燃烧沼气对加热炉相关性能影响研究

徐亚男 姬爱民＊ 刘晓伟

（1.华北理工大学冶金与能源学院，河北唐山 063210；2.唐山市生态环境局，河北唐山 063399）

热轧轧钢加热炉是轧钢生产工序中的主要耗能设备[1]。轧钢加热炉的燃料消耗约占整个工序的80%，短流程的轧钢钢铁企业使用的燃料主要为煤、天然气，依靠购买，对能源的需求来源较单一。为了应对全球气候变化，减缓地球变暖，实现绿色发展，国家CO2排放力争在2030年实现“碳达峰”，争取于2060年前实现“碳中和”。2030年，单位国内生产总值CO2排放比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重约25%[2]。我国沼气工程发展迅速，沼气是优质、廉价、清洁的气体燃料，是可再生的生物质能源，主要成分为CH4和CO2，热值一般为22～25 MJ/m3。沼气是有机废弃物的产物，使用沼气作为能源代替传统化石能源不会增加碳排放。选择可再生能源替代传统化石能源作为加热炉燃料进行相应研究意义重大。果晶晶等[3]采用CFD数值模拟法，以加热炉炉气与钢坯换热为对象，研究不同燃料配比对钢坯换热效率的影响。许春山等[4]建立蓄热式加热炉模型，研究燃料比变化对加热炉工况的影响。邱夏陶等[5]建立环形加热炉炉膛换热一维模型，研究不同段燃料量的分配与炉温的关系。本文将使用LNG为燃料的步进式加热炉改为使用沼气，探讨沼气燃料对加热炉各段烟温和热效率的影响。

1 加热炉简介

1.1 加热炉结构参数及燃料特性

以燃烧LNG的三段式步进式加热炉为研究对象，加热炉预热段L1=12 m，加热段L2=10 m，均热段L3=10 m，炉宽W=13.5 m，预热段炉高H1=0.7 m，加热段炉高H2=1.8 m，均热段炉高H3=1.65 m。

加热炉采用端进端出的出料方式，钢坯在炉内采用单排放料、侧加热，加热炉加热能为83 t/h，加热钢种为普碳钢，钢坯尺寸为0.15 m×0.15 m×12 m。

加热炉燃料组成成分如表1所示。

表1 加热炉燃料组成成分 单位：%

1.2 加热炉温度参数和热平衡

加热炉炉内每段烟温、加热钢坯温度不同，钢坯入炉时为20 ℃，空气预热温度为400 ℃，钢坯经预热段的表面温度为650 ℃，钢坯进入均热段的表面温度为1 250 ℃，钢坯出炉的表面温度为1 200 ℃；烟气在均热段的平均烟温为1 275 ℃，烟气进入预热段的温度为1 400 ℃，烟气的出炉温度为800 ℃。

加热炉的整体热平衡情况如图1所示。

图1 加热炉整体热平衡情况

加热炉燃烧LNG时金属吸收的热量占总能量输入的56%，烟气损失占32%，汽化冷却损失占5%，炉壁热损失占5%，出钢口辐射热损失占0.9%，化学不完全燃烧热损失占0.4%，装料口辐射热损失占0.1%。

2 加热炉理论分析及计算

2.1 加热炉理论分析

加热炉膛内的热交换过程复杂[6]，传导、对流及辐射3种热交换方式可能同时存在，炉内各处温度、炉气速度和压力不均匀。为了满足轧制要求，不减少钢坯轧制产量，假设加热炉内钢坯在各段温度保持设计值且各段加热时间保持不变，以各段烟气平均温度的变化为侧重点，更换燃料后校核各段的平均烟气温度及排烟温度进行炉内热平衡计算。

2.2 炉气温度校核方法

加热炉的烟气流动由均热段到预热段，为简化计算，以各段的平均温度为校核点，假设均热段烟温，结合加热炉烟温计算公式，计算值与假设值误差在5%以内，热平衡误差大于5%则重新假设烟温继续计算，热平衡误差小于5%则校核结束，依次进行加热段烟温和预热段烟温校核，校核方法与均热段一致。

均热段校核计算流程如图2所示。

图2 均热段校核计算流程

2.3 关键点烟温计算

（1）均热段烟温。

式中：T1——均热段平均烟温（K）；T表——钢坯在均热段的表面温度（K）；C气——炉气、炉壁对钢坯表面的导来辐射系数［W/(m2·K4)］；q——热流（W/m2）。

（2）加热段烟温。

式中：T2——加热段平均烟温（K）；T理——燃料理论燃烧温度（K）；T均表——加热段金属表面的平均温度（K）；T出气——流出加热段烟温（K）。

（3）预热段烟温。

预热段的平均烟气温度用算数平均值计算，假设炉气在预热段终了温度为800 ℃。

式中：t3——均热段平均烟温（℃）；t终——炉气预热段末端温度（℃）；t出气——流出加热段烟温（℃）。

2.4 加热炉热平衡

对加热炉预热段、加热段、均热段分别进行热平衡计算。均热段热平衡热量收入项为燃料带入热量、预热空气带入热量；热量支出项为金属吸收的热量、炉墙损失的总热量、出钢口辐射热损失、烟气带走的热量、化学不完全燃烧热损失、炉内冷水热损失。加热段和均热段的热量收入项增加金属氧化反应放出热量、烟气带入热量，其他项与均热段相同，热量收入与支出项具体计算经验公式参考加热炉设计相关资料[7]。

定义加热炉热平衡误差，热平衡误差小于5%则视为加热炉热平衡。

式中：ε——加热炉热平衡误差（%）；Q1、Q2、Q3——均热段、加热段、预热段的热量收入项之和（kJ/h）；——均热段、加热段、预热段的热量支出项之和（kJ/h）。

2.5 加热炉热效率

每吨钢坯燃气单耗是衡量加热炉工作的重要指标之一，钢坯燃气单耗主要取决于加热炉热效率，加热炉热效率为出炉钢坯吸收的有效热量与供入炉内的热量之比[8]。

式中：η——加热炉热效率（%）；Qy——钢坯吸收的有效热量（kJ/h）；Qg——供入炉内的总热量（kJ/h）。

3 燃烧沼气对加热炉性能的影响

3.1 对平均烟温的影响

基于加热炉设计工况对燃烧沼气工况进行校核，在热量供给相同且加热炉加热能力不变的条件下，燃料热值及燃料成分改变使炉内各段的换热发生变化，各段烟温发生变化。均热段烟气的平均温度由1 275 ℃降至1 220 ℃，加热段烟气的平均温度由1 726 ℃降至1 632 ℃，预热段的平均烟气温度由1 100 ℃降至1 062 ℃。

不同燃料的各段平均烟温如图3所示。

图3 不同燃料的各段平均烟温

3.2 燃烧沼气对热效率的影响

保证加热炉热量供给不变，换热主要因素为平均烟温变化，加热炉的热效率变化不大，燃烧LNG工况的加热炉热效率为65.58%，燃烧沼气工况的热效率为64.02%。

4 结语

更换加热炉燃料后炉内各段烟气平均温度显著下降。沼气代替LNG作为加热炉燃料在保证相同热量供给的条件下，加热炉热效率有所降低，变化不明显，为实际生产提供参考。沼气提纯有助于减少烟气温度的下降并提高加热炉热效率。