富氧燃烧纯高炉煤气在冶金工业炉上的应用分析.pdf

Vo L 3 l No ． 1 J a n ． 2 0 1 2 冶金能源 ENE RG Y F O R ME I -AI 工IURGI C AL I ND US T R Y 3 7 富氧燃烧纯高炉煤气在冶金工业炉上的应用分析 张雄 温 治 楼国锋 郑坤灿 余跃 冯霄红2 1 ． 北京科技大学 热能工程系， 2 ． 重庆赛迪工业炉有限公司 摘要基于某加热炉工艺，与高温空气燃烧技术 H i T A C 对比分析了富氧燃烧纯高炉煤 气的技术可行性和经济可行性。结果显示 ，在合理的富氧浓度 以及一定的空气煤气预热温度 条件下，纯高炉煤气的燃烧可以满足普通加热炉的工艺要求。 关键词工业炉富氧燃烧高温空气燃烧C O 捕集 An a l y s i s o f o x y g e n e n r i c h e d c o mb u s t i o n o f BF G i n me t a l l u r g i c f u r n a c e Z h a n g X i o n g We n Z h i L o u G u o f e n g Z h e n g K u n c a n Y u Y u d F e n g X i a o h o n g 2 1 ． U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g ， 2 ． C h o n g q i n g S A I D I I n d u s t r i a l F u rna c e C o ． ， L t d ． Ab s t r a c t 1 1 l e p u r p o s e o f t h e p a p e r i s t e c h n oe c o n o mi c a n a l y s i s t h e o x y g e n e n r i c h e d c o mb u s ti o n o f b l a s t f u r n a c e g a s B F Gi n m e t a l hr g i c f u r n a c e ．S o m e r e s u l t s a r o c a r r i e d o n ． e ms ults s h o w e d t h a t o x y g e n e n r i c h e d c o mb u s ti o n o f BF G c a n s a ti s f y t h e p r o c e s s r e q u i r e me n ts o f o r d i n a r y me t a [ 1 u r g i c f u r - nace． Ke y wo r d s me t g ／ e f u _r I e e o x y g e n e n r i c h e d c o mb u s t i o n Hi r AC C 02 c a p t u r e 对于现代企业来说，资源、能源与环境问题 已经成了制约其快速发展的瓶颈。节约能量、减 少污染物排放是企业科学技术进步和可持续发展 的必然选择。同时 ，由于地球环境恶化以及全球 变暖等因素使得各国对工业 C O 、S O 及 N O 等 污染物排放的控制越来越严格。尤其是近几年对 火电厂、钢厂等高能耗行业的 C O 的监控及减 排力度越来越大，也促使了富氧燃烧、蓄热式燃 烧等节能技术的发展⋯。 在我国的大部分钢铁企业中有大量的高炉煤 气产生，而高炉煤气由于其热值低、产量较大等 原因，被合理的利用一直是一个难点。目 前 有 很多学者针对高炉煤气的合理利用做了大量的研 究。王汇等人通过分析石灰回转窑的工艺特性， 收稿 日 期 2 0 1 1 0 6 一 O 1 张雄 1 9 8 7一 ， 博士生 ； 1 0 0 0 8 3 北京市海淀区。 