高温空气燃烧和富氧燃烧在加热炉生产应用中的对比研究.doc

高温空气燃烧和富氧燃烧在加热炉生产应用中的对比研究加热设备工业加热第37卷2008年第5期高温空气燃烧和富氧燃烧在加热炉生产应用中的对比研究罗国民,郭汉杰,温志红(1.广东松山职业技术学院,广东曲江512126;2.北京科技大学,北京100083;3.广东韶关钢铁集团公司,广东曲江512122)摘要:以韶钢加热炉富氧燃烧试验和高温空气燃烧技术的改造实践为基础,介绍了这两个新技术的不同应用和效果.富氧燃烧可以降低能耗,提高产量,富氧3.69%时,产量提高15.6%.富氧2%4%fl,可节约燃耗16.4%31.3%.采用高温空气燃烧技术,也可提高产量,降低燃料消耗,同时火焰弥散地充满炉膛,亮度均匀,钢坯加热均匀,氧化烧损少.关键词:加热炉;高温空气燃烧;富氧燃烧中图分类号:TF055文献标志码:A文章编号:10021639(2008)05004405EffectsonReheatingFuranceofHighTemperatureAirCombustionandOxygenCombustionLUOGuomin,GUOHan-jie,WENZhihong(1.GuangdongSongshanPolytechnicCollege,Qujiang512126,China;2.ScienceandTechnologyUniversityofBeijing,Beijing100083,China;3.GuangdongShaoguanIron&SteelGroupCo.Ltd.,Qujiang512122,China)Abstract:Thispaperintroducedtheoxygencombustiontechnologyandhightemperatureaircombustiontechnologyexperimentonreheatingfurnace.Itisanalysedandevaluted.Theresaltsshowthattherequirmentofairisreduced,exhaustgasquantityandheatlossarereduced,flametemperaturerises.Hightemperatureaircombustiontechnologyhavegratbenefittoenergysavingandreducingtheexhaustofreheatingfurnace.Itspreheatedairatover800C1400Candoxygenbelow15%2%.hightemperatureaircombustiontechnologyiscalledhightemperaturelowoxygencombustiontechnology.SGISreheatingfurnace,Throughapplicationstudyandfieldtest,suchconclusionwasproved:theeffectsofoxygenonfurnacetemperatureandproduction.Keywords:reheatingfurnace;hightemperatureaircombustion;oxygenenrichedcombustion从目前燃烧技术的应用和发展来看,助燃空气中氧气含量和预热温度对燃烧有较大的影响,主要表现在富氧燃烧技术和高温空气燃烧技术的应用上,在实际燃烧过程中氧气含量的控制和空气或煤气的预热温度密切相关.富氧燃烧是指供给燃烧用的气体中氧气的体积分数>2l%时的燃烧.富氧燃烧由于氧气含量高,带入的不参与燃烧反应的氮气含量相对减少.因此一是提高了理论燃烧温度,强化炉内热交换而提高炉子产量,二是减少了排出炉外的烟气量,在同样的排烟温度条件下,烟气带走的热量也相应减少,节约了燃料.高温低氧燃烧技术是以蓄热式燃烧技术为基础,于20世纪9O年代开发出的新一代燃烧技术,即高温空气燃烧技术(本文所涉及的高温空气燃烧技术是指高温低氧燃烧技术).