2250热轧板厂常规/蓄热式加热炉热平衡对比分析

宋澜波，汪 净，姚 旭，张耀江

（湖南华菱涟源钢铁有限公司，湖南娄底417009）

加热炉是轧钢生产过程中能源消耗最多的设备，占整个冶金行业能耗的10%左右，其节能降耗问题显得尤为重要。图1 为热轧步进梁式加热炉的结构简图，其工作流程如下：坯料进入到加热炉后，首先要经过预热段进行缓慢的升温，预热段温度控制在1 050 ℃左右，然后再进入加热段进行强化加热使钢坯的平均温度达到轧制温度，一加热段温度在1 150 ℃左右，二加热段温度在1 250 ℃左右，最后钢坯进入到均热段进行均热，使钢坯内外温度趋于一致，均热段温度在1 250～1 300 ℃。烧嘴分布在侧面炉墙的上下部以及均热段顶部[1]。

图1 步进式加热炉结构简图

某 2250 热轧板厂 1#，2#，3#步进梁式加热炉的主要设计概况分别如表1所示。

炉底面积：59×11.7=690.3 m2；

加热坯料长度：10.0 m；

加热钢种：普碳钢，低合金钢，特殊钢，不锈钢等；

装炉方式：热装，冷装，混装（冷装≤350 ℃，热装≥500 ℃）；

燃料种类：高、焦、转炉混合煤气；

煤气热值：10 000～12 000 kJ/m3（标准）。

1 热平衡测试实验条件

2019年2月22日，白班8:00—16:00共8小时，对三座加热炉进行热平衡测试实验，生产管理部要求对二混、三混热值按12 000 kJ/m3进行配比供应，现场运行人员确保加热炉稳定运行。同时，对加热炉关键运行参数进行实时记录，分时间段对二混、三混管道煤气取样，送质量部分析成分及热值，分析结果见表2。现场对加热炉炉底、炉顶以及炉侧的各段温度进行测量记录。

加热炉实际燃烧煤气热值（化验值），1#炉（二混）为14 992 kJ/m3，2#/3#炉（三混）为10 810 kJ/m3，与管道计量值（其中，二混（1#热值仪）=11 553 kJ/m3，能源网计量二混（1#）=11 993 kJ/m3，三混（2#/3#）=11 968 kJ/m3）存在一定差异。

表1 2250热轧板厂三座加热炉简要技术参数

表2 混合煤气成分及热值分析

2 热平衡测算结果及说明

同一测试周期内，三座加热炉热量收支值存在一定差异。

2.1 三座加热炉的热平衡结果

三座加热炉热平衡计算结果分别见表3～表5。

2.2 热平衡计算说明

本次热平衡计算边界条件为加热炉炉膛区域，未包含烟道及预/蓄热器部分，其中，因无蓄热室测量数据，2#/3#炉的进入蓄热室的烟气温度按1 000 ℃，蓄热空气平均温度按蓄热室烟气量及蓄热室损失量反推估算得到，2#炉为平均550 ℃，3#炉为平均650 ℃，未达到设计要求（1 150 ℃）。

3 热平衡结果分析

试验当天（白班）三座炉子的燃耗按能源网煤气用量统计和化验热值计算，如表6所示：

表3 1#加热炉热平衡

表4 2#加热炉热平衡

表5 3#加热炉热平衡

表6 各加热炉燃耗指标参数计算

根据热平衡结果计算得到三座加热炉的全炉热效率η1和炉膛热效率η2，其计算公式为全炉热效率：

炉膛热效率：

计算得出三座炉子的热效率如表7所示：

表7 各加热炉热效率计算结果 %

3.1 烟气余热造成的损失

以1#炉为基准量，全炉热效率2#和3#分别比1#低8.71%和16.96%，3#比2#低8.25%。炉膛热效率2#和3#分别比1#低8.99%和16.47%，3#比2#低7.48%。可见，加热炉整体热效率的差距主要在于炉膛热效率，烟气余热回收效率也存在一定差异，但差异较小。余热回收效率（其中，1#为空煤预热器回收，2#/3#为空煤预热器和蓄热室回收）可由下式计算得出：

