1 提出問題

某公司鋼包烘烤技術(shù)原為套筒式燒嘴，主要燃料是高爐煤氣。使用中發(fā)現(xiàn)主要存在以下幾方面的問題：

1高溫?zé)煔鈴陌�蓋邊緣直接排放，煙氣帶走絕大部分熱量；

2火焰剛性不足，溫度均勻性差，為達(dá)到烘烤效果不得不延長烘烤時(shí)間；

3為兼顧火焰剛性，空氣嚴(yán)重過剩，無法準(zhǔn)確控制空燃比；

4大負(fù)荷時(shí)由于包內(nèi)壓力高，火焰亂竄直接熱損失大；

5烘烤熱效率低，能耗高，污染物排放量大。

為了解決以上問題，鋼企與鄭州德斯特自動(dòng)化設(shè)備有限公司根據(jù)富氧全氧燃燒技術(shù)特性，采用了全氧燃燒技術(shù)解決方案。

2 全氧燃燒技術(shù)及特點(diǎn)

全氧燃燒是指用工業(yè)氧氣代替空氣來燃燒燃料，可以使燃料燃燒更加完全。全氧燃燒對于空氣燃燒有諸多優(yōu)點(diǎn)：全氧燃燒過程與空氣燃燒相比，空氣中約79％的氮?dú)獠辉賲⑴c燃燒，可以提高火焰溫度，煙氣中不存在氮?dú)猓�燃燒產(chǎn)物為三原子產(chǎn)物，三原子物質(zhì)的傳熱效果高于雙原子的物質(zhì)，提高加熱效率；而且氮?dú)獠辉賲⑴c排煙，可以大幅減少煙氣量，減少排煙熱損失。全氧助燃直接帶來的經(jīng)濟(jì)效益就是能夠節(jié)約燃料，減少NO_X的排放，達(dá)到凈化環(huán)境的要求。

圖1 全氧燃燒原理圖

全氧燃燒由于無N2參與燃燒過程，理論上不會(huì)產(chǎn)生NO,但由于于實(shí)際燃料中會(huì)含有少量N2，以及燃燒過程中密封性能不佳會(huì)從大氣中吸入少量N2，但由于N2 濃度較低，即使全氧燃燒的火焰溫度較高，NO,的生成量比空氣燃燒還要少，若能通過煙氣回流等技術(shù)控制火焰的溫度及燃燒區(qū)氧濃度，全氧燃燒的NO的生成量會(huì)降到極低。

            表1 全氧燃燒的理論煙氣成分%

鋼包全氧烘烤的核心設(shè)備是全氧燒嘴，本項(xiàng)目采用的全氧燒嘴采用內(nèi)循環(huán)式FGR技術(shù)解決火焰局部高溫問題通過獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使高溫?zé)煔庠跓�嘴中自循環(huán)，同時(shí)將整個(gè)燃燒過程人為區(qū)分為燃?xì)夂脱鯕馀浔炔煌�的若干階段，使燃?xì)獾娜紵�分別在燃?xì)膺^濃、燃?xì)膺^淡和燃盡三個(gè)區(qū)域分階段完成，有效控制燃燒區(qū)域的O濃度和反應(yīng)速度，達(dá)到穩(wěn)定的燃燒效果。

圖2全氧燒嘴外形圖

圖3為該全氧燒嘴燃燒區(qū)域氧濃度的CFD模擬分析結(jié)果，從圖3中可以看出，由于高溫?zé)煔獾淖匝�環(huán)，火焰區(qū)域的實(shí)際氧濃度可以控制在35％以上，在提高整體火焰溫度的同時(shí)可以有效的控制全氧燒嘴頭部的局部高溫確保了燒嘴的使用壽命。

圖3燃燒區(qū)域氧濃度分布

圖4為該全氧燒嘴燃燒區(qū)域溫度場的CFD模擬分析結(jié)果，可以從圖中看出，由于煙氣量的大幅減少以及氧氣的高速噴射，火焰高溫區(qū)可以直接沖到鋼包中部以下，避免了傳統(tǒng)燃燒由于煙氣量反沖力過大，無法保證烘烤均勻性的弊端。

圖4 燃燒區(qū)域溫度場分布

3應(yīng)用實(shí)踐

3.1 設(shè)備改造

本次改造將燃料由低熱值煤氣改為天然氣，助燃劑由空氣改為純氧。拆除原來的閥架、控制系統(tǒng)、燒嘴，只保留包蓋和支架，新增氣體流量控制系統(tǒng)，烘烤自動(dòng)控制系統(tǒng)，全氧燒嘴，點(diǎn)火燒嘴。烘烤閥架原理圖見圖5。

圖5  烘烤閥架原理圖

3.2 烘烤曲線

根據(jù)耐火材料的特性和生產(chǎn)節(jié)奏，制定的升溫曲 線見圖6。

圖 6  新鋼包烘烤曲線

3.3 工藝條件

鋼包尺寸：上沿耐材直徑2600 mm，下部耐材直徑 2300 mm，鋼包凈空高3050 mm。

燃料介質(zhì)為天然氣，熱值為35530 kJ/m³，壓力大千 1.5 kg/cm²。

氧氣含量99.9%，壓力1.2 kg/cm²。

烘烤介質(zhì)流量見表2。

表2 烘烤介質(zhì)流量

3.4 烘烤操作

鋼包就位，開啟自動(dòng)點(diǎn)火燒嘴，啟動(dòng)主燒嘴，落下包蓋確保包蓋和鋼包上沿的間隙為1cm，便于產(chǎn)生的煙氣溢出。

圖 7 全氧鋼包烘烤

3.5 尾氣分析

在天然氣和氧氣流量分別為60和130m³/h的燃燒烘烤狀態(tài)下，對尾氣成分進(jìn)行分析，分析數(shù)據(jù)見表3。

從現(xiàn)場實(shí)測煙氣成分可以看出，全氧燃燒的燃燒效率非常高，尾氣中殘留的CO很低，NOx的生成量遠(yuǎn)低于環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)；H20含量高于理論值主要是由于耐材中水分析出影響了實(shí)際煙氣成分。 

圖 8 烘烤過程溫度顯示

4 全氧烘烤與發(fā)生爐煤氣加空氣烘烤能耗的對比：采集煉鋼廠發(fā)生爐煤氣加空氣烘烤和全氧烘烤3個(gè)月的數(shù)據(jù)對比結(jié)果見表4。

                     表 3 尾氣成分分析

從表4可以看出，在生產(chǎn)穩(wěn)定情況下，需要烘烤的包數(shù)不變，烘烤效果一樣，和發(fā)生爐煤氣＋空氣燃燒相比，全氧燃燒節(jié)約能源83％以上，有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

5結(jié)論

(1)和發(fā)生爐煤氣＋空氣燃燒相比，全氧燃燒烘烤過程，廢氣量小，廢氣帶走的熱量少，節(jié)約能源83％以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

(2)全氧燃燒過程和空氣燃燒相比，不存在79％的氮?dú)猓瑥U氣量減少70％以上，減少了NOx的排放。

(3)鋼包和包蓋之間的縫隙只有1cm，沒有火焰外溢，包蓋的壽命顯著延長。