軋鋼加熱爐無焰富氧燃燒技術應用研究

高軍，馬光宇，孫靜，郝博，趙俁

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009）

富氧燃燒技術是以氧氣體積分數大于20.93%的氣體作為助燃劑的燃燒技術，其高效、節能、環保。隨著助燃氣體中氧氣體積分數的增加，燃燒速度加快，有利于提高燃燼度和燃燒效率[1]。但是，在不采取任何措施的情況下，氮氧化物生成量會隨著氧氣體積分數的增加而增加[2-6]。無焰富氧燃燒技術是指燃燒伴隨著煙氣的釋放而不產生火焰的富氧燃燒。研究發現，無焰富氧燃燒后幾乎不產生熱力型NOX，這一結果得到了瑞典斯德哥爾摩皇家技術研究院的實測確認[7]。

加熱爐是鋼鐵企業主要的能耗設備。隨著市場競爭的日益激烈和環保要求越來越高，在保證產品加熱質量的同時，如何降低燃料消耗和減少環境污染已經引起人們普遍重視[8]。近年來，在能源和環境的雙重壓力下，無焰富氧燃燒技術在國外的軋鋼加熱爐上應用越來越多，國內有少數鋼廠應用。馬鋼1580熱軋加熱爐應用無焰富氧燃燒技術后，鋼坯加熱溫度的均勻性明顯改善，燃耗下降15%以上，產能提高15%以上[9]。隨著無焰富氧燃燒技術的成熟，該技術將會越來越多的應用在國內的加熱爐上。

1 無焰富氧燃燒技術的優點

1.1 無焰富氧燃燒技術與常規富氧燃燒技術的工藝對比

圖l為無焰富氧燃燒技術與常規富氧燃燒技術示意圖。

由圖1（a）看出，常規富氧燃燒技術是空氣與氧氣預先混合后供入燒嘴。該技術燃燒火焰短，燃燒區域更加集中，會導致爐膛溫度分布的均勻性變差，氮氧化物生成量增加等問題。由圖1（b）可以看出，無焰富氧燃燒技術是氧氣通過—個貫穿爐墻的氧槍直接噴射到火焰上，氧槍使氧氣射流能夠卷吸更多的爐內煙氣，實現整個爐膛內的彌散無焰燃燒，避免局部高溫。無焰富氧燃燒技術的氧濃度可以在21%～65%范圍內靈活調整。

1.2 無焰富氧燃燒技術與常規富氧燃燒技術數模對比

為了對無焰富氧燃燒技術與常規富氧燃燒技術進行數模對比，建立燃燒器模型，劃分內、外部網格，并定義流體進、出口及流向等邊界條件，利用fluent 3D求解器進行求解和后處理，對加熱爐一加熱段爐寬的一半進行仿真分析，得到爐內溫度場和速度場分布圖。

1.2.1 溫度場分布

圖2為無焰富氧燃燒技術與常規富氧燃燒技術爐膛平均溫度場分布的對比。從圖2（a）看出，常規富氧燃燒技術形成火焰集中高溫區，經計算爐膛平均溫度為964℃。由圖2（b）看出，無焰富氧燃燒技術加氧槍后，整個空間區域溫度更均勻，經計算爐膛平均溫度為1 256℃。

圖2 無焰富氧燃燒技術與常規富氧燃燒技術爐膛平均溫度場分布的對比Fig.2 Contrast Chart for Distributions of Average Temperature Fields in Furnace Hearth by Using Two Combustion Technologies

式中，E為系統所做的最大功，即可用能，kJ；T0為環境溫度，K；T為煙氣溫度，K；δQ為燃料發熱量變化值，kJ。

由于無焰富氧燃燒技術增加了氧槍，會使爐膛整體溫度提高，由式（1）可知，燃燒產生的熱量大，因此，無焰富氧燃燒技術的能量利用率較大。在相同燃料消耗量的條件下，無焰富氧燃燒技術強化板坯和煙氣傳熱，提高了爐內燃燒溫度，具有明顯的助燃節能和環保效應[10]。

