孫仁權(quán)

(安德森熱能科技(蘇州)有限責(zé)任公司，江蘇 蘇州　215120)

1　概　述

燃燒技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)突破了傳統(tǒng)的燃燒理論，特別是純氧燃燒，衍生出無(wú)焰燃燒、低溫純氧燃燒等技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。在全球?qū)μ寂欧?、氮氧化物排放?yán)格控制的今天，應(yīng)用這些技術(shù)可為企業(yè)節(jié)能減排。

中國(guó)是世界知名的鋼鐵、有色金屬生產(chǎn)大國(guó)，同時(shí)也是公認(rèn)的排放大戶(hù)，因而節(jié)能環(huán)保工作已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的重中之重。鋼鐵行業(yè)正在積極地實(shí)施“去產(chǎn)能、棄地條鋼、廢中頻爐發(fā)展電弧爐”等一系列變革，對(duì)技術(shù)革新的要求呼聲越來(lái)越高。在所有熱能供給側(cè)，還有沒(méi)有新技術(shù)可以利用，以提高熱能效率，并在燃燒過(guò)程中降低氮氧化物的產(chǎn)生呢？

純氧燃燒技術(shù)應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)早期有過(guò)探討，然而卻存在著特殊性與局限性。在高溫加熱工藝中，由于鋼鐵對(duì)高溫非常敏感，而純氧燃燒的火焰溫度很高，會(huì)造成鋼鐵燒損，鋼鐵燒損意味著成本增加。因此，這也為鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排造成了嚴(yán)重阻礙。

近幾年，無(wú)焰燃料技術(shù)的突破，使得純氧燃燒在金屬行業(yè)得到快速應(yīng)用，由于它提供了優(yōu)異的溫度均勻性和減少NOx的排放，安裝管道緊湊，無(wú)需換熱或蓄熱解決方案， 避免了燃燒風(fēng)機(jī)和相關(guān)的低頻噪聲問(wèn)題，特別適用于鋼包及轉(zhuǎn)爐的干燥和預(yù)熱。

純氧燃燒解決方案在加熱和退火中具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。由于提高了熱效率(與空燃比為40%～60%相比，效率高達(dá)80%)，加熱速度和生產(chǎn)率都提高，而且需要較少的燃料將產(chǎn)品加熱至所需溫度，同時(shí)降低CO2和NOx排放。總結(jié)結(jié)果包括：

·產(chǎn)能增加達(dá)50%;

·燃料節(jié)約高達(dá)50%;

·二氧化碳排放量減少50%;

·減少NOx排放;

·減少氧化皮損失(提高產(chǎn)量)。

2　氧氣燃燒技術(shù)

氧氣燃燒是指使用純的，即工業(yè)級(jí)氧氣代替空氣來(lái)燃燒化石燃料。純氧燃燒技術(shù)提供了超過(guò)空氣燃燒的許多優(yōu)點(diǎn)。在空氣、燃料燃燒中，燃燒器火焰含有來(lái)自空氣的氮?dú)猓栌么罅康娜剂蟻?lái)加熱氮?dú)?；熱氮通過(guò)煙囪排除，造成能量損失。通過(guò)使用工業(yè)級(jí)氧氣，不僅燃燒本身更有效，而且傳熱更佳。

氧氣燃燒以多種方式影響燃燒過(guò)程。第一個(gè)明顯的結(jié)果是由于廢氣體積的減少導(dǎo)致熱效率的提高，這對(duì)所有類(lèi)型的燃燒器來(lái)說(shuō)都是根本的和有效的。在燃燒氣體中，熱輻射主要來(lái)自CO2和H2O分子。由于在氧氣爐氣氛中沒(méi)有或非常低的氮含量，具有強(qiáng)輻射效果的CO2和H2O(三原子結(jié)構(gòu))的濃度將非常高，通過(guò)氣體輻射熱傳遞顯著增加。氧氣燃燒的一個(gè)顯著特征是即使沒(méi)有預(yù)熱燃料或氧氣，煙道溫度高的情況下，熱效率也非常高。燃燒火焰中的三原子結(jié)構(gòu)，具有更強(qiáng)密度的紅外輻射頻譜，因而輻射效果更強(qiáng)。

