双蓄热加热炉采用富氧燃烧的可行性研究

叶学良,郑玉光

(1.北京首钢国际工程技术有限公司,北京 100043;2.北京市冶金三维仿真设计工程技术研究中心,北京 100043;3.北京恒拓能源与环境工程技术有限公司,北京 100085)

1 前 言

西部某实业有限公司轧钢一厂现有一条年产量80万t 的棒材生产线,配套一座布置在5 m平台上的135 t/h(冷装)高炉煤气双蓄热式加热炉,2021年对棒材生产线进行升级改造后年产量达100万t,对加热炉的加热能力要求提高到155 t/h(冷装),现有加热炉不能满足轧线生产需求。结合实业公司内部制氧厂制氧机组能力较大,有富裕的氧气资源供加热炉使用,2022年轧钢一厂提出对棒材加热炉采用富氧燃烧技术改造的要求。本文就棒材高炉煤气双蓄热式加热炉采用富氧燃烧技术进行可行性研究。

2 蓄热式燃烧理论

2.1 蓄热式燃烧发展及现状

蓄热式燃烧技术是20世纪80年代在工业炉领域开发并得到大力推广的新型燃烧技术,在国外被称为高温空气燃烧(high temperature air combustion,简称HTAC)技术[1]。近几十年来蓄热式燃烧技术在工业炉领域发展非常迅速,实现了助燃空气高温(约1 000 ℃)[2]和低氧浓度(2%～5%)条件下的特殊燃烧过程,特别有效地降低了烟气中很难去除的NOx等有害物质,具有显著的节能减排效果,被广泛应用于钢铁工业炉窑领域。

蓄热式燃烧技术经历了两个重要的发展阶段:

(1)1982年英国的Hotwork Development公司和British Gas 公司合作开发了用于小型玻璃熔化炉的蓄热式陶瓷燃烧器(regenerative ceramic burner,简称RCB),节能效果十分显著。这种技术被称为“第一代蓄热燃烧技术”,其主要目的是节能。

(2)到了20世纪90年代日本学者田中良一等人将回收烟气余热和高效燃烧及降低NOx排放等技术有机地结合起来,从而实现了节能和降低NOx排放的双重目的。这种技术开创了针对燃用清洁或较清洁的气体和液体燃料的工业炉开发应用蓄热式高温空气燃烧技术的新时代,发展成了真正意义上的“蓄热式高温空气燃烧技术”,实现了既节能又环保的目标。这种技术被称为“第二代蓄热燃烧技术”。

2.2 蓄热式燃烧分类

根据蓄热式燃烧技术是否需要换向分为换向式蓄热燃烧系统和连续式蓄热燃烧技术。

2.2.1 换向式蓄热式燃烧

换向式蓄热燃烧在国内工业炉上得到广泛应用,由燃烧器、换向阀、蓄热器与控制系统过程。燃烧器成对布置,交替工作,使得两组蓄热体可以实现交替吸热放热的热工过程。换向式蓄热式燃烧技术具有以下特点:

(1)空煤气双预热到约1 000 ℃,排烟温度不高于150 ℃,最大限度回收高温烟气余热,降低了燃料消耗,燃料节约率可提高30%左右;

(2)提高了火焰温度,扩大了燃料范围,使得低发热值的高炉煤气也可以用于燃烧;

(3)火焰在炉膛空间内才开始燃烧,燃烧噪声低;

(4)空煤气射流速度高,卷吸炉内烟气,可实现贫氧稳定燃烧,降低火焰温度峰值,火焰燃烧形式为弥散式,炉膛温度均匀,提高坯料温度均匀性;

(5)蓄热式燃烧自动化水平高,大大改善了劳动条件和劳动强度;

(6)每次换向都是进气-排烟(或排烟-进气)的过程,炉内火焰燃烧瞬间消失,又迅速反向恢复,带来的炉膛压力波动较大,气流量越大,炉压波动越严重;

(7)气体中杂质覆盖在蓄热体表面形成额外的热阻,降低热交换效果,和气体预热温度;

