在钢加热炉中使用氧燃料

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能源效率、生产力和减少排放被认为是钢铁行业面临的主要挑战。这些要求可以而且显然已经通过在多批次和连续式炉中使用氧燃料燃烧得到满足。

辊式炉缸、步进梁和推炉都是连续炉的例子。这些炉的设计使废气的流动与进入的产品是逆流的。这样，所含的能量就可以在炉口的预热区得到利用，从而提高热效率。

然而，在这类炉中使用氧燃料会导致燃料效率和生产率的逐步提高，否则无法通过空气燃料燃烧方法实现。

含氧燃料燃烧特性

氧燃料燃烧提供了几个潜在的优势，可以归功于两个基本的改进。首先，由于废气的能量损失减少，炉子的热效率有了显著的提高。其次，辐射传热效率的提高是因为更好的辐射传热特性，这是不可分割的氧燃料燃烧。

传热

炉内发生的整体传热可分为四个主要区域:

• 辐射热从火焰传递到产物的过程
• 从废气到产品的辐射热传递
• 从废气到产品的对流热的传递
• 辐射热从炉体结构到产品的传递

火焰的辐射传热

燃料中的碳颗粒是欧洲杯猜球平台火焰辐射的来源。氧燃料火焰通常含有较少的颗粒。欧洲杯猜球平台这是因为与空气燃料相比，热效率的提高导致在特定的热输入要求下燃料的使用更少。但整体火焰辐射也是被加热材料和火焰之间温度变化的四次方的函数。

这大大抵消了碳颗粒数量的减少，因为氧燃料火焰的绝热火焰温度约为2700°C，而空气燃料的绝热火焰温度为欧洲杯猜球平台1800°C。这给了一个整体，更高的总辐射火焰，结果在氧燃料燃烧辐射传热改善。

废气的辐射传热

废气的辐射传热可以定义为废气内部分子成分的函数，以及废气流的速度和温度的函数。

空气燃料燃烧所产生的废气主要是氮气，少量的水蒸气和一氧化碳₂．然而，氧燃料燃烧的产物是水蒸气和CO₂．这些是三原子分子，表现出特殊的辐射传热特性，而氮不能通过辐射传递热能。

因此，氧燃料燃烧产生的空气主要含有热CO₂与主要含氮的空气燃料相比，水蒸气传热的效率要高得多。

对流换热

众所周知，气体内部的热传导相当差。因此，湍流和速度对对流换热的程度有重要影响。由于这个原因，对流对空气燃料燃烧炉的总传热有相当大的贡献，因为大量的废气通过炉内。

但在含氧燃料的情况下就不是这样了，因为废气量减少了75%以上。同时，CO辐射传热效率高₂到目前为止，水蒸气是传热的主要来源。

炉壁辐射传热

材料表面的辐射传热主要取决于其吸收率和发射率。在氧燃料燃烧中，热量有效地转移到炉膛侧壁，因为从废气和直接从火焰热的有效转移辐射热。

辐射热从炉壁和回炉的传递很大程度上取决于表面的发射率和吸收率。此外，传热速率还受辐射面和接收面相对位置的影响。这种潜力的定量度量被称为“排列或视图因素”。

这等于从辐射表面到接收表面的辐射的比例。因此，从壁面传递的实际辐射热是黑体率乘以排列或视图因子和发射率因子。

氧燃料燃烧的好处

氧燃料提供了以下主要好处:

• 高炉生产率
• 增强质量
• 耗油量下降
• 减少排放

下面几节将重点介绍这些优点。

高炉生产率

由于氧燃料燃烧的传热性能增强和炉子的热效率提高，在不受冶金限制的情况下，加热到所需温度的速度更快。许多因素，如目标的温度，产品的装料温度，材料，产品的几何形状(具体来说，它的表面积与总体积的比值)，炉的普遍条件，以及炉的几何形状，决定了升温速率。

