富氧燃燒及其在再熱爐中的應用

鋼鐵再加熱是一個能源密集型的過程，需要在再加熱爐內實現均勻的溫度分布。歷史上，換熱器被用來預熱燃燒空氣，從而節約能源。最近的創新包括富氧（O2）和使用再生式燃燒器，它提供比換熱器更高的預熱空氣溫度。這些工藝都有局限性，如設備老化，隨著時間的推移能源效率下降，維護成本高，以及隨著空氣預熱溫度的提高，氮氧化物排放增加，除非使用特殊設備。

燃燒的啟動和維持有三樣東西是必要的。它們是燃料、氧氣和用于點火的足夠能量。如果燃料和氧氣能夠不受任何限制地相遇和反應，那么燃燒過程的效率是最高的。但在供熱實踐中，除了有效的燃燒，熱量的傳遞也是實際考慮的問題。

用于燃燒的普通空氣除了氧氣之外，還含有氮氣（N2）和氬氣（Ar）。在空氣-燃料燃燒器中，燃燒器的火焰含有來自燃燒空氣的氮氣。大量的燃料能量被用來加熱這些氮氣。熱的氮氣通過煙囪離開，造成能量損失。因此，空氣不能為燃燒和傳熱提供最佳條件。氮氣吸收的熱量要么被浪費掉，要么被回收以達到節能的目的。目前，在再熱爐中最好的空氣-燃料加熱系統，每噸鋼至少需要310兆卡，以達到軋制鋼鐵產品的適當溫度。

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，因為全氧燃燒允許更高的火焰溫度，而不是用空氣燃料火焰可以實現的。引入創新的全氧燃燒器技術（使用100%的氧氣）用于鋼的再加熱是一個非常新的現象。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，阿貢國家實驗室（ANL）進行了一些研究活動，包括技術經濟研究和試點規模研究的主題。

全氧燃料是指用工業級氧氣完全取代空氣作為燃燒的氧化劑來源的做法。工業級氧氣被定義為液態氧供應汽化為氣體或現場生成的氧氣。液體氧氣供應的純度通常超過99.99%，而現場生成的氧氣純度通常在90%至93%之間。使用現場產生的氧氣的優點是成本較低，因為產品不需要液化或運輸，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%）可以通過管道從空氣分離廠供應。

當使用工業級氧氣避免了氮氣時，就像在全氧燃燒的情況下，不僅燃燒本身更有效，而且熱傳導也更有效。全氧燃燒以多種方式影響著燃燒過程。第一個明顯的結果是由于廢氣量的減少而提高了熱效率，這是一個基本的結果，對所有類型的純氧燃料燃燒器都有效。此外，高輻射的燃燒產物--二氧化碳和水的濃度在爐內大氣中也會增加。對于加熱操作來說，這兩個因素導致了更高的加熱率，節省了燃料，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-燃料的燃燒過程。

圖1 全氧燃料和空氣-燃料的燃燒過程

 人們發現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解釋，這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，這影響了熱傳導和燃燒反應動力學。這些差異將在下文中說明。

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。

擴散性--二氧化碳的氧氣擴散率是N2的0.8倍。

爐內氣體的輻射特性： -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，純氧燃料對鋼鐵產品的加熱效率更高、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效率，減少燃料消耗，將鋼鐵產品加熱到所需溫度。使用純氧燃料還可以提高溫度的均勻性，并減少對環境的排放。

用工業級氧氣取代空氣的一般優點是，在燃燒過程中，空氣中的氮含量幾乎或完全被消除了。減少燃燒中的氮氣可以提高火焰溫度和燃燒效率，因為較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。在全氧燃燒過程中，會產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是，由于高發射率（火焰中的二氧化碳和水的濃度相當高）和火焰體積的減少，使其首先增強了向負載傳遞能量的能力，其次在能源效率方面也有額外的收獲。

對于連續加熱操作，也可以在爐子入口側以較高的溫度經濟地操作再加熱爐。這進一步增加了再加熱爐的可能產量。據觀察，全氧燃燒的能源效率與具有高度預熱燃燒空氣設備的再加熱爐相當，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。

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做功。因此，當可用熱量增加時，做恒定數量的工作所需的總能量輸入量就會減少。