提出了富氧条件下在回转窑内部利用高炉煤气代 替部分焦炉煤气的应用方案 】 。庄正宁等人分 析了高炉煤气的燃烧特性，同时在某钢铁厂设计 建造了一个全燃高炉煤气的5 0 M W高压锅炉 j 。 李振山等人对钢铁行业的整个流程进行了分析， 首先通过对高炉进行富氧从而得到较高热值的高 炉煤气，进而改善了低热值煤气的利用状况 。 同时，在文献[ 5 6 ] 中分析了通过高温空气燃 烧技术，在工业加热炉上实现纯高炉煤气的燃烧 利用 然而，目前没有一种技术可以实现纯高炉 煤气在各种工业炉窑上大范围的应用。 通过热力学、燃烧学以及气体分离等理论， 对比分析了富氧燃烧高炉煤气和高温空气燃烧高 炉煤气两种技术的可行性。由于高温空气燃烧技 术的发展已经比较成熟， 所以着重分析富氧燃烧 技术的特性。同时， 对两种燃烧技术的经济性进 3 8 冶金能源 EN ER GY F OR ME T A L L U RGI C AL I NDUS T RY Vo 1 ． 31 No ．1 J a n ． 2 0 1 2 行了分析，为富氧燃烧纯高炉煤气在工业加热炉 上的应用提供一定的指导意义。 1 高温空气燃烧 高温空气燃烧技术也称为蓄热式燃烧技术， 通过预热空气和煤气的方法回收烟气中的余热， 将烟气温度降至2 0 0 ℃以下，将空气的温度预热 到 1 0 0 0 ℃以上【 J 。 蓄热式燃烧可以最大程度的实 现烟气的余热回收，但由于蓄热体会受到高温的 烧损以及烟气成分的腐蚀，蓄热体需要经常更 换，因此其运行成本比较高。 以某钢铁厂的高炉煤气为例 ，表 1 为高炉煤 气 的成分。对燃烧过程进行热平衡计算 ，得到燃 料的理论燃烧温度 垒 一 墨 ． ． ‘ g 1 一C s Cs 。1 ‘L C s 1 式中 为理论燃烧温度， ℃； 为燃料的发热量， J ／ k g ； 为燃料的质量流量， k g ／ s ； L为理论空气 需求量， k g ／ k g ； a t 为空气系数； ， T o 分别为燃料 和空气的初始温度， cI ； c ， ， C ， C s 分别为燃料、 空 气和烟气 的比热容 ， k J ／ ℃k g ； △ 抵为燃烧产物 的分解热 ， J ／ k g 。 表 1 高炉煤气的成分 ％ 图 1 为在不同预热温度下高炉煤气的理论燃 烧温度。随着空气预热温度的增加， 高炉煤气的 理论燃烧温度几乎呈线性增加； 而随着煤气预热 温度的增加， 理论燃烧温度也几乎呈线性增加的 趋势。煤气预热温度每增加 1 0 0 ℃理论燃烧温度 提高约5 O ℃， 空气预热温度每提高 1 0 0 ℃理论燃 烧温度提高约 3 6 。因此在高炉煤气的燃烧过 程中， 预热煤气对理论燃烧温度的影响较大。 由上分析可知， 通过双蓄热将空气和煤气均 预热到 1 0 0 0 cc， 煤气 的理论燃烧温度可达到 l 8 o o q C以上。若取炉温 系数为 O ． 7 5 ， 则 得到 1 3 5 0 ℃以上的炉膛温度， 基本可以满足普通加热 p ＼ 魁 赠 饕 剐 图 1 高炉煤气理论燃烧温度 随空气和煤 气预 热温度 的变化 炉的工艺要求。 2 富氧燃烧 富氧燃烧是将助燃剂中的氧气含量提高， 减 少助燃剂中不参加反应的 N 含量。高炉煤气中 由于含有大量的 N 5 0 ％左右 ， 所以其理论燃烧 温度较低， 减少助燃剂中N 的浓度， 实质上等效 于减少高炉煤气中 N 的浓度。通过富氧可以提 高燃料的火焰温度， 改善燃料的燃烧火焰特性， 同 时还可以通过减少排烟带走 的热损失来提高炉子 的热效率。 图 2为工业加热炉富氧燃烧的流程 图。首先 通过空气分离设备制得富氧空气， 随后富氧空气 和燃料分别进人高效换热器进行预热， 最后进入 燃烧器进行燃烧反应产生热量。蓄热式燃烧技术 相比， 此流程中少了蓄热体单元， 增加了空气分离 单元和换热器单元 。 图2 工业炉窑使用富氧燃烧的工艺流程图 ／ a , 2 ． 