(8)换向形成氧化-还原交替变化的加热氛围,对某些钢种(如含Mo、Ni钢种)加热质量形成不利影响。

2.2.2 连续式蓄热式燃烧

连续式蓄热燃烧技术的研究稍晚于换向式蓄热燃烧技术的研究,国内在2002年也开始这方面的研究,提出了回转式蓄热器、挡位式蓄热器、自身预热烧嘴等多种应用连续式蓄热燃烧技术的装置。连续式蓄热燃烧技术保持了换向式蓄热燃烧技术的优点,同时克服了换向引起的炉压波动和加热氛围交替的不足。燃料供应连续,可以连续调节火焰大小,不需要采用长明灯或执勤烧嘴保持蓄热式烧嘴燃烧。

3 富氧燃烧理论

3.1 富氧燃烧发展及现状

富氧燃烧(oxygen enriched combustion,简称OEC)技术[3-4]是20世纪70—80年代提出的燃烧的节能技术,初期由于制氧成本较高,经济效益并不明显。近十几年来由于制氧成本的降低和节能减排的迫切需要,富氧燃烧技术得到了迅速发展,成为钢铁工业提高能源效率、降低污染物排放的最佳技术之一,被发达国家称为“资源创造性技术”。在国内外钢铁工业炉窑上得到了广泛的研究和应用。

富氧燃烧是指用比通常空气(含氧21%)含氧浓度高的富氧空气作为助燃剂进行燃烧,简称OEC,是燃烧领域的一种新型节能技术,富氧的极限就是纯氧。

富氧燃烧技术在20世纪70—80年代由Horne和Steinburg提出,在美国能源部的资助下,美国阿贡国家实验室(ANL)对富氧燃烧技术进行了研究。由于富氧成本过高,该技术在工业上一直未能得到广泛推广。近些年来随着富氧成本不断降低和节能减排的迫切需求,富氧燃烧技术得到了迅速发展。

传统的富氧燃烧是指利用富氧空气与燃料进行混合并燃烧,或者在原燃烧器下方直接喷入纯氧从而提高燃料的燃烧效率。随着富氧技术的发展和加热炉工艺技术的提高,已开发出多种先进的富氧燃烧技术(如无焰纯氧燃烧等)和相关配套设备(如富氧燃烧器等)。

3.2 富氧燃烧特点

与普通燃烧相比,富氧燃烧具有以下特点:

(1)提高火焰温度和燃料燃烧效率,降低燃料燃点温度,缩短加热时间;

(2)提高热利用率,提高产量;

(3)具有辐射能力的三分子结构的燃烧产物量增多,提高了炉内传热效率;

(4)节能减排,助燃空气中氮含量的降低节约了燃料,减少了氮氧化物排放,减少了排烟热量损失;

(5)减少加热设备尺寸,降低投资成本和维护费用。

4 加热炉富氧改造

4.1 加热炉现状

棒材生产线高炉煤气双蓄热式加热炉布置在5 m平台上,加热炉采用空煤气双蓄热式燃烧技术,烧嘴布置在加热炉两侧侧墙上,在每个柱距间上下布置两个空气蓄热式烧嘴(或高炉煤气蓄热式烧嘴),空气蓄热式烧嘴与高炉煤气蓄热式烧嘴间隔交替布置,详见图1。

图1 蓄热式烧嘴布置示意图

加热炉用高炉煤气成分见表1。

表1 高炉煤气成分表 %

加热炉现行运行参数见表2。

表2 加热炉运行参数表

4.2 加热炉改造方案选择

高炉煤气是高炉炼铁生产过程中产生的副产品,其中N2含量高达50.5%,是一种低热值燃料,低发热值为837×4.18 kJ/m3(标准),理论燃烧温度约为1 400 ℃,直接燃烧不能满足加热炉的温度要求。高炉煤气理论燃烧温度Tad计算见式(1)[5]:

Tad=(Q1+Q2+Q3-Q4)/(Vn·c5)

(1)

式中:Q1为高炉煤气低发热量,kJ/m3;Q2为空气带入的物理热,kJ/m3;Q3为高炉煤气带入的物理热,kJ/m3;Q4为分解热,kJ/m3;Vn为实际燃烧产物的生成量,m3/m3;c5为燃烧产物的平均比热容,kJ/(m3· ℃)。

从式(1)中可以看出,要想提高高炉煤气理论燃烧温度,满足加热炉加热温度要求,可以通过提高式(1)中分子或减小分母的方法实现(当燃烧温度低于1 800 ℃时分解热Q4可以忽略不计)。

