葉學(xué)良,鄭玉光

(1.北京首鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司,北京 100043;2.北京市冶金三維仿真設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心,北京 100043;3.北京恒拓能源與環(huán)境工程技術(shù)有限公司,北京 100085)

1 前 言

西部某實(shí)業(yè)有限公司軋鋼一廠現(xiàn)有一條年產(chǎn)量80萬(wàn)t 的棒材生產(chǎn)線,配套一座布置在5 m平臺(tái)上的135 t/h(冷裝)高爐煤氣雙蓄熱式加熱爐,2021年對(duì)棒材生產(chǎn)線進(jìn)行升級(jí)改造后年產(chǎn)量達(dá)100萬(wàn)t,對(duì)加熱爐的加熱能力要求提高到155 t/h(冷裝),現(xiàn)有加熱爐不能滿足軋線生產(chǎn)需求。結(jié)合實(shí)業(yè)公司內(nèi)部制氧廠制氧機(jī)組能力較大,有富裕的氧氣資源供加熱爐使用,2022年軋鋼一廠提出對(duì)棒材加熱爐采用富氧燃燒技術(shù)改造的要求。本文就棒材高爐煤氣雙蓄熱式加熱爐采用富氧燃燒技術(shù)進(jìn)行可行性研究。

2 蓄熱式燃燒理論

2.1 蓄熱式燃燒發(fā)展及現(xiàn)狀

蓄熱式燃燒技術(shù)是20世紀(jì)80年代在工業(yè)爐領(lǐng)域開發(fā)并得到大力推廣的新型燃燒技術(shù),在國(guó)外被稱為高溫空氣燃燒(high temperature air combustion,簡(jiǎn)稱HTAC)技術(shù)[1]。近幾十年來(lái)蓄熱式燃燒技術(shù)在工業(yè)爐領(lǐng)域發(fā)展非常迅速,實(shí)現(xiàn)了助燃空氣高溫(約1 000 ℃)[2]和低氧濃度(2%～5%)條件下的特殊燃燒過(guò)程,特別有效地降低了煙氣中很難去除的NOx等有害物質(zhì),具有顯著的節(jié)能減排效果,被廣泛應(yīng)用于鋼鐵工業(yè)爐窯領(lǐng)域。

蓄熱式燃燒技術(shù)經(jīng)歷了兩個(gè)重要的發(fā)展階段:

(1)1982年英國(guó)的Hotwork Development公司和British Gas 公司合作開發(fā)了用于小型玻璃熔化爐的蓄熱式陶瓷燃燒器(regenerative ceramic burner,簡(jiǎn)稱RCB),節(jié)能效果十分顯著。這種技術(shù)被稱為“第一代蓄熱燃燒技術(shù)”,其主要目的是節(jié)能。

(2)到了20世紀(jì)90年代日本學(xué)者田中良一等人將回收煙氣余熱和高效燃燒及降低NOx排放等技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái),從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能和降低NOx排放的雙重目的。這種技術(shù)開創(chuàng)了針對(duì)燃用清潔或較清潔的氣體和液體燃料的工業(yè)爐開發(fā)應(yīng)用蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)的新時(shí)代,發(fā)展成了真正意義上的“蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)”,實(shí)現(xiàn)了既節(jié)能又環(huán)保的目標(biāo)。這種技術(shù)被稱為“第二代蓄熱燃燒技術(shù)”。

2.2 蓄熱式燃燒分類

根據(jù)蓄熱式燃燒技術(shù)是否需要換向分為換向式蓄熱燃燒系統(tǒng)和連續(xù)式蓄熱燃燒技術(shù)。

2.2.1 換向式蓄熱式燃燒

換向式蓄熱燃燒在國(guó)內(nèi)工業(yè)爐上得到廣泛應(yīng)用,由燃燒器、換向閥、蓄熱器與控制系統(tǒng)過(guò)程。燃燒器成對(duì)布置,交替工作,使得兩組蓄熱體可以實(shí)現(xiàn)交替吸熱放熱的熱工過(guò)程。換向式蓄熱式燃燒技術(shù)具有以下特點(diǎn):