它是相对于传统燃烧而言的,其中高温是指空气或燃料的预热温度达到8001400,而低氧是指燃烧区空气中氧气的体积分数降低至15%2%.收稿日期:20080605;修回日期:20080630作者简介:罗国民(1969一),男,湖南益阳人,北京科技大学冶金工程硕士,热能工程高级工程师倡0教授,主要从事工作:高温空气燃烧技术的应用研究.44韶钢成功试用富氧燃烧技术,并在蓄热式燃烧技术基础上成功采用高温低氧燃烧技术取得实效.本文以这两种技术的实践为基础分析富氧燃烧技术和高温低氧燃烧技术对加热炉燃烧的各种影响和不同应用.1富氧燃烧技术和高温空气燃烧技术的理论对比分析1.1燃烧温度在燃烧计算时,为了计算上的方便,认为干空气中体积分数由21%的氧及79%的氮组成,而不考虑空气中稀有气体及水气.因此,空气中氮与氧的比例为3.762,空气与氧的比例则为4.762.燃烧时,随空气中的氧而带入氮的体积是氧气体积的3.762倍,而且全部进入燃烧产物中.实际理论燃烧温度的计算公式一Q出V,c.式中,为理论燃烧温度;Qow燃料燃烧的化学热,kI;厶为实际空气消耗量,1TI;Ca为空气的平均比热容,kJ/(m-K);厶为空气的预热温度,K;tf为煤气预热温度,cr加热设备为煤气的平均比热容,Ll/(m?K);Cop为燃烧产物在温度下的平均比热容,kJ/(m?K);Vn为燃烧产物量,m.由上式可见,影响理论燃烧温度的因素有:燃料的种类和发热量,空气过剩系数,空气或煤气的预热温度,空气的富氧程度和烟气的掺混等.一般说来,发热量较高的燃料与发热量较低的燃料相比,其理论温度较高.燃烧温度主要取决于单位体积燃烧产物的热含量.空气过剩系数影响燃烧产物的生成量和成分,从而影响理论燃烧温度.为了得到较高的燃烧温度,空气过剩系数应稍>1.0,以保证燃料完全燃烧.但空气过剩系数也不宜过大.即在保证燃料完全燃烧前提下,尽可能减少空气过剩系数.空气或煤气的预热温度越高,理论燃烧温度也越高,这是显而易见的.助燃空气中氧气的体积分数对燃烧温度有较大的影响,是加热炉提高产量和降低能耗的关键因素之一,并可能产生新的燃烧技术和设备,因此本文对此着重分析.1.1.1富氧情况下的燃烧温度若将空气中的氧气的体积分数由21%提高到25%,则氮的体积仅为氧体积的3倍,这就大大减少了实际燃烧产物量,从而提高了燃烧温度.因此可见,适当提高空气中富氧程度,可使燃烧产物量明显减少,从而提高理论燃烧温度.1.1.2高温空气燃烧技术的燃烧温度由于高温物理显热的带入,高温低氧燃烧的燃烧温度大大高于常规空气和煤气不预热的燃烧温度.由于有高温烟气掺混(采用相应的燃烧介质射流设计可实现炉内烟气与燃烧介质的掺混)或低温烟气回流(采用烟气回流技术可实现低温烟气向炉内回流)的影响,它的燃烧温度稍低于蓄热式常氧燃烧的温度,但采用烟气回流技术具有降低氮化物排放的优点.1.2燃烧速度分析可燃性气体中氧气的体积分数与几种代表气体燃料的燃烧速度可知,氧气燃烧的速度约为空气燃烧速度的36倍,而高速燃烧的火焰较为稳定.由此,被加热物体在高温下与高速火焰接触时,由于高的强制对流传热,故可达到高效率的传热.富氧时,由于助燃空气中氧这种反应物的增加,加快了反应速度,同时加快了火焰传播速度(由于燃烧预混距离缩短,克服了高炉煤气含惰性气体多,火焰传播速度慢的缺点),从而提高火焰温度及高炉煤气对炉料的辐射能力.高温低氧燃烧由于助燃空气的预热温度高,燃烧反应可以迅速完成,燃烧速度主要取决于燃料和助燃空气在空问的混合扩散速度,而混合扩散速度主要取决于燃料和助燃空气的压力和烧嘴设计.工业加热第37卷2008年第5期1.3燃料的燃点燃料的燃点不是一常数,它与燃烧状况,受热速度,环境温度等有关.如co在空气中为609,在纯氧中仅388oC,所以用富氧助燃能降低燃料燃点,提高火焰强度,增加释放的热量.高温低氧燃烧由于助燃空气的预热温度高于燃料的燃点,燃料的燃点已不成为燃烧的问题.1.4排烟热损失富氧时由于纯氧的加入,助燃空气中N:等惰性气体比例相对减少,不但增加了助燃空气中有效物理热的带人,同时排放物大量减少,烟气带走的热量损失减少,这些都能降低单位热耗.