1.2.2 速度場分布

圖3為無焰富氧燃燒技術與常規富氧燃燒技術速度場分布的對比。由圖3（a）可以看出，常規富氧燃燒技術燒嘴噴射氣流的流速不均勻，流速低；由圖3（b）可以看出，無焰富氧燃燒技術氧槍射出的高速氧氣流在爐內形成負壓卷吸周圍的煙氣。隨著卷吸速度的均勻下降，在側燒嘴的作用下，氧氣射流影響范圍達到整個爐子，火焰充滿整個爐膛空間（爐體內寬18.94 m）。

圖3 無焰富氧燃燒技術與常規富氧燃燒技術速度場分布的對比Fig.3 Contrast Chart for Distributions of Velocity Fields by Using Two Combustion Technologies

1.3 降低NOx排放

影響NOX的生成有三個因素：燃燒溫度、氧和氮的分壓，關鍵是燃燒溫度。常規富氧燃燒技術的理論燃燒溫度較空氣燃燒高而使火焰高溫化，并且氧氣濃度的增加也會直接刺激NOX的產生，因此常規富氧燃燒技術一直存在NOX排放高的不利因素。無焰富氧燃燒技術采用氧槍燃燒，使氧氣射流與燃料射流混合，增大燃燒反應空間，降低火焰峰值溫度，使氧氣射流能夠卷吸更多的爐內煙氣，實現整個爐膛內的彌散貧氧燃燒，使火焰峰值溫度盡量降至1 500℃，避免局部高溫，減少了NOX的生成。

1.4 降低氧化燒損

鋼坯的氧化過程除受鋼坯成分影響外，還受到加熱溫度、在爐時間以及爐氣中O2、CO2、H2O等氧化性氣氛的影響。加熱溫度越高、在爐時間越長、氧化性氣氛濃度越高，氧化反應越劇烈，鋼坯出爐氧化燒損越嚴重[11]。 無焰富氧燃燒技術縮短鋼坯的在爐時間，采用氧槍使爐內溫度場更均勻，避免局部高溫，降低了氧化燒損。

2 無焰富氧燃燒技術應用可行性分析

2.1 加熱爐概況

鞍鋼股份有限公司熱軋廠2150生產線有大型步進梁式加熱爐3座，爐體寬度為18.94 m，燃料為混合煤氣，熱值為（8 400±100）kJ/m3。每座加熱爐平均產能為260 t/h，設計冷裝料生產能力為225 t/h，熱裝料（730℃）能力364 t/h。加熱爐采用管殼式換熱器分別對空、煤氣進行預熱，預熱溫度分別為400℃和320℃。

社會不斷進步，科學不斷發展，庫存管理技術也獲得了更為完善的發展。隨著社會競爭程度越發加深，企業為了獲取更大的利潤就必須從更多的方面去探索發現，庫存管理作為一個重要的成本組成模塊，其控制技術的有效利用也作為重要項目而提升到許多企業的建設日程了。

2.2 無焰富氧燃燒技術應用可行性分析

在不改變爐體結構等裝備的前提下，如果要提高加熱爐的加熱能力，簡單地提高燒嘴能力會增加單位能耗及污染物排放，最佳的解決方法是提高爐子的燃燒效率和傳熱效率[10]。另外，鞍鋼本部氧氣主要用于煉鐵、煉鋼等工序。隨著現場對氮氣需求的不斷增加，氧氣和氮氣用量不匹配，目前平均約3 000 m3/h左右的氧氣過剩放散。

設計兩個方案提高產能，分別為增加燃料和采用無焰富氧燃燒技術。碳鋼板坯尺寸為135 mm×1 400 mm×15 000 mm。兩個方案的結果對比見表1。由表1可以看出，若使用方案1，煙氣量增加約1.6萬m3/h，需新增總煤氣量5 200 m3/h，煤氣單耗與改進前相同；若使用方案2，富氧濃度按50%控制，需增加總煤氣量2 080 m3/h，煤氣單耗可比改進前降低0.09 GJ/t，約降低8%；板坯出料表面溫差由原來的30℃降為25℃，計算氧化燒損將下降5%以上。因此，采用無焰富氧燃燒技術可行。

表1 增加燃料和采用無焰富氧燃燒技術的結果對比Table 1 Contrast of Results by Adding Fuels and Using Flameless Oxygen-enriched Combustion Technology

