軋鋼加熱爐無焰富氧燃燒技術(shù)應(yīng)用研究

高軍，馬光宇，孫靜，郝博，趙俁

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009）

富氧燃燒技術(shù)是以氧氣體積分?jǐn)?shù)大于20.93%的氣體作為助燃劑的燃燒技術(shù)，其高效、節(jié)能、環(huán)保。隨著助燃?xì)怏w中氧氣體積分?jǐn)?shù)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(huì)隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加而增加[2-6]。無焰富氧燃燒技術(shù)是指燃燒伴隨著煙氣的釋放而不產(chǎn)生火焰的富氧燃燒。研究發(fā)現(xiàn)，無焰富氧燃燒后幾乎不產(chǎn)生熱力型NOX，這一結(jié)果得到了瑞典斯德哥爾摩皇家技術(shù)研究院的實(shí)測確認(rèn)[7]。

加熱爐是鋼鐵企業(yè)主要的能耗設(shè)備。隨著市場競爭的日益激烈和環(huán)保要求越來越高，在保證產(chǎn)品加熱質(zhì)量的同時(shí)，如何降低燃料消耗和減少環(huán)境污染已經(jīng)引起人們普遍重視[8]。近年來，在能源和環(huán)境的雙重壓力下，無焰富氧燃燒技術(shù)在國外的軋鋼加熱爐上應(yīng)用越來越多，國內(nèi)有少數(shù)鋼廠應(yīng)用。馬鋼1580熱軋加熱爐應(yīng)用無焰富氧燃燒技術(shù)后，鋼坯加熱溫度的均勻性明顯改善，燃耗下降15%以上，產(chǎn)能提高15%以上[9]。隨著無焰富氧燃燒技術(shù)的成熟，該技術(shù)將會(huì)越來越多的應(yīng)用在國內(nèi)的加熱爐上。

1 無焰富氧燃燒技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1.1 無焰富氧燃燒技術(shù)與常規(guī)富氧燃燒技術(shù)的工藝對比

圖l為無焰富氧燃燒技術(shù)與常規(guī)富氧燃燒技術(shù)示意圖。

由圖1（a）看出，常規(guī)富氧燃燒技術(shù)是空氣與氧氣預(yù)先混合后供入燒嘴。該技術(shù)燃燒火焰短，燃燒區(qū)域更加集中，會(huì)導(dǎo)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(shù)是氧氣通過—個(gè)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(nèi)煙氣，實(shí)現(xiàn)整個(gè)爐膛內(nèi)的彌散無焰燃燒，避免局部高溫。無焰富氧燃燒技術(shù)的氧濃度可以在21%～65%范圍內(nèi)靈活調(diào)整。

1.2 無焰富氧燃燒技術(shù)與常規(guī)富氧燃燒技術(shù)數(shù)模對比

為了對無焰富氧燃燒技術(shù)與常規(guī)富氧燃燒技術(shù)進(jìn)行數(shù)模對比，建立燃燒器模型，劃分內(nèi)、外部網(wǎng)格，并定義流體進(jìn)、出口及流向等邊界條件，利用fluent 3D求解器進(jìn)行求解和后處理，對加熱爐一加熱段爐寬的一半進(jìn)行仿真分析，得到爐內(nèi)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(shù)與常規(guī)富氧燃燒技術(shù)爐膛平均溫度場分布的對比。從圖2（a）看出，常規(guī)富氧燃燒技術(shù)形成火焰集中高溫區(qū)，經(jīng)計(jì)算爐膛平均溫度為964℃。由圖2（b）看出，無焰富氧燃燒技術(shù)加氧槍后，整個(gè)空間區(qū)域溫度更均勻，經(jīng)計(jì)算爐膛平均溫度為1 256℃。

圖2 無焰富氧燃燒技術(shù)與常規(guī)富氧燃燒技術(shù)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(tǒng)所做的最大功，即可用能，kJ；T0為環(huán)境溫度，K；T為煙氣溫度，K；δQ為燃料發(fā)熱量變化值，kJ。

