Кислородно-топливное сжигание и его применение в нагревательных печах

Кислородно-топливное сжигание и его применение в нагревательных печах

Нагрев стали является энергоемким процессом, требующим равномерного распределения температуры внутри нагревательных печей. Исторически сложилось так, что рекуператоры использовались для предварительного нагрева воздуха для горения, тем самым экономя энергию. Более поздние инновации включают обогащение кислородом (O2) и использование регенеративных горелок, которые обеспечивают более высокую температуру предварительного нагрева воздуха, чем рекуператоры. Эти процессы имеют ограничения, такие как износ оборудования, снижение энергоэффективности с течением времени, высокие затраты на техническое обслуживание и увеличение выбросов NOx при повышении температуры предварительного нагрева воздуха, если только не используется специальное оборудование.

Три вещи необходимы для запуска и поддержания горения. Это топливо, кислород и достаточная энергия для воспламенения. Эффективность процесса горения максимальна, если топливо и кислород могут встречаться и реагировать без каких-либо ограничений. Но при отоплении, помимо эффективного сжигания, имеет значение и передача тепла.

Обычный воздух, используемый для горения, помимо кислорода содержит азот (N2) и аргон (Ar). В воздушно-топливной горелке пламя горелки содержит азот из воздуха для горения. Значительное количество энергии топлива используется для нагревания этого азота. Горячий азот уходит через дымовую трубу, создавая потери энергии. Следовательно, воздух не обеспечивает оптимальных условий для горения и передачи тепла. Тепло, поглощаемое азотом, либо тратится впустую, либо подлежит рекуперации с целью сохранения энергии. Наилучшая на сегодняшний день система воздушно-топливного нагрева в нагревательной печи требует не менее 310 М кал на тонну стали для достижения нужной температуры стального изделия для прокатки.

Исторически сложилось так, что кислородно-топливное сжигание в основном использовалось при сварке и резке металлов, особенно стали, поскольку кислородно-топливное пламя допускает более высокие температуры пламени, чем можно достичь с помощью воздушно-топливного пламени. Внедрение инновационной технологии кислородно-топливных горелок (с использованием 100 % кислорода) для подогрева стали является относительно недавним явлением. Концепция кислородно-топливного сжигания была предложена в 1982 году Абрахамом в контексте получения дымовых газов, богатых двуокисью углерода (CO2). В связи с потенциальными преимуществами Аргоннская национальная лаборатория (ANL) провела ряд исследований, в том числе технико-экономическое исследование и экспериментальные исследования по этому вопросу.

Кислородно-топливо относится к практике полной замены воздуха в качестве источника окислителя для горения кислородом промышленного качества. Кислород промышленного качества определяется как подача жидкого кислорода, испаряющегося в газ, или кислорода, произведенного на месте. Подача жидкого кислорода обычно имеет чистоту более 99,99 %, в то время как чистота кислорода, получаемого на месте, обычно находится в диапазоне от 90 % до 93 %. Преимущество использования кислорода, произведенного на месте, заключается в более низкой стоимости, поскольку продукт не нужно сжижать или транспортировать, и он доставляется при более низком давлении для минимизации энергопотребления. На металлургическом комбинате, где имеется воздухоразделительная установка для производства стали, кислород высокой чистоты (99,99 %) может подаваться по трубопроводу от воздухоразделительной установки.

Когда газообразного азота избегают с использованием кислорода промышленного качества, как в случае кислородно-топливного сжигания, тогда не только само сгорание, но и теплопередача становятся более эффективными. Oxy – сгорание топлива влияет на процесс сгорания несколькими способами. Первым очевидным результатом является повышение теплового КПД за счет уменьшения объема выхлопных газов, что является фундаментальным и справедливым для всех типов кислородно-топливных горелок. Кроме того, в атмосфере печи увеличивается концентрация сильно излучающих продуктов сгорания, CO2 и H2O. При работе в режиме обогрева эти два фактора приводят к более высокой скорости нагрева, экономии топлива, снижению выбросов CO2 и NOx, а также снижению выбросов SOx, если топливо содержит серу. На рис. 1 показаны процессы горения кислород-топливо и воздух-топливо.

Рис. 1. Кислород – топливо и воздух – процессы горения топлива

Oxy - горение топлива во многих отношениях отличается от горения воздуха, включая более низкую температуру пламени и замедленное воспламенение пламени. Многие эффекты кислородно-топливного сжигания можно объяснить различиями в свойствах газов между CO2 и N2, основными разбавляющими газами при кислородно-топливном сжигании и воздухом соответственно. CO2 отличается от N2 свойствами, которые влияют как на теплопередачу, так и на кинетику реакции горения. Эти различия описаны ниже.

• Плотность. Молекулярная масса CO2 составляет 44 по сравнению с 28 для N2, поэтому плотность дымовых газов выше при кислородно-топливном сжигании.
• Теплоемкость. Теплоемкость CO2 выше, чем N2.
• Диффузность. Скорость диффузии кислорода в CO2 в 0,8 раза больше, чем в N2.
• Излучательные свойства топочных газов:-Oxy – при сгорании топлива более высокие уровни CO2 и H2O, оба имеют высокую мощность излучения.