增加加熱率會導致更高的產量。產量增加的實際限制取決于負載的吸熱能力以及負載受熱的時間和溫度。從各種全氧燃燒裝置中得到的經驗是，在大多數操作中，產品產量可以增加，而不需要增加爐溫設定點，但那些已經滿足設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加熱能力和生產率有積極影響。

由于輻射傳熱取決于從源頭到接收器的溫度差的四次方，全氧燃燒導致火焰到負載的輻射潛力大大增加。全氧燃燒的燃燒產物也是更好的輻射傳熱來源。這是因為空氣燃料的大部分燃燒產物是氮氣，它不像二氧化碳和水蒸氣那樣是一種有效的輻射傳熱機制，而二氧化碳和水蒸氣構成了全氧燃燒的大部分產物。

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果是減少了燃料消耗。隨著燃料消耗的減少，在一定的時間內或每單位的負荷加熱中，二氧化碳的排放也會降低。通過全氧燃燒，燃燒產物中的氮氣分壓大大降低，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備）相比，選擇使用全氧燃燒有時可以降低資本投資。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，也不需要電動通風扇。同時，燃燒空氣鼓風機和相關的低頻噪音問題也被避免了。此外，在某些情況下，由于更好的控制和更短的加熱時間，向全氧燃燒的轉換導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，體積和長度更小。在設計用于鋼鐵再加熱的純氧燃燒器系統時，需要考慮純氧燃料的火焰特性。一般來說，鋼鐵加熱需要均勻的溫度分布，以避免產品的局部過度加熱或加熱不足。全氧燃燒器的類型和位置取決于爐子的類型和火焰與鋼鐵產品的接近程度。

雖然對效率有很大的好處，但全氧燃燒的產品量少，在設計燃燒控制系統時需要特別注意。燃燒比的適當控制對于鋼鐵加熱過程至關重要，因為燃燒的產物構成了加熱氣氛，并最終影響到水垢形成的速度和類型。在空氣燃料燃燒系統中，與空氣一起進入燃燒過程的大量氮氣提供了一個阻尼器或安全因素，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氣氛對水垢的形成沒有不利影響，在某些情況下還被證明是一種好處。燃燒產物中較高的CO2和H2O分壓提供了一個更有效的傳熱機制，允許增加加熱速率，從而減少了結垢的時間因素。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為是由于全氧燃燒的氣氛迅速產生了一個薄而密集的氧化層，防止了進一步的氧化和鱗片的形成。

無焰純氧燃料燃燒

近年來，"無焰純氧燃燒 "已被采用。這種表達方式傳達了燃燒類型的視覺方面，也就是說，火焰不再被人眼看到或容易發現。另一種描述可能是，燃燒在時間和空間上是'延伸'的--它以大體積散開，這就是為什么它有時被稱為'體積燃燒'。這樣的火焰具有均勻和較低的溫度，但含有相同數量的能量。

在無焰氧燃料燃燒中，火焰被熱爐氣稀釋。這降低了火焰溫度，以避免產生熱氮氧化物，并實現對鋼材更均勻的加熱。

在無焰氧燃料中，燃料和氧化劑的混合物通過火焰體積均勻地發生反應，其速度由反應物的分壓和溫度控制。無焰氧燃料燃燒器有效地將燃燒氣體分散到整個爐子里，即使安裝的燃燒器數量有限，也能確保對材料進行更有效、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，這一點最近一直被強調，例如使用高爐爐頂氣體。

氧燃料燃燒器一直是強大而緊湊的，新一代的無焰氧燃料燃燒器保持了其緊湊的設計，以方便交換已經安裝的氧燃料燃燒器，并方便空氣燃料裝置的改造。此外，無焰純氧燃燒不僅增加了更多的優勢，而且開辟了新的應用，所有這些都支持大幅降低環境影響。

在已經實施全氧燃燒技術的鋼鐵廠中，正在獲得以下結果。

再生爐的吞吐能力提高了50%。

節省燃料消耗達50％。

二氧化碳的排放量減少到50%。

降低氮氧化物的排放量

減少再加熱過程中的水垢損失

對鋼材的表面質量沒有負面影響

對鋼材的溫度均勻性有積極影響

可以更容易地實現控制系統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境。