(1)空煤氣雙預(yù)熱到約1 000 ℃,排煙溫度不高于150 ℃,最大限度回收高溫?zé)煔庥酂?降低了燃料消耗,燃料節(jié)約率可提高30%左右;

(2)提高了火焰溫度,擴(kuò)大了燃料范圍,使得低發(fā)熱值的高爐煤氣也可以用于燃燒;

(3)火焰在爐膛空間內(nèi)才開始燃燒,燃燒噪聲低;

(4)空煤氣射流速度高,卷吸爐內(nèi)煙氣,可實(shí)現(xiàn)貧氧穩(wěn)定燃燒,降低火焰溫度峰值,火焰燃燒形式為彌散式,爐膛溫度均勻,提高坯料溫度均勻性;

(5)蓄熱式燃燒自動(dòng)化水平高,大大改善了勞動(dòng)條件和勞動(dòng)強(qiáng)度;

(6)每次換向都是進(jìn)氣-排煙(或排煙-進(jìn)氣)的過(guò)程,爐內(nèi)火焰燃燒瞬間消失,又迅速反向恢復(fù),帶來(lái)的爐膛壓力波動(dòng)較大,氣流量越大,爐壓波動(dòng)越嚴(yán)重;

(7)氣體中雜質(zhì)覆蓋在蓄熱體表面形成額外的熱阻,降低熱交換效果,和氣體預(yù)熱溫度;

(8)換向形成氧化-還原交替變化的加熱氛圍,對(duì)某些鋼種(如含Mo、Ni鋼種)加熱質(zhì)量形成不利影響。

2.2.2 連續(xù)式蓄熱式燃燒

連續(xù)式蓄熱燃燒技術(shù)的研究稍晚于換向式蓄熱燃燒技術(shù)的研究,國(guó)內(nèi)在2002年也開始這方面的研究,提出了回轉(zhuǎn)式蓄熱器、擋位式蓄熱器、自身預(yù)熱燒嘴等多種應(yīng)用連續(xù)式蓄熱燃燒技術(shù)的裝置。連續(xù)式蓄熱燃燒技術(shù)保持了換向式蓄熱燃燒技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)克服了換向引起的爐壓波動(dòng)和加熱氛圍交替的不足。燃料供應(yīng)連續(xù),可以連續(xù)調(diào)節(jié)火焰大小,不需要采用長(zhǎng)明燈或執(zhí)勤燒嘴保持蓄熱式燒嘴燃燒。

3 富氧燃燒理論

3.1 富氧燃燒發(fā)展及現(xiàn)狀

富氧燃燒(oxygen enriched combustion,簡(jiǎn)稱OEC)技術(shù)[3-4]是20世紀(jì)70—80年代提出的燃燒的節(jié)能技術(shù),初期由于制氧成本較高,經(jīng)濟(jì)效益并不明顯。近十幾年來(lái)由于制氧成本的降低和節(jié)能減排的迫切需要,富氧燃燒技術(shù)得到了迅速發(fā)展,成為鋼鐵工業(yè)提高能源效率、降低污染物排放的最佳技術(shù)之一,被發(fā)達(dá)國(guó)家稱為“資源創(chuàng)造性技術(shù)”。在國(guó)內(nèi)外鋼鐵工業(yè)爐窯上得到了廣泛的研究和應(yīng)用。

富氧燃燒是指用比通?？諝?含氧21%)含氧濃度高的富氧空氣作為助燃劑進(jìn)行燃燒,簡(jiǎn)稱OEC,是燃燒領(lǐng)域的一種新型節(jié)能技術(shù),富氧的極限就是純氧。