增强质量

在某些情况下，由于特性的改善，可以观察到质量的改善。这是由于，例如，提高了温度均匀性，而加热产品。这是炉内废气良好循环的结果，也是含有H的废气的自然结果₂O和有限公司₂；两个小时₂O和有限公司₂具有良好的辐射传热特性。

其次，观察到减少了水垢的形成，特别是不锈钢。这主要是由于更好地控制了氧燃料燃烧所提供的炉内气氛，以及减少了产品达到设定值温度所需的时间。

燃料消耗率下降

增强的传热性能和更好的热效率导致减少了对特定燃料的需求，以将产品加热到特定的温度。这同样取决于上述因素。

减少排放

结果表明，减少了燃料排放，如颗粒物和SO_x，广泛追随具体燃料消耗的减少。同理，CO₂编队是根据具体燃料消耗的减少而减少的。采用Zeldovitch机制调节热NO的形成_x．虽然氧和氮的浓度起着主要作用，但温度本身才是NO含量的真正关键因素_x形成。

热不_x通过精确的流量控制设备、良好的炉压控制和独特的低NO设计，可以将排放降至最低2020欧洲杯下注官网_x燃烧器。实现此目的的方法将在下一节中讨论。

没有_x形成

NO的形成_x这一挑战推动了大多数新型氧燃料燃烧器和控制技术的发展，以及目前在加热炉应用中使用的最新炉分区策略。

没有_x是由燃料燃烧过程中所含的氮与游离氧结合，或由空气中的游离氮与可用氧反应而形成，或称为热NO_x．

在理想的密闭炉中，NO的形成_x由于燃料中含有少量的氮，所以氮含量通常是微不足道的。但在实践中，空气会泄漏到炉内，为NO提供氮的主要来源_x形成。

热NO的生成_x是火焰温度和可用氧气和氮气浓度的函数。一个显而易见的方面是温度对NO含量的显著影响_x(没有形成₂在超过1000°C的温度下，可以忽略地层)。

例如，在1bar总压力下，1500°C, 4% N₂和2%啊₂会产生大约280ppm NO_x在平衡。这与41到45毫克的NO相匹配_x/MJ基于燃料类型。数据点表明烟道气分析是由两组测量数据得出的。这些测量是在炉壁温度约为1300°C，估计最大烟气温度为1400°C的炉子上进行的。

忽略气样淬火过程中NO的分解，重新计算NO₂对于NO，这些数据点将反映出在氮气和氧气的巨大分压下，炉内NO的浓度。

必须记住，在测量期间，炉膛暴露在由最大值反映的严重漏气中。此外，氧气浓度保持相对较高(~5%)，以满足特定钢等级的需要。而是(pO)的平方根₂x pN₂)低于0.03 bar时，则依次为NO_x排放量相当低。

也许，NO主要是在火焰附近的高温下产生的，随后在炉内周围气氛的低温下分解。这样得到的NO浓度将取决于其他各种因素，包括停留时间和炉内的温度模式。

虽然动力学相当复杂，但可以得出结论，pO之间存在很强的缔合作用₂x pN₂和NO，这意味着可以通过精确控制燃烧器的化学计量，并收紧炉膛来减少从炉中漏出的空气量来达到非常低的NO值。

低不_x燃烧器的开发

目前，关于NO的争论很多_x关于它的衡量方式。当使用含氧燃料燃烧器时，产生的烟道气量显著减少。然而，这会增加NO的浓度_x在废气中由于烟气总容积的减少。

NO的形成_x是温度的函数。在1425°C(2600°F)以下，NO的形成_x不是很明显，但是超过这个阈值温度，就会迅速上升。正因如此，近期的低no_x燃烧器的发展主要集中在降低火焰温度作为降低NO的一种手段_x．

空气燃料燃烧器用来降低火焰温度，这是通过用剩余的空气燃烧或通过废气再循环，或两者的结合来实现的。当在5% ~ 7%区域内燃烧少量剩余空气时，NO_x由于可用氧气和氮气的增加，地层增加。但在最大程度上，多余的空气足以冷却火焰，以至于它开始抑制NO的形成_x．