由于無焰富氧燃燒技術(shù)增加了氧槍，會(huì)使?fàn)t膛整體溫度提高，由式（1）可知，燃燒產(chǎn)生的熱量大，因此，無焰富氧燃燒技術(shù)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(shù)強(qiáng)化板坯和煙氣傳熱，提高了爐內(nèi)燃燒溫度，具有明顯的助燃節(jié)能和環(huán)保效應(yīng)[10]。

1.2.2 速度場分布

圖3為無焰富氧燃燒技術(shù)與常規(guī)富氧燃燒技術(shù)速度場分布的對比。由圖3（a）可以看出，常規(guī)富氧燃燒技術(shù)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(shù)氧槍射出的高速氧氣流在爐內(nèi)形成負(fù)壓卷吸周圍的煙氣。隨著卷吸速度的均勻下降，在側(cè)燒嘴的作用下，氧氣射流影響范圍達(dá)到整個(gè)爐子，火焰充滿整個(gè)爐膛空間（爐體內(nèi)寬18.94 m）。

圖3 無焰富氧燃燒技術(shù)與常規(guī)富氧燃燒技術(shù)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(gè)因素：燃燒溫度、氧和氮的分壓，關(guān)鍵是燃燒溫度。常規(guī)富氧燃燒技術(shù)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(huì)直接刺激NOX的產(chǎn)生，因此常規(guī)富氧燃燒技術(shù)一直存在NOX排放高的不利因素。無焰富氧燃燒技術(shù)采用氧槍燃燒，使氧氣射流與燃料射流混合，增大燃燒反應(yīng)空間，降低火焰峰值溫度，使氧氣射流能夠卷吸更多的爐內(nèi)煙氣，實(shí)現(xiàn)整個(gè)爐膛內(nèi)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(shí)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(shí)間越長、氧化性氣氛濃度越高，氧化反應(yīng)越劇烈，鋼坯出爐氧化燒損越嚴(yán)重[11]。 無焰富氧燃燒技術(shù)縮短鋼坯的在爐時(shí)間，采用氧槍使?fàn)t內(nèi)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(shù)應(yīng)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(chǎn)線有大型步進(jìn)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(chǎn)能為260 t/h，設(shè)計(jì)冷裝料生產(chǎn)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(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度分別為400℃和320℃。

社會(huì)不斷進(jìn)步，科學(xué)不斷發(fā)展，庫存管理技術(shù)也獲得了更為完善的發(fā)展。隨著社會(huì)競爭程度越發(fā)加深，企業(yè)為了獲取更大的利潤就必須從更多的方面去探索發(fā)現(xiàn)，庫存管理作為一個(gè)重要的成本組成模塊，其控制技術(shù)的有效利用也作為重要項(xiàng)目而提升到許多企業(yè)的建設(shè)日程了。

2.2 無焰富氧燃燒技術(shù)應(yīng)用可行性分析

在不改變爐體結(jié)構(gòu)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(huì)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(xiàn)場對氮?dú)庑枨蟮牟粩嘣黾?，氧氣和氮?dú)庥昧坎黄ヅ?，目前平均約3 000 m3/h左右的氧氣過剩放散。

設(shè)計(jì)兩個(gè)方案提高產(chǎn)能，分別為增加燃料和采用無焰富氧燃燒技術(shù)。碳鋼板坯尺寸為135 mm×1 400 mm×15 000 mm。兩個(gè)方案的結(jié)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(jìn)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(jìn)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(jì)算氧化燒損將下降5%以上。因此，采用無焰富氧燃燒技術(shù)可行。

表1 增加燃料和采用無焰富氧燃燒技術(shù)的結(jié)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(shù)的安全性

對于軋鋼加熱爐富氧燃燒系統(tǒng)而言，富氧燃燒安全保護(hù)系統(tǒng)在生產(chǎn)中極其重要，關(guān)系到供氧系統(tǒng)能否將氧氣安全地供給到爐膛內(nèi)，并確保與爐內(nèi)燃?xì)獬浞秩紵?。還關(guān)系到加熱爐發(fā)生事故停機(jī)時(shí)的安全保護(hù)控制。無焰富氧燃燒技術(shù)具有以下安全保障：

