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Electrical Engineering and Automation December 2013, Volume 2, Issue 4, PP.52-56

Research on Thermal Engineering System Optimization in Regenerative Reheating Furnace Feng Han #, Chaoxiang Li School of Metallurgy and Resources, Anhui University of Technology, Ma'anshan 243002.China #Email: 867370862@qq.com

Abstract The off-line simulation calculation model of regenerative reheating furnace was built up based on the billet tracking and the heat equilibrium experiment. The thermal regulation optimization and numerical simulation were made in the furnace were calculated with the on the steel temperature model of the slab heating and the heat balance according to different furnace and steel grades and productivity. Theoretical reference for the optimization control and scientific operation of heating furnace can be provided by means of the optimal thermal regulation achieved through the above simulation calculation, thus reducing energy consumption. Keywords: Reheating Furnace; Thermal Regulation; Heat Balance

蓄热式加热炉热工制度的优化研究 韩枫,李朝祥 安徽工业大学 冶金与资源学院,安徽 马鞍山 243002 摘要:基于钢坯跟踪实验和热平衡实验,建立加热炉离线仿真计算模型。利用炉膛内钢坯加热过程的钢温模型和热平衡 模型,依据不同结构、不同钢种和不同产量条件下,对加热炉钢坯加热过程进行数值模拟和热工制度优化。通过该离线 模型的仿真计算获得最佳热工制度,为加热炉的优化控制、科学操作和降低能耗提供理论依据。 关键字:加热炉;热工制度;热平衡

引言 蓄热式加热炉技术是 20 世纪末发展起来并投入使用的一项新技术。它以蓄热室为基础来回收烟气余热, 从而实现余热的最大回收和助燃空气以及煤气的高温预热。与传统燃烧过程相比,高温空气燃烧的最大优势 是可以利用低热值煤气、排烟温度低、炉子热效率高和减少 CO2 和 NOx 的排放等[1]。蓄热式加热炉因其显著 的节能、环保优势,在我国钢铁工业领域中具有非常广阔的应用前景,已被列为国家“十一五”十大重点节 能工程之一[2] 。国内对蓄热燃烧理论研究集中在燃烧装置、蓄热室热工特性以及蓄热燃烧特点等方面的数值 模拟及实验验证[3]。本研究以上海梅山钢铁公司 3#蓄热式加热炉为研究对象,在钢温跟踪实验和热平衡实验 基础上,建立加热炉的离线仿真模型,对加热炉进行热工制度优化,获得不同钢坯的最优热工制度。

1

计算原理及模型构成 离线仿真计算原理是陆钟武院士从炉子热工特性出发,通过理论和实验研究,确定的炉子优化供热原理

[4]

。即在炉子结构一定时,对应一定的生产率,在同样加热质量下可以有多种供热方式,其中必有一种使得

燃耗最低。按照最低的热负荷对炉子实施操作,即可实现炉子的优化操作。 本研究运用炉膛钢坯加热过程的钢温模型及炉子热平衡模型。钢温模型依据现有的炉膛结构、炉膛内钢 温加热过程的检测实验建立起来用于准确反应炉膛钢坯加热过程的离线钢温计算模型 [5]。热平衡模型是依据 炉子的热平衡测试,反应炉子各项热支出和热收入的能量平衡模型[6]。将两个模型进行联立,对不同的加热 过程进行理想仿真计算。 - 52 www.ivypub.org/EEA


2

加热炉离线模型的建立

2.1 加热炉概况 梅钢 3#加热炉为蓄热式加热炉,分为热回收段、预热段、一加段、二加段和均热段;使用高焦混合煤气 作为燃料,热值为 9548 KJ / m3 ;使用蓄热式烧嘴,空气预热温度为 900~1000℃,煤气不进行预热;采用汽 化冷却。钢种有加热普碳钢、结构钢和低合金钢等。该蓄热式加热炉的简图如图 1 所示:

图 1 梅钢 3#蓄热式加热炉简图

2.2 炉温分布模型 加热炉的炉温并不单一的指炉气温度,而是由炉气、炉壁和被加热料坯三者相互作用下的均衡温度。加 热炉的炉温分布模型就是建立沿炉长方向上各段炉温的变化和分布趋势,这样可以为计算料坯在炉内各个位 置的温度提供基础。炉温分布模型使用炉内热电偶的测试值来建立。 为获得加热炉内的温度分布趋势和水平,以  为时间坐标,炉长 l 为位置坐标,根据炉内各测点温度测 试数值,运用分段线性近似方法构造炉温分布函数: t f (l , ) t f (l , )  f (ti , l )

(1)

式中: ti -各段热电偶在  时刻的动态响应值; l -沿炉长方向的位置坐标

2.3 钢坯加热过程的数学描述 钢坯在连续加热炉中的加热过程是一个非稳态的过程,则有: t ( x, t )  2t ( x, ) a (0  x  2S;  0)  x 2

(2)

式中: t ( x, ) 为钢坯中部沿厚度方向的温度分布; a 为料坯导温系数。钢坯受热的热流边界条件为: t ( x, ) 4 -  (t ) (3)  qb qb  b 0 (T fb  Tb4 ) x x 0 -  (t )

t ( x, ) x

x 2 s

4  qu qu  u 0 (T fu  Tu4 )

(4)

初始条件为:

t ( x, ) t 0  t0

(5)

式中:  (t ) 为钢坯的导热系数,为钢坯温度的函数; qu , qb 分别为钢坯上、下表面的单位热流, Tu , Tb 分 别为钢坯上、下表面的温度, u , b 分别为钢坯上、下表面的总括热吸收率; T fu , T fb 分别为上、下炉膛温 度;2S 为钢坯的厚度;t 为时间。

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2.4 总括热吸收率 【7】

总括热吸收率

是炉内金属加热计算机模型控制的必要数据和主要模拟参数。影响总括热吸收率的因素

有:炉子结构、炉膛内热电偶位置、火焰形状及长度、钢锭表面黑度、炉内气氛、对流传热和辐射传热的比 例等,并且与炉子的热工操作有关。

CF 

q

 0 (T f4

(6)

 Ts4 )

由式(6)可以看出,在已知炉内温度分布的条件下,只要确定钢坯的表面温度和表面热流密度就可以 求得总括热吸收率。总括热吸收率可通过理论法

【8】

和实验法

【9 】

获得,本研究采用实验法之一的焓增法:

Q  G  i

(7)

q  CF  0 T G  i CF  4 A 0 T

4

(8) (9)

式中: G 为产量, Kg / h ; i 为热焓, KJ / Kg ; q 为表面热流, W / m2 ; CF 为总括热吸收率; A 为 钢坯上(下)面表面积, m 2 。

2.5 炉膛区域热平衡表 根据现场跟班测量及计算,求出各项热量收入及支出,利用其结果制定蓄热式加热炉的热平衡表,如表 2 所示: 表2

蓄热式加热炉的热平衡表

热收入项 项目

热量 106KJ/h

%

1

燃料燃烧化学热

182.46

94.80

2

预热空气带入物 理热

1.127

3

钢氧化

8.885

3

热支出项

192.472

项目

热量 106KJ/h

%

1

加热金属物理热

109.62

56.95

0.59

2

出炉膛废气物理 热

29.09

15.11

4.61

3

冷却水带出

3.999

2.08

4

气化冷却

15.82

8.22

5

炉壁散热

5.16

2.68

6

经炉门散热

0.1957

0.10

7

蓄热室排烟热

13.204

6.86

8

蓄热室换向损失

9.123

4.74

9

其他散热

6.2603

3.26

192.472

100

100

计算结果分析 运用钢坯加热过程的钢温模型和炉子热平衡模型,对梅钢 2#、3#加热炉不同钢坯的加热过程及单耗进行

模拟计算。其中 2#加热炉为常规供热加热炉,3#加热炉为蓄热式加热炉。结果及分析如下: 在上述模型基础上,在满足加热质量前提下,通过热平衡测试并优化可获得加热炉不同钢种冷装时的能 耗和热工制度。两座加热炉优化后的不同钢种冷装时单耗与产量的关系分别如图 2,图 3 所示: - 54 www.ivypub.org/EEA