在含氧燃料燃烧中，过量的氧气会显著增加NO的速率_x形成没有任何火焰冷却效果，除非使用不切实际的高水平。

因此，为了实现非常低水平的NO_x，即在100mg /MJ以下时，重点研究废气通过燃烧器块进行再循环以冷却火焰，并加强废气的循环。另一个主要的发展领域是分阶段燃烧，其中一部分所需的氧气随后被加入到主燃烧流中以限制火焰的温度。这就产生了各种陶瓷和金属的燃烧器，它们的设计结合了再循环和/或分段燃烧，以适合正在改造的特定炉。

燃料比控制

NO的形成问题_x在含氧燃料的燃烧方面已经推动了燃烧器的发展计划，关于最新的低NO_x燃烧燃烧器。这也导致了在改变功率水平时需要相对更精确的比率控制。

1998年，瑞典Degerfors Avesta Polarit钢铁厂热轧板分部新开发的辊底炉投入使用。该燃料宽3.5米，长35.4米，主要用于提高生产率，因为该公司正从批量作业转向连续作业。氧燃料还旨在降低运营成本，提高产品质量，并减少排放，特别是对NO_x．

林德为该炉提供了氧燃料燃烧系统，严格的NO_x仅为80毫克/兆焦耳防止炉内的还原条件也是必要的。为了实现这一点，炉子配备了59个独特设计的陶瓷超低NO_x包括13个单独控制区域的燃烧器，提供最高功率输入16.5 MW。

这些燃烧器使用一种分段燃烧，通过主入口管道加入大约50%的氧气，与整个燃料一起燃烧。剩余的氧气通过陶瓷块上的孔高速喷射，陶瓷块位于主入口管道周围，这样剩余的燃烧发生在远离主火焰前沿的地方。这有助于冷却火焰，从而减少NO_x．

在实现NO的初始问题之后_x提出了一种新的流量控制器。这些双线性预测控制器采用传统的PID控制器来评估非线性特性，从而减少与设定点的偏差。

实际上，这意味着当燃烧器功率改变时，比例保持稳定，以防止在调整阶段火焰中存在多余的氧气。这大大有助于达到所需的低NO_x的水平。

保持低NO的第三个重要因素_x是保持炉内正压，从而防止空气被吸入。

所需的转压比是10:1，这意味着良好的阻尼控制和排气出口的尺寸是确保正压力的关键。此外，专门关注的数量和区域的控制策略，这样高的下降可以实现高水平的精度。

降低比能耗

此外，通过安装氧燃料燃烧器，具体燃料消耗也降低了，因为烟道气的减少意味着向大气损失的热量更少。

举个例子，在瑞典的Bohler Udderholm，具体能源消耗降低了45%-50%，与之相匹配的是燃料排放的减少，如微粒，SO_x、有限公司₂．Bohler Udderholm是一家顶级工具钢生产商。1994年，瑞典的哈格福斯生产设施决定将四个车底炉中的三个从冷空气燃烧改为氧燃料燃烧。

这种炉用于装料65吨的大钢锭，在锻造前需要经过漫长的加热阶段，达到1200°C - 1300°C左右的彻底加热。材料经历一个预定的初始加热阶段，这可能需要5-10小时，随后是较长的浸泡期。

原空燃系统的8个燃烧器分为两个区域，总功率为2.8 MW。所用燃料为低硫中重油。这被六个金属的、水冷的、超音速再循环的氧燃料燃烧器所取代，以确保炉膛内的温度分布均匀。在2.4 MW的总功率下，氧燃料燃烧器被分为两个区域，并位于炉内的高位，以防止火焰直接撞击钢锭。

对排气通道出口进行了更改，以使极佳的压力控制，从而减少空气泄漏。

该公司的主要目标是降低燃料消耗，提高生产能力，从而提高效率。结果表明，由于加热次数减少了25%-50%，生产能力提高了5%-20%。由于取得了积极的成果，1999年更换了第4个加热炉，并于2001年底投入使用了第5个加热炉。