富氧燃燒技術(shù)在20世紀(jì)70—80年代由Horne和Steinburg提出,在美國(guó)能源部的資助下,美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ANL)對(duì)富氧燃燒技術(shù)進(jìn)行了研究。由于富氧成本過(guò)高,該技術(shù)在工業(yè)上一直未能得到廣泛推廣。近些年來(lái)隨著富氧成本不斷降低和節(jié)能減排的迫切需求,富氧燃燒技術(shù)得到了迅速發(fā)展。

傳統(tǒng)的富氧燃燒是指利用富氧空氣與燃料進(jìn)行混合并燃燒,或者在原燃燒器下方直接噴入純氧從而提高燃料的燃燒效率。隨著富氧技術(shù)的發(fā)展和加熱爐工藝技術(shù)的提高,已開發(fā)出多種先進(jìn)的富氧燃燒技術(shù)(如無(wú)焰純氧燃燒等)和相關(guān)配套設(shè)備(如富氧燃燒器等)。

3.2 富氧燃燒特點(diǎn)

與普通燃燒相比,富氧燃燒具有以下特點(diǎn):

(1)提高火焰溫度和燃料燃燒效率,降低燃料燃點(diǎn)溫度,縮短加熱時(shí)間;

(2)提高熱利用率,提高產(chǎn)量;

(3)具有輻射能力的三分子結(jié)構(gòu)的燃燒產(chǎn)物量增多,提高了爐內(nèi)傳熱效率;

(4)節(jié)能減排,助燃空氣中氮含量的降低節(jié)約了燃料,減少了氮氧化物排放,減少了排煙熱量損失;

(5)減少加熱設(shè)備尺寸,降低投資成本和維護(hù)費(fèi)用。

4 加熱爐富氧改造

4.1 加熱爐現(xiàn)狀

棒材生產(chǎn)線高爐煤氣雙蓄熱式加熱爐布置在5 m平臺(tái)上,加熱爐采用空煤氣雙蓄熱式燃燒技術(shù),燒嘴布置在加熱爐兩側(cè)側(cè)墻上,在每個(gè)柱距間上下布置兩個(gè)空氣蓄熱式燒嘴(或高爐煤氣蓄熱式燒嘴),空氣蓄熱式燒嘴與高爐煤氣蓄熱式燒嘴間隔交替布置,詳見圖1。

圖1 蓄熱式燒嘴布置示意圖

加熱爐用高爐煤氣成分見表1。

表1 高爐煤氣成分表 %

加熱爐現(xiàn)行運(yùn)行參數(shù)見表2。

表2 加熱爐運(yùn)行參數(shù)表

4.2 加熱爐改造方案選擇

高爐煤氣是高爐煉鐵生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品,其中N2含量高達(dá)50.5%,是一種低熱值燃料,低發(fā)熱值為837×4.18 kJ/m3(標(biāo)準(zhǔn)),理論燃燒溫度約為1 400 ℃,直接燃燒不能滿足加熱爐的溫度要求。高爐煤氣理論燃燒溫度Tad計(jì)算見式(1)[5]:

Tad=(Q1+Q2+Q3-Q4)/(Vn·c5)

(1)

式中:Q1為高爐煤氣低發(fā)熱量,kJ/m3;Q2為空氣帶入的物理熱,kJ/m3;Q3為高爐煤氣帶入的物理熱,kJ/m3;Q4為分解熱,kJ/m3;Vn為實(shí)際燃燒產(chǎn)物的生成量,m3/m3;c5為燃燒產(chǎn)物的平均比熱容,kJ/(m3· ℃)。

從式(1)中可以看出,要想提高高爐煤氣理論燃燒溫度,滿足加熱爐加熱溫度要求,可以通過(guò)提高式(1)中分子或減小分母的方法實(shí)現(xiàn)(當(dāng)燃燒溫度低于1 800 ℃時(shí)分解熱Q4可以忽略不計(jì))。

