富氧燃烧与蓄热式燃烧器提升钢材加热炉效率

加热炉富氧燃烧技术概述

钢材加热是高能耗工艺，要求加热炉内温度分布均匀。历史上用回收器预热燃烧空气以节能。近期创新包括氧气（O₂）富集和蓄热式燃烧器，其预热空气温度高于回收器。但这些工艺存在设备老化、能效随时间下降、维护成本高、空气预热温度升高导致NOx排放增加（除非用特殊设备）等局限。

燃烧启动和维持需要三要素：燃料、氧气、足够点火能量。燃料与氧气无阻碍相遇反应时燃烧效率最高。但加热实践中，除高效燃烧外，传热也是实际考量。

普通燃烧空气除氧气外含氮气（N₂）和氩气（Ar）。空气-燃料燃烧器火焰含来自燃烧空气的氮。大量燃料能量用于加热氮气，热氮随烟气排出造成能量损失。故空气非燃烧和传热最优条件。氮气吸收的热量或浪费，或需回收节能。当今最佳空气-燃料加热系统，每吨钢至少需310 MCal才能达到轧制所需温度。

富氧燃烧发展历程

历史上，富氧燃烧主要用于金属（特别是钢材）焊接切割，因其火焰温度高于空气-燃料火焰。创新富氧燃烧器技术（用100%氧气）用于钢材加热是近期现象。1982年Abraham提出富氧燃烧概念，旨在提供富二氧化碳（CO₂）烟气。因潜在效益，阿贡国家实验室（ANL）开展技术经济研究和中试研究。

富氧燃烧指完全用工业级氧气替代空气作为燃烧氧化剂。工业级氧气定义为液氧汽化气体或现场制氧。液氧纯度通常>99.99%，现场制氧纯度通常90%-93%。现场制氧优势是成本低，无需液化运输，低压输送降低功耗。设有空分装置的联合钢厂可通过管道供应高纯氧（99.99%）。

采用工业级氧气避免氮气后，燃烧本身更高效，传热也更优。富氧燃烧以多种方式影响燃烧过程。首要结果是排烟量减少导致热效率提高，这对所有类型富氧燃烧器基本通用。此外，炉膛气氛中高辐射燃烧产物CO₂和H₂O浓度增加。对加热作业，这两因素导致加热速率提高、节燃、降低CO₂和NOx排放，若燃料含硫则降低SOx排放。图1展示富氧燃烧与空气燃烧对比。

图1 富氧燃烧与空气燃烧工艺对比

富氧燃烧与空气燃烧在许多方面不同，包括火焰温度降低和点火延迟。许多影响可用CO₂与N₂（分别为富氧和空气燃烧主稀释气体）性质差异解释。CO₂性质与N₂不同，影响传热和燃烧反应动力学，差异如下：

• 密度：CO₂分子量44，N₂为28，故富氧燃烧烟气密度更高。
• 热容：CO₂热容高于N₂。
• 扩散性：氧在CO₂中扩散率为在N₂中0.8倍。
• 炉气辐射特性：富氧燃烧CO₂和H₂O水平更高，两者发射能力强。

与空气燃烧相比，富氧燃烧使钢材加热更高效、更快。富氧燃烧热效率约80%，空气燃烧仅40%-60%。富氧燃烧提高生产率，降低燃料消耗，改善温度均匀性，减少环境排放。

用工业级氧气替代空气的总体优势：随空气带入燃烧过程的氮含量几乎或完全消除。燃烧中氮减少使火焰温度和燃烧效率提高，因燃烧气体体积减少，减少从火焰带走并随排气损失的热量。富氧燃烧产生主要由CO₂和水蒸气组成的气体。

