加熱爐富氧燃燒技術經濟性分析

唐龍偉

(重慶賽迪熱工環保工程技術有限公司，重慶 401122)

加熱爐是鋼鐵工業熱軋生產線關鍵設備之一，對最終產品質量和總的能源消耗有很大影響，屬于高耗能設備，其能耗通常占整條熱軋生產線能耗的60%左右[1]。因此，降低加熱爐能耗是降低軋鋼工序能耗的關鍵點。

傳統加熱爐助燃氣體為空氣，燃料在燃燒過程中，起助燃作用的氧氣只占空氣總量的1/5左右，約4/5的氮氣不但不參與燃燒，反而在加熱爐排煙時帶走大量熱量，顯然不利于加熱爐能耗降低。而加熱爐富氧燃燒技術，是指以高于空氣氧氣含量(20.947%)的含氧氣體進行燃燒，其優點在于可提高助燃空氣中氧氣含量，減少排煙時氮氣帶走熱量，能有效降低加熱爐能耗。但與此同時，高昂的制氧成本阻礙了加熱爐富氧燃燒技術在國內的推廣[2]。

隨著技術發展，鋼鐵在生產過程中需要大量氮氣充當保護氣，許多鋼鐵企業都配備了獨立的空分裝置，空分后的副產品為氧氣，這恰好分擔了富氧燃燒加熱爐大部分的制氧成本，為加熱爐推行富氧燃燒技術提供了可能。因此，本文將從燃料利用率、燃料節約率等方面分析加熱爐富氧燃燒技術的經濟性，對生產企業的節能和成本控制具有一定的指導意義。

1 燃料利用率

燃料利用率指燃料有效利用量占全部燃料消耗量的百分數。對加熱爐而言，燃料有效利用量包括鋼坯吸熱、爐體散熱、加熱爐水冷構件吸熱等。為便于討論，對模型進行簡化處理，假定采用富氧燃燒后，鋼坯吸熱、爐體散熱、加熱爐水冷構件吸熱等保持不變，因此，加熱爐燃料利用率可按式(1)計算。

ηr=(Ql+Qw-Qy)/Ql×100%

(1)

式中：ηr為加熱爐燃料利用率；Ql為燃料低發熱量；Qw為燃料及助燃空氣(氧氣)帶入的物理熱量；Qy為煙氣帶走的物理熱。

現代化連續加熱爐在煙道內均設置有空氣預熱器、煤氣預熱器、蒸汽過熱器、余熱鍋爐等多級余熱回收設備，最終排煙溫度相對較低，而臺車爐、室式爐等周期爐設置余熱回收設備相對較少，最終排煙溫度相對較高。為統一計算和分析，將煙氣帶走物理熱Q煙的計算界面設置在余熱回收設備后。

采用含氧量為21%的空氣為助燃劑，分別對熱值為1 600、2 400、4 130、8 430 kcal/m3(標準)的燃料進行分析，燃料成分取至《鋼鐵廠工業爐設計參考資料》[3]，則不同排煙溫度下的燃料利用率如圖1所示。

圖1 不同排煙溫度下的燃料利用率(21%氧氣)

由圖1可以看出，隨著排煙溫度的升高，燃料利用率均逐漸降低。

2 燃料節約率

采用富氧燃燒技術后，由于加熱爐爐型、加熱鋼坯及鋼種沒有發生變化，即爐體散熱、水冷構件吸熱、鋼坯吸熱保持不變。因此燃料利用率和燃料量的關系可表示為式(2)。

Q=B1ηr1=B2ηr2

(2)

式中：Q為爐體散熱、水冷構件吸熱、鋼坯吸熱總量；B1為富氧前燃料消耗量，m3(標準)；ηr1為富氧前燃料利用率；B2為富氧后燃料消耗量，m3(標準)；ηr2為富氧后燃料利用率。

燃料節約率ηs表示為式(3):

ηs=(B1-B2)/B1

(3)

將式(2)帶入式(3)可得燃料節約率與燃料利用率的關系式，參見式(4):

ηs=1-ηr1/ηr2

(4)