高爐煤氣雙蓄熱式燃燒是通過(guò)將空氣和高爐煤氣均預(yù)熱到1 000 ℃,提高式(1)中分子Q2和Q3來(lái)提高理論燃燒溫度,滿足加熱爐加熱溫度要求。

富氧燃燒是通過(guò)減少助燃空氣量中的N2來(lái)降低實(shí)際燃燒產(chǎn)物的生成量,減少式(1)中分母Vn來(lái)提高理論燃燒溫度,滿足加熱爐加熱溫度要求。

加熱爐升級(jí)改造方案選擇受以下幾個(gè)因素影響:

(1)燃料:公司內(nèi)部無(wú)法協(xié)調(diào)其他高熱值燃料供加熱爐使用,燃料只能采用高爐煤氣。

(2)場(chǎng)地:加熱爐設(shè)置在5 m平臺(tái)上,受5 m平臺(tái)尺寸限制,無(wú)法通過(guò)延長(zhǎng)爐長(zhǎng)來(lái)增加供熱量。

(3)爐側(cè)空間:如圖1所示,原加熱爐側(cè)墻上已布滿燒嘴,既不能通過(guò)增加燒嘴數(shù)量來(lái)增加供熱量,也沒(méi)有足夠的空間布置純氧氧氣噴槍。

(4)氧氣資源:公司內(nèi)部制氧廠制氧機(jī)組能力較大,約有2 500 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))的氧氣被放散,可以作為氧氣來(lái)源供加熱爐使用。

綜合以上影響因素,采用可以提高熱利用率、降低能耗的富氧燃燒技術(shù)是加熱爐升級(jí)改造的最佳選擇方向。

4.3 富氧燃燒形式選擇

富氧燃燒主要分為以下幾種形式[6]:

1)純氧燃燒

利用純氧替代助燃空氣參與燃燒,配置純氧燃燒器,強(qiáng)化加熱能力高,運(yùn)行成本高。

2)空氣-氧氣雙助燃燃燒

由兩個(gè)不同的通道射入空氣和氧氣參與燃燒,相當(dāng)于在常規(guī)燒嘴上增加一個(gè)全氧燃燒器,可以使用高濃度氧氣,運(yùn)行費(fèi)用低于全氧燃燒。

3)吹氧燃燒

向空氣助燃的常規(guī)燒嘴產(chǎn)生的火焰中直接噴入氧氣,是分段燃燒的一種形式,屬于低濃度富氧燃燒。通常從火焰下方吹入氧氣,位于燃燒器和加熱物料之間,熱量集中于下游的加熱物料上,對(duì)爐頂耐材影響較小。

4)空氣增氧燃燒

將氧氣和空氣在空氣總管中摻混均勻,使混合空氣呈微富氧狀態(tài)再送入燃燒器參與燃燒。一般常規(guī)空氣助燃燃燒器均可使用微富氧燃燒,常規(guī)燃燒系統(tǒng)適應(yīng)性改造少,實(shí)施周期短,改造成本低,氧氣系統(tǒng)與助燃空氣系統(tǒng)接入和脫離方便可靠。

根據(jù)軋鋼一廠的實(shí)際情況和富氧燃燒幾種形式特點(diǎn),確定加熱爐升級(jí)改造采用空氣增氧燃燒形式的富氧燃燒,富氧率設(shè)定為28%。

4.4 富氧燃燒對(duì)加熱爐的影響

根據(jù)富氧燃燒相關(guān)文獻(xiàn)可知,空氣增氧燃燒將在以下幾個(gè)方面對(duì)加熱爐產(chǎn)生影響:

(1)空氣增氧燃燒只需要在空氣總管處增加環(huán)流摻混器將氧氣與空氣摻混均勻,管道、管道上安裝的調(diào)節(jié)設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備、雙蓄熱式燒嘴均可以利用,不需要改造;

(2)根據(jù)質(zhì)量作用定律,助燃空氣中氧濃度加大將加快高爐煤氣燃燒速度,降低高爐煤氣的不完全燃燒的可能性,減少煙氣排放中CO的濃度,提高燃料利用率;

