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轧钢加热炉富氧燃烧技术经济性分析

2024/07/08

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加热炉是钢铁工业热轧生产线关键设备之一,对最终产品质量和总的能源消耗有很大影响,属于高耗能设备,其能耗通常占整条热轧生产线能耗的60%左右。因此,降低加热炉能耗是降低轧钢工序能耗的关键点。

传统加热炉助燃气体为空气,燃料在燃烧过程中,起助燃作用的氧气只占空气总量的1/5左右,约4/5的氮气不但不参与燃烧,反而在加热炉排烟时带走大量热量,显然不利于加热炉能耗降低。而加热炉富氧燃烧技术,是指以高于空气氧气含量(20.947%)的含氧气体进行燃烧,其优点在于可提高助燃空气中氧气含量,减少排烟时氮气带走热量,能有效降低加热炉能耗。但与此同时,高昂的制氧成本阻碍了加热炉富氧燃烧技术在国内的推广。

随着技术发展,钢铁在生产过程中需要大量氮气充当保护气,许多钢铁企业都配备了独立的空分装置,空分后的副产品为氧气,这恰好分担了富氧燃烧加热炉大部分的制氧成本,为加热炉推行富氧燃烧技术提供了可能。因此,本文将从燃料利用率、燃料节约率等方面分析加热炉富氧燃烧技术的经济性,对生产企业的节能和成本控制具有一定的指导意义。

1 燃料利用率

燃料利用率指燃料有效利用量占全部燃料消耗量的百分数。对加热炉而言,燃料有效利用量包括钢坯吸热、炉体散热、加热炉水冷构件吸热等。为便于讨论,对模型进行简化处理,假定采用富氧燃烧后,钢坯吸热、炉体散热、加热炉水冷构件吸热等保持不变,因此,加热炉燃料利用率可按式(1)计算。

ηr=(Ql+Qw-Qy)/Ql×100%       (1)

式中:ηr为加热炉燃料利用率;Ql为燃料低发热量;Qw为燃料及助燃空气(氧气)带入的物理热量;Qy为烟气带走的物理热。

现代化连续加热炉在烟道内均设置有空气预热器、煤气预热器、蒸汽过热器、余热锅炉等多级余热回收设备,最终排烟温度相对较低,而台车炉、室式炉等周期炉设置余热回收设备相对较少,最终排烟温度相对较高。为统一计算和分析,将烟气带走物理热Q烟的计算界面设置在余热回收设备后。

采用含氧量为21%的空气为助燃剂,分别对热值为1600、2400、4130、8430 kcal/m3(标准)的燃料进行分析,燃料成分取至《钢铁厂工业炉设计参考资料》,则不同排烟温度下的燃料利用率如图1所示。

不同排烟温度下的燃料利用率( 21% 氧气)

图1 不同排烟温度下的燃料利用率(21%氧气)

由图1可以看出,随着排烟温度的升高,燃料利用率均逐渐降低。

2 燃料节约率

采用富氧燃烧技术后,由于加热炉炉型、加热钢坯及钢种没有发生变化,即炉体散热、水冷构件吸热、钢坯吸热保持不变。因此燃料利用率和燃料量的关系可表示为式(2)。

Q=B1ηr1=B2ηr2 (2)

式中:Q为炉体散热、水冷构件吸热、钢坯吸热总量;B1为富氧前燃料消耗量,m3(标准);ηr1为富氧前燃料利用率;B2为富氧后燃料消耗量,m3(标准);ηr2为富氧后燃料利用率。

燃料节约率ηs表示为式(3):

ηs=(B1-B2)/B1 (3)

将式(2)带入式(3)可得燃料节约率与燃料利用率的关系式,参见式(4):

ηs=1-ηr1/ηr2 (4)

由式(1)和式(4)可以计算出采用不同富氧率的助燃空气与普通空气(21%氧气)燃烧的燃料节约率。分别选取热值为1600、2400、4130、8430 kcal/m3(标准)的燃料进行燃料节约率计算,计算结果如图2~图5所示。

不同排烟温度、不同富氧率的燃料节约率 ( 1 600 kcal /m3 ( 标准) )

图2 不同排烟温度、不同富氧率的燃料节约率(1600 kcal/m3(标准))

