 2#加熱爐熱平衡

表5 3#加熱爐熱平衡

表6 各加熱爐燃耗指標參數計算

根據熱平衡結果計算得到三座加熱爐的全爐熱效率η1和爐膛熱效率η2，其計算公式為全爐熱效率：

爐膛熱效率：

計算得出三座爐子的熱效率如表7所示：

表7 各加熱爐熱效率計算結果 %

3.1 煙氣余熱造成的損失

以1#爐為基準量，全爐熱效率2#和3#分別比1#低8.71%和16.96%，3#比2#低8.25%。爐膛熱效率2#和3#分別比1#低8.99%和16.47%，3#比2#低7.48%。可見，加熱爐整體熱效率的差距主要在于爐膛熱效率，煙氣余熱回收效率也存在一定差異，但差異較小。余熱回收效率（其中，1#為空煤預熱器回收，2#/3#為空煤預熱器和蓄熱室回收）可由下式計算得出：

計算可得，1#、2#和3#爐的余熱回收效率分別為40.91%、44.7%和46.3%，符合理論上蓄熱加熱爐的余熱回收效率稍高于常規(guī)加熱爐的情況，實驗條件下，3#爐煙氣量＞2#爐煙氣量＞1#爐煙氣量，煙氣攜帶熱量造成的損失存在明顯差異。煙氣余熱損失部分核算到噸鋼損失上三座爐子的分別為

1#煙氣損失（噸鋼）=292 256 498 kJ ×（1-40.91%）÷ 1 616 350 kg=0.107 GJ/t。

2#煙氣損失（噸鋼）=595 606 882 kJ×（1-44.7%）÷1 633 550 kg=0.202 GJ/t。

3#煙氣損失（噸鋼）=744 371 963 kJ×（1-46.3%）÷1 607 493 kg=0.249 GJ/t。

比較可得，2#和 3#分別比 1#高出 0.095 GJ/t 和0.142 GJ/t，3#比 2#高出0.047 GJ/t。

3.2 汽化及水冷系統(tǒng)熱量差異

三座加熱爐的汽化及水冷系統(tǒng)損失量占比存在明顯區(qū)別，1#、2#、3#分別為10.07%、11.95%和15.25%，同時平衡時總熱量存在差異，實際上2#和3#的絕對熱量占比更大。

1#汽化及水冷損失（噸鋼）=（201 384 000+18 648 000）kJ÷ 1 616 350 kg=0.125 6 GJ/t.

2#汽化及水冷損失（噸鋼）=（290 888 000+82 152 000）kJ÷1 633 550 kg=0.228 4 GJ/t.

3#汽化及水冷損失（噸鋼）=（434 094 400 +101 304 000）kJ÷1 607 493 kg=0.333 1 GJ/t.

比較可得，2#和 3#分別比 1#高出 0.102 8 GJ/t 和0.207 5 GJ/t，3#比 2#高出0.104 7 GJ/t。

以上兩部分在熱平衡熱支出中所占比例較大，煙氣余熱損失和汽化水冷損失總共造成的差異為2#和3#分別比 1#高出 0.197 8 GJ/t 和 0.349 5 GJ/t，3#比 2#高出0.151 7 GJ/t。實驗當天白班燃耗2#和3#分別比1#高出0.16 GJ/t 和 0.33 GJ/t，3#比 2#高出 0.17 GJ/t，可見這個差異主要體現在煙氣余熱損失和汽化水冷上，其他因爐體、爐門等散熱損失差異的占比較小，不再做詳細分析。

4 原因分析及改進措施

4.1 主要存在的問題

4.1.1 煙氣損失差異大的原因

1）2/3#加熱爐蓄熱室問題

從蓄熱空氣溫度的估算值上可以看出，蓄熱效果未達到設計值，導致一定煤氣量下爐溫無法滿足加熱要求，通過爐膛熱效率也有所體現，爐膛溫度低會造成熱交換速度受到影響，從而影響效率。換句話說，此時爐膛中的熱量為低品位熱，利用效率低。為了平衡這一影響，保障爐膛內部溫度，增加了煤氣的消耗量，統(tǒng)計數據表明煤氣用量上3#＞2#＞1#，隨之而來的就是空氣量的增加，最終導致三座爐子的煙氣總量存在較大差異，在余熱回收效率基本一致的情況下，煙氣量較大的爐子帶走的熱量明顯高于煙氣量少的爐子[2-3]。

2）煤氣熱值計量問題

實際運行過程中，二級機中設定的燃燒空燃比隨煤氣的熱值波動不斷調整，但是此時熱值1#按在線熱值儀為準，2#/3#按能源網計量熱值為準。二混化驗熱值14 992 kJ/m3（標準）時，對應的分別為11 993 kJ/m3（標準）和11 553 kJ/m3（標準）。三混化驗熱值為10 810 kJ/m3（標準），對應的計量熱值11 968 kJ/m3（標準）。按化驗煤氣成分及熱值計算，理論空燃比分別為3.58（1#）和2.59（2#/3#），實際運行中1#、2#和3#折算空燃比分別為3.36、2.91 和3，存在不完全燃燒的情況。煤氣或者空氣過剩都會導致煙氣量增加，余熱損失增加。

