1、軋鋼加熱爐熱平衡分析及節能途徑探討能源動力部 賈共鵬摘 要：本文通過對軋鋼加熱爐的結構、熱平衡和能耗等介紹，詳細分析了高爐煤氣的燃燒計算，闡述了生產過程中節能基本途徑和有效措施，為加熱爐設計和生產操作提供了借鑒。關鍵詞：軋鋼 加熱爐 節能 減排* 我國冶金產品的成本構成中，軋鋼工序占整個冶金行業能耗的10%，加熱爐作為軋鋼工序的重要設備，占軋鋼工序能耗的7580%。因此，提高軋鋼加熱爐的能耗水平對鋼鐵企業的節能有著重要意義。一、 軋鋼加熱爐的基本要求和爐型分類（一）軋鋼加熱爐的基本要求1、 生產效率高在保證質量的前提下，物料加熱速度越快越好，這樣可以提高加熱爐的生產效率，減少爐子座數或縮小爐子

2、尺寸，而且還能降低燒損和燃料消耗，節約維護費用。一般用單位生產率即爐底強度kg/（m2·h）的高低來評價一座爐子的優劣。例如推鋼式連續加熱爐的爐底強度為600800kg/( m2·h），步進式加熱爐為700900 kg/( m2·h），先進的連續加熱爐為1000 kg/( m2·h）。2、 加熱質量好金屬的軋制質量和金屬的加熱質量有很大的關系，加熱時鋼坯出爐溫度要符合工藝要求，斷面溫度分布均勻，金屬燒損率低，防止出現過燒和表層的脫碳。近幾年出現的低溫軋制技術，是在保證工藝要求的前提下，將鋼坯加熱到低于常規加熱溫度，在低于常規溫度下進行軋制，從而大幅度降低

3、坯料加熱所消耗的燃料，減少金屬燒損，是鋼坯加熱方式在節能方面的有益探索。3、 燃料消耗低節省燃料對降低成本和節約能源有重大意義，加熱爐的燃料消耗應盡量降低。根據國標火焰加熱爐節能監測方法(GB/T 15319-1994)的規定，使用可比單位燃耗來表示加熱爐的能耗水平，即以不少于一個生產周期的合格加熱工件折合質量計算的單位產品燃料消耗稱為可比單位燃耗，簡稱為可比單耗。其中對于生產線材的加熱爐，規定可比單耗90千克標煤/t（坯或錠）。4、 爐子壽命長由于高溫作用和機械磨損，爐子不可避免會有損壞，因此要定期檢修，保證爐子使用壽命，降低維護費用。5、 工作環境好要求爐子的機械化及自動化程度較高，操作條

4、件好，安全衛生，對環境無污染。（二）軋鋼加熱爐的爐型分類爐型結構是加熱爐節能與否的先決條件，因此在加熱爐新建時應該盡量考慮到加熱爐節能的需要。一般加熱爐的爐型結構按如下標準分類：1、 均熱爐均熱爐位于煉鋼與初軋工序中間，可最大限度的降低鋼坯表面的過熱，把鋼坯均勻加熱到可軋制的溫度。有時候煉鋼和軋鋼不能很好銜接，均熱爐也需要加熱冷鋼坯。均熱爐有下部燃燒式和上部燃燒式兩種。現在新建的大部分采用上部燃燒型。2、 連續加熱爐連續加熱爐是軋鋼車間最普遍的爐子。料坯由爐尾裝入，加熱后由另一端送出，其工作性質是連續的。在爐子穩定工作的條件下，爐內各點的溫度可以視為不隨時間而變，屬于穩定態溫度場，爐膛內傳熱可

5、近似的認為穩定態傳熱，金屬內部熱傳導則屬于不穩定態導熱。具有連續加熱爐熱工特點的爐子很多，從結構、熱工制度等方面看，連續加熱爐可按下列特征分類：（1） 按溫度制度可分為：兩段式、三段式和強化加熱式。（2） 按被加熱金屬的形狀可分為：加熱方坯的、加熱板坯的、加熱圓管坯的、加熱異型坯的。（3） 按所用燃料種類可分為：使用固體燃料的、使用重油的、使用混合燃料的。（4） 按空氣和煤氣的預熱方式可分為換熱式的、蓄熱式的、不預熱的。（5） 按出料方式可分為：端出料的和側出料的。（6） 按物料在爐內的運動方向可分為：推送式連續加熱爐、步進式爐、輥底式爐、轉底式爐、鏈式爐等。其中，推送式連續加熱爐是應用最廣放

