雙蓄熱加熱爐采用富氧燃燒的可行性研究

葉學良,鄭玉光

(1.北京首鋼國際工程技術有限公司,北京 100043;2.北京市冶金三維仿真設計工程技術研究中心,北京 100043;3.北京恒拓能源與環境工程技術有限公司,北京 100085)

1 前 言

西部某實業有限公司軋鋼一廠現有一條年產量80萬t 的棒材生產線,配套一座布置在5 m平臺上的135 t/h(冷裝)高爐煤氣雙蓄熱式加熱爐,2021年對棒材生產線進行升級改造后年產量達100萬t,對加熱爐的加熱能力要求提高到155 t/h(冷裝),現有加熱爐不能滿足軋線生產需求。結合實業公司內部制氧廠制氧機組能力較大,有富裕的氧氣資源供加熱爐使用,2022年軋鋼一廠提出對棒材加熱爐采用富氧燃燒技術改造的要求。本文就棒材高爐煤氣雙蓄熱式加熱爐采用富氧燃燒技術進行可行性研究。

2 蓄熱式燃燒理論

2.1 蓄熱式燃燒發展及現狀

蓄熱式燃燒技術是20世紀80年代在工業爐領域開發并得到大力推廣的新型燃燒技術,在國外被稱為高溫空氣燃燒(high temperature air combustion,簡稱HTAC)技術[1]。近幾十年來蓄熱式燃燒技術在工業爐領域發展非常迅速,實現了助燃空氣高溫(約1 000 ℃)[2]和低氧濃度(2%～5%)條件下的特殊燃燒過程,特別有效地降低了煙氣中很難去除的NOx等有害物質,具有顯著的節能減排效果,被廣泛應用于鋼鐵工業爐窯領域。

蓄熱式燃燒技術經歷了兩個重要的發展階段:

(1)1982年英國的Hotwork Development公司和British Gas 公司合作開發了用于小型玻璃熔化爐的蓄熱式陶瓷燃燒器(regenerative ceramic burner,簡稱RCB),節能效果十分顯著。這種技術被稱為“第一代蓄熱燃燒技術”,其主要目的是節能。

(2)到了20世紀90年代日本學者田中良一等人將回收煙氣余熱和高效燃燒及降低NOx排放等技術有機地結合起來,從而實現了節能和降低NOx排放的雙重目的。這種技術開創了針對燃用清潔或較清潔的氣體和液體燃料的工業爐開發應用蓄熱式高溫空氣燃燒技術的新時代,發展成了真正意義上的“蓄熱式高溫空氣燃燒技術”,實現了既節能又環保的目標。這種技術被稱為“第二代蓄熱燃燒技術”。

2.2 蓄熱式燃燒分類

根據蓄熱式燃燒技術是否需要換向分為換向式蓄熱燃燒系統和連續式蓄熱燃燒技術。

2.2.1 換向式蓄熱式燃燒

換向式蓄熱燃燒在國內工業爐上得到廣泛應用,由燃燒器、換向閥、蓄熱器與控制系統過程。燃燒器成對布置,交替工作,使得兩組蓄熱體可以實現交替吸熱放熱的熱工過程。換向式蓄熱式燃燒技術具有以下特點:

(1)空煤氣雙預熱到約1 000 ℃,排煙溫度不高于150 ℃,最大限度回收高溫煙氣余熱,降低了燃料消耗,燃料節約率可提高30%左右;

(2)提高了火焰溫度,擴大了燃料范圍,使得低發熱值的高爐煤氣也可以用于燃燒;

(3)火焰在爐膛空間內才開始燃燒,燃燒噪聲低;

(4)空煤氣射流速度高,卷吸爐內煙氣,可實現貧氧穩定燃燒,降低火焰溫度峰值,火焰燃燒形式為彌散式,爐膛溫度均勻,提高坯料溫度均勻性;

(5)蓄熱式燃燒自動化水平高,大大改善了勞動條件和勞動強度;

(6)每次換向都是進氣-排煙(或排煙-進氣)的過程,爐內火焰燃燒瞬間消失,又迅速反向恢復,帶來的爐膛壓力波動較大,氣流量越大,爐壓波動越嚴重;

(7)氣體中雜質覆蓋在蓄熱體表面形成額外的熱阻,降低熱交換效果,和氣體預熱溫度;