По сравнению с воздухом-топливом, кислород-топливо приводит к гораздо более эффективному и быстрому нагреву стального изделия. Тепловой КПД кислородно-топливного топлива составляет около 80 % по сравнению с КПД воздухотопливного топлива, который составляет от 40 % до 60 %. При использовании кислородного топлива повышается производительность и снижается расход топлива на нагрев стального изделия до заданной температуры. Использование кислородного топлива также улучшает однородность температуры и снижает выбросы в окружающую среду.

Общее преимущество замены воздуха кислородом промышленного качества заключается в том, что содержание азота, поступающего в процесс горения с воздухом, почти или полностью устраняется. Уменьшение азота при сгорании позволяет повысить температуру пламени и эффективность сгорания, поскольку меньший объем дымового газа снижает количество тепла, отбираемого от пламени и теряемого с выхлопными газами. При кислородно-топливном сжигании образуется газ, состоящий в основном из CO2 и воды.

Теплоперенос при кислородно-топливном сжигании характеризуется значительным локальным переносом из-за высокой излучательной способности (значительные концентрации CO2 и H2O в пламени) и уменьшенного объема пламени, что приводит, во-первых, к повышенной способности передавать свою энергию на нагрузку, а во-вторых, к дополнительному выигрышу. энергоэффективности.

При непрерывном нагреве также возможно экономично эксплуатировать нагревательную печь при более высокой температуре на входе в печь. Это дополнительно увеличивает возможную производительность нагревательной печи. Было замечено, что энергоэффективность кислородно-топливного сжигания эквивалентна или даже выше, чем у нагревательных печей, оснащенных оборудованием для сильно подогретого воздуха для горения. Таким образом, преимущества использования кислородного топлива по сравнению с воздушно-топливным сжиганием заключаются в следующем.

• Гидрокси-топливо приводит к значительному увеличению доступного тепла (общая подводимая энергия за вычетом энергии, теряемой на выхлоп) по сравнению со сжиганием топлива в воздухе. Увеличение доступного тепла напрямую связано с сокращением потребления энергии.
• Увеличение доступной теплоты сгорания означает, что меньше тепла теряется с выхлопом, и больший процент от общей подводимой энергии остается для выполнения работы в печи. Таким образом, когда доступное тепло увеличивается, количество общей подводимой энергии, необходимой для выполнения постоянного количества работы, уменьшается.
• Увеличение скорости нагрева приводит к увеличению производительности. Практический предел увеличения производительности зависит от способности загрузки поглощать тепло, а также от времени и температуры, при которых загрузка подвергается воздействию тепла. Опыт работы с различными кислородно-топливными установками показывает, что производительность продукта может быть увеличена в большинстве операций без увеличения заданной температуры печи, за исключением тех печей повторного нагрева, которые уже соответствуют установленному пределу линейного изменения температуры. Помимо увеличения доступного тепла, более высокая температура кислородно-топливного пламени и потенциал излучения дымовых газов положительно влияют на теплопроизводительность и производительность.
• Поскольку радиационная теплопередача зависит от разницы температур от источника к приемнику в четвертой степени, кислородно-топливное горение приводит к значительному увеличению потенциала излучения пламени для нагрузки. Продукты сгорания кислородного топлива также являются лучшими источниками лучистого теплообмена. Это связано с тем, что большую часть продуктов сгорания топлива и воздуха составляет азот, который не является столь же эффективным механизмом переноса лучистого тепла, как углекислый газ и водяной пар, которые составляют большинство продуктов сгорания кислородно-топливного топлива.
• Сниженные выбросы из печи. Объем выхлопных газов значительно ниже при использовании кислородного топлива. Общий объем выхлопных газов с кислородно-топливной системой обычно на 70–90 % меньше, чем общий объем выхлопных газов с воздушно-топливной системой. Наиболее очевидным результатом использования кислородного топлива является снижение расхода топлива. При снижении расхода топлива выбросы CO2 снижаются за заданное время или на единицу нагретой нагрузки. При кислородно-топливном сжигании резко снижается парциальное давление азота в продуктах сгорания, что снижает вероятность образования NOx даже при повышенной температуре пламени.
• Концентрация загрязняющих веществ в дымовых газах выше, что облегчает разделение
• Дымовые газы в основном состоят из CO2, пригодного для секвестрации.

В дополнение к преимуществам, упомянутым выше, вариант использования кислородно-топливного сжигания иногда может привести к меньшим капиталовложениям по сравнению с другими методами повышения эффективности, такими как рекуператоры или оборудование для контроля выбросов. Окси – сжигание топлива позволяет сделать все монтажные трубы и линии потока компактными без необходимости использования рекуперативных или регенеративных установок для рекуперации тепла. Это также значительно уменьшает физический размер горелок, печей и дымоходов, а также устраняет необходимость в электрических вентиляторах. Кроме того, исключаются нагнетатели воздуха для горения и связанные с ними низкочастотные шумы. Кроме того, в некоторых случаях переход на кислородное сжигание топлива привел к меньшим потерям накипи благодаря лучшему контролю и более короткому времени нагрева.