6、的形式，根據爐溫制度可分為兩段式加熱爐、三段式加熱爐、多點供熱式加熱爐。二、 軋鋼加熱爐的熱平衡分析及計算燃料在鍋爐中燃燒所放出的熱量一部分通過受熱面被鍋爐中的水和蒸汽吸收而得到有效利用，其余部分則以不同的方式損失掉了，這種鍋爐熱量的收支平衡關系，即為熱平衡。對于燃氣鍋爐，鍋爐的熱平衡是以1m3氣體燃燒為單位的，熱平衡可用下式表示Qr=Ql+Q2+Q3+Q4 kJ/m3式中：Qr1m3燃料帶入鍋爐的熱量，kJm3；Ql鍋爐有效利用熱量，kJm3； Q2排煙熱損失，kJm3；Q3化學未完全燃燒熱損失，kJm3； Q4鍋爐散熱損失，kJm3。燃料燃燒發出的熱量中，有效利用的熱量是使風溫、煤氣溫度和

7、鋼坯溫度提高所必須傳入的熱量。鍋爐煙氣帶走的物理熱是熱損失中的主要部分。當鼓風量過大時（即空燃比偏大），雖然能使燃料充分燃燒，但煙氣中過剩空氣量偏大，表現為煙氣中氧氣O2含量偏高，過剩空氣帶走的熱損失增大，導致熱效率偏低。與此同時過量的氧氣會和燃料中的S、煙氣中的N2反應生成SO2、NOX等有害物質。而對于軋鋼加熱爐，煙氣中的氧氣含量過高，還會導致鋼坯氧化鐵皮增厚，增加氧化燒損。當鼓風量偏低時（即空燃比偏小），表現為煙氣中氧氣O2含量低，CO含量高，雖說排煙熱損失小，但燃料沒有完全燃燒，熱損失增大，熱效率也將降低。另外煙囪冒黑煙而污染環境。由于現在大部分加熱爐均采用高爐煤氣作為燃料，故以燃燒高

8、爐煤氣加熱爐為例進行熱平衡的計算。（一）熱平衡的一般計算1、煤氣熱值高爐煤氣為煉鐵過程中產生的副產品，也稱BFG煤氣或B煤氣，主要成分為:一氧化碳（CO）, 二氧化碳（C02）, 氮氣（N2）、氫氣（H2）、甲烷（CH4）等，其中可燃成分CO含量約占25%左右，H2、CH4的含量很少，CO2, N2的含量分別占15%,55 %，熱值僅為3500kj/m3左右。可單獨供低熱值煤氣的用戶或與焦爐煤氣混合成混合煤氣（M煤氣）供加熱爐等用戶使用。為了準確測定高爐煤氣的熱值，煉鐵廠煤氣化驗室每天化驗高爐煤氣組分，根據如下公式計算高爐煤氣熱值：H L=H 2×107.7+CO×126.

9、2+CH 4×358.4其中： H L煤氣低位熱值（kj/m3）H 2氫氣的百分比（如1.94）CO 氫氣的百分比CH4氫氣的百分比2010年11月上旬（前10天），3#、4#和5#高爐正常生產，6#高爐檢修，經煉鐵煤氣化驗室查詢數據，11月份上旬的各高爐煤氣化驗分析數據的平均數如下表所示：公司高爐煤氣成分平均分析 2010/11組分（%）氫氣氧氣氮氣一氧化碳甲烷二氧化碳發熱值（kj/m3)公司平均2.4580.00254.93523.9490.01219.4193291根據煉鐵煤氣化驗室的計算公式，計算公司高爐煤氣的平均熱值如下：H =2.458×107.7+23.949

10、×126.2+0.012×358.4=3291 （kj/m3）=787.32 （kcal/m3）2、 燃料燃燒所需的空氣量（1） 理論（干）空氣量 Vko根據煤氣安全技術（冶金工業部冶金安全教育指導站，蔣路編著，1992年，P12）的說明，“煤氣是混合氣體，若已知各組分，煤氣燃燒需要的理論空氣量可按下式計算：”Vk0=0.5×H 2+0.5×CO+(m+)CmHn+1.5H2S-O2則公司煤氣燃燒的理論空氣需要量為：Vk0=0.5×2.458+0.5×23.949+(1+)×0.012-0.002 =0.63 m3/m3（2