一般氧气的体积分数每增加1%,烟气量下降2%4.5%.高温低氧燃烧采用蓄热式烟气预热回收装置,交替切换空气或气体燃料与烟气,使之流经蓄热体,能够在最大程度上回收高温烟气的显热,排烟温度可降到130180,实现所谓”极限余热回收”和助燃空气的高温预热.同时由于低氧的实现降低了助燃空气的供人,减少了烟气量,进一步降低排烟热损失.由于排放的烟气量减少,还可以减少投资以降低烟气净化操作费用.1.4加热炉炉内传热1.4.1富氧燃烧技术对加热炉传热的影响富氧燃烧产物比一般燃烧产物的辐射能力提高了1倍口,因此,综合辐射系数也提高了1倍.在大多数高温工艺中,火焰与炉料之间的传热主要是辐射传热,它与温度差值的4次方成正比.因此,如果火焰温度有一个小增加,那么火焰的辐射换热量将急剧增大.另一方面,如果采用了富氧燃烧,但炉体没有改动,则由于其烟气流速的下降使得对流传热有一个中等程度的提高.另外,燃气炉与燃油炉或燃煤炉不同,在通常炉内气氛下,燃气炉不发光的燃烧产物中辐射放出的热量一般比火焰直接辐射放出的热量大很多,所以,炉膛内由于辐射介质(CO与H:O)浓度的增加,使辐射传热量提高,这就导致了气体辐射系数的提高和相应的平衡燃烧产物的减少,也使得烟气温度达到所要求的给定值.辐射效率的提高可使得耗能量下降或产品产量增加.1.4.2高温空气燃烧技术对加热炉传热的影响高温低氧燃烧属于扩散无焰燃烧,尽管其烟气的黑度较常温氧气的体积分数为21%时燃烧的烟气小,但因其燃烧温度比常温燃烧高许多,因此烟气的辐射传热效果好于常温氧气的体积分数为21%时燃烧.高温低氧燃烧与蓄热燃烧(空气或燃料高预热温度,氧气的体积分数为21%时)相比,由于有高温烟气掺混或低温烟气回流的影响,燃烧温度的最高温有所下降,但火焰区体积增大,燃烧装置内平均温度增加,加热炉炉内平均辐射温压大,因此辐射传热效果提高.同时由于炉内气流速45加热设备度较高,高温炉气与被加热物体的对流换热得到明显改善.2富氧燃烧技术和高温空气燃烧技术的试验与应用对比研究富氧燃烧技术试验用加热炉为韶钢小型轧钢厂1994年9月投产的烧纯高炉煤气的推钢式加热炉,是采用了金属管式换热器对空,煤气进行双预热,设计预热温度空气为600,煤气为380.最大设计能力为20t/l1.后为解决增加产量和换热器效率下降时对炉温的要求,在炉头添加了4只LGB一30端供热油气混烧烧嘴,又因受炉头燃烧空间等因素限制,此4只烧嘴不能全开,只对炉头部分的钢坯进行加热,达不到大幅提高产量的效果,反而使能耗上升.加热炉主要存在问题如下:(1)加热能力不足.加热炉能力问题主要表现为加热速度.由于空气,高炉煤气双预热温度不高,理论燃烧温度在l705以下,火焰辐射传热能力不强,不能快速加热坯料,在坯料断面尺寸加大后,钢坯在加热炉内的加热时间不够,造成生产过程中经常待温,从而炉子产量上不去.(2)温差大,加热质量差,造成轧制事故多.(3)氧化烧损严重,成材率低.(4)因需燃用重油作为补充加热,单位燃耗成本高.单位燃耗3GJ/t,燃料成本40元/t.由于受炉体尺寸和场地的限制,要通过增加炉子有效尺寸增加加热能力是不现实的.除了动炉体,增加烧嘴,还涉及炉底基础,投资大.若是简单地低效率地增加烧嘴个数或加大烧嘴能力来提高加热能力,由于受炉体空间限制,势必增加单位能耗,最佳的解决方法是提高燃烧效率和传热效率.2.1富氧燃烧技术现场试验研究2.1.1试验方法用液氧槽车供氧,液氧经汽化后,由架接的氧气管路输入到风机进风口处.氧气管道的准备程序:管道及管件,阀门除锈与脱脂一管道焊接及检验一氧气管道强度试验一气密性试验一管道吹扫.通过助燃空气中氧含量的检测及调整液氧的压力来控制氧气的流量.助燃空气中氧含量的检测是从汽化后氧气管道上的空气总管引出一个取样点,由专业检验人员用氧分析仪进行检测.开始试验前检验人员先对空气中的氧含量进行检测,打开氧气阀门后再定时测量富氧空气中的氧含量,富氧率即为此两数值的差.富氧空气中的氧含量可通过汽化后氧气管道上的一个压力表和阀门来控制.在加热炉上应用富氧燃烧后火焰温度有所上升,从以下几个方面进行控制:46工业加热第37卷2008年第5期(1)调节纯氧和助燃空气比例,控制氧气的体积分数.