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(yù)熱段區(qū)域(低溫區(qū)域)：由煤氣燃燒的煙氣熱量對鋼坯進(jìn)行預(yù)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(qū)域)作為主要供熱段，提高爐膛溫度對鋼坯進(jìn)行強(qiáng)化加熱以及降低鋼坯的斷面溫度差，該區(qū)域爐溫一般在1 200 ℃以上，主要以輻射傳熱對鋼坯進(jìn)行加熱[1]。

根據(jù)Stefan-Boltzmann law的熱輻射能力計(jì)算公式[1]：

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

混合煤氣(高、焦、轉(zhuǎn))燃燒后高溫?zé)煔獾闹饕煞譃镃O2、H2O以及惰性氣體N2、SO2、少量殘余的O2、CO等。一般認(rèn)為，三原子氣體、多原子以及結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)對稱的雙原子氣體(如：N2、O2、H2等)對輻射透明，即吸收率與發(fā)射率為零。高溫?zé)煔庵型瑫r(shí)存在CO2和H2O，氣體黑度(發(fā)射率，取決于煙氣溫度)計(jì)算公式如下[4]：

同理，氣體吸收比(取決于板坯溫度)計(jì)算如下：

則，氣體與板坯的輻射換熱計(jì)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?zé)煔馀c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(jì)算

為了對比同煤氣熱值在不同煤氣配比模式(高-焦-轉(zhuǎn)與焦-轉(zhuǎn)兩種配比模式)下對加熱爐燃耗的影響，按10 390 kJ/m3熱值進(jìn)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(jì)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?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)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(jì)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(zhuǎn)混合煤氣的空燃比較高焦轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)時(shí)維持微正壓(一般控制在+30 Pa以內(nèi))，煙氣壓力取105Pa。

表3 高-焦-轉(zhuǎn)混合煤氣完全燃燒情況

表4 焦-轉(zhuǎn)混合煤氣完全燃燒情況

3 同熱值混合煤氣熱輻射強(qiáng)度及燃耗影響計(jì)算

混合煤氣燃燒后煙氣熱輻射強(qiáng)度計(jì)算(下標(biāo)1為CO2，下標(biāo)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(gè)計(jì)算值，查表[3]：

計(jì)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(jù)過程量查表：

C2=1.1C1=1Δξ=0.051

此時(shí)，對應(yīng)的高溫?zé)煔鈱Π迮鞯妮椛浜诙葹?/p>

其他條件不變，假設(shè)板坯溫度為Tw=1 000℃=1 273 K(加熱段至均熱段區(qū)域)，即為確定高溫?zé)煔鈱Π迮鬏椛涞奈漳芰?，同樣?jì)算過程參數(shù)：

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(nèi)，故可粗略認(rèn)為煙氣黑度和吸收比保持不變(實(shí)際發(fā)射率與煙氣溫度成反比，本節(jié)計(jì)算進(jìn)行計(jì)算適當(dāng)調(diào)整)。

①高-焦-轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)混煤改為相同熱值焦-轉(zhuǎn)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(dá)到0.12 GJ/t(實(shí)際板坯溫度的變化趨勢較為復(fù)雜，與選取固定計(jì)算溫度存在較大區(qū)別，取板坯溫度1 000 ℃僅作為計(jì)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(jìn)行準(zhǔn)確的定量計(jì)算，但可根據(jù)計(jì)算結(jié)果為定性分析提供依據(jù))。

從上述計(jì)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?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣的前提下，為了驗(yàn)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(jìn)行計(jì)算，見表5。

表5 不同配比焦轉(zhuǎn)混合煤氣燃燒溫度及輻射換熱效率計(jì)算

如圖1所示，不同熱值的焦-轉(zhuǎn)混合煤氣實(shí)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(zhuǎn)混合煤氣熱值范圍為10 150～10 700 kJ/m3(標(biāo)準(zhǔn))。

圖1 熱值與燃燒溫度、輻射強(qiáng)度之間的關(guān)系

4 不同類型混合煤氣燃燒和輻射強(qiáng)度對比

為了進(jìn)一步驗(yàn)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(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，見表6。

表6 高-焦混合煤氣燃燒溫度及輻射強(qiáng)度計(jì)算

同熱值條件下，高-焦混合煤氣與焦-轉(zhuǎn)混合煤氣燃燒溫度變化趨勢見圖2?？梢?，焦-轉(zhuǎn)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(shí)，溫度差達(dá)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(dá)到相同燃燒溫度1 703 ℃，焦-轉(zhuǎn)混合煤氣所需熱值8 500 kJ/m3遠(yuǎn)低于高焦混合煤氣熱值11 800 kJ/m3。

圖2 高-焦混煤與焦-轉(zhuǎn)混煤燃燒溫度對比

同熱值條件下，高-焦混合煤氣與焦-轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shí)，輻射換熱效率差達(dá)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(dá)到相同輻射換熱效率156 kJ/m2·s，焦-轉(zhuǎn)混合煤氣所需熱值8 500 kJ/m3遠(yuǎn)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(zhuǎn)混煤之間輻射換熱效率對比

5 實(shí)際應(yīng)用效果

根據(jù)2250熱軋板廠加熱爐煤氣調(diào)整試驗(yàn)的分析報(bào)告(見表7)，按班統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，焦轉(zhuǎn)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(wěn)定性相比之前的煤氣配比方式穩(wěn)定性更好。綜合考慮軋制產(chǎn)量、裝爐溫度、出爐溫度、加熱爐狀況四個(gè)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(diào)整至3%，燃耗降低0.06 GJ/t，噸鋼成本節(jié)約2.4元，節(jié)約出來的煤氣供發(fā)電用則產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。

表7 高爐煤氣占比對加熱爐噸鋼燃耗的影響統(tǒng)計(jì)

6 結(jié) 論

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

(2)焦-轉(zhuǎn)混合煤氣對比同熱值條件下的高-焦

混合煤氣，實(shí)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?fàn)t煤氣占比提高(主要因?yàn)閾交旄呙?，對空燃比和煙氣量影響較大，故轉(zhuǎn)爐煤氣在加熱爐熱效率提升上扮演重要角色。

(3)建議在轉(zhuǎn)爐煤氣能夠滿足生產(chǎn)的條件下，按焦-轉(zhuǎn)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(fù)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(jīng)濟(jì)性。