高炉煤气双蓄热式燃烧是通过将空气和高炉煤气均预热到1 000 ℃,提高式(1)中分子Q2和Q3来提高理论燃烧温度,满足加热炉加热温度要求。

富氧燃烧是通过减少助燃空气量中的N2来降低实际燃烧产物的生成量,减少式(1)中分母Vn来提高理论燃烧温度,满足加热炉加热温度要求。

加热炉升级改造方案选择受以下几个因素影响:

(1)燃料:公司内部无法协调其他高热值燃料供加热炉使用,燃料只能采用高炉煤气。

(2)场地:加热炉设置在5 m平台上,受5 m平台尺寸限制,无法通过延长炉长来增加供热量。

(3)炉侧空间:如图1所示,原加热炉侧墙上已布满烧嘴,既不能通过增加烧嘴数量来增加供热量,也没有足够的空间布置纯氧氧气喷枪。

(4)氧气资源:公司内部制氧厂制氧机组能力较大,约有2 500 m3/h(标准)的氧气被放散,可以作为氧气来源供加热炉使用。

综合以上影响因素,采用可以提高热利用率、降低能耗的富氧燃烧技术是加热炉升级改造的最佳选择方向。

4.3 富氧燃烧形式选择

富氧燃烧主要分为以下几种形式[6]:

1)纯氧燃烧

利用纯氧替代助燃空气参与燃烧,配置纯氧燃烧器,强化加热能力高,运行成本高。

2)空气-氧气双助燃燃烧

由两个不同的通道射入空气和氧气参与燃烧,相当于在常规烧嘴上增加一个全氧燃烧器,可以使用高浓度氧气,运行费用低于全氧燃烧。

3)吹氧燃烧

向空气助燃的常规烧嘴产生的火焰中直接喷入氧气,是分段燃烧的一种形式,属于低浓度富氧燃烧。通常从火焰下方吹入氧气,位于燃烧器和加热物料之间,热量集中于下游的加热物料上,对炉顶耐材影响较小。

4)空气增氧燃烧

将氧气和空气在空气总管中掺混均匀,使混合空气呈微富氧状态再送入燃烧器参与燃烧。一般常规空气助燃燃烧器均可使用微富氧燃烧,常规燃烧系统适应性改造少,实施周期短,改造成本低,氧气系统与助燃空气系统接入和脱离方便可靠。

根据轧钢一厂的实际情况和富氧燃烧几种形式特点,确定加热炉升级改造采用空气增氧燃烧形式的富氧燃烧,富氧率设定为28%。

4.4 富氧燃烧对加热炉的影响

根据富氧燃烧相关文献可知,空气增氧燃烧将在以下几个方面对加热炉产生影响:

(1)空气增氧燃烧只需要在空气总管处增加环流掺混器将氧气与空气掺混均匀,管道、管道上安装的调节设备和检测设备、双蓄热式烧嘴均可以利用,不需要改造;

(2)根据质量作用定律,助燃空气中氧浓度加大将加快高炉煤气燃烧速度,降低高炉煤气的不完全燃烧的可能性,减少烟气排放中CO的浓度,提高燃料利用率;

(3)空气中氧气与氮气体积比大约为1∶4,助燃空气中增加1%的氧气,则减少4%的氮气,减少3%～4%的烟气排放,降低产品单位能耗约2%,有助于提高加热炉产能;

(4)富氧燃烧可以提高燃料理论温度及黑度[7],增加燃烧产物辐射传热能力和热传递的效率,缩短单位厚度产品加热时间,富氧率提高1%,加热能力提高3%;

(5)蓄热式燃烧的换向动作可降低富氧燃烧火焰短、火焰温度高对加热炉的影响,提高坯料加热均匀性;

(6)蓄热式燃烧技术的高速燃气射流、空气射流可大范围卷吸炉内烟气形成贫氧气氛,燃气在炉内保持弥散式扩散,实现贫氧稳定燃烧,形成无焰燃烧;

(7)炉内贫氧气氛可有效降低对坯料的氧化烧损,提高产品成材率[8];