采用有效的氧气控制系统(在氧气供应管上装上压力表,流量计等),根据炉温要求直接控制供氧量.保持掺氧后的助燃空气中氧气的体积分数的稳定性以稳定火焰温度.将富氧率的上限定在4%.(2)加强对炉温的控制,根据加热制度严格控制炉温上限,必要时调整富氧率.采用原有的金属换热器对空,煤气进行预热,回收烟气余热.由于烟气量减少,适当调整烟气调节阀.2.1.2试验方案(1)富氧时间:共300min.实际富氧率1.90%.保持炉头和炉腰西侧各一只重油烧嘴正常使用.(2)富氧190min.实际平均富氧率3.43%.炉头重油烧嘴关闭,炉腰一只重油烧嘴正常使用.(3)富氧时间293min.实际平均富氧率3.69%.炉腰一只重油烧嘴正常使用.其间有105min内整个炉子纯烧高炉煤气.2.1.3试验结果通过在韶钢加热炉的试用表明:在使用富氧技术时,加热炉加热能力须是轧钢厂产量的瓶颈,直接通过富氧提高产量,不需要对炉体进行改造;生产不顺时则关闭氧气阀门;富氧率要限制在5%以内,以防烧嘴受高温火焰的侵蚀.现场试验结果分析:小时加热钢坯重量基本和富氧率成线性关系,富氧3.69%H,产量提高15.6%.富氧燃烧可以降低能耗,富氧2%4%时,可节约燃耗16.4%-31.3%.由于富氧燃烧后烟气量减少,富氧燃烧后空气预热温度会升高,排烟温度降低.1)富氧率对产量的影响助燃空气中富氧1.98%的情况下,产量较未富氧前提高5.5%.助燃空气中富氧3.43%时,产量提高15.2%,助燃空气中富氧3.69%时,产量提高l5.6%.如图1所示.富氧军,%图1富氧对小时加热钢坯量的影响2)富氧率对能耗的影响助燃空气中富氧1.98%的情况下,煤气消耗量减少.助燃空气中富氧率>3.43%的情况下,煤气消耗减少幅度降低,单位燃耗降低了26.6%31.3%,燃料消耗见图2.辛加热设备工业加热第37卷2008年第5期图2富氧后对单位燃耗影响3)富氧率对成本的影响助燃空气中富氧1.98%的情况下,总的吨钢加热成本较未富氧略高1.4%.虽然富氧I.98%后产量提高了5.5%,单位燃耗降低16.4%,但由于富氧的收益低于使用氧气的消耗,吨钢加热成本升高,见图3.富氧率,%图3富氧后对加热成本的影响富氧3.43%1,总的吨钢加热成本较未富氧降低12.7元,降低了27.1%;富氧3.69%时,总的吨钢加热成本较未富氧降低12.4元,降低了25.8%.4)富氧率对排烟温度和空气预热温度的影响不富氧时,因炉尾排烟量大,造成换热器后排烟温度高,为230250,富氧后同样的换热器面积,烟气量减少,换热器后排烟温度降低l020.空气预热温度提高3874.如表1所示.表1不同富氧率下的空,煤气预热温度及平均排烟温度预热温度/c烟温/富氧率煤气空气空气换热器前煤气换热器后O35855893I2411.903435969812293.433396159862253.69343632l0002222.2高温空气燃烧技术加热炉改造研究韶钢小型轧钢厂加热炉的根本问题是加热能力不足和能耗高的问题.考虑小型轧钢厂的实际情况,大投资进行动炉体基础的整个加热炉改造是不可能的,既不经济,投资风险又高.韶钢小型轧钢厂在富氧燃烧技术试验后,由于受氧气资源,成本和用氧安全等多方面的限制没有长期生产应用,随后进行了高温空气燃烧技术加热炉改造.2.2.1改造方案分析改造方案采用分散组合外置蓄热器式加热炉.这是介于集成式加热炉和蓄热烧嘴式加热炉之间的一种结构形式.其特点是把集成式加热炉的蓄热室和高温通道放在炉体外,通过与炉内喷口的直接连接形成外置蓄热系统,采用分段换向和分散组合的蓄热室.本方案采用集中换向系统,优点是结构,控制简单,换向燃烧的同步性,安全性好,可靠性高,运行成本低,双预热燃烧纯高炉煤气效果好.同时采用分散组合的外置式蓄热室技术,对炉体要求不高,不会因炉体产生裂纹造成煤气和空气窜气,炉体使用寿命长,保温性能好.采用能满足低造价,单一,紧凑的燃烧系统,很适合旧炉子改造,不需要改动炉体,投资少,见效快.