富氧燃烧及其在再热炉中的应用

钢铁再加热是一个能源密集型的过程，需要在再加热炉内实现均匀的温度分布。历史上，换热器被用来预热燃烧空气，从而节约能源。最近的创新包括富氧（O2）和使用再生式燃烧器，它提供比换热器更高的预热空气温度。这些工艺都有局限性，如设备老化，随着时间的推移能源效率下降，维护成本高，以及随着空气预热温度的提高，氮氧化物排放增加，除非使用特殊设备。

燃烧的启动和维持有三样东西是必要的。它们是燃料、氧气和用于点火的足够能量。如果燃料和氧气能够不受任何限制地相遇和反应，那么燃烧过程的效率是最高的。但在供热实践中，除了有效的燃烧，热量的传递也是实际考虑的问题。

用于燃烧的普通空气除了氧气之外，还含有氮气（N2）和氩气（Ar）。在空气-燃料燃烧器中，燃烧器的火焰含有来自燃烧空气的氮气。大量的燃料能量被用来加热这些氮气。热的氮气通过烟囱离开，造成能量损失。因此，空气不能为燃烧和传热提供最佳条件。氮气吸收的热量要么被浪费掉，要么被回收以达到节能的目的。目前，在再热炉中最好的空气-燃料加热系统，每吨钢至少需要310兆卡，以达到轧制钢铁产品的适当温度。

从历史上看，全氧燃烧的主要用途是焊接和切割金属，特别是钢铁，因为全氧燃烧允许更高的火焰温度，而不是用空气燃料火焰可以实现的。引入创新的全氧燃烧器技术（使用100%的氧气）用于钢的再加热是一个非常新的现象。全氧燃烧的概念是由亚伯拉罕在1982年提出的，目的是提供富含二氧化碳（CO2）的烟气。由于其潜在的好处，阿贡国家实验室（ANL）进行了一些研究活动，包括技术经济研究和试点规模研究的主题。

全氧燃料是指用工业级氧气完全取代空气作为燃烧的氧化剂来源的做法。工业级氧气被定义为液态氧供应汽化为气体或现场生成的氧气。液体氧气供应的纯度通常超过99.99%，而现场生成的氧气纯度通常在90%至93%之间。使用现场产生的氧气的优点是成本较低，因为产品不需要液化或运输，并且在较低的压力下输送，以尽量减少电力消耗。在有炼钢空气分离厂的综合钢铁厂，高纯度的氧气（99.99%）可以通过管道从空气分离厂供应。

当使用工业级氧气避免了氮气时，就像在全氧燃烧的情况下，不仅燃烧本身更有效，而且热传导也更有效。全氧燃烧以多种方式影响着燃烧过程。第一个明显的结果是由于废气量的减少而提高了热效率，这是一个基本的结果，对所有类型的纯氧燃料燃烧器都有效。此外，高辐射的燃烧产物--二氧化碳和水的浓度在炉内大气中也会增加。对于加热操作来说，这两个因素导致了更高的加热率，节省了燃料，降低了二氧化碳和氮氧化物的排放，如果燃料含有硫磺，则降低了硫氧化物的排放。图1显示了氧气-燃料和空气-燃料的燃烧过程。

图1 全氧燃料和空气-燃料的燃烧过程

 人们发现氧燃料燃烧在许多方面与空气燃烧不同，包括火焰温度降低和火焰点火延迟。全氧燃料燃烧的许多影响可以用CO2和N2之间的气体特性差异来解释，这两种气体分别是全氧燃料和空气中的主要稀释气体。二氧化碳具有与N2不同的特性，这影响了热传导和燃烧反应动力学。这些差异将在下文中说明。

密度 - CO2的分子量为44，而N2的分子量为28，因此在全氧燃料燃烧中，烟气的密度更高。

热容量--二氧化碳的热容量比N2高。

扩散性--二氧化碳的氧气扩散率是N2的0.8倍。

炉内气体的辐射特性： -氧燃料燃烧有较高的CO2和H2O水平，两者都有较高的排放能力。

与空气燃料相比，纯氧燃料对钢铁产品的加热效率更高、更快。全氧燃料的热效率约为80％，而空气燃料的效率约为40％至60％。使用纯氧燃料可以提高生产效率，减少燃料消耗，将钢铁产品加热到所需温度。使用纯氧燃料还可以提高温度的均匀性，并减少对环境的排放。

用工业级氧气取代空气的一般优点是，在燃烧过程中，空气中的氮含量几乎或完全被消除了。减少燃烧中的氮气可以提高火焰温度和燃烧效率，因为较低的燃烧气体量减少了从火焰中获取并流失到排气中的热量。在全氧燃烧过程中，会产生一种主要由二氧化碳和水组成的气体。

全氧燃烧的热传递的特点是，由于高发射率（火焰中的二氧化碳和水的浓度相当高）和火焰体积的减少，使其首先增强了向负载传递能量的能力，其次在能源效率方面也有额外的收获。

对于连续加热操作，也可以在炉子入口侧以较高的温度经济地操作再加热炉。这进一步增加了再加热炉的可能产量。据观察，全氧燃烧的能源效率与具有高度预热燃烧空气设备的再加热炉相当，甚至更好。因此，与空气-燃料燃烧相比，使用纯氧燃料的好处如下。

与空气燃料燃烧相比，全氧燃烧导致可用热量（输入的总能量减去损失到排气中的能量）大幅增加。可用热量的增加与能源消耗的减少直接相关。

燃烧可用热量的增加意味着损失到废气中的热量更少，并且总能量输入的更大比例被留在炉内做功。因此，当可用热量增加时，做恒定数量的工作所需的总能量输入量就会减少。

增加加热率会导致更高的产量。产量增加的实际限制取决于负载的吸热能力以及负载受热的时间和温度。从各种全氧燃烧装置中得到的经验是，在大多数操作中，产品产量可以增加，而不需要增加炉温设定点，但那些已经满足设定温度斜坡限制的再加热炉除外。除了可用热量的增加，更高的全氧燃烧火焰温度和燃烧气体的辐射潜力对加热能力和生产率有积极影响。