Кислородно-топливное пламя имеет более высокую температуру при меньшем объеме и длине, чем воздушно-топливное пламя. Характеристики пламени при кислородно-топливном режиме необходимо учитывать при проектировании систем кислородно-топливных горелок для нагрева стали. Как правило, нагрев стали требует равномерного распределения температуры, чтобы избежать локального перегрева или недогрева в изделии. Тип и размещение кислородно-топливных горелок зависит от типа печи и близости пламени к стальному изделию.

Небольшой объем продуктов сгорания при использовании газокислородного топлива обеспечивает существенное повышение эффективности, но требует особого внимания при проектировании систем управления горением. Надлежащий контроль степени сгорания имеет решающее значение для процессов нагрева стали, поскольку продукты сгорания составляют атмосферу нагрева и в конечном итоге влияют на скорость и тип образования накипи. В воздушно-топливных системах сгорания большой объем азота, подаваемого в процесс сгорания вместе с воздухом, обеспечивает демпфер или фактор безопасности против изменений соотношения воздуха и топлива. С кислородным топливом этот демпфер почти полностью устранен. Это означает, что процентное изменение отношения кислорода к топливу при использовании кислородно-топливной смеси будет иметь большее влияние на атмосферу в нагревательной печи, чем такое же изменение при использовании воздушно-топливной смеси.

Изменение атмосферы в печи при кислородном топливе не оказывает вредного влияния на образование накипи, а в некоторых случаях оказывается полезным. Более высокое парциальное давление CO2 и H2O в продуктах сгорания обеспечивает более эффективный механизм теплопередачи, позволяющий увеличить скорость нагрева, что снижает фактор времени для образования накипи. Кроме того, сравнение кислородно-топливного и газокислородного топлива показывает, что характеристики образования накипи изменяются при использовании газокислородного топлива. Окалина, образующаяся на поверхности стали, находится в более тонком слое, чем при воздушно-топливном сжигании. Считается, что причиной изменения характеристик накипи является то, что кислородно-топливная атмосфера быстро образует тонкий и плотный оксидный слой, который предотвращает дальнейшее окисление и образование накипи.

Беспламенный кислород — сжигание топлива

В последние годы применяется «беспламенное кислородное сжигание топлива». Выражение передает визуальный аспект типа горения, то есть пламя больше не видно визуально или легко обнаруживается человеческим глазом. Другое описание может заключаться в том, что горение «растянуто» во времени и пространстве — оно распространяется на большие объемы, поэтому его иногда называют «объемным горением». Такое пламя имеет однородную и более низкую температуру, но содержит такое же количество энергии.

При беспламенном кислородно-топливном сжигании пламя разбавляется горячими топочными газами. Это снижает температуру пламени, чтобы избежать образования термических NOx и добиться более равномерного нагрева стали.

В беспламенном кислородном топливе смесь горючего и окислителя реагирует равномерно по объему пламени, скорость которой определяется парциальными давлениями реагентов и их температурой. Беспламенные кислородно-топливные горелки эффективно рассеивают дымовые газы по всей печи, обеспечивая более эффективный и равномерный нагрев материала даже при ограниченном количестве установленных горелок – рассеянное пламя по-прежнему содержит такое же количество энергии, но распространяется на больший объем . Низкая температура пламени существенно снижает низкое образование NOx. Низкий уровень выбросов NOx также важен с точки зрения глобального потепления; NO2 обладает так называемым потенциалом глобального потепления, который почти в 300 раз выше, чем у CO2. Кроме того, возможно использование низкокалорийного топлива, на что в последнее время делается упор, например, использование колошникового газа доменной печи.

Кислородные горелки всегда были мощными и компактными, а новое поколение беспламенных кислородно-топливных горелок сохранило свою компактную конструкцию, что облегчает замену уже установленных кислородно-топливных горелок и упрощает модернизацию воздушно-топливных установок. Кроме того, беспламенное кислородно-топливное сжигание не только добавляет дополнительные преимущества, но и открывает новые области применения, что способствует значительному снижению воздействия на окружающую среду.

На сталелитейных заводах, где уже внедрена технология кислородно-топливного сжигания, получены следующие результаты.

• Увеличение пропускной способности нагревательной печи до уровня 50 %
• Экономия потребления топлива до уровня 50 %
• Снижение выбросов CO2 до уровня 50 %
• Меньшее количество выбросов NOx
• Уменьшение потерь накипи при повторном нагреве.
• Никакого негативного влияния на качество поверхности стали
• Оказывает положительное влияние на однородность температуры стали.
• Легче получить идеальную кривую нагрева, предложенную системой управления.
• Из дымовой трубы выходит меньше дыма, что значительно улучшает окружающую среду на предприятии.

  
  

  
  
  Неразрушающий контроль сталей Типы горелок в нагревательных печах