由式(1)和式(4)可以計算出采用不同富氧率的助燃空氣與普通空氣(21%氧氣)燃燒的燃料節約率。分別選取熱值為1 600、2 400、4 130、8 430 kcal/m3(標準)的燃料進行燃料節約率計算，計算結果如圖2～圖5所示。

圖2 不同排煙溫度、不同富氧率的燃料節約率(1 600 kcal/m3(標準))

圖3 不同排煙溫度、不同富氧率的燃料節約率(2 400 kcal/m3(標準))

圖4 不同排煙溫度、不同富氧率的燃料節約率(4 130 kcal/m3(標準))

圖5 不同排煙溫度、不同富氧率的燃料節約率(8 430 kcal/m3(標準))

3 經濟性分析

除提升產品質量外，新技術還必須給生產廠帶來可觀經濟效益才能得到廣泛應用。下面將對加熱爐富氧燃燒技術的經濟性進行分析。為便于分析，假設富氧燃燒的氧氣成本與節約的燃料成本相等，可以得到式(5)。

Y1V1=Y2V2

(5)

引入燃料與氧氣的價格比參數K，同時帶入式(5)，可得式(6)。

K=Y2/Y1=V1/V2

(6)

式中：K為燃料與氧氣的價格比；Y1為氧氣單價，元/m3(標準)；V1為單位產量下富氧燃燒消耗的氧氣體積，m3(標準)；Y2為燃料單價，元/m3(標準)；V2為單位產量下采用富氧燃燒與采用21%氧濃度的空氣燃燒相比所節約的燃料，m3(標準)。

以2 400 kcal/m3(標準)燃料為例，對排煙溫度為300 ℃，富氧率50%的加熱爐進行了經濟性分析，結果表明：

(1)當K=6.24時，采用富氧燃燒所需要的氧氣成本與節約的燃料成本相等，此時加熱爐采用富氧燃燒技術處于既不盈利也不虧損狀態。

(2)當K>6.24時，采用富氧燃燒與采用21%氧氣的空氣燃燒相比，經濟平衡上是處于盈利狀態。

(3)當K<6.24時，采用富氧燃燒與采用21%氧氣的空氣燃燒相比，經濟平衡上是處于虧損狀態。

為探究排煙溫度對富氧燃燒加熱爐盈虧狀態影響，以2 400 kcal/m3(標準)燃料、富氧率50%加熱爐為例進行了經濟性分析，盈虧分布圖如圖6所示。

圖6 在不同排煙溫度下富氧燃燒盈虧分布圖(2 400 kcal/m3(標準))

從圖6可以看出，排煙溫度越高，富氧燃燒加熱爐更容易達到盈利狀態。

為便于使用，加熱爐常用熱值為1 600、2 400、4 130、8 430 kcal/m3(標準)的燃料在不同排煙溫度下的盈虧平衡曲線見圖7。

當燃料與氧氣價格比位于平衡曲線上方時，加熱爐采用富氧燃燒技術在經濟上處于盈利狀態；當燃料與氧氣價格比位于平衡曲線下方時，加熱爐采用富氧燃燒技術在經濟上處于虧損狀態。

圖7 不同排煙溫度下富氧燃燒盈虧平衡曲線

4 結 論

本文從燃料利用率和燃料節約率入手，對加熱爐采用富氧燃燒技術的經濟性進行分析，得出以下結論：

(1)隨著加熱爐排煙溫度的升高，燃料利用率下降。

(2)由圖2～圖5可以得出，與采用含21%氧氣的空氣相比，在相同排煙溫度下，加熱爐富氧率越高，燃料節約率越高。

(3)由圖2～圖5可以得出，采用含21%氧氣的空氣為助燃劑時，排煙溫度越高的加熱爐，在相同富氧率條件下，燃料節約率越高。

(4)對于排煙溫度較高的臺車爐、室式爐等，采用富氧燃燒甚至純氧燃燒可收到不錯的經濟效益。

(5)對燃料價格與氧氣價格比位于盈虧平衡曲線上方的生產廠，加熱爐宜選擇富氧燃燒。