(8)炉内贫氧低氮气氛可保持低浓度氮氧化物的排放。

5 方案可行性分析

5.1 技术可行性分析

按富氧率为28%计算技术升级改造后加热炉加热能力,单位产品能耗,高炉煤气、助燃空气及氧气用量,烟气生成量。

加热炉加热能力Q计算公式见式(2),单位产品能耗E计算公式见式(3):

Q=Q0+(F0-21%)×R1

(2)

E=E0+(F0-21%)×R2

(3)

式中:Q为加热炉改造后加热能力,t/h;Q0为加热炉改造前加热能力,t/h;E为加热炉改造后单位产品能耗,GJ/t;E0为加热炉改造前单位产品能耗,GJ/t;F0为富氧后氧气含量,%;R1为富氧1%后产能提升比例,%;R2为富氧1%后单位产品能耗降低比例,%;21%为空气中氧气含量。

计算结果表明富氧率为28%时加热炉加热能力最大为163 t/h,单位产品能耗为0.99 GJ/t。

根据轧线生产要求,加热炉按155 t/h计算,技术升级改造后加热炉运行参数见表3。

表3 技术升级改造后加热炉运行参数表

技术升级改造后高炉煤气量为51 000 m3/h(标准),是原煤气量的97%,助燃富氧空气量为23 100 m3/h(标准),是原助燃空气量的77%,均在流量检测装置的有效量程内,可以为燃烧控制提供准确的参数。

高炉煤气资源、氧气资源、助燃鼓风机、空气排烟风机、煤气排烟风机均能满足加热炉技术升级改造要求。

5.2 经济可行性分析

5.2.1 经济效益

轧钢一厂棒材加热炉运行所需主要原料及动力在实业有限公司内部结算价格如下:

高炉煤气单价0.12 元/m3(标准),氧气单价0.25 元/m3(标准),用电单价0.45 元/(kW·h)。

经济效益见表4。

表4 经济效益对比表

由表4可见吨钢综合费用节约48.26-44.29=3.97元。

轧钢一厂棒材3#加热炉年产量为100 万t,每年综合费用节约为 1 000 000×3.97=397 万元。

5.2.2 技术升级改造投资

技术升级改造需新增外线氧气阀站1套,环流掺混器1套,炉前氧气管线1套,氧气阀站基础1件,具体投资见表5。

表5 技术升级改造投资表

5.2.3 静态回收期

从工程投产年算起,用每年的净收益将初始投资全部回收的时间为静态投资回收期[9],静态回收期计算公式见式(4):

Pt=CI/CO

(4)

式中:Pt为静态回收期,年;CI为项目投产后每年的净收益,万元;CO为项目初始投资,万元。

技术升级改造初始投资310 万元,投产后年收益为397 万元,静态投资期为9.4 月,项目具有一定的盈利能力。

5.3 环保可行性分析

采用28%富氧燃烧技术后,轧钢一厂棒材3#加热炉节约高炉煤气650 万m3/a(标准),减少烟气排放7 637.5 万m3/a(标准),减少二氧化碳排放5 841 t/a。

蓄热式燃烧与富氧燃烧均可实现低氮氧化物排放,丁毅等[10]对马钢板坯加热炉采用富氧燃烧前后烟气中的氮氧化物排放进行了跟踪测试,测试结果表明氮氧化物排放浓度没有明显差异,且均符合国家超低排放限额要求,减少氮氧化物排放10.1 t/a。

6 结 语

蓄热式燃烧和富氧燃烧均是先进的燃烧节能科技,通过对富氧燃烧与蓄热式燃烧相结合的可行性研究,发现在高炉煤气双蓄热式加热炉上采用富氧燃烧技术,兼有富氧燃烧和蓄热式燃烧的优点,并克服了富氧燃烧火焰短,火焰温度高的缺点,是一种新的节能减排、提产增效的新思路。

国内现存众多在工厂设计时间较早,场地空间紧凑的高炉煤气双蓄热式加热炉,在轧线提升产能后不能通过延长炉长来满足轧线的加热要求。当有适量富裕氧气且提产要求幅度不大时,可以通过在蓄热式燃烧基础上采用富氧燃烧技术来解决产能提升,用较小的建设成本达到提产增效与节能减排的目的。

本文仅对可行性理论进行了研究,尚无实际工程佐证,希望能起到抛砖引玉的作用,引发更多工作者对此做出更多、更深的研究和应用。