富氧燃烧技术的应用现状分析

1　前言

对于现代钢铁企业来说， 资源、能源与环境问题已经成为制约其快速发展的瓶颈。节能降耗、减少排放是企业科学技术进步和可持续发展的必然选择。钢铁企业作为能源消耗与污染排放大户， 更应节约资源， 应对能源危机以及环境压力。目前节能降耗的主要方法有富氧燃烧的应用、料坯热送热装、高温蓄热燃烧、连铸连轧CSP短流程、热工设备的优化控制、耐火材料性能改进等。由于在节能和减排方面的优良性能， 富氧或全氧燃烧技术越来越受到热工领域的青睐。本文主要讨论富氧燃烧技术的应用。

2　富氧燃烧/纯氧燃烧技术在钢铁行业的发展及应用

在人类钢铁发展史中， 从炼金术到现代钢铁， 始终和能源消耗密不可分。早期的炼钢过程完全依赖于燃料在空气中燃烧以维持所需的热量。一方面需要燃料供热， 耗费大量能源(近代随着燃料资源的减少， 矛盾更加突出) ； 另一方面又生成大量的烟气， 对环境造成严重污染。

面对能源资源的减少及环境污染问题， 未来的钢铁企业必须能够做到同时满足社会发展对钢铁材料的需求和人类对生存环境的质量要求。钢铁企业富氧的应用便是最好的解决办法之一， 该项技术已被认为是近半个世纪以来钢铁业界的四大发明之一。尤其现今很多钢铁企业还存在着氧气放散的问题。富氧在经济上的可行性分析为其工业应用创造了良好的条件。

1937年， 富氧在底吹转炉炼钢(Bessemer)上的应用是世界上最早的富氧冶炼技术。富氧技术应用的成功， 促使富氧在有色冶金领域也得到重视。富氧技术在工业上的早期研究与生产实践为其在冶金行业中大规模的生产应用建立了坚实的基础。西方发达国家及前苏联早在70年代末就开始了富氧燃烧技术用于玻璃炉窑的研究， 并在70年代末80 年代初取得了良好的效果。同时， 世界大多数国家如美国、英国、日本、俄罗斯、德国、法国、加拿大等均广泛推广和应用了富氧技术， 应用范围越来越广。

在20世纪70～80年代一些小的高温炉如搪瓷熔块旋转炉为提高生产率开始使用纯氧燃烧，但在当时纯氧燃烧是不经济的。70 年代后期，由于阿拉伯石油禁运， 造成燃料价格上涨， 纯氧燃烧的经济性得到提高。计算表明， 纯氧燃烧在某些高温炉上使用， 其节能范围在40% ～60% ，与炉子热平衡预测相一致。纯氧燃烧还应用于铝熔解炉、玻璃熔解炉等。但80年代中期燃料价格下降， 该工艺又失去了经济性， 因而纯氧燃烧技术并未得到广泛应用。80年代后期限制NOx排放问题为纯氧燃烧技术带来了新的机遇。

近10多年来， 从节能和减少污染排放的需要出发， 纯氧燃烧技术在欧美、日本等国得到迅

速发展， 特别在钢铁工业炉窑和玻璃工业炉窑上得到了广泛的研究和应用。

表1和表2分别介绍了国内外的富氧/全氧烧钢情况。

由于全连铸的出现， 武钢初轧厂已改造为高线厂， 新的加热炉未使用富氧燃烧技术。目前，国内未见其它加热炉使用富氧燃烧技术。

3　富氧燃烧与全氧燃烧主要技术特点

3.1.1　节能特性

用78%氮气和1%氩气稀释氧气对于燃烧和传热并不是最好的。氮气在燃烧过程中被加热，

为了节约燃料， 传给氮气的能量必须回收。富氧燃烧大大降低了对燃气和烟道中氮气的加热。

对于一个正在生产的炉子， 通过对炉膛内热平衡测定与计算， 可以反映出炉子对热量利用的好坏程度并可确定燃料消耗量的大小。一般热平衡可表述如下：

∑Q损=∑Q化+∑Q料- ∑Q固产- ∑Q气产- ∑Q料温(1)

∑Q料= ∑Q料固+ ∑Q料气(2)

式中， ∑Q损为加热过程中的热损失总和， 就一定环境及过程条件而言， 可以认其为定数； ∑Q化为燃料等可燃物质在燃烧时所放出的能量； ∑Q料为加热过程中各组分物料所带入的能量； ∑Q固产， ∑Q气产分别为固体产物(如炉渣等)及气体产物排放时所带走的热量； ∑Q料温为钢坯在加热升温时吸收的热量，即有效热量。

对一定的加热炉，若固体物料一定，只有气体成分可变，上述平衡关系变为：

∑Q化= x + ∑Q气产- ∑Q料气(3)

而

∑Q料气= ∑Q煤气+ ∑Q空气= ∑Q煤气+QO2 +QN 2(4)

∑Q气产= ∑Q ′气产+Q′N 2(5)

(4) 、(5)带入(3)式，化简为∑Q化+ ∑Q煤气= x + ∑Q′气产- QO2 +Q′N 2 - QN 2(6)

式中， x是与固体及热损失相关的量，为大于0的常数； ∑Q ′气产为气体产物(除氮气)排放所带走的热量； Q′N 2为产物中氮气排放所带走的热量； QO2、QN 2分别为空气中氧气与氮气所带入的能量，即物理热。采用富氧时，假定燃料量一定，所需纯氧量一定， ∑Q′气产变化亦不大。因氮气量的大大减少，且气体产物的温度远高于进气的温度， 所以Q′N 2 - QN 2的值减少。由于x为定数，所以∑Q化+∑Q煤气就减少即燃料减少，能源消耗减少。