（1）采用擴(kuò)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(jìn)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(shí)時(shí)檢測的雙重控制，實(shí)現(xiàn)氧濃度的精準(zhǔn)控制。

（3）氧氣供應(yīng)系統(tǒng)安全連鎖控制。與加熱爐自動(dòng)燒鋼系統(tǒng)的爐膛溫度、煤氣壓力、冷卻水壓力等10多個(gè)連鎖控制，當(dāng)出現(xiàn)氧氣濃度、氧氣壓力、機(jī)組故障等異常情況時(shí)，安全連鎖控制系統(tǒng)迅速切斷氧槍系統(tǒng)。

3 加熱爐無焰富氧燃燒關(guān)鍵技術(shù)

3.1 富氧段選擇及布置方式

無焰富氧燃燒技術(shù)氧槍布置俯視示意圖見圖4。

圖4 無焰富氧燃燒技術(shù)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(diǎn)以及物料本身的加熱特性后認(rèn)為，一加熱段鋼坯溫度較低、導(dǎo)熱系數(shù)較大，是快速加熱提溫、提高生產(chǎn)節(jié)奏的加熱段[9]，因此，氧槍選擇在一加熱段。2150生產(chǎn)線加熱爐一加熱段熱負(fù)荷率為30%左右，選擇在加熱爐一加熱段所有側(cè)燒嘴處布置高速氧槍，純氧氣流圍繞燒嘴火焰攪動(dòng)，其加熱速率及溫度均勻性得到提高，實(shí)現(xiàn)快速加熱的同時(shí)，保證加熱鋼坯的質(zhì)量。

3.2 氧濃度的精準(zhǔn)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(shè)有控制曲線，氧濃度根據(jù)空氣用量實(shí)時(shí)調(diào)整，空氣量設(shè)有下限控制，當(dāng)?shù)陀诖讼孪迺r(shí)氧槍富氧不投入使用；當(dāng)空氣用量增加時(shí)，氧濃度逐漸提高。

（2）氧濃度控制與原有系統(tǒng)中的空氣、煤氣流量控制系統(tǒng)銜接，原控制系統(tǒng)要保證空氣流量、煤氣流量及調(diào)節(jié)閥門的精準(zhǔn)測量及控制。

（3）依據(jù)爐膛溫度得出燒嘴負(fù)荷功率，再根據(jù)空燃比確定燃燒所需的氧氣量，傳輸?shù)窖鯘舛瓤刂葡到y(tǒng)，由該控制系統(tǒng)分配原燒嘴的空氣供應(yīng)量和氧槍用氧氣供應(yīng)量，氧氣總量始終與燃?xì)馊紵璧难鯕饬勘３制ヅ洹?/p>

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

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

1座加熱爐年產(chǎn)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(jié)約燃料成本68×8%=5.44元/t,則年節(jié)約燃料成本：150×115%×5.44≈938萬元/a；氧化燒損下降5%節(jié)約資金316萬元/a；增加氧氣消耗12 m3/t，氧氣單價(jià)為0.42元，則能耗增加150×115%×12×0.42≈869萬元/a，以上累計(jì)節(jié)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(yōu)化組產(chǎn)，3臺(tái)改為2臺(tái)運(yùn)行，節(jié)約效果會(huì)更明顯。

4.2 環(huán)保效益

采用無焰富氧燃燒技術(shù)后，抑制或減少NOX生成，實(shí)現(xiàn)煙氣中NOX和CO2減排；同時(shí)煙氣中CO2產(chǎn)生的體積占比增加，有利于CO2的捕集，具有良好的環(huán)保效益。

5 結(jié)論

（1）無焰富氧燃燒技術(shù)能夠提高氧氣利用率，氧濃度可以在21%～65%范圍內(nèi)靈活調(diào)整，具有提高產(chǎn)能、降低能耗及靈活組產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

（2）無焰富氧燃燒技術(shù)可實(shí)現(xiàn)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(zhì)量，降低氧化燒損，同時(shí)避免局部高溫，實(shí)現(xiàn)低氮燃燒，有利于環(huán)保。

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