不同混合煤氣配比方式對加熱爐熱效率影響的理論與實驗研究

姚 旭，汪 凈，宋瀾波，郭德福，張耀江

(湖南華菱漣源鋼鐵有限公司，湖南 婁底 417009)

1 加熱爐熱傳遞方式

軋鋼加熱爐的熱傳遞方式主要分為兩種模式：①預熱段區域(低溫區域)：由煤氣燃燒的煙氣熱量對鋼坯進行預熱，爐溫一般低于800 ℃，該段以對流傳熱為主，輻射傳熱為輔；②加熱段及均熱段(高溫區域)作為主要供熱段，提高爐膛溫度對鋼坯進行強化加熱以及降低鋼坯的斷面溫度差，該區域爐溫一般在1 200 ℃以上，主要以輻射傳熱對鋼坯進行加熱[1]。

根據Stefan-Boltzmann law的熱輻射能力計算公式[1]：

式中：C0為黑體輻射系數，5.67 W/(m2·K4)：ξ為物體(氣體)的黑度，與物體本身的性質，溫度以及表面狀況有關，同一灰體輻射吸收率與黑度(發射率)在同一溫度下數值上是相等的。

混合煤氣(高、焦、轉)燃燒后高溫煙氣的主要成分為CO2、H2O以及惰性氣體N2、SO2、少量殘余的O2、CO等。一般認為，三原子氣體、多原子以及結構不對稱的雙原子氣體(如：CO2、H2O、SO2、CH4等等)具有輻射及吸收能力，而惰性氣體、結構對稱的雙原子氣體(如：N2、O2、H2等)對輻射透明，即吸收率與發射率為零。高溫煙氣中同時存在CO2和H2O，氣體黑度(發射率，取決于煙氣溫度)計算公式如下[4]：

同理，氣體吸收比(取決于板坯溫度)計算如下：

則，氣體與板坯的輻射換熱計算如下：

式中：Tg和Tw分別為煙氣溫度和板坯溫度，K;q為高溫煙氣與板坯的輻射換熱量，W/m2。

2 相同熱值不同配比混合煤氣的燃燒計算

為了對比同煤氣熱值在不同煤氣配比模式(高-焦-轉與焦-轉兩種配比模式)下對加熱爐燃耗的影響，按10 390 kJ/m3熱值進行配比，兩種配比情況如下表1所示。

表1 同熱值混合煤氣配比濃度計算

兩種配比模式下，混合煤氣熱值按10 390 kJ/m3，混合煤氣主要成分濃度變化如表2所示，焦爐煤氣和轉爐煤氣配比的混合煤氣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 兩種配比煤氣主要成分

按混合煤氣理論上完全燃燒計算[2]，兩種煤氣的空燃比、生成煙氣量以及煙氣成分情況見表3和表4，焦-轉混合煤氣的空燃比較高焦轉混煤低0.06，煙氣生成量降低0.083 m3/m3煤氣。生成煙氣成分中，焦-轉混合煤氣CO2占比高3%、H2O占比少2%、N2占比少1.1%，燃燒溫度高出42 ℃左右。加熱爐正常生產時維持微正壓(一般控制在+30 Pa以內)，煙氣壓力取105Pa。

表3 高-焦-轉混合煤氣完全燃燒情況

表4 焦-轉混合煤氣完全燃燒情況

3 同熱值混合煤氣熱輻射強度及燃耗影響計算

混合煤氣燃燒后煙氣熱輻射強度計算(下標1為CO2，下標2為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

煙氣溫度(燃燒溫度)取1 698 ℃，即Tg=1 971 K以及以上兩個計算值，查表[3]：

計算過程量：

(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

根據過程量查表：

C2=1.1C1=1Δξ=0.051

此時，對應的高溫煙氣對板坯的輻射黑度為

其他條件不變，假設板坯溫度為Tw=1 000℃=1 273 K(加熱段至均熱段區域)，即為確定高溫煙氣對板坯輻射的吸收能力，同樣計算過程參數：

查表，得出：

于是

Δα=0.051

煙氣輻射吸收比為

不同配比混合煤氣燃燒后生成煙氣成分一致，各成分占比差異較小，且燃燒溫度均在一定范圍內，故可粗略認為煙氣黑度和吸收比保持不變(實際發射率與煙氣溫度成反比，本節計算進行計算適當調整)。

①高-焦-轉混合煤氣燃燒后煙氣與板坯輻射換熱效率為(Tg=1 971 K，Tw=1 273 K)

