高温富氧空气燃烧加热时间和氧化烧损研究.pdf

全国能源与热工2006学术年会
高温富氧空气瀠烧加懃时间和氧化烧损研究
蒋受宝蒋绍坚张灿匡中付杜标
(中南大学能源科学与工程学院长沙410083)
摘要针对钢坯加热工艺提出一种高温富氧空气燃烧新技术。建立能量平衡方程、钢坯导热微分方程、氧化层生成线性和
抛物线增长的组合方程。研究表明:在预热900℃和含氧54%条件下燃烧与传统燃烧桕比,加热时间可缩短38%,生产率可
提高61%,热效率可提高30.59%,氧化烧损可降低40%。在含氧36%以内提高空气预热温度和含氧浓度,可明显地提高热效
率,降低钢坯的氧化烧损
关键词高温宭氧燃烧加热时间氧化损耗
Thermal Efficiency and Oxidation Loss of High Temperature Air Combustion
with Enriched Oxygen-content
JIANG Shou-bao JIANG Shao-jian ZHANG Can KUANG Zhong-fu DU Biao
School of Energy Science and Engineering, CSU, Changsha 410083
Abstract A new kind of combustion named high temperature air combustion with enriched oxygcn content is applid into the billet
heating fumace Energy alance equation, differential equation of heat conduction and combination of linear equation and parabolic
equation of oxygen-layer forming have been established. Researces show that when the air is preheated to 900 and oxygen
conation is ic o 4 h a m s e ot a e inases by 61 hema cy as
by 0 5 and he o on loss cse ma wt e h an muton nditions. net oxygen
concen ration 6 he her air m u and he hih on ae he hi r a cy is and the less
oxidation loss is obviously
cy words igh temperature air combustion with enriched oxygen content, heatin time oxidation Joss
前言
空气预热到800℃以上,最大限度地回收高温气
轧钢加热炉是轧钢厂加热工序的一个重要投显热,实现余热的极限回收,富氧燃烧,可提高
备,其任务是加热钢坯,使钢坯表面温度及其温度
理论燃烧温度、辐射传热系数,缩短加热时,提
高产量,相应可减少助燃空气量、烟气量,节能率
分布满足轧制要求,生产出质量可靠的成品钢材
与富氧空气中氧含量成正比,即在同一燃烧温度下,
在加热过程中,炉温过高或在炉内停留时间过长,
会造成钢还表面氧化层的增厚,这直接关系到钢坯
浓度越高,然烧越完全,排烟黑度越低,节能和环
的成材率、钢坯的质量及钢坯加热的能耗,因此轧
保效果越好的。这些技术有潜力去减少能源消耗,
钢工序节能的重点是轧钢加热炉的操作优化和技术同时减少对环境污染气体的排放。因此将高温空燃
改造。閃此深入研究轧钢加热炉热过程操作条件烧和富氧燃烧技术相结合,应用于轧钢加热炉上,
对其建立数学模型,并进行求解分析,以期在理论
钢坯加热的影响,对钢铁企业节能降耗、降低氧化
上确定高温富氧燃烧技术对钢坯加热时间和氧化烧
烧损有深远意义。
近年来,新的燃烧技术,包括高温空气燃烧技损的影响效果,从而进一步指导生产实践。
术、富氧无焰燃烧技术已经得到发展和应用。高温2钢坯加热过程数学模型
空气燃烧 HITAC( (high temperature air combustion)
个显著特点是采用高效蓄热烟气佘热回收装置,将
2.1关于步进式加热炉
工业炉窑热工
加热炉有4个区,第一区为预热区,其他三个下式?
为控制区(燃烧区),且这些控制区是相互隔离的,
1△mn
加热炉周围环境温度设为20℃。
式中:一氧在边界层环境里的扩散能力的线性常
数:K。一"在增长的铁酸盐层里的扩散能力的
抛物线性常数。
图」步进加热炉示意图
3模拟结果与分析
空气富氧浓度分别取21%,24%,27%,30%
33%,36%,39%,42%,45%,48%,51%,S4%
预热温度分册取200,300,400,500,600,700,
800和900℃。气体温度的变化是对应于钢坯中心
温度变化,加热时间是指整个钢坯达到同一温度的
图2钢还尺寸
时间,在这里是指钢坯的中心温度达到123542℃,
较短的加热时间可以提高生产率。当钢坯的温度达
2.2基本假设条件
到设定的温度时,加热停止,较高的烟气温度,可
为了建立钢坯加热过程数学模型,需要对实际以获得较强的热辐射率
加热过程做一些合理的假设:钢坯在炉底是均匀布
满的:钢坯入炉温度条件相同;钢坯表面为均匀的3空气含氧浓廈和温度对加热时间影响
灰表面,黑度为0.80:钢坯内部的物性参数仅是温
从图3可以得出,加热时间随含氧浓度的增加
度函数。
和预热温度升高而减少,且在含氧浓度大于27%时,
加热时间与预热空气温度呈线性关系,且随含氧浓
2.3数学模型
度增加直线斜率变小,当含氧浓度大于36%时,曲
对于每一分区的气体和钢坯、气体和墙体、墙线间距较小,表明随含氧浓度増加,加热时间减少
体和钢坯之间的辐射热交换,炉中质量传输和质量变缓,在含氧浓度为54%预热空气温度为900℃时,
沺渴等以及燃料的供应和空气流等的能量有下列平加热时间只需60min,含氧浓度21%预热空气温度
衡关系
200℃时,加热时间达到97min,两者比较,将空
气含氧浓度从21%增加到54%,预热温度从200℃
+必中。+m=ウす。十。m。(1)升高到90C,可节约3%的加热时间,提高劳动
式中:∮-热流率,W;下标f1gm、lak、J、W、生产率61%,在含氧浓度为54%预热空气温度为
gm分别表示燃料、空气、回炉烟气、漏入空气、900C时,热效率达到828%,含氧浓度21%预热空
钢坯、炉体、排出烟气。
气温度200℃时,热效率为573%,两者比较,将
钢坯横截而温度的分布依据二维的随
空气含氧浓度从21%增加到54%,预热温度从
时间变化的导热微分方程
200℃升高到900℃,热效率可提高30.5%。因此,
空气预热温度和氧浓度越高,燃烧越完全,燃烧溫
ax ayay
度越高,炉内烟气溫度越高,烟气热辎射率越强,
(2)
加热时间越短,燃料消耗和迸过炉壁的热损越少,
式中:a-比热容,パkgK):时间,s:T-锅坯从而可获得较高的热效率和较低的环境污染,因此,
温度,K;P,密度,k