轧钢加热炉富氧燃烧技术经济性分析

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。

η_r=(Q_l+Q_w-Q_y)/Q_l×100%       (1)

式中：η_r为加热炉燃料利用率；Q_l为燃料低发热量；Q_w为燃料及助燃空气(氧气)带入的物理热量；Q_y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。

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=B₁η_r1=B₂η_r2 (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)；η_r2为富氧后燃料利用率。

燃料节约率η_s表示为式(3):

η_s=(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):

η_s=1-η_r1/η_r2 (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。

图2 不同排烟温度、不同富氧率的燃料节约率(1600 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))

图4 不同排烟温度、不同富氧率的燃料节约率(4130 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。

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。

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。