计算可得，1#、2#和3#炉的余热回收效率分别为40.91%、44.7%和46.3%，符合理论上蓄热加热炉的余热回收效率稍高于常规加热炉的情况，实验条件下，3#炉烟气量＞2#炉烟气量＞1#炉烟气量，烟气携带热量造成的损失存在明显差异。烟气余热损失部分核算到吨钢损失上三座炉子的分别为

1#烟气损失（吨钢）=292 256 498 kJ ×（1-40.91%）÷ 1 616 350 kg=0.107 GJ/t。

2#烟气损失（吨钢）=595 606 882 kJ×（1-44.7%）÷1 633 550 kg=0.202 GJ/t。

3#烟气损失（吨钢）=744 371 963 kJ×（1-46.3%）÷1 607 493 kg=0.249 GJ/t。

比较可得，2#和 3#分别比 1#高出 0.095 GJ/t 和0.142 GJ/t，3#比 2#高出0.047 GJ/t。

3.2 汽化及水冷系统热量差异

三座加热炉的汽化及水冷系统损失量占比存在明显区别，1#、2#、3#分别为10.07%、11.95%和15.25%，同时平衡时总热量存在差异，实际上2#和3#的绝对热量占比更大。

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

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

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

比较可得，2#和 3#分别比 1#高出 0.102 8 GJ/t 和0.207 5 GJ/t，3#比 2#高出0.104 7 GJ/t。

以上两部分在热平衡热支出中所占比例较大，烟气余热损失和汽化水冷损失总共造成的差异为2#和3#分别比 1#高出 0.197 8 GJ/t 和 0.349 5 GJ/t，3#比 2#高出0.151 7 GJ/t。实验当天白班燃耗2#和3#分别比1#高出0.16 GJ/t 和 0.33 GJ/t，3#比 2#高出 0.17 GJ/t，可见这个差异主要体现在烟气余热损失和汽化水冷上，其他因炉体、炉门等散热损失差异的占比较小，不再做详细分析。

4 原因分析及改进措施

4.1 主要存在的问题

4.1.1 烟气损失差异大的原因

1）2/3#加热炉蓄热室问题

从蓄热空气温度的估算值上可以看出，蓄热效果未达到设计值，导致一定煤气量下炉温无法满足加热要求，通过炉膛热效率也有所体现，炉膛温度低会造成热交换速度受到影响，从而影响效率。换句话说，此时炉膛中的热量为低品位热，利用效率低。为了平衡这一影响，保障炉膛内部温度，增加了煤气的消耗量，统计数据表明煤气用量上3#＞2#＞1#，随之而来的就是空气量的增加，最终导致三座炉子的烟气总量存在较大差异，在余热回收效率基本一致的情况下，烟气量较大的炉子带走的热量明显高于烟气量少的炉子[2-3]。

2）煤气热值计量问题

实际运行过程中，二级机中设定的燃烧空燃比随煤气的热值波动不断调整，但是此时热值1#按在线热值仪为准，2#/3#按能源网计量热值为准。二混化验热值14 992 kJ/m3（标准）时，对应的分别为11 993 kJ/m3（标准）和11 553 kJ/m3（标准）。三混化验热值为10 810 kJ/m3（标准），对应的计量热值11 968 kJ/m3（标准）。按化验煤气成分及热值计算，理论空燃比分别为3.58（1#）和2.59（2#/3#），实际运行中1#、2#和3#折算空燃比分别为3.36、2.91 和3，存在不完全燃烧的情况。煤气或者空气过剩都会导致烟气量增加，余热损失增加。

3）炉体、炉门及孔洞损失

2#/3#炉产生的烟气量大了，通过炉体破损、炉门以及孔洞的烟气和散热损失均会增加，尤其体现在2#加热炉上，现场测温发现局部区域存在烧穿、冒火的现象，如图2所示。这部分的热量在热平衡中无法单独分析，但造成的损失应该比较明显。