富氧燃烧传热特点：因高发射率（火焰中CO₂和H₂O浓度高）和火焰体积减小，呈显著局部传热，首先增强向负荷传递能量能力，其次额外提高能效。

连续加热作业中，也可经济地在炉子入口侧以更高温度运行，进一步提高炉子产量。观察到富氧燃烧能效相当甚至优于高预热燃烧空气的加热炉。使用富氧燃烧相较空气燃烧的益处：

• 可用热量大幅增加（总能量输入减去排气损失），直接关联能耗降低。
• 可用热量增加意味着排气损失减少，更大比例总能量输入用于炉内作业。可用热量增加时，完成恒定工作量所需总能量输入减少。
• 加热速率提高带来产量增加。产量增加实际极限取决于负荷吸热能力及负荷暴露于热的时间温度。各富氧燃烧安装经验表明，除已达设定温度升限的加热炉外，大多数作业可在不提高炉温设定点情况下提高产品产量。除可用热量增加外，更高富氧火焰温度和燃烧气体辐射潜力对加热能力和生产率有积极影响。
• 辐射传热取决于源-受体温差四次方，富氧燃烧导致火焰-负荷辐射潜力大幅增加。富氧燃烧产物也是更好的辐射传热源。因空气燃烧产物以氮为主，辐射传热效率不如富氧燃烧产物主成分二氧化碳和水蒸气。
• 减少炉子排放——富氧燃烧排气量大幅降低。总排气量通常比空气燃烧少70%-90%。最明显结果是燃料消耗减少。燃料消耗减少导致单位时间或单位负荷加热的CO₂排放降低。富氧燃烧中燃烧产物氮分压大幅降低，即使在高火焰温度下也降低NOx生成潜力。
• 烟气中污染物浓度更高，便于分离
• 烟气以CO₂为主，适合封存

除上述益处，富氧燃烧有时比回收器或排放控制设备等提高效率的其他方法资本投入更低。富氧燃烧使所有安装管道和流程紧凑，无需回收或蓄热式热回收装置。也大幅减小燃烧器、炉子和烟气管道尺寸，无需电动通风风机。避免燃烧空气鼓风机及相关低频噪音问题。此外，某些情况下转用富氧燃烧因控制更好、加热时间缩短，减少氧化皮损失。

富氧火焰温度更高，体积和长度比空气燃料火焰小。设计钢材加热用富氧燃烧器系统时须考虑火焰特性。钢材加热通常要求温度分布均匀，避免制品局部过热或欠热。富氧燃烧器类型和布置取决于炉型及火焰与钢材距离。

富氧燃烧虽大幅提升效率，但低燃烧产物体积在设计燃烧控制系统时需特别注意。燃烧比例精确控制对钢材加热至关重要，因燃烧产物构成加热气氛，最终影响氧化皮形成速率和类型。空气燃烧系统中，随空气带入的大量氮为空燃比变化提供缓冲/安全系数。富氧燃烧中此缓冲几乎完全消失。这意味着富氧燃烧中氧燃比百分比变化对加热炉气氛影响比空气燃烧同等变化大得多。

富氧燃烧改变炉气氛对氧化皮形成无不利影响，某些情况下甚至有益。燃烧产物中CO₂和H₂O分压升高提供更高效传热机制，加快加热速率，减少氧化皮形成时间因素。对比空气燃烧和富氧燃烧，氧化皮特性随富氧燃烧改变。钢材表面形成的氧化皮比空气燃烧更薄。原因推测是富氧气氛快速形成薄而致密氧化层，阻止进一步氧化和氧化皮形成。

无焰富氧燃烧

近年采用“无焰富氧燃烧”。该术语传达燃烧视觉特征：火焰不再肉眼可见或难以察觉。另一描述：燃烧在时间和空间上“延展”——分散在大体积，故称“体积燃烧”。此类火焰温度均匀且较低，但含相同能量。

无焰富氧燃烧中，火焰被高温炉气稀释，降低火焰温度避免热力学NOx生成，实现钢材更均匀加热。

无焰富氧燃烧中，燃料与氧化剂混合物在火焰体积内均匀反应，速率由反应物分压和温度控制。无焰富氧燃烧器有效分散燃烧气体至整个炉膛，即使安装燃烧器数量有限，也能确保材料更有效均匀加热——分散火焰仍含相同能量但分布体积更大。较低火焰温度大幅减少NOx生成。低NOx排放对全球变暖也重要；NO₂全球变暖潜能值近CO₂的300倍。且可行低热值燃料，如近期强调的高炉煤气。

富氧燃烧器一直强劲紧凑，新一代无焰富氧燃烧器保持紧凑设计，便于更换已安装富氧燃烧器和空气燃料装置改造。此外，无焰富氧燃烧不仅增加优势，还开拓新应用，支持大幅降低环境影响。

已实施富氧燃烧技术的钢厂获得以下成果：

• 加热炉产能提升高达50%
• 燃料消耗节省高达50%
• CO₂排放减少高达50%
• NOx排放量降低
• 加热氧化皮损失减少
• 钢材表面质量无负面影响
• 钢材温度均匀性正面影响
• 更易实现控制系统建议的理想加热曲线
• 炉烟囱冒烟减少，大幅改善厂区环境