2.3 無焰富氧燃燒技術的安全性

對于軋鋼加熱爐富氧燃燒系統而言，富氧燃燒安全保護系統在生產中極其重要，關系到供氧系統能否將氧氣安全地供給到爐膛內，并確保與爐內燃氣充分燃燒。還關系到加熱爐發生事故停機時的安全保護控制。無焰富氧燃燒技術具有以下安全保障：

（1）采用擴散火焰的方式，即氧氣和燃料分走不同管線，在燃燒器出口處才進行混合[1]。

（2）氧氣量采用雙重、精密的檢測儀表檢測，通過燃燒空燃比和煙氣殘氧實時檢測的雙重控制，實現氧濃度的精準控制。

（3）氧氣供應系統安全連鎖控制。與加熱爐自動燒鋼系統的爐膛溫度、煤氣壓力、冷卻水壓力等10多個連鎖控制，當出現氧氣濃度、氧氣壓力、機組故障等異常情況時，安全連鎖控制系統迅速切斷氧槍系統。

3 加熱爐無焰富氧燃燒關鍵技術

3.1 富氧段選擇及布置方式

無焰富氧燃燒技術氧槍布置俯視示意圖見圖4。

圖4 無焰富氧燃燒技術氧槍布置俯視示意圖Fig.4 Top View Schematic Diagram for Arrangement of Oxygen Lances for Flameless Oxygen-enriched Combustion Technology

分析加熱段溫度場特點以及物料本身的加熱特性后認為，一加熱段鋼坯溫度較低、導熱系數較大，是快速加熱提溫、提高生產節奏的加熱段[9]，因此，氧槍選擇在一加熱段。2150生產線加熱爐一加熱段熱負荷率為30%左右，選擇在加熱爐一加熱段所有側燒嘴處布置高速氧槍，純氧氣流圍繞燒嘴火焰攪動，其加熱速率及溫度均勻性得到提高，實現快速加熱的同時，保證加熱鋼坯的質量。

3.2 氧濃度的精準控制

（1）富氧濃度控制范圍為21%～65%，平均控制在40%～50%。程序上設有控制曲線，氧濃度根據空氣用量實時調整，空氣量設有下限控制，當低于此下限時氧槍富氧不投入使用；當空氣用量增加時，氧濃度逐漸提高。

（2）氧濃度控制與原有系統中的空氣、煤氣流量控制系統銜接，原控制系統要保證空氣流量、煤氣流量及調節閥門的精準測量及控制。

（3）依據爐膛溫度得出燒嘴負荷功率，再根據空燃比確定燃燒所需的氧氣量，傳輸到氧濃度控制系統，由該控制系統分配原燒嘴的空氣供應量和氧槍用氧氣供應量，氧氣總量始終與燃氣燃燒所需的氧氣量保持匹配。

4 效益分析

4.1 經濟效益

鞍鋼股份有限公司熱軋廠2150生產線如果采用無焰富氧燃燒技術，按1座加熱爐計算如下：

1座加熱爐年產量150萬t，氧濃度按40%控制，噸鋼加熱成本為68元/t（混合煤氣），則節約燃料成本68×8%=5.44元/t,則年節約燃料成本：150×115%×5.44≈938萬元/a；氧化燒損下降5%節約資金316萬元/a；增加氧氣消耗12 m3/t，氧氣單價為0.42元，則能耗增加150×115%×12×0.42≈869萬元/a，以上累計節約385萬元/a。

如果將3座加熱爐全部改為無焰富氧燃燒，加熱爐優化組產，3臺改為2臺運行，節約效果會更明顯。

4.2 環保效益

采用無焰富氧燃燒技術后，抑制或減少NOX生成，實現煙氣中NOX和CO2減排；同時煙氣中CO2產生的體積占比增加，有利于CO2的捕集，具有良好的環保效益。

5 結論

（1）無焰富氧燃燒技術能夠提高氧氣利用率，氧濃度可以在21%～65%范圍內靈活調整，具有提高產能、降低能耗及靈活組產的優點。

（2）無焰富氧燃燒技術可實現寬體軋鋼加熱爐的彌散燃燒，改善鋼坯加熱溫度均勻性和加熱質量，降低氧化燒損，同時避免局部高溫，實現低氮燃燒，有利于環保。

（3）鞍鋼股份有限公司熱軋廠2150生產線如果采用無焰富氧燃燒技術，按1座加熱爐計算，可以節約資金385萬元/a。