鋼包烘烤
——純氧燃燒技術初探①

孫仁權

(安德森熱能科技(蘇州)有限責任公司，江蘇 蘇州　215120)

1　概　述

燃燒技術的不斷發(fā)展，已經(jīng)突破了傳統(tǒng)的燃燒理論，特別是純氧燃燒，衍生出無焰燃燒、低溫純氧燃燒等技術，其應用領域也不斷擴大。在全球對碳排放、氮氧化物排放嚴格控制的今天，應用這些技術可為企業(yè)節(jié)能減排。

中國是世界知名的鋼鐵、有色金屬生產(chǎn)大國，同時也是公認的排放大戶，因而節(jié)能環(huán)保工作已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的重中之重。鋼鐵行業(yè)正在積極地實施“去產(chǎn)能、棄地條鋼、廢中頻爐發(fā)展電弧爐”等一系列變革，對技術革新的要求呼聲越來越高。在所有熱能供給側，還有沒有新技術可以利用，以提高熱能效率，并在燃燒過程中降低氮氧化物的產(chǎn)生呢？

純氧燃燒技術應用于鋼鐵行業(yè)早期有過探討，然而卻存在著特殊性與局限性。在高溫加熱工藝中，由于鋼鐵對高溫非常敏感，而純氧燃燒的火焰溫度很高，會造成鋼鐵燒損，鋼鐵燒損意味著成本增加。因此，這也為鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排造成了嚴重阻礙。

近幾年，無焰燃料技術的突破，使得純氧燃燒在金屬行業(yè)得到快速應用，由于它提供了優(yōu)異的溫度均勻性和減少NOx的排放，安裝管道緊湊，無需換熱或蓄熱解決方案， 避免了燃燒風機和相關的低頻噪聲問題，特別適用于鋼包及轉爐的干燥和預熱。

純氧燃燒解決方案在加熱和退火中具有獨特的優(yōu)點。由于提高了熱效率(與空燃比為40%～60%相比，效率高達80%)，加熱速度和生產(chǎn)率都提高，而且需要較少的燃料將產(chǎn)品加熱至所需溫度，同時降低CO2和NOx排放?？偨Y結果包括：

·產(chǎn)能增加達50%;

·燃料節(jié)約高達50%;

·二氧化碳排放量減少50%;

·減少NOx排放;

·減少氧化皮損失(提高產(chǎn)量)。

2　氧氣燃燒技術

氧氣燃燒是指使用純的，即工業(yè)級氧氣代替空氣來燃燒化石燃料。純氧燃燒技術提供了超過空氣燃燒的許多優(yōu)點。在空氣、燃料燃燒中，燃燒器火焰含有來自空氣的氮氣，需用大量的燃料來加熱氮氣；熱氮通過煙囪排除，造成能量損失。通過使用工業(yè)級氧氣，不僅燃燒本身更有效，而且傳熱更佳。

氧氣燃燒以多種方式影響燃燒過程。第一個明顯的結果是由于廢氣體積的減少導致熱效率的提高，這對所有類型的燃燒器來說都是根本的和有效的。在燃燒氣體中，熱輻射主要來自CO2和H2O分子。由于在氧氣爐氣氛中沒有或非常低的氮含量，具有強輻射效果的CO2和H2O(三原子結構)的濃度將非常高，通過氣體輻射熱傳遞顯著增加。氧氣燃燒的一個顯著特征是即使沒有預熱燃料或氧氣，煙道溫度高的情況下，熱效率也非常高。燃燒火焰中的三原子結構，具有更強密度的紅外輻射頻譜，因而輻射效果更強。

3　實際應用

3.1　鋼包預熱

使用氧氣燃燒將大大減少燃料消耗量(約50%)，這將導致二氧化碳排放量的相對減少。它還具有更多優(yōu)點：例如更短的加熱時間和更熱的容器，從而使用較少的循環(huán)鋼包數(shù)量以及降低出鋼溫；后者直接在爐內節(jié)約能源，但也可能縮短爐子出鋼到下一次出鋼的時間。由于熱損失下降，節(jié)省時間將帶來額外的節(jié)能效果。

如果氧氣預熱系統(tǒng)的鋼包安裝在電弧爐附近，最佳的位置是離出鋼位置只有幾米，則可以使用非常熱的鋼包，這種措施將允許鋼包循環(huán)時間減少20 min，可允許降低電弧爐出鋼溫度15 ℃，節(jié)省電力5～6 kW·h / t；也可以采取在加熱好的鋼包中直接倒入一定比例的廢鋼，再倒入熔化的鋼水的方式，也可以實現(xiàn)增加產(chǎn)能。

圖1為某工廠使用無焰氧氣的鋼包進行預熱。 60 t鋼包純氧燃燒的運行功率約為1.2 MW， 年平均水平為0.8 MW，年均為7500 h，即6 GW·h /年； 比空氣燃燒系統(tǒng)節(jié)能一半，年節(jié)電6 GW·h。 假設燃料是天然氣，每個鋼包二氧化碳排放量的減少將為1200 t/年。

圖1　某工廠使用無焰氧氣的鋼包預熱

與具有換熱器或蓄熱解決方案的空氣燃燒系統(tǒng)相比，常規(guī)的純氧燃燒系統(tǒng)(如圖2所示)提供了簡單，緊湊和重量輕的裝置；在預熱容器中，無焰純氧燃燒帶來更多的優(yōu)勢。無焰燃燒被認為是最佳的加熱技術，不僅可以實現(xiàn)超低NOx排放，而且可以通過更均勻的溫度分布來延長耐火材料的使用壽命。

圖2　常規(guī)的純氧燃燒系統(tǒng)

3.2　某150噸鋼包純氧燃燒改造經(jīng)濟分析

改造所需成本：純氧燃燒系統(tǒng)設備成本+氧氣成本；

改造產(chǎn)生的經(jīng)濟利益：節(jié)省的天然氣費用+風機運行成本。

普通空氣燃燒模式：

天然氣平均流量：200 m3/h；

天然氣成本：200×3.23(元/ m3)=646元；

風機運行成本：15(風機功率15 kW)×1(h)

×1(1元/度)=15元；

每小時總成本：646+15=661元。

改造后純氧燃燒模式：

天然氣平均流量：100 m3/h；

天然氣成本：100×3.23(元/ m3)=323元；

氧氣成本：100×2.1(氧燃比)×

0.8(元/ m3)=168元；

每小時總成本：323+168=491元；

單個鋼包每月節(jié)約成本：

(661- 491)×24×30=122,400.00元。

4　結束語

對于具有空分站的鋼廠，富余的氧氣可能就已經(jīng)直排了，大量可用資源被浪費了。使用純氧無焰燃燒技術，在幫助提高工廠整體能效的同時，還大大節(jié)約了能源，更為重要的是降低了碳排放，以及氮氧化物的排放，是造福后代的大事。