图 2 2#炉优化后的不同钢种冷装时单耗随产量的变化曲线

图 3 3#炉优化后的不同钢种冷装时单耗随产量变化曲线

图 2 为 2#板坯加热炉优化计算结果。2#加热炉采用均匀供热制度,在冷装条件下,不同钢种的单耗均随 着生产率的不断提高呈先降低后增加的趋势。其中 SPHC、Q235B、QStE420TM 和 H-Q195P 这四种钢坯在炉 子产量为 210t/h 位置时,炉子单位消耗最低且对应着最佳热负荷,产量从 190t/h~230t/h 为炉子经济工作区。 至于 B480GNQR 钢种,炉子单耗在产量为 190t/h 位置最低。低温装钢时产量变化对单耗的变化影响较小, 但随着生产率的增加单耗的降低总体是越来越少的。 图3为3#蓄热式加热炉优化后计算结果。3#加热炉采用非均匀多点供热制度下,在常温装钢条件下,不 同钢种的单耗均随生产率的提高稍微平缓下降然后增加,其变化趋势与2#加热炉明显不同。且单位热耗与炉 子产量之间关系与火焰炉热工特性相吻合,符合加热炉优化供热理论。其中SPHC、Q235B、QStE420TM和 H-Q195P这四种钢坯在炉子产量为190t/h位置时,炉子单位消耗最低且对应着最佳热负荷,产量从170t/h~ 210t/h为炉子经济工作区。至于B480GNQR钢种,炉子单耗在产量为170t/h位置最低。低温装钢时,产量的变 - 55 www.ivypub.org/EEA


化对单耗的影响较大,但随着生产率的提高单耗的增加总体是越来越大的。当炉子低产时,单耗过高问题完 全可以通过改善供热(操作)而解决。当然产量不能过低,否则单耗仍会很高。如果蓄热式加热炉按照这样 的关系调节供热,可以保证在不同的生产率下,不同钢坯加热到满足轧制要求时的燃耗最低,从而实现对蓄 热式加热炉的优化控制。 图2、图3反映了两座形式结构加热炉在不同生产率条件下对不同钢种冷装时,单位热耗的变化曲线。从 均匀供热和非均匀供热两种情况的对比可见,采取非均匀供热更为合理,它能节约更多燃料。由于非均匀供 热情况下,当热负荷相同时,热量在炉内的利用率高于均匀供热。特别是炉子低产时,可以节约大量燃料。

4

结论 (1)加热炉离线仿真计算模型,能准确地预示不同结构形式的加热炉在冷装条件下炉内钢坯的加热状

况,以及加热炉在不同产量下的能耗水平,为加热炉节能提供了科学的操作依据。 (2)通过计算分析,获得常规连续加热炉和蓄热式加热炉随产量的增加,加热炉单耗变化的不同规律, 所以这两种加热炉在节能方面需要采用不同操作方法。 (3)通过优化计算,获得加热炉冷装时,不同钢种在不同生产率条件下的最佳负荷及最佳热工制度, 为加热炉的优化控制、节能提供指导。

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[9]

AN Yue-ming, Wen Zhi, FENG Xiao-hong. Research of the Total Heat Exchange Factor Distribution Regular on Walking Beam Continue Reheating Furnace [J]. INDUSTRIAL HEATING, 2006,35(5):24-26

【作者简介】 1 韩枫(1989-),男,汉,硕士研究生,

2

李朝祥(1963-),男,汉,博士,教授,专门从事炉窑热

从事炉窑热工及控制技术研究。2012

工及火焰炉热工构造和理论热工设备的研究。1986 年毕业于

年毕业于安徽工业大学,获学士学位,

东北工学院,获学士学位;1992 年毕业于东北大学,获硕士

同年考入安徽工业大学攻读学术型硕

学位;1999 年毕业于东北大学,获博士学位。

士学位。Email:867370862@qq.com;

Email: chaoxiang@ahut.edu.cn

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