3　實(shí)際應(yīng)用

3.1　鋼包預(yù)熱

使用氧氣燃燒將大大減少燃料消耗量(約50%)，這將導(dǎo)致二氧化碳排放量的相對(duì)減少。它還具有更多優(yōu)點(diǎn)：例如更短的加熱時(shí)間和更熱的容器，從而使用較少的循環(huán)鋼包數(shù)量以及降低出鋼溫；后者直接在爐內(nèi)節(jié)約能源，但也可能縮短爐子出鋼到下一次出鋼的時(shí)間。由于熱損失下降，節(jié)省時(shí)間將帶來(lái)額外的節(jié)能效果。

如果氧氣預(yù)熱系統(tǒng)的鋼包安裝在電弧爐附近，最佳的位置是離出鋼位置只有幾米，則可以使用非常熱的鋼包，這種措施將允許鋼包循環(huán)時(shí)間減少20 min，可允許降低電弧爐出鋼溫度15 ℃，節(jié)省電力5～6 kW·h / t；也可以采取在加熱好的鋼包中直接倒入一定比例的廢鋼，再倒入熔化的鋼水的方式，也可以實(shí)現(xiàn)增加產(chǎn)能。

圖1為某工廠使用無(wú)焰氧氣的鋼包進(jìn)行預(yù)熱。 60 t鋼包純氧燃燒的運(yùn)行功率約為1.2 MW， 年平均水平為0.8 MW，年均為7500 h，即6 GW·h /年； 比空氣燃燒系統(tǒng)節(jié)能一半，年節(jié)電6 GW·h。 假設(shè)燃料是天然氣，每個(gè)鋼包二氧化碳排放量的減少將為1200 t/年。

圖1　某工廠使用無(wú)焰氧氣的鋼包預(yù)熱

與具有換熱器或蓄熱解決方案的空氣燃燒系統(tǒng)相比，常規(guī)的純氧燃燒系統(tǒng)(如圖2所示)提供了簡(jiǎn)單，緊湊和重量輕的裝置；在預(yù)熱容器中，無(wú)焰純氧燃燒帶來(lái)更多的優(yōu)勢(shì)。無(wú)焰燃燒被認(rèn)為是最佳的加熱技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)超低NOx排放，而且可以通過(guò)更均勻的溫度分布來(lái)延長(zhǎng)耐火材料的使用壽命。

圖2　常規(guī)的純氧燃燒系統(tǒng)

3.2　某150噸鋼包純氧燃燒改造經(jīng)濟(jì)分析

改造所需成本：純氧燃燒系統(tǒng)設(shè)備成本+氧氣成本；

改造產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)利益：節(jié)省的天然氣費(fèi)用+風(fēng)機(jī)運(yùn)行成本。

普通空氣燃燒模式：

天然氣平均流量：200 m3/h；

天然氣成本：200×3.23(元/ m3)=646元；

風(fēng)機(jī)運(yùn)行成本：15(風(fēng)機(jī)功率15 kW)×1(h)

×1(1元/度)=15元；

每小時(shí)總成本：646+15=661元。

改造后純氧燃燒模式：

天然氣平均流量：100 m3/h；

天然氣成本：100×3.23(元/ m3)=323元；

氧氣成本：100×2.1(氧燃比)×

0.8(元/ m3)=168元；

每小時(shí)總成本：323+168=491元；

單個(gè)鋼包每月節(jié)約成本：

(661- 491)×24×30=122,400.00元。

4　結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于具有空分站的鋼廠，富余的氧氣可能就已經(jīng)直排了，大量可用資源被浪費(fèi)了。使用純氧無(wú)焰燃燒技術(shù)，在幫助提高工廠整體能效的同時(shí)，還大大節(jié)約了能源，更為重要的是降低了碳排放，以及氮氧化物的排放，是造福后代的大事。