11、） 實際空氣量VKVK=Vk0 m3/m3式中為過剩空氣系數3、 燃燒產物量計算（1） 理論煙氣量Vyo 理論煙氣量可按下式計算：Vy0=C0+H2+(m+)CmHn+2H2S+CO2+N2+H2O+×Vk0=23.949+2.458+(1+)×0.012+19.419+54.935+ ×0.63=1.50 m3/m3（2） 實際煙氣容積Vy實際煙氣容積式指在過剩空氣系數>1，完全燃燒后的煙氣容積。Vy= Vy0+（-1）Vk0 m3/m34、 空氣和煙氣的焓空氣和煙氣的焓是表示每立方米燃料所需要的理論空氣量或生成的煙氣量在等壓下從0加熱到某一溫度的熱量。（

12、1） 理論空氣焓Iko Iko= Vk0（C ）k式中（C ）k為每m3干空氣連同其帶入的水蒸氣在溫度為的焓，簡稱為每m3干空氣的濕空氣焓，kJ/m3；C表示空氣在0時的平均熱容。（2） 煙氣焓的計算煙氣的焓是煙氣各種成分的焓的總和，當煙氣溫度為，理想煙氣溫度容積Iyo的計算式為：Iyo=VCO2（C ）CO2+VON2（C ）N2+VOH2O（C ）H20 kJ/m3式中：VCO2、VON2、VOH2O、分別為=1時，煙氣中CO2、N2、H2O的容積，m3/m3；（C ）CO2、（C ）N2、（C ）H20分別為二氧化碳、氮氣、水蒸氣在的焓，kJ/m3；通常>1時，煙氣中除包括上述理論

13、煙氣外，還有過量空氣，這部分過量空氣的焓為：Ik=（-1）Iko kJ/m3煙氣焓為：Iy= Iyo+（-1）Iko kJ/m3（二）熱平衡及效率分析空氣在空氣預熱器中所吸收的熱量及煤氣在煤氣預熱器中所吸收的熱量又隨高爐煤氣進入爐膛，因此，在鍋爐熱平衡中不予考慮。在式Qr=Ql+Q2+Q3+Q4中兩邊分別除以Qr，則鍋爐熱平衡可用占輸入熱量的百分比表示，即ql+q2+q3+q4=1OO (11)在這種熱平衡計算的基礎上，可以計算鍋爐的熱效率，用以判斷鍋爐的性能和運行水平，還可以計算鍋爐的燃料消耗量。深入分析，測定各項熱損失，則可以找到減少熱損失，提高鍋爐熱效率的途徑。鍋爐熱效率是指鍋爐有效利用

14、的熱量占燃燒帶入鍋爐熱量的百分數gl=ql=100-（q2+q3+q4）下面以q2、q3、q4的選取分別討論如下：1. 排煙熱損失Q2排煙熱損失 系指排出鍋爐的煙氣具有的焓值高于進入鍋爐的空氣的焓值而造成的熱損失。其值可按排煙焓與冷空氣焓之差求得，即：Q2= Ipy-pyIlkoq2= Q2/Qr×100=（Ipy-pyIlko）/ Qr×100式中： Ipy為排煙的焓，kJm3； Ilko為進入鍋爐的冷空氣的焓，kJm3； py為排煙處的過量空氣系數。2. 化學未完全燃燒熱損失Q3化學未完全燃燒熱損失 是指排煙中含有未燃盡的CO、H2等可燃氣體造成的熱損失。其值應等于各可

15、燃燒氣體容積與其容積發熱量體積的總和，即：Q3= Vgy(126.4CO+108H2) 式中： Vgy為1m3燃料燃燒后生成的實際干煙氣容積，m3m3；CO、H2分別為干煙氣中CO、H2體積百分數。3. 鍋爐散熱損失Q4鍋爐散熱損失Q4系指爐墻、鍋筒、集箱以及管道等外表面向外界空氣散熱所造成的熱損失。其大小主要取決于散熱表面積的大小、水冷壁和爐墻的結構、保溫層的性能和厚度，以及周圍空氣的溫度等因素，通常可按經驗選取，見圖1。鍋爐容量增大，其結構緊湊，平均到單位燃料的鍋爐表面積減少，散熱損失相對值也減少。4. 輸入鍋爐的燃料熱量Qr進入鍋爐的熱量Qr可按下式計算(用于無外部熱源加熱空氣的情況)。

