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富氧燃燒及其在再熱爐中的應(yīng)用

鋼鐵再加熱是一個(gè)能源密集型的過(guò)程，需要在再加熱爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻的溫度分布。歷史上，換熱器被用來(lái)預(yù)熱燃燒空氣，從而節(jié)約能源。最近的創(chuàng)新包括富氧（O2）和使用再生式燃燒器，它提供比換熱器更高的預(yù)熱空氣溫度。這些工藝都有局限性，如設(shè)備老化，隨著時(shí)間的推移能源效率下降，維護(hù)成本高，以及隨著空氣預(yù)熱溫度的提高，氮氧化物排放增加，除非使用特殊設(shè)備。

燃燒的啟動(dòng)和維持有三樣?xùn)|西是必要的。它們是燃料、氧氣和用于點(diǎn)火的足夠能量。如果燃料和氧氣能夠不受任何限制地相遇和反應(yīng)，那么燃燒過(guò)程的效率是最高的。但在供熱實(shí)踐中，除了有效的燃燒，熱量的傳遞也是實(shí)際考慮的問(wèn)題。

用于燃燒的普通空氣除了氧氣之外，還含有氮?dú)猓∟2）和氬氣（Ar）。在空氣-燃料燃燒器中，燃燒器的火焰含有來(lái)自燃燒空氣的氮?dú)?。大量的燃料能量被用?lái)加熱這些氮?dú)狻岬牡獨(dú)馔ㄟ^(guò)煙囪離開(kāi)，造成能量損失。因此，空氣不能為燃燒和傳熱提供最佳條件。氮?dú)馕盏臒崃恳幢焕速M(fèi)掉，要么被回收以達(dá)到節(jié)能的目的。目前，在再熱爐中最好的空氣-燃料加熱系統(tǒng)，每噸鋼至少需要310兆卡，以達(dá)到軋制鋼鐵產(chǎn)品的適當(dāng)溫度。

從歷史上看，全氧燃燒的主要用途是焊接和切割金屬，特別是鋼鐵，因?yàn)槿跞紵试S更高的火焰溫度，而不是用空氣燃料火焰可以實(shí)現(xiàn)的。引入創(chuàng)新的全氧燃燒器技術(shù)（使用100%的氧氣）用于鋼的再加熱是一個(gè)非常新的現(xiàn)象。全氧燃燒的概念是由亞伯拉罕在1982年提出的，目的是提供富含二氧化碳（CO2）的煙氣。由于其潛在的好處，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ANL）進(jìn)行了一些研究活動(dòng)，包括技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究和試點(diǎn)規(guī)模研究的主題。

全氧燃料是指用工業(yè)級(jí)氧氣完全取代空氣作為燃燒的氧化劑來(lái)源的做法。工業(yè)級(jí)氧氣被定義為液態(tài)氧供應(yīng)汽化為氣體或現(xiàn)場(chǎng)生成的氧氣。液體氧氣供應(yīng)的純度通常超過(guò)99.99%，而現(xiàn)場(chǎng)生成的氧氣純度通常在90%至93%之間。使用現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的氧氣的優(yōu)點(diǎn)是成本較低，因?yàn)楫a(chǎn)品不需要液化或運(yùn)輸，并且在較低的壓力下輸送，以盡量減少電力消耗。在有煉鋼空氣分離廠的綜合鋼鐵廠，高純度的氧氣（99.99%）可以通過(guò)管道從空氣分離廠供應(yīng)。

當(dāng)使用工業(yè)級(jí)氧氣避免了氮?dú)鈺r(shí)，就像在全氧燃燒的情況下，不僅燃燒本身更有效，而且熱傳導(dǎo)也更有效。全氧燃燒以多種方式影響著燃燒過(guò)程。第一個(gè)明顯的結(jié)果是由于廢氣量的減少而提高了熱效率，這是一個(gè)基本的結(jié)果，對(duì)所有類(lèi)型的純氧燃料燃燒器都有效。此外，高輻射的燃燒產(chǎn)物--二氧化碳和水的濃度在爐內(nèi)大氣中也會(huì)增加。對(duì)于加熱操作來(lái)說(shuō)，這兩個(gè)因素導(dǎo)致了更高的加熱率，節(jié)省了燃料，降低了二氧化碳和氮氧化物的排放，如果燃料含有硫磺，則降低了硫氧化物的排放。圖1顯示了氧氣-燃料和空氣-燃料的燃燒過(guò)程。

圖1 全氧燃料和空氣-燃料的燃燒過(guò)程

 人們發(fā)現(xiàn)氧燃料燃燒在許多方面與空氣燃燒不同，包括火焰溫度降低和火焰點(diǎn)火延遲。全氧燃料燃燒的許多影響可以用CO2和N2之間的氣體特性差異來(lái)解釋?zhuān)@兩種氣體分別是全氧燃料和空氣中的主要稀釋氣體。二氧化碳具有與N2不同的特性，這影響了熱傳導(dǎo)和燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。這些差異將在下文中說(shuō)明。

