钢包烘烤
——纯氧燃烧技术初探①

孙仁权

(安德森热能科技(苏州)有限责任公司，江苏 苏州　215120)

1　概　述

燃烧技术的不断发展，已经突破了传统的燃烧理论，特别是纯氧燃烧，衍生出无焰燃烧、低温纯氧燃烧等技术，其应用领域也不断扩大。在全球对碳排放、氮氧化物排放严格控制的今天，应用这些技术可为企业节能减排。

中国是世界知名的钢铁、有色金属生产大国，同时也是公认的排放大户，因而节能环保工作已经成为行业发展的重中之重。钢铁行业正在积极地实施“去产能、弃地条钢、废中频炉发展电弧炉”等一系列变革，对技术革新的要求呼声越来越高。在所有热能供给侧，还有没有新技术可以利用，以提高热能效率，并在燃烧过程中降低氮氧化物的产生呢？

纯氧燃烧技术应用于钢铁行业早期有过探讨，然而却存在着特殊性与局限性。在高温加热工艺中，由于钢铁对高温非常敏感，而纯氧燃烧的火焰温度很高，会造成钢铁烧损，钢铁烧损意味着成本增加。因此，这也为钢铁行业实现节能减排造成了严重阻碍。

近几年，无焰燃料技术的突破，使得纯氧燃烧在金属行业得到快速应用，由于它提供了优异的温度均匀性和减少NOx的排放，安装管道紧凑，无需换热或蓄热解决方案， 避免了燃烧风机和相关的低频噪声问题，特别适用于钢包及转炉的干燥和预热。

纯氧燃烧解决方案在加热和退火中具有独特的优点。由于提高了热效率(与空燃比为40%～60%相比，效率高达80%)，加热速度和生产率都提高，而且需要较少的燃料将产品加热至所需温度，同时降低CO2和NOx排放。总结结果包括：

·产能增加达50%;

·燃料节约高达50%;

·二氧化碳排放量减少50%;

·减少NOx排放;

·减少氧化皮损失(提高产量)。

2　氧气燃烧技术

氧气燃烧是指使用纯的，即工业级氧气代替空气来燃烧化石燃料。纯氧燃烧技术提供了超过空气燃烧的许多优点。在空气、燃料燃烧中，燃烧器火焰含有来自空气的氮气，需用大量的燃料来加热氮气；热氮通过烟囱排除，造成能量损失。通过使用工业级氧气，不仅燃烧本身更有效，而且传热更佳。

氧气燃烧以多种方式影响燃烧过程。第一个明显的结果是由于废气体积的减少导致热效率的提高，这对所有类型的燃烧器来说都是根本的和有效的。在燃烧气体中，热辐射主要来自CO2和H2O分子。由于在氧气炉气氛中没有或非常低的氮含量，具有强辐射效果的CO2和H2O(三原子结构)的浓度将非常高，通过气体辐射热传递显著增加。氧气燃烧的一个显著特征是即使没有预热燃料或氧气，烟道温度高的情况下，热效率也非常高。燃烧火焰中的三原子结构，具有更强密度的红外辐射频谱，因而辐射效果更强。

3　实际应用

3.1　钢包预热

使用氧气燃烧将大大减少燃料消耗量(约50%)，这将导致二氧化碳排放量的相对减少。它还具有更多优点：例如更短的加热时间和更热的容器，从而使用较少的循环钢包数量以及降低出钢温；后者直接在炉内节约能源，但也可能缩短炉子出钢到下一次出钢的时间。由于热损失下降，节省时间将带来额外的节能效果。

如果氧气预热系统的钢包安装在电弧炉附近，最佳的位置是离出钢位置只有几米，则可以使用非常热的钢包，这种措施将允许钢包循环时间减少20 min，可允许降低电弧炉出钢温度15 ℃，节省电力5～6 kW·h / t；也可以采取在加热好的钢包中直接倒入一定比例的废钢，再倒入熔化的钢水的方式，也可以实现增加产能。

图1为某工厂使用无焰氧气的钢包进行预热。 60 t钢包纯氧燃烧的运行功率约为1.2 MW， 年平均水平为0.8 MW，年均为7500 h，即6 GW·h /年； 比空气燃烧系统节能一半，年节电6 GW·h。 假设燃料是天然气，每个钢包二氧化碳排放量的减少将为1200 t/年。

图1　某工厂使用无焰氧气的钢包预热

与具有换热器或蓄热解决方案的空气燃烧系统相比，常规的纯氧燃烧系统(如图2所示)提供了简单，紧凑和重量轻的装置；在预热容器中，无焰纯氧燃烧带来更多的优势。无焰燃烧被认为是最佳的加热技术，不仅可以实现超低NOx排放，而且可以通过更均匀的温度分布来延长耐火材料的使用寿命。

图2　常规的纯氧燃烧系统

3.2　某150吨钢包纯氧燃烧改造经济分析

改造所需成本：纯氧燃烧系统设备成本+氧气成本；

改造产生的经济利益：节省的天然气费用+风机运行成本。

普通空气燃烧模式：

天然气平均流量：200 m3/h；

天然气成本：200×3.23(元/ m3)=646元；

风机运行成本：15(风机功率15 kW)×1(h)

×1(1元/度)=15元；

每小时总成本：646+15=661元。

改造后纯氧燃烧模式：

天然气平均流量：100 m3/h；

天然气成本：100×3.23(元/ m3)=323元；

氧气成本：100×2.1(氧燃比)×

0.8(元/ m3)=168元；

每小时总成本：323+168=491元；

单个钢包每月节约成本：

(661- 491)×24×30=122,400.00元。

4　结束语

对于具有空分站的钢厂，富余的氧气可能就已经直排了，大量可用资源被浪费了。使用纯氧无焰燃烧技术，在帮助提高工厂整体能效的同时，还大大节约了能源，更为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。