(3)空氣中氧氣與氮?dú)怏w積比大約為1∶4,助燃空氣中增加1%的氧氣,則減少4%的氮?dú)?減少3%～4%的煙氣排放,降低產(chǎn)品單位能耗約2%,有助于提高加熱爐產(chǎn)能;

(4)富氧燃燒可以提高燃料理論溫度及黑度[7],增加燃燒產(chǎn)物輻射傳熱能力和熱傳遞的效率,縮短單位厚度產(chǎn)品加熱時(shí)間,富氧率提高1%,加熱能力提高3%;

(5)蓄熱式燃燒的換向動(dòng)作可降低富氧燃燒火焰短、火焰溫度高對(duì)加熱爐的影響,提高坯料加熱均勻性;

(6)蓄熱式燃燒技術(shù)的高速燃?xì)馍淞?、空氣射流可大范圍卷吸爐內(nèi)煙氣形成貧氧氣氛,燃?xì)庠跔t內(nèi)保持彌散式擴(kuò)散,實(shí)現(xiàn)貧氧穩(wěn)定燃燒,形成無(wú)焰燃燒;

(7)爐內(nèi)貧氧氣氛可有效降低對(duì)坯料的氧化燒損,提高產(chǎn)品成材率[8];

(8)爐內(nèi)貧氧低氮?dú)夥湛杀３值蜐舛鹊趸锏呐欧拧?/p>

5 方案可行性分析

5.1 技術(shù)可行性分析

按富氧率為28%計(jì)算技術(shù)升級(jí)改造后加熱爐加熱能力,單位產(chǎn)品能耗,高爐煤氣、助燃空氣及氧氣用量,煙氣生成量。

加熱爐加熱能力Q計(jì)算公式見式(2),單位產(chǎn)品能耗E計(jì)算公式見式(3):

Q=Q0+(F0-21%)×R1

(2)

E=E0+(F0-21%)×R2

(3)

式中:Q為加熱爐改造后加熱能力,t/h;Q0為加熱爐改造前加熱能力,t/h;E為加熱爐改造后單位產(chǎn)品能耗,GJ/t;E0為加熱爐改造前單位產(chǎn)品能耗,GJ/t;F0為富氧后氧氣含量,%;R1為富氧1%后產(chǎn)能提升比例,%;R2為富氧1%后單位產(chǎn)品能耗降低比例,%;21%為空氣中氧氣含量。

計(jì)算結(jié)果表明富氧率為28%時(shí)加熱爐加熱能力最大為163 t/h,單位產(chǎn)品能耗為0.99 GJ/t。

根據(jù)軋線生產(chǎn)要求,加熱爐按155 t/h計(jì)算,技術(shù)升級(jí)改造后加熱爐運(yùn)行參數(shù)見表3。

表3 技術(shù)升級(jí)改造后加熱爐運(yùn)行參數(shù)表

技術(shù)升級(jí)改造后高爐煤氣量為51 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)),是原煤氣量的97%,助燃富氧空氣量為23 100 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)),是原助燃空氣量的77%,均在流量檢測(cè)裝置的有效量程內(nèi),可以為燃燒控制提供準(zhǔn)確的參數(shù)。

高爐煤氣資源、氧氣資源、助燃鼓風(fēng)機(jī)、空氣排煙風(fēng)機(jī)、煤氣排煙風(fēng)機(jī)均能滿足加熱爐技術(shù)升級(jí)改造要求。

5.2 經(jīng)濟(jì)可行性分析

5.2.1 經(jīng)濟(jì)效益

軋鋼一廠棒材加熱爐運(yùn)行所需主要原料及動(dòng)力在實(shí)業(yè)有限公司內(nèi)部結(jié)算價(jià)格如下:

高爐煤氣單價(jià)0.12 元/m3(標(biāo)準(zhǔn)),氧氣單價(jià)0.25 元/m3(標(biāo)準(zhǔn)),用電單價(jià)0.45 元/(kW·h)。

經(jīng)濟(jì)效益見表4。

表4 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比表

由表4可見噸鋼綜合費(fèi)用節(jié)約48.26-44.29=3.97元。

軋鋼一廠棒材3#加熱爐年產(chǎn)量為100 萬(wàn)t,每年綜合費(fèi)用節(jié)約為 1 000 000×3.97=397 萬(wàn)元。

5.2.2 技術(shù)升級(jí)改造投資

技術(shù)升級(jí)改造需新增外線氧氣閥站1套,環(huán)流摻混器1套,爐前氧氣管線1套,氧氣閥站基礎(chǔ)1件,具體投資見表5。

表5 技術(shù)升級(jí)改造投資表

5.2.3 靜態(tài)回收期

從工程投產(chǎn)年算起,用每年的凈收益將初始投資全部回收的時(shí)間為靜態(tài)投資回收期[9],靜態(tài)回收期計(jì)算公式見式(4):

Pt=CI/CO

(4)

式中:Pt為靜態(tài)回收期,年;CI為項(xiàng)目投產(chǎn)后每年的凈收益,萬(wàn)元;CO為項(xiàng)目初始投資,萬(wàn)元。

技術(shù)升級(jí)改造初始投資310 萬(wàn)元,投產(chǎn)后年收益為397 萬(wàn)元,靜態(tài)投資期為9.4 月,項(xiàng)目具有一定的盈利能力。

5.3 環(huán)?？尚行苑治?/h3>

采用28%富氧燃燒技術(shù)后,軋鋼一廠棒材3#加熱爐節(jié)約高爐煤氣650 萬(wàn)m3/a(標(biāo)準(zhǔn)),減少煙氣排放7 637.5 萬(wàn)m3/a(標(biāo)準(zhǔn)),減少二氧化碳排放5 841 t/a。

蓄熱式燃燒與富氧燃燒均可實(shí)現(xiàn)低氮氧化物排放,丁毅等[10]對(duì)馬鋼板坯加熱爐采用富氧燃燒前后煙氣中的氮氧化物排放進(jìn)行了跟蹤測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明氮氧化物排放濃度沒(méi)有明顯差異,且均符合國(guó)家超低排放限額要求,減少氮氧化物排放10.1 t/a。

6 結(jié) 語(yǔ)

蓄熱式燃燒和富氧燃燒均是先進(jìn)的燃燒節(jié)能科技,通過(guò)對(duì)富氧燃燒與蓄熱式燃燒相結(jié)合的可行性研究,發(fā)現(xiàn)在高爐煤氣雙蓄熱式加熱爐上采用富氧燃燒技術(shù),兼有富氧燃燒和蓄熱式燃燒的優(yōu)點(diǎn),并克服了富氧燃燒火焰短,火焰溫度高的缺點(diǎn),是一種新的節(jié)能減排、提產(chǎn)增效的新思路。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)存眾多在工廠設(shè)計(jì)時(shí)間較早,場(chǎng)地空間緊湊的高爐煤氣雙蓄熱式加熱爐,在軋線提升產(chǎn)能后不能通過(guò)延長(zhǎng)爐長(zhǎng)來(lái)滿足軋線的加熱要求。當(dāng)有適量富裕氧氣且提產(chǎn)要求幅度不大時(shí),可以通過(guò)在蓄熱式燃燒基礎(chǔ)上采用富氧燃燒技術(shù)來(lái)解決產(chǎn)能提升,用較小的建設(shè)成本達(dá)到提產(chǎn)增效與節(jié)能減排的目的。

本文僅對(duì)可行性理論進(jìn)行了研究,尚無(wú)實(shí)際工程佐證,希望能起到拋磚引玉的作用,引發(fā)更多工作者對(duì)此做出更多、更深的研究和應(yīng)用。