(8)換向形成氧化-還原交替變化的加熱氛圍,對某些鋼種(如含Mo、Ni鋼種)加熱質量形成不利影響。

2.2.2 連續式蓄熱式燃燒

連續式蓄熱燃燒技術的研究稍晚于換向式蓄熱燃燒技術的研究,國內在2002年也開始這方面的研究,提出了回轉式蓄熱器、擋位式蓄熱器、自身預熱燒嘴等多種應用連續式蓄熱燃燒技術的裝置。連續式蓄熱燃燒技術保持了換向式蓄熱燃燒技術的優點,同時克服了換向引起的爐壓波動和加熱氛圍交替的不足。燃料供應連續,可以連續調節火焰大小,不需要采用長明燈或執勤燒嘴保持蓄熱式燒嘴燃燒。

3 富氧燃燒理論

3.1 富氧燃燒發展及現狀

富氧燃燒(oxygen enriched combustion,簡稱OEC)技術[3-4]是20世紀70—80年代提出的燃燒的節能技術,初期由于制氧成本較高,經濟效益并不明顯。近十幾年來由于制氧成本的降低和節能減排的迫切需要,富氧燃燒技術得到了迅速發展,成為鋼鐵工業提高能源效率、降低污染物排放的最佳技術之一,被發達國家稱為“資源創造性技術”。在國內外鋼鐵工業爐窯上得到了廣泛的研究和應用。

富氧燃燒是指用比通常空氣(含氧21%)含氧濃度高的富氧空氣作為助燃劑進行燃燒,簡稱OEC,是燃燒領域的一種新型節能技術,富氧的極限就是純氧。

富氧燃燒技術在20世紀70—80年代由Horne和Steinburg提出,在美國能源部的資助下,美國阿貢國家實驗室(ANL)對富氧燃燒技術進行了研究。由于富氧成本過高,該技術在工業上一直未能得到廣泛推廣。近些年來隨著富氧成本不斷降低和節能減排的迫切需求,富氧燃燒技術得到了迅速發展。

傳統的富氧燃燒是指利用富氧空氣與燃料進行混合并燃燒,或者在原燃燒器下方直接噴入純氧從而提高燃料的燃燒效率。隨著富氧技術的發展和加熱爐工藝技術的提高,已開發出多種先進的富氧燃燒技術(如無焰純氧燃燒等)和相關配套設備(如富氧燃燒器等)。

3.2 富氧燃燒特點

與普通燃燒相比,富氧燃燒具有以下特點:

(1)提高火焰溫度和燃料燃燒效率,降低燃料燃點溫度,縮短加熱時間;

(2)提高熱利用率,提高產量;

(3)具有輻射能力的三分子結構的燃燒產物量增多,提高了爐內傳熱效率;

(4)節能減排,助燃空氣中氮含量的降低節約了燃料,減少了氮氧化物排放,減少了排煙熱量損失;

(5)減少加熱設備尺寸,降低投資成本和維護費用。

4 加熱爐富氧改造

4.1 加熱爐現狀

棒材生產線高爐煤氣雙蓄熱式加熱爐布置在5 m平臺上,加熱爐采用空煤氣雙蓄熱式燃燒技術,燒嘴布置在加熱爐兩側側墻上,在每個柱距間上下布置兩個空氣蓄熱式燒嘴(或高爐煤氣蓄熱式燒嘴),空氣蓄熱式燒嘴與高爐煤氣蓄熱式燒嘴間隔交替布置,詳見圖1。

圖1 蓄熱式燒嘴布置示意圖

加熱爐用高爐煤氣成分見表1。

表1 高爐煤氣成分表 %

加熱爐現行運行參數見表2。

表2 加熱爐運行參數表

4.2 加熱爐改造方案選擇

高爐煤氣是高爐煉鐵生產過程中產生的副產品,其中N2含量高達50.5%,是一種低熱值燃料,低發熱值為837×4.18 kJ/m3(標準),理論燃燒溫度約為1 400 ℃,直接燃燒不能滿足加熱爐的溫度要求。高爐煤氣理論燃燒溫度Tad計算見式(1)[5]:

Tad=(Q1+Q2+Q3-Q4)/(Vn·c5)

(1)

式中:Q1為高爐煤氣低發熱量,kJ/m3;Q2為空氣帶入的物理熱,kJ/m3;Q3為高爐煤氣帶入的物理熱,kJ/m3;Q4為分解熱,kJ/m3;Vn為實際燃燒產物的生成量,m3/m3;c5為燃燒產物的平均比熱容,kJ/(m3· ℃)。

從式(1)中可以看出,要想提高高爐煤氣理論燃燒溫度,滿足加熱爐加熱溫度要求,可以通過提高式(1)中分子或減小分母的方法實現(當燃燒溫度低于1 800 ℃時分解熱Q4可以忽略不計)。