16、Qr=Qdwy+ir kJm3式中：Qdwy為燃料的應用基低位發熱量kJm3；ir 為燃料中的物理顯熱。ir可按ir=Cry*tr kJm3計算。其中，Cry為為燃料的應用基比熱容，kJ/（m3·）；tr為燃料溫度；Cr=4.18*100/ro0.31(co+H2+N2)+0.38CO2；ro為燃料的密度，kg/m3；ro=0.0125CO+0.0009H2+0.0192CO2+0.0125N2+0.0008H20。5. 鍋爐燃料消耗量Q1鍋爐燃料消耗量可按下式計算B=100Dgr（igr-igs）+Dps（ips-igs）/·Qr式中：Dgr為過熱蒸汽量，kg/h；Dps

17、為鍋爐機組排污水量，kg/h；igr為過熱蒸汽焓，kJ/kg；igs為給水焓，kJ/kg；ips為飽和水焓，kJ/h。三、 軋鋼加熱爐的節能途徑 軋鋼生產線由于產品和工藝技術不同，能耗水平也有差異，工序能耗指標存在很大差異。為了更好的實現節能目標，最好采取對標挖潛的辦法，加強自身縱向對比和橫向參照，有目的的開展各種技改工作。（一） 加熱爐本體節能技術1、合理的爐型結構  爐型結構決定了爐子的整體性能。爐型結構的新建或改造，要使燃料燃燒盡可能多的在爐膛內發生，余熱回收到爐膛中來，減少出爐膛的煙氣熱損失。步進式加熱爐與傳統推鋼式加熱爐相比具有加熱質量好、鋼材加熱溫度均勻、加熱速度快、操作

18、靈活、生產能力大等優點；另外，適當增加爐體長度可以延長預熱段的長度，降低排煙溫度；減少爐膛空間增加爐內隔墻等措施對爐子節能降耗都有明顯的效果。  2、減少爐膛損失爐膛熱損失主要包括水冷、爐門輻射、逸氣、爐襯散熱等熱量損失，減少這部分熱量可以大幅度降低單耗。  3、 蓄熱式燃燒技術  近年來，蓄熱式燃燒技術在軋鋼加熱爐上發展迅速。與無余熱回收的加熱爐相比，采用蓄熱式燃燒技術的加熱爐可節能40%以上。與換熱器技術比較也可實現1020%的節能潛力。采用雙蓄熱(同時預熱煤氣和空氣1000 oC以上)技術的加熱爐在利用富余高爐煤氣方面的確很有效，效率高于70，節能

19、效果顯著。4、高溫節能涂料的應用       高溫節能涂料是一種新型節能材料，它比一般的遠紅外涂料具有更高的使用溫度和經濟價值，在軋鋼加熱爐內應用該涂料，可節約燃料，保護爐襯表面、延長爐子使用壽命、提高爐子熱效率，縮短烘爐時間、提高被加熱件的加熱速度和爐子作業率。目前，國外普遍使用的節能涂料其成分主要為炭化硅粉，而國內除此之外，還研制開發了其他系列節能涂料。采用高溫節能涂料的加熱爐一般可獲得節224%和提高爐子生產率2030%的經濟效果。 5、步進爐和汽化冷卻技術步進爐不僅可以減少鋼坯加熱時間。降低氧化燒損，而且操作靈活。汽化冷卻不僅

20、可以減少軋鋼用水，而且可以生產蒸汽回收利用，具有一定的節能效果，在近年新建加熱爐上逐步推廣應用。6、 控制燃燒及合理化加熱工藝       （1）燃料燃燒技術。目前軋鋼加熱爐使用的燃料主要有煤、重油、冶金煤氣及天然氣等，有單一燃料燃燒，也有混合燃料燃燒。為進一步節約能源、保護環境、增加效益，目前已研制開發出了多種燃料燃燒節能新技術，如水煤漿燃燒技術、重油乳化燃燒技術、磁化燃燒技術、加熱爐富氧燃燒技術以及高爐煤氣綜合利用等。       （2）控制低燃比的燃燒。根據燃料種類及燃燒方法，正確選擇空氣系數值，是降低單耗的一項重要措施。對完全燃燒的各類加熱爐，在保證燃燒的條件下要盡可