不同排烟温度、不同富氧率的燃料节约率 ( 2 400 kcal /m3 ( 标准) )

图3 不同排烟温度、不同富氧率的燃料节约率(2400 kcal/m3(标准))

不同排烟温度、不同富氧率的燃料节约率 ( 4 130 kcal /m3 ( 标准) )

图4 不同排烟温度、不同富氧率的燃料节约率(4130 kcal/m3(标准))

不同排烟温度、不同富氧率的燃料节约率 ( 8 430 kcal /m3 ( 标准) )

图5 不同排烟温度、不同富氧率的燃料节约率(8430 kcal/m3(标准))

3 经济性分析

除提升产品质量外,新技术还必须给生产厂带来可观经济效益才能得到广泛应用。下面将对加热炉富氧燃烧技术的经济性进行分析。为便于分析,假设富氧燃烧的氧气成本与节约的燃料成本相等,可以得到式(5)。

Y1V1=Y2V2 (5)

引入燃料与氧气的价格比参数K,同时带入式(5),可得式(6)。

K=Y2/Y1=V1/V2 (6)

式中:K为燃料与氧气的价格比;Y1为氧气单价,元/m3(标准);V1为单位产量下富氧燃烧消耗的氧气体积,m3(标准);Y2为燃料单价,元/m3(标准);V2为单位产量下采用富氧燃烧与采用21%氧浓度的空气燃烧相比所节约的燃料,m3(标准)。

以2400 kcal/m3(标准)燃料为例,对排烟温度为300℃,富氧率50%的加热炉进行了经济性分析,结果表明:

(1)当K=6.24时,采用富氧燃烧所需要的氧气成本与节约的燃料成本相等,此时加热炉采用富氧燃烧技术处于既不盈利也不亏损状态。

(2)当K>6.24时,采用富氧燃烧与采用21%氧气的空气燃烧相比,经济平衡上是处于盈利状态。

(3)当K<6.24时,采用富氧燃烧与采用21%氧气的空气燃烧相比,经济平衡上是处于亏损状态。

为探究排烟温度对富氧燃烧加热炉盈亏状态影响,以2400 kcal/m3(标准)燃料、富氧率50%加热炉为例进行了经济性分析,盈亏分布图如图6所示。

在不同排烟温度下富氧燃烧盈亏分布图 ( 2 400 kcal /m3 ( 标准) )

图6 在不同排烟温度下富氧燃烧盈亏分布图(2400 kcal/m3(标准))

从图6可以看出,排烟温度越高,富氧燃烧加热炉更容易达到盈利状态。

为便于使用,加热炉常用热值为1600、2400、4130、8430 kcal/m3(标准)的燃料在不同排烟温度下的盈亏平衡曲线见图7。

当燃料与氧气价格比位于平衡曲线上方时,加热炉采用富氧燃烧技术在经济上处于盈利状态;当燃料与氧气价格比位于平衡曲线下方时,加热炉采用富氧燃烧技术在经济上处于亏损状态。

不同排烟温度下富氧燃烧盈亏平衡曲线

图7 不同排烟温度下富氧燃烧盈亏平衡曲线

4 结 论

本文从燃料利用率和燃料节约率入手,对加热炉采用富氧燃烧技术的经济性进行分析,得出以下结论:

(1)随着加热炉排烟温度的升高,燃料利用率下降。

(2)由图2~图5可以得出,与采用含21%氧气的空气相比,在相同排烟温度下,加热炉富氧率越高,燃料节约率越高。

(3)由图2~图5可以得出,采用含21%氧气的空气为助燃剂时,排烟温度越高的加热炉,在相同富氧率条件下,燃料节约率越高。

(4)对于排烟温度较高的台车炉、室式炉等,采用富氧燃烧甚至纯氧燃烧可收到不错的经济效益。

(5)对燃料价格与氧气价格比位于盈亏平衡曲线上方的生产厂,加热炉宜选择富氧燃烧。


变压吸附制氧技术(VPSA)非常适用于轧钢加热炉,尤其是对于氧气纯度要求不高、负荷调整需求大、降低氧气成本的使用环境。轧钢加热炉投资变压吸附制氧装置的回收期约在两年左右,符合企业对于投资回报、降低使用成本要求,是减少燃料使用及实现节能降碳的理想选择。