由于辐射传热取决于从源头到接收器的温度差的四次方，全氧燃烧导致火焰到负载的辐射潜力大大增加。全氧燃烧的燃烧产物也是更好的辐射传热来源。这是因为空气燃料的大部分燃烧产物是氮气，它不像二氧化碳和水蒸气那样是一种有效的辐射传热机制，而二氧化碳和水蒸气构成了全氧燃烧的大部分产物。

减少炉子的排放 - 全氧燃烧的排气量大大降低。使用纯氧燃料的总排气量通常比空气燃料的总排气量少70%至90%。使用全氧燃烧最明显的结果是减少了燃料消耗。随着燃料消耗的减少，在一定的时间内或每单位的负荷加热中，二氧化碳的排放也会降低。通过全氧燃烧，燃烧产物中的氮气分压大大降低，即使在火焰温度升高的情况下，也降低了氮氧化物形成的可能性。

烟气中污染物的浓度更高，使分离更容易。

烟气中主要是二氧化碳，适合封存

除了上述的好处外，与其他提高效率的方法（如换热器或排放控制设备）相比，选择使用全氧燃烧有时可以降低资本投资。全氧燃烧可以使所有的安装管道和流道紧凑，而不需要任何换热或再生热回收装置。它还大大减少了燃烧器、炉子和烟气管道的物理尺寸，也不需要电动通风扇。同时，燃烧空气鼓风机和相关的低频噪音问题也被避免了。此外，在某些情况下，由于更好的控制和更短的加热时间，向全氧燃烧的转换导致了更少的水垢损失。

与空气燃料火焰相比，纯氧燃料火焰的温度更高，体积和长度更小。在设计用于钢铁再加热的纯氧燃烧器系统时，需要考虑纯氧燃料的火焰特性。一般来说，钢铁加热需要均匀的温度分布，以避免产品的局部过度加热或加热不足。全氧燃烧器的类型和位置取决于炉子的类型和火焰与钢铁产品的接近程度。

虽然对效率有很大的好处，但全氧燃烧的产品量少，在设计燃烧控制系统时需要特别注意。燃烧比的适当控制对于钢铁加热过程至关重要，因为燃烧的产物构成了加热气氛，并最终影响到水垢形成的速度和类型。在空气燃料燃烧系统中，与空气一起进入燃烧过程的大量氮气提供了一个阻尼器或安全因素，以防止空气与燃料比例的变化。在全氧燃烧中，这种阻尼器几乎完全被消除了。这意味着全氧燃烧中氧气与燃料比例的百分比变化对加热炉气氛的影响要大于空气燃料的相同变化。

使用纯氧燃料改变炉内气氛对水垢的形成没有不利影响，在某些情况下还被证明是一种好处。燃烧产物中较高的CO2和H2O分压提供了一个更有效的传热机制，允许增加加热速率，从而减少了结垢的时间因素。此外，空气燃料和全氧燃烧的比较表明，水垢形成的特点随着全氧燃烧而改变。在钢的表面形成的鳞片比空气燃料烧制形成的鳞片要薄一些。鳞片特征变化的原因被认为是由于全氧燃烧的气氛迅速产生了一个薄而密集的氧化层，防止了进一步的氧化和鳞片的形成。

无焰纯氧燃料燃烧

近年来，"无焰纯氧燃烧 "已被采用。这种表达方式传达了燃烧类型的视觉方面，也就是说，火焰不再被人眼看到或容易发现。另一种描述可能是，燃烧在时间和空间上是'延伸'的--它以大体积散开，这就是为什么它有时被称为'体积燃烧'。这样的火焰具有均匀和较低的温度，但含有相同数量的能量。

在无焰氧燃料燃烧中，火焰被热炉气稀释。这降低了火焰温度，以避免产生热氮氧化物，并实现对钢材更均匀的加热。

在无焰氧燃料中，燃料和氧化剂的混合物通过火焰体积均匀地发生反应，其速度由反应物的分压和温度控制。无焰氧燃料燃烧器有效地将燃烧气体分散到整个炉子里，即使安装的燃烧器数量有限，也能确保对材料进行更有效、更均匀的加热--分散的火焰仍然包含相同的能量，但分布在更大的体积上。较低的火焰温度大大减少了低氮氧化物的形成。从全球变暖的角度来看，低NOx排放也很重要；NO2的所谓全球变暖潜力几乎是CO2的300倍。另外，使用低热值的燃料也是可行的，这一点最近一直被强调，例如使用高炉炉顶气体。

氧燃料燃烧器一直是强大而紧凑的，新一代的无焰氧燃料燃烧器保持了其紧凑的设计，以方便交换已经安装的氧燃料燃烧器，并方便空气燃料装置的改造。此外，无焰纯氧燃烧不仅增加了更多的优势，而且开辟了新的应用，所有这些都支持大幅降低环境影响。

在已经实施全氧燃烧技术的钢铁厂中，正在获得以下结果。

再生炉的吞吐能力提高了50%。

节省燃料消耗达50％。

二氧化碳的排放量减少到50%。

降低氮氧化物的排放量

减少再加热过程中的水垢损失

对钢材的表面质量没有负面影响

对钢材的温度均匀性有积极影响

可以更容易地实现控制系统建议的理想加热曲线。

炉子烟囱冒出的烟更少，大大改善了工厂的环境。