这种燃烧系统由于组合排烟引起的烟气回流和扰动,产生局部贫氧火焰,实现高温低氧燃烧,炉内火焰均匀,不冲刷对面炉墙,同时由于炉内充满高温火焰,提高了对钢坯的热辐射和加热的均匀性.这种燃烧系统喷嘴设计采用带大交角的整体式烧嘴砖技术,空气和煤气喷口在同一烧嘴砖内,整体预制安全可靠,体积小,安装方便,能很好地组织火焰,可调整安装位置使钢坯表面形成还原气氛,减少氧化.2.2.2改造措施原有炉尾排烟改为蓄热式侧排烟.鼓风机可利旧,需增加两台引风机分别用于空气,煤气排烟,与钢烟囱相连.煤气排烟设有停炉反吹系统,与蓄热燃烧系统联动控制起自动保护作用及停炉用.原有预热段,加热段,均热段变为加热段和均热段.第3柱到第9柱为上下加热,其他为上加热.钢结构与炉子基础不动,炉底水冷系统如果完好可保留.原有仪表和检测系统利旧,增加必要可靠的蓄热燃烧系统用的仪控,电控装置.具有自动控制保护和报警功能.在加热段和均热段设混合煤气,用于烘炉和冷炉启动.这种蓄热烧嘴用于旧炉改造不用大动炉体和原有管道系统,占地少,可整体更换,维护,而不影响生产,结合加热炉大修,不动炉子钢结构和基础,充分利用现有加热炉辅助设备,通过小投资实现加热炉蓄热式改造,达到快速加热,减少待温时间,提高产量,降低能耗的目的.2.2.3高温低氧燃烧技术的改造应用效果一是大幅度提高加热能力.加热能力由原来的20t/h提高到30t/h.提高50%.二是降低燃料消耗,高炉煤气单耗下降0.8GJ/t.另外加热质量提高,火焰弥散地充满炉膛,亮度均匀,钢坯加热均匀,氧化烧损少.应用后降低了能源单耗,成材率提高,机时产量提高,停产检修时间减少,交接升温时间缩短,减少了修炉费用,整体效果良好.改造前后技术指标对比分析见表2.47H.h0糕馨加热设备工业加热第37卷2008年第5期表2改造前后技术指标对比分析技术指标项目改造前改造后炉子用途钢坯轧前加热钢坯轧前加热加热钢种普碳,低合金钢普碳,低合金钢铸坯尺寸/ram160160(200025001160160(20002500)铸坯人炉温度/2O2O坯料出炉温度/Cl10012001lO01200产量/t?h.2030燃料(高炉煤气)34503450(/kJ?m)单位耗能/GJ2.11.26供热方式平焰烧嘴蓄热式烧嘴供热氧化烧损l_3O.7空气预热温度/c6001000l100煤气预热温度/38010001100出炉烟气温度/35O15O炉子有效尺寸/mm16704290016704X29003结论富氧燃烧与低(贫)氧燃烧表面看上去是相互矛盾的,但实际是矛盾统一的两个方面,常规空气和煤气不预热条件下可采用富氧燃烧,而低(贫)氧燃烧的应用条件是将空气预热到高温.理论和试验研究都表明这两种燃烧技术在不同条件下可以很好地在加热炉生产中得到应用.(1)富氧燃烧时,可使燃烧产物量明显减小,从而提高燃烧温度;富氧时,由于助燃空气中氧这种反应物的增加,加快了反应速度,加快了火焰传播速度,同时富氧助燃能降低燃料燃点,提高火焰强度,增加释放的热量,富氧燃烧产物的辐射能力为一般燃烧产物能力的1倍,提高了对炉料的辐射能力,提高加热能力;富氧燃烧产物大量减少,烟气带走的热量损失减少,降低燃料消耗.(2)高温空气燃烧时,由于高温物理显热的带人,燃烧温度大大高于常规空气和煤气不预热的燃烧温度.由于助燃空气的预热温度高,燃烧反应可以迅速完成,采用蓄热式余热回收技术将空气预热到高温,如800以上,再采用射流和烟气回流等技术将燃烧区空气中氧气的体积分数降低,高温空气燃烧技术从而可以实现高温低氧燃烧.燃料在高温空气低氧环境下燃烧时,不再出现局部高温高氧区,NOx的生成受到抑制,其排放量成倍减少,温室气体排放明显减少,燃料消耗也大幅度减少.同时由于低氧的实现降低了助燃空气的供人,减少了烟气量,进一步降低排烟热损失.高温空气燃烧技术采用高温低氧燃烧,属于扩散燃烧,尽管其烟气的黑度较常温燃烧的烟气小,但因其燃烧温度比常温燃烧高,因此烟气的辐射传热效果好于常温燃烧.(3)高温低氧燃烧与蓄热燃烧相比,由于高温烟气的掺混或低温烟气的回流,燃烧温度的最高温度有所下降,但火焰区体积增大,燃烧装置内平均温度增加,加热炉炉内平均辐射温压大