图2 2#炉侧墙表面温度及现状

4.1.2 汽化冷却及水冷构件部分损失大的原因

汽化冷却和水冷系统从炉膛中带走热量的多少直接取决于水梁、水冷构件等的隔热效果好坏，隔热材料受损导致与炉膛的热交换速率增加，造成大量热量的损失[4]。其次，同样受到蓄热式烧嘴性能的直接影响，燃烧温度低造成炉膛热效率也偏低，从而进入2#和3#炉膛的整体热量增加，导致整个水冷系统冷却压力增大，热损失增加。

4.1.3 现场运行及相关参数控制

结合前期的分析结果，随着1#炉的投入，三炉或二炉生产的情况时有发生，加热能力较大，整体钢坯在炉时间有所增加。特别地，2#+3#的加热方式下（基于工艺计量参数的分析，与实际存在一定差异，但趋势应该基本一致）：2018 年8 月份之前（2018 年 1—2018 年 7月），2#和3#炉子燃耗分别为1.19 GJ/t 和1.25 GJ/t，2018年8 月份后（1#炉投入使用 2018 年 8 月—2019 年 1月），燃耗变为1.47 GJ/t和1.60 GJ/t，有很大的差异。可见，在三炉或二炉生产中，需要进一步进行燃烧方式的调整和探索。此外，加热炉运行参数如空燃比等对加热炉热效率有着直接影响，实际运行过程中，煤气压力和热值存在一定的波动，二级系统可能无法及时响应，这就需要运行人员根据现场情况及时调整，确保加热炉的正产运行和生产[5]。

4.2 改进的措施及建议

（1）蓄热室改造及燃烧控制方式的调整。对蓄热式烧嘴的蓄热和燃烧性能（包括烧嘴结构、蓄热体、燃烧控制方式等）进行检测、评估和分析，以此指导改造方向。理论上，空气蓄热温度可达1 150 ℃，实际燃烧温度可达2 000 ℃以上，炉膛热效率显著提高，此时煤气量将明显减少，随之烟气量也会明显减少，烟气余热损失量也会大幅减少，原则上实际排烟损失（蓄热排烟约为160 ℃，常规烟道排烟200～300 ℃）比常规更低。按常规加热炉烟气损失来估算，2#和3#预计可分别降低0.095 GJ/t和 0.142 GJ/t。

（2）汽化及水冷系统的改造和优化。在蓄热式烧嘴改造完成后，进一步更换水梁、隔热材料等。此时，炉膛热效率提升，冷却系统携带出的热量将明显下降，2#炉可降低大约0.1 GJ/t，3#可降低大约0.2 GJ/t。

（3）2#加热炉炉体进行改造。提高密封和保温效果，降低炉体溢气和散热损失。

（4）在线热值仪的安装与定期标定校对。对1#加热炉在线热值仪进行定期标定，2#/3#炉加装在线热值仪，实现空燃比运行参数的准确控制，减少不完全燃烧损失。

（5）安装在线烟气分析仪等燃烧控制辅助设备。对烟气中的残氧量、CO、H2等气体因子进行监测，实时调整炉内空气与煤气配比，优化炉内燃烧过程，减少不完全燃烧损失。

（6）提高板坯入炉温度和热装率。提高热装温度，降低整体煤气消耗量，从而降低加热炉整体燃耗。

（7）加强现场运行控制的管理。在三炉/二炉的生产过程中，进行最优燃烧控制方式的摸索与总结。实际生产过程中，根据现场状况积极调整过程参数，确保炉内燃烧状况处于较好水平，提高加热炉的整体热效率。

5 结 论

根据热平衡测算结果，蓄热式加热炉与常规加热炉的燃耗指标存在明显差异。加热炉热量损失主要集中在烟气损失和水冷系统上，主要问题集中体现在蓄热式烧嘴的性能发挥上。通过进一步改造，把蓄热式烧嘴的性能充分发挥出来，燃耗指标会有大幅度改善，估算得到两座加热炉燃耗总计能降低0.5 GJ/t 左右，按单炉产能150多万吨来计算，能节约成本将近3 000万元。同时，节省出来的煤气供公司自备电厂发电，可以提高整体发电量，减少外购电比例，产生更加显著的效益。