密度 - CO2的分子量為44，而N2的分子量為28，因此在全氧燃料燃燒中，煙氣的密度更高。

熱容量--二氧化碳的熱容量比N2高。

擴(kuò)散性--二氧化碳的氧氣擴(kuò)散率是N2的0.8倍。

爐內(nèi)氣體的輻射特性： -氧燃料燃燒有較高的CO2和H2O水平，兩者都有較高的排放能力。

與空氣燃料相比，純氧燃料對(duì)鋼鐵產(chǎn)品的加熱效率更高、更快。全氧燃料的熱效率約為80％，而空氣燃料的效率約為40％至60％。使用純氧燃料可以提高生產(chǎn)效率，減少燃料消耗，將鋼鐵產(chǎn)品加熱到所需溫度。使用純氧燃料還可以提高溫度的均勻性，并減少對(duì)環(huán)境的排放。

用工業(yè)級(jí)氧氣取代空氣的一般優(yōu)點(diǎn)是，在燃燒過(guò)程中，空氣中的氮含量幾乎或完全被消除了。減少燃燒中的氮?dú)饪梢蕴岣呋鹧鏈囟群腿紵?，因?yàn)檩^低的燃燒氣體量減少了從火焰中獲取并流失到排氣中的熱量。在全氧燃燒過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一種主要由二氧化碳和水組成的氣體。

全氧燃燒的熱傳遞的特點(diǎn)是，由于高發(fā)射率（火焰中的二氧化碳和水的濃度相當(dāng)高）和火焰體積的減少，使其首先增強(qiáng)了向負(fù)載傳遞能量的能力，其次在能源效率方面也有額外的收獲。

對(duì)于連續(xù)加熱操作，也可以在爐子入口側(cè)以較高的溫度經(jīng)濟(jì)地操作再加熱爐。這進(jìn)一步增加了再加熱爐的可能產(chǎn)量。據(jù)觀察，全氧燃燒的能源效率與具有高度預(yù)熱燃燒空氣設(shè)備的再加熱爐相當(dāng)，甚至更好。因此，與空氣-燃料燃燒相比，使用純氧燃料的好處如下。

與空氣燃料燃燒相比，全氧燃燒導(dǎo)致可用熱量（輸入的總能量減去損失到排氣中的能量）大幅增加?？捎脽崃康脑黾优c能源消耗的減少直接相關(guān)。

燃燒可用熱量的增加意味著損失到廢氣中的熱量更少，并且總能量輸入的更大比例被留在爐內(nèi)做功。因此，當(dāng)可用熱量增加時(shí)，做恒定數(shù)量的工作所需的總能量輸入量就會(huì)減少。

增加加熱率會(huì)導(dǎo)致更高的產(chǎn)量。產(chǎn)量增加的實(shí)際限制取決于負(fù)載的吸熱能力以及負(fù)載受熱的時(shí)間和溫度。從各種全氧燃燒裝置中得到的經(jīng)驗(yàn)是，在大多數(shù)操作中，產(chǎn)品產(chǎn)量可以增加，而不需要增加爐溫設(shè)定點(diǎn)，但那些已經(jīng)滿足設(shè)定溫度斜坡限制的再加熱爐除外。除了可用熱量的增加，更高的全氧燃燒火焰溫度和燃燒氣體的輻射潛力對(duì)加熱能力和生產(chǎn)率有積極影響。

由于輻射傳熱取決于從源頭到接收器的溫度差的四次方，全氧燃燒導(dǎo)致火焰到負(fù)載的輻射潛力大大增加。全氧燃燒的燃燒產(chǎn)物也是更好的輻射傳熱來(lái)源。這是因?yàn)榭諝馊剂系拇蟛糠秩紵a(chǎn)物是氮?dú)?，它不像二氧化碳和水蒸氣那樣是一種有效的輻射傳熱機(jī)制，而二氧化碳和水蒸氣構(gòu)成了全氧燃燒的大部分產(chǎn)物。

減少爐子的排放 - 全氧燃燒的排氣量大大降低。使用純氧燃料的總排氣量通常比空氣燃料的總排氣量少70%至90%。使用全氧燃燒最明顯的結(jié)果是減少了燃料消耗。隨著燃料消耗的減少，在一定的時(shí)間內(nèi)或每單位的負(fù)荷加熱中，二氧化碳的排放也會(huì)降低。通過(guò)全氧燃燒，燃燒產(chǎn)物中的氮?dú)夥謮捍蟠蠼档?，即使在火焰溫度升高的情況下，也降低了氮氧化物形成的可能性。

煙氣中污染物的濃度更高，使分離更容易。

煙氣中主要是二氧化碳，適合封存

除了上述的好處外，與其他提高效率的方法（如換熱器或排放控制設(shè)備）相比，選擇使用全氧燃燒有時(shí)可以降低資本投資。全氧燃燒可以使所有的安裝管道和流道緊湊，而不需要任何換熱或再生熱回收裝置。它還大大減少了燃燒器、爐子和煙氣管道的物理尺寸，也不需要電動(dòng)通風(fēng)扇。同時(shí)，燃燒空氣鼓風(fēng)機(jī)和相關(guān)的低頻噪音問(wèn)題也被避免了。此外，在某些情況下，由于更好的控制和更短的加熱時(shí)間，向全氧燃燒的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致了更少的水垢損失。