3）爐體、爐門及孔洞損失

2#/3#爐產生的煙氣量大了，通過爐體破損、爐門以及孔洞的煙氣和散熱損失均會增加，尤其體現在2#加熱爐上，現場測溫發(fā)現局部區(qū)域存在燒穿、冒火的現象，如圖2所示。這部分的熱量在熱平衡中無法單獨分析，但造成的損失應該比較明顯。

圖2 2#爐側墻表面溫度及現狀

4.1.2 汽化冷卻及水冷構件部分損失大的原因

汽化冷卻和水冷系統(tǒng)從爐膛中帶走熱量的多少直接取決于水梁、水冷構件等的隔熱效果好壞，隔熱材料受損導致與爐膛的熱交換速率增加，造成大量熱量的損失[4]。其次，同樣受到蓄熱式燒嘴性能的直接影響，燃燒溫度低造成爐膛熱效率也偏低，從而進入2#和3#爐膛的整體熱量增加，導致整個水冷系統(tǒng)冷卻壓力增大，熱損失增加。

4.1.3 現場運行及相關參數控制

結合前期的分析結果，隨著1#爐的投入，三爐或二爐生產的情況時有發(fā)生，加熱能力較大，整體鋼坯在爐時間有所增加。特別地，2#+3#的加熱方式下（基于工藝計量參數的分析，與實際存在一定差異，但趨勢應該基本一致）：2018 年8 月份之前（2018 年 1—2018 年 7月），2#和3#爐子燃耗分別為1.19 GJ/t 和1.25 GJ/t，2018年8 月份后（1#爐投入使用 2018 年 8 月—2019 年 1月），燃耗變?yōu)?.47 GJ/t和1.60 GJ/t，有很大的差異。可見，在三爐或二爐生產中，需要進一步進行燃燒方式的調整和探索。此外，加熱爐運行參數如空燃比等對加熱爐熱效率有著直接影響，實際運行過程中，煤氣壓力和熱值存在一定的波動，二級系統(tǒng)可能無法及時響應，這就需要運行人員根據現場情況及時調整，確保加熱爐的正產運行和生產[5]。

4.2 改進的措施及建議

（1）蓄熱室改造及燃燒控制方式的調整。對蓄熱式燒嘴的蓄熱和燃燒性能（包括燒嘴結構、蓄熱體、燃燒控制方式等）進行檢測、評估和分析，以此指導改造方向。理論上，空氣蓄熱溫度可達1 150 ℃，實際燃燒溫度可達2 000 ℃以上，爐膛熱效率顯著提高，此時煤氣量將明顯減少，隨之煙氣量也會明顯減少，煙氣余熱損失量也會大幅減少，原則上實際排煙損失（蓄熱排煙約為160 ℃，常規(guī)煙道排煙200～300 ℃）比常規(guī)更低。按常規(guī)加熱爐煙氣損失來估算，2#和3#預計可分別降低0.095 GJ/t和 0.142 GJ/t。

（2）汽化及水冷系統(tǒng)的改造和優(yōu)化。在蓄熱式燒嘴改造完成后，進一步更換水梁、隔熱材料等。此時，爐膛熱效率提升，冷卻系統(tǒng)攜帶出的熱量將明顯下降，2#爐可降低大約0.1 GJ/t，3#可降低大約0.2 GJ/t。

（3）2#加熱爐爐體進行改造。提高密封和保溫效果，降低爐體溢氣和散熱損失。

（4）在線熱值儀的安裝與定期標定校對。對1#加熱爐在線熱值儀進行定期標定，2#/3#爐加裝在線熱值儀，實現空燃比運行參數的準確控制，減少不完全燃燒損失。

（5）安裝在線煙氣分析儀等燃燒控制輔助設備。對煙氣中的殘氧量、CO、H2等氣體因子進行監(jiān)測，實時調整爐內空氣與煤氣配比，優(yōu)化爐內燃燒過程，減少不完全燃燒損失。

（6）提高板坯入爐溫度和熱裝率。提高熱裝溫度，降低整體煤氣消耗量，從而降低加熱爐整體燃耗。

（7）加強現場運行控制的管理。在三爐/二爐的生產過程中，進行最優(yōu)燃燒控制方式的摸索與總結。實際生產過程中，根據現場狀況積極調整過程參數，確保爐內燃燒狀況處于較好水平，提高加熱爐的整體熱效率。

5 結 論

根據熱平衡測算結果，蓄熱式加熱爐與常規(guī)加熱爐的燃耗指標存在明顯差異。加熱爐熱量損失主要集中在煙氣損失和水冷系統(tǒng)上，主要問題集中體現在蓄熱式燒嘴的性能發(fā)揮上。通過進一步改造，把蓄熱式燒嘴的性能充分發(fā)揮出來，燃耗指標會有大幅度改善，估算得到兩座加熱爐燃耗總計能降低0.5 GJ/t 左右，按單爐產能150多萬噸來計算，能節(jié)約成本將近3 000萬元。同時，節(jié)省出來的煤氣供公司自備電廠發(fā)電，可以提高整體發(fā)電量，減少外購電比例，產生更加顯著的效益。