②焦-轉混合煤氣燃燒后煙氣與板坯熱輻射換熱效率為(Tg=2 013 K，Tw=1 273 K)：

高-焦-轉混煤改為相同熱值焦-轉混合煤氣后，燃燒后煙氣與板坯之間的輻射換熱效率由161.4 kJ/(m2·s)提高至173.5 kJ/(m2·s)，輻射換熱效率提高7%，按加熱爐熱效率55%、1.0 GJ/t燃耗折算對加熱爐整體燃耗的影響達到0.12 GJ/t(實際板坯溫度的變化趨勢較為復雜，與選取固定計算溫度存在較大區別，取板坯溫度1 000 ℃僅作為計算對比說明，且輻射換熱只有一定占比，整體燃耗的影響無法進行準確的定量計算，但可根據計算結果為定性分析提供依據)。

從上述計算過程可以看出，影響輻射換熱的主要影響因素為燃燒溫度，而影響燃燒溫度的最主要因素則為煤氣熱值與成分。在只摻混焦爐煤氣和轉爐煤氣的前提下，為了驗證煤氣成分及熱值對燃燒溫度和輻射換熱效率的影響，取多種配比進行計算，見表5。

表5 不同配比焦轉混合煤氣燃燒溫度及輻射換熱效率計算

如圖1所示，不同熱值的焦-轉混合煤氣實際燃燒溫度和煙氣輻射換熱效率的變化趨勢，隨著熱值的不斷增加，燃燒溫度和換熱效率增長率不斷變小，理想最佳焦-轉混合煤氣熱值范圍為10 150～10 700 kJ/m3(標準)。

圖1 熱值與燃燒溫度、輻射強度之間的關系

4 不同類型混合煤氣燃燒和輻射強度對比

為了進一步驗證高爐煤氣摻混對燃燒溫度和輻射換熱效率的影響，以高-焦混合煤氣進行驗證計算，見表6。

表6 高-焦混合煤氣燃燒溫度及輻射強度計算

同熱值條件下，高-焦混合煤氣與焦-轉混合煤氣燃燒溫度變化趨勢見圖2。可見，焦-轉混合煤氣的燃燒溫度顯著高于高-焦混合煤氣燃燒溫度，熱值為8 500 kJ/m3時，溫度差達到117 ℃。隨著熱值的不斷提高，該差異也越來越小，總體燃燒溫度影響2.2%～7.4%。達到相同燃燒溫度1 703 ℃，焦-轉混合煤氣所需熱值8 500 kJ/m3遠低于高焦混合煤氣熱值11 800 kJ/m3。

圖2 高-焦混煤與焦-轉混煤燃燒溫度對比

同熱值條件下，高-焦混合煤氣與焦-轉混合煤氣燃燒輻射換熱效率變化趨勢如圖3所示。同樣，焦-轉混合煤氣的輻射換熱效率顯著高于高-焦混合煤氣換熱效率，熱值為8 500 kJ/m3時，輻射換熱效率差達到48.6 kJ/m2·s。隨著熱值的不斷提高，輻射換熱效率差異也越來越小，總體效率影響10.8%～45%。同樣，達到相同輻射換熱效率156 kJ/m2·s，焦-轉混合煤氣所需熱值8 500 kJ/m3遠低于高焦混合煤氣所需熱值11 800 kJ/m3。

圖3 高-焦混煤和焦-轉混煤之間輻射換熱效率對比

5 實際應用效果

根據2250熱軋板廠加熱爐煤氣調整試驗的分析報告(見表7)，按班統計數據，焦轉混供對加熱爐燃耗的影響較為顯著，加熱爐燃耗總體維持在0.91～0.95 GJ/t左右的水平，并且鋼坯加熱穩定性相比之前的煤氣配比方式穩定性更好。綜合考慮軋制產量、裝爐溫度、出爐溫度、加熱爐狀況四個大的因素的影響后，高煤占比對燃耗的影響約為0.343 GJ/(t×100%)，即高煤摻混比例從20%調整至3%，燃耗降低0.06 GJ/t，噸鋼成本節約2.4元，節約出來的煤氣供發電用則產生更大的經濟效益。

表7 高爐煤氣占比對加熱爐噸鋼燃耗的影響統計

6 結 論

(1)相同熱值條件下，焦-轉混合煤氣的輻射換熱效率高于高-焦-轉混合煤氣換熱效率，對加熱爐效率提升有著直接影響，焦-轉混煤的最佳熱值設定范圍大致在10 150～10 700 kJ/m3。

(2)焦-轉混合煤氣對比同熱值條件下的高-焦

混合煤氣，實際燃燒溫度高出2.2%～7.4%，在板坯溫度為1 000 ℃的單一條件下，輻射換熱效率高出10.8%～45%；焦爐煤氣占比提高(主要因為摻混高煤)，對空燃比和煙氣量影響較大，故轉爐煤氣在加熱爐熱效率提升上扮演重要角色。

(3)建議在轉爐煤氣能夠滿足生產的條件下，按焦-轉配比混合煤氣且熱值不宜過高，盡量減少因高爐煤氣摻混引起的負影響(提高焦煤占比、增加惰性氣體量)和利用效率下降而影響經濟性。