與空氣燃料火焰相比，純氧燃料火焰的溫度更高，體積和長(zhǎng)度更小。在設(shè)計(jì)用于鋼鐵再加熱的純氧燃燒器系統(tǒng)時(shí)，需要考慮純氧燃料的火焰特性。一般來(lái)說(shuō)，鋼鐵加熱需要均勻的溫度分布，以避免產(chǎn)品的局部過(guò)度加熱或加熱不足。全氧燃燒器的類(lèi)型和位置取決于爐子的類(lèi)型和火焰與鋼鐵產(chǎn)品的接近程度。

雖然對(duì)效率有很大的好處，但全氧燃燒的產(chǎn)品量少，在設(shè)計(jì)燃燒控制系統(tǒng)時(shí)需要特別注意。燃燒比的適當(dāng)控制對(duì)于鋼鐵加熱過(guò)程至關(guān)重要，因?yàn)槿紵漠a(chǎn)物構(gòu)成了加熱氣氛，并最終影響到水垢形成的速度和類(lèi)型。在空氣燃料燃燒系統(tǒng)中，與空氣一起進(jìn)入燃燒過(guò)程的大量氮?dú)馓峁┝艘粋€(gè)阻尼器或安全因素，以防止空氣與燃料比例的變化。在全氧燃燒中，這種阻尼器幾乎完全被消除了。這意味著全氧燃燒中氧氣與燃料比例的百分比變化對(duì)加熱爐氣氛的影響要大于空氣燃料的相同變化。

使用純氧燃料改變爐內(nèi)氣氛對(duì)水垢的形成沒(méi)有不利影響，在某些情況下還被證明是一種好處。燃燒產(chǎn)物中較高的CO2和H2O分壓提供了一個(gè)更有效的傳熱機(jī)制，允許增加加熱速率，從而減少了結(jié)垢的時(shí)間因素。此外，空氣燃料和全氧燃燒的比較表明，水垢形成的特點(diǎn)隨著全氧燃燒而改變。在鋼的表面形成的鱗片比空氣燃料燒制形成的鱗片要薄一些。鱗片特征變化的原因被認(rèn)為是由于全氧燃燒的氣氛迅速產(chǎn)生了一個(gè)薄而密集的氧化層，防止了進(jìn)一步的氧化和鱗片的形成。

無(wú)焰純氧燃料燃燒

近年來(lái)，"無(wú)焰純氧燃燒 "已被采用。這種表達(dá)方式傳達(dá)了燃燒類(lèi)型的視覺(jué)方面，也就是說(shuō)，火焰不再被人眼看到或容易發(fā)現(xiàn)。另一種描述可能是，燃燒在時(shí)間和空間上是'延伸'的--它以大體積散開(kāi)，這就是為什么它有時(shí)被稱為'體積燃燒'。這樣的火焰具有均勻和較低的溫度，但含有相同數(shù)量的能量。

在無(wú)焰氧燃料燃燒中，火焰被熱爐氣稀釋。這降低了火焰溫度，以避免產(chǎn)生熱氮氧化物，并實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼材更均勻的加熱。

在無(wú)焰氧燃料中，燃料和氧化劑的混合物通過(guò)火焰體積均勻地發(fā)生反應(yīng)，其速度由反應(yīng)物的分壓和溫度控制。無(wú)焰氧燃料燃燒器有效地將燃燒氣體分散到整個(gè)爐子里，即使安裝的燃燒器數(shù)量有限，也能確保對(duì)材料進(jìn)行更有效、更均勻的加熱--分散的火焰仍然包含相同的能量，但分布在更大的體積上。較低的火焰溫度大大減少了低氮氧化物的形成。從全球變暖的角度來(lái)看，低NOx排放也很重要；NO2的所謂全球變暖潛力幾乎是CO2的300倍。另外，使用低熱值的燃料也是可行的，這一點(diǎn)最近一直被強(qiáng)調(diào)，例如使用高爐爐頂氣體。

氧燃料燃燒器一直是強(qiáng)大而緊湊的，新一代的無(wú)焰氧燃料燃燒器保持了其緊湊的設(shè)計(jì)，以方便交換已經(jīng)安裝的氧燃料燃燒器，并方便空氣燃料裝置的改造。此外，無(wú)焰純氧燃燒不僅增加了更多的優(yōu)勢(shì)，而且開(kāi)辟了新的應(yīng)用，所有這些都支持大幅降低環(huán)境影響。

在已經(jīng)實(shí)施全氧燃燒技術(shù)的鋼鐵廠中，正在獲得以下結(jié)果。

再生爐的吞吐能力提高了50%。

節(jié)省燃料消耗達(dá)50％。

二氧化碳的排放量減少到50%。

降低氮氧化物的排放量

減少再加熱過(guò)程中的水垢損失

對(duì)鋼材的表面質(zhì)量沒(méi)有負(fù)面影響

對(duì)鋼材的溫度均勻性有積極影響

可以更容易地實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)建議的理想加熱曲線。

爐子煙囪冒出的煙更少，大大改善了工廠的環(huán)境。