3.1.2　提高炉内辐射能力

炉内热交换过程是一个相当复杂的过程， 传导、对流、辐射三种热交换方式同时存在；并且还

存在着燃料性质、供热量、供热方式等复杂因素。

对钢锭加热而言， 最有意义的是钢锭获得的有效热量。高温的炉气通过辐射加热钢锭。在某一温度下，炉气的辐射能量，即称炉内热交换强度，是由综合辐射系数和温度所决定的。

现行锅炉热工计算中， 习惯上都把由贝尔定律所导出的气体单色发射率公式( 7)式， 近似的推广到多组分和非单色辐射的烟气， 而不考虑这个公式是在热平衡条件下导出的。由此烟气辐射发射率εg 的计算公式为：

εg = 1 - e- kpL (7)

式中： p———烟气总压力， MPa； L ———平均有效射线行程， m； k———气体辐射减弱系数。

应用实验结果确定的减弱系数k的计算公式为：

(8)

式中， rH2O ———烟气中水蒸气的容积百分比；pRO2 ———烟气中三原子气体的分压力，MPa； L ———平均有效射线行程， m； Tg ———烟气温度， K；rRO2 ———烟气中三原子分子的容积百分比。

式(8)在烟气温度范围450～1650℃内是足够精确的。

如图1 所示， 以混合煤气为例(煤气成分见表3) ， 计算得到烟气辐射率随氧气含量的增加而增加， 当达到全氧燃烧时， 烟气辐射能力提高近一倍。

3.1.3　减少氧化铁皮的生成

目前国外在富氧燃烧方面已经发展到了全氧燃烧， 由于炉子温度和氧气浓度是可控的， 富氧燃烧技术尤其是新一代全氧燃烧技术的开发应用， 使得产品的加热时间大大减少。用户经验和实验室实验表明， 这会减少氧化铁皮的生成。还有客户报告说， 使用富氧燃烧后， 产品表面特性得到了改善， 以至表面清理都不用做了。而在国内还没有进行相关研究。

3.1.4　减排特性

90年代以来， 更有效地进行加热和减少排放物一直是热工界的研究主题。起初， 富氧燃烧就是简单的把纯氧添加到助燃空气中， 以减少燃料的消耗， 但很多时候减少排放物的效果并不理想。2000年， 降低总费用和应对更为严格的排放物控制法规成为新的研究主题。全氧燃烧由于没有氮气参与燃烧， 在减排方面具有很大优势。美国能源部和美国钢铁协会均有文章报道，世界各国在全氧燃烧方面做了很多研究， 特别是全氧燃烧器等先进技术的研究。目前最新的富氧燃烧器技术研究重点就是如何同时降低CO2 和NOx 的排放。

同时考虑到国际社会对温室气体的排放限制趋于严峻的背景下，世界各国均致力于研发采用CO2 稀释燃料来降低富氧扩散燃烧中NOx 排放的新方法。该方法提高了烟气中CO2 浓度，利于CO2 的分离和回收。据有关文献报道，常规空气燃烧采用烟气再循环(相当于正常燃烧空气体积的15% ～30% ) ，烟道气中NOx 排放量减少50%左右。全氧燃烧对NOx 的减排亦有显著效果。在加热炉改造中，采用烟气再循环结合富氧燃烧技术，一方面降低了由于理论燃烧温度提高对耐火材料的要求，另一方面由于减少了烟气带走的热量，具有显著的节能效果。针对国内加热炉的改造，采用烟气再循环结合富氧燃烧技术对NOx 排放的影响还有待进一步研究。

4　富氧燃烧技术发展趋势

由于富氧燃烧使得火焰高温化， 由此导致的氮氧化物(NOx ) 排放增加是限制富氧燃烧技术推广的关键问题之一， 为此国内外学者就如何降低NOx 排放进行了大量的研究工作。

许多实验研究表明， 反应区中O2 浓度也是影响NOx 生成的关键因素。O2 浓度的增加直接刺激了NOx 的产生。如何实现富氧条件下CO2 和NOx 的减排是一个广泛关注的课题。目前， 全氧燃烧器的发明使用已有报道， 低NOx 富氧燃烧器的研究发展迅速。

国内加热炉还没有全氧燃烧的报道， 全氧燃烧以及先进燃烧器在国内的推广还有很多工作要做， 特别是在炉型设计、拓宽燃料使用范围以及炉压与炉气成分的控制等方面需要深入研究。

随着富氧燃烧中NOx 形成机理和抑制机理的研究逐步深化， 以及应用技术的逐步成熟， 富氧燃烧技术的应用领域将更加广泛。

5　结论

(1) 富氧燃烧技术及全氧燃烧技术在工业炉窑中的成功应用， 将给钢铁企业带来巨大经济效益和社会效益， 具有广阔的推广应用前景。

(2) 富氧燃烧方式与传统燃烧方式比较，具有节能、增加烟气辐射能力以及缩短加热时间、增加产量等优点。

(3) 今后冶金工业炉窑应用富氧燃烧技术时， 注意以下几个问题： 高效、洁净富氧燃烧系统的最佳炉型； 拓宽燃料使用范围， 进行炉压与炉气成分有效控制； 同时重点开发实用、可靠低NOx 排放的工程技术。其中稀释纯氧浓度的混合器和富氧燃烧器是技术上的关键， 应投入一定的人力开展有针对性的研究开发。

(4) 我国一些正在争取建成国际化都市的城市和著名的风景旅游城市很可能率先采用发达国家的环保标准， 其它地区的环保也日益受到重视。全氧燃烧技术将在我国逐步得到推广。