高爐煤氣雙蓄熱式燃燒是通過將空氣和高爐煤氣均預熱到1 000 ℃,提高式(1)中分子Q2和Q3來提高理論燃燒溫度,滿足加熱爐加熱溫度要求。

富氧燃燒是通過減少助燃空氣量中的N2來降低實際燃燒產物的生成量,減少式(1)中分母Vn來提高理論燃燒溫度,滿足加熱爐加熱溫度要求。

加熱爐升級改造方案選擇受以下幾個因素影響:

(1)燃料:公司內部無法協調其他高熱值燃料供加熱爐使用,燃料只能采用高爐煤氣。

(2)場地:加熱爐設置在5 m平臺上,受5 m平臺尺寸限制,無法通過延長爐長來增加供熱量。

(3)爐側空間:如圖1所示,原加熱爐側墻上已布滿燒嘴,既不能通過增加燒嘴數量來增加供熱量,也沒有足夠的空間布置純氧氧氣噴槍。

(4)氧氣資源:公司內部制氧廠制氧機組能力較大,約有2 500 m3/h(標準)的氧氣被放散,可以作為氧氣來源供加熱爐使用。

綜合以上影響因素,采用可以提高熱利用率、降低能耗的富氧燃燒技術是加熱爐升級改造的最佳選擇方向。

4.3 富氧燃燒形式選擇

富氧燃燒主要分為以下幾種形式[6]:

1)純氧燃燒

利用純氧替代助燃空氣參與燃燒,配置純氧燃燒器,強化加熱能力高,運行成本高。

2)空氣-氧氣雙助燃燃燒

由兩個不同的通道射入空氣和氧氣參與燃燒,相當于在常規燒嘴上增加一個全氧燃燒器,可以使用高濃度氧氣,運行費用低于全氧燃燒。

3)吹氧燃燒

向空氣助燃的常規燒嘴產生的火焰中直接噴入氧氣,是分段燃燒的一種形式,屬于低濃度富氧燃燒。通常從火焰下方吹入氧氣,位于燃燒器和加熱物料之間,熱量集中于下游的加熱物料上,對爐頂耐材影響較小。

4)空氣增氧燃燒

將氧氣和空氣在空氣總管中摻混均勻,使混合空氣呈微富氧狀態再送入燃燒器參與燃燒。一般常規空氣助燃燃燒器均可使用微富氧燃燒,常規燃燒系統適應性改造少,實施周期短,改造成本低,氧氣系統與助燃空氣系統接入和脫離方便可靠。

根據軋鋼一廠的實際情況和富氧燃燒幾種形式特點,確定加熱爐升級改造采用空氣增氧燃燒形式的富氧燃燒,富氧率設定為28%。

4.4 富氧燃燒對加熱爐的影響

根據富氧燃燒相關文獻可知,空氣增氧燃燒將在以下幾個方面對加熱爐產生影響:

(1)空氣增氧燃燒只需要在空氣總管處增加環流摻混器將氧氣與空氣摻混均勻,管道、管道上安裝的調節設備和檢測設備、雙蓄熱式燒嘴均可以利用,不需要改造;

(2)根據質量作用定律,助燃空氣中氧濃度加大將加快高爐煤氣燃燒速度,降低高爐煤氣的不完全燃燒的可能性,減少煙氣排放中CO的濃度,提高燃料利用率;

(3)空氣中氧氣與氮氣體積比大約為1∶4,助燃空氣中增加1%的氧氣,則減少4%的氮氣,減少3%～4%的煙氣排放,降低產品單位能耗約2%,有助于提高加熱爐產能;

(4)富氧燃燒可以提高燃料理論溫度及黑度[7],增加燃燒產物輻射傳熱能力和熱傳遞的效率,縮短單位厚度產品加熱時間,富氧率提高1%,加熱能力提高3%;

(5)蓄熱式燃燒的換向動作可降低富氧燃燒火焰短、火焰溫度高對加熱爐的影響,提高坯料加熱均勻性;

(6)蓄熱式燃燒技術的高速燃氣射流、空氣射流可大范圍卷吸爐內煙氣形成貧氧氣氛,燃氣在爐內保持彌散式擴散,實現貧氧穩定燃燒,形成無焰燃燒;

(7)爐內貧氧氣氛可有效降低對坯料的氧化燒損,提高產品成材率[8];

(8)爐內貧氧低氮氣氛可保持低濃度氮氧化物的排放。

5 方案可行性分析

5.1 技術可行性分析

按富氧率為28%計算技術升級改造后加熱爐加熱能力,單位產品能耗,高爐煤氣、助燃空氣及氧氣用量,煙氣生成量。

加熱爐加熱能力Q計算公式見式(2),單位產品能耗E計算公式見式(3):

Q=Q0+(F0-21%)×R1

(2)

E=E0+(F0-21%)×R2

(3)

式中:Q為加熱爐改造后加熱能力,t/h;Q0為加熱爐改造前加熱能力,t/h;E為加熱爐改造后單位產品能耗,GJ/t;E0為加熱爐改造前單位產品能耗,GJ/t;F0為富氧后氧氣含量,%;R1為富氧1%后產能提升比例,%;R2為富氧1%后單位產品能耗降低比例,%;21%為空氣中氧氣含量。

計算結果表明富氧率為28%時加熱爐加熱能力最大為163 t/h,單位產品能耗為0.99 GJ/t。

根據軋線生產要求,加熱爐按155 t/h計算,技術升級改造后加熱爐運行參數見表3。

表3 技術升級改造后加熱爐運行參數表

技術升級改造后高爐煤氣量為51 000 m3/h(標準),是原煤氣量的97%,助燃富氧空氣量為23 100 m3/h(標準),是原助燃空氣量的77%,均在流量檢測裝置的有效量程內,可以為燃燒控制提供準確的參數。

高爐煤氣資源、氧氣資源、助燃鼓風機、空氣排煙風機、煤氣排煙風機均能滿足加熱爐技術升級改造要求。

5.2 經濟可行性分析

5.2.1 經濟效益

軋鋼一廠棒材加熱爐運行所需主要原料及動力在實業有限公司內部結算價格如下:

高爐煤氣單價0.12 元/m3(標準),氧氣單價0.25 元/m3(標準),用電單價0.45 元/(kW·h)。

經濟效益見表4。

表4 經濟效益對比表

由表4可見噸鋼綜合費用節約48.26-44.29=3.97元。

軋鋼一廠棒材3#加熱爐年產量為100 萬t,每年綜合費用節約為 1 000 000×3.97=397 萬元。

5.2.2 技術升級改造投資

技術升級改造需新增外線氧氣閥站1套,環流摻混器1套,爐前氧氣管線1套,氧氣閥站基礎1件,具體投資見表5。

表5 技術升級改造投資表

5.2.3 靜態回收期

從工程投產年算起,用每年的凈收益將初始投資全部回收的時間為靜態投資回收期[9],靜態回收期計算公式見式(4):

Pt=CI/CO

(4)

式中:Pt為靜態回收期,年;CI為項目投產后每年的凈收益,萬元;CO為項目初始投資,萬元。

技術升級改造初始投資310 萬元,投產后年收益為397 萬元,靜態投資期為9.4 月,項目具有一定的盈利能力。

5.3 環保可行性分析

采用28%富氧燃燒技術后,軋鋼一廠棒材3#加熱爐節約高爐煤氣650 萬m3/a(標準),減少煙氣排放7 637.5 萬m3/a(標準),減少二氧化碳排放5 841 t/a。

蓄熱式燃燒與富氧燃燒均可實現低氮氧化物排放,丁毅等[10]對馬鋼板坯加熱爐采用富氧燃燒前后煙氣中的氮氧化物排放進行了跟蹤測試,測試結果表明氮氧化物排放濃度沒有明顯差異,且均符合國家超低排放限額要求,減少氮氧化物排放10.1 t/a。

6 結 語

蓄熱式燃燒和富氧燃燒均是先進的燃燒節能科技,通過對富氧燃燒與蓄熱式燃燒相結合的可行性研究,發現在高爐煤氣雙蓄熱式加熱爐上采用富氧燃燒技術,兼有富氧燃燒和蓄熱式燃燒的優點,并克服了富氧燃燒火焰短,火焰溫度高的缺點,是一種新的節能減排、提產增效的新思路。

國內現存眾多在工廠設計時間較早,場地空間緊湊的高爐煤氣雙蓄熱式加熱爐,在軋線提升產能后不能通過延長爐長來滿足軋線的加熱要求。當有適量富裕氧氣且提產要求幅度不大時,可以通過在蓄熱式燃燒基礎上采用富氧燃燒技術來解決產能提升,用較小的建設成本達到提產增效與節能減排的目的。

本文僅對可行性理論進行了研究,尚無實際工程佐證,希望能起到拋磚引玉的作用,引發更多工作者對此做出更多、更深的研究和應用。