1 富氧燃烧对炉内气氛的影响 在加热炉热负荷不变的情况下， 随着富氧浓 度的增加， 助燃剂流量、 烟气流量均减少。同时， 随着富氧浓度的增加炉内的气体成分发生了变 化， 从而对炉内的传热特性有较大的影响。图 3 Vo 1 ． 31 N 1 J a n ． 2 0 1 2 冶金能源 E NER ； Y F OR ME T AI J L UR GI C A L I NDU Y 3 9 为富氧燃烧高炉煤气时， 炉内气体流量及其成分 随富氧浓度的变化规律 空气系数取 1 。 图3 氧浓度对炉内气体流量及其成分的影响 由图3可知， 烟气中N 的含量随氧浓度的增 加而降低， C O 的成分随氧浓度的升高而升高， 而 H 0的浓度几乎保持不变。在轧钢加热炉中氧 化性气氛的增加会促进氧化铁皮的生成， 但是其 主要的影响因素是 H 0和 0 ， C O 的影响并不明 显 ， 所以在高炉煤气富氧过程中只要合理的控制 空气系数就可以有效地控制氧化铁皮的生成。 2 ． 2 富氧燃烧纯高炉煤气的可行性分析 图4为空气预热到 5 0 0 C 时， 高炉煤气的理 论燃烧温度随氧浓度和煤气预热温度的变化。普 通换热器内煤气在较高的温度下会发生热解形成 焦油， 因此需将煤气温度保持在 3 0 0 ℃以下。由 图4可知， 高炉煤气的预热温度对理论燃烧温度 的影响较大 ， 而且随氧浓度的增加 ， 煤气的预热温 度对理论燃烧温度影响更加明显。同时， 当助燃 剂中含氧量接近纯氧时， 即使不预热高炉煤气其 理论火焰温度依然可以达到 1 8 0 0 ℃以上， 可满足 ’ 工艺要求。在此过程中， 大量的烟气余热得不到 有效地利用， 而且使用高浓度的富氧空气增加了 _ ． 一 图4 空气预热到 5 0 0 ℃时， 理论燃烧温度随氧 浓度及煤气预热温度的变化 制氧成本， 从经济性角度考虑并不可取。通过分 析可知， 当助燃空气和煤气分别预热到 5 0 0 C和 3 0 0 ℃ ， 保持氧浓度高于 4 5 ％时 ， 可 以实现 1 8 0 0 ℃ 以上的理论燃烧温度。 综上所述， 在普通的轧钢加热炉中， 可以通过 富氧实现纯高炉煤气的燃烧。富氧燃烧通过减少 烟气流量来降低排烟热损失， 进而提高了炉子的 热效率。同时， 随着氧浓度的增加， 烟气 中 C O 的浓度逐渐增加从而降低 了 C O 的捕集能耗。 在全球碳减排的严峻形势下， 钢铁企业必然面临 着 C O 减排的压力。而富氧燃烧由于其高效及 低污染物排放的特性， 为钢铁厂实现 C O 捕集提 供了有利条件。 3经济性分析 通过高温空气燃烧技术以及富氧燃烧技术均 可以在普通轧钢加热炉上实现纯高炉煤气的利 用。以某一固定热负荷 2 M W 的加热炉为例， 通 过研究两种纯高炉煤气燃烧技术的运行成本来讨 论其经济可行性。同时， 还将两种燃烧技术与 C O 捕集相结合， 对比分析其能耗特性。 3 ． 1 富氧燃烧纯高炉煤气的成本分析 与其他高炉煤气的利用方式相比， 富氧燃烧 技术一方面避免了使用蓄热体， 降低了烧嘴的成 本及维护费用； 另一方面富集了烟气中 C O 的浓 度， 降低了 C O 的捕集能耗。但是在富氧燃烧技 术中， 富氧空气的制备需要消耗很大一部分的能 量。目 前制备富氧空气主要有两种方式 利用纯 氧和空气混合得到所需浓度的富氧空气； 直接通 过空气分离设备制得所需氧浓度的富氧空气。第 一 种富氧方式可以比较灵活的得到任意氧浓度的 富氧空气 ， 不会受到设备工况的影响。但是混合 过程是熵增的过程 ， 所 以会造成炯 损失从而增加 了富氧成本。而第二种富氧方式的制取能耗较 低 ， 但是制氧浓度较低， 富氧空气流量增加， 从而 增加了运输成本 J 。 以第一种富氧方式为例， 来分析富氧燃烧纯 高炉煤气的经济性特点。结合图4的结果， 取定 热负荷为2 M W、 空气预热到5 0 0 C 、 高炉煤气预热 到3 0 0 ℃。在2 M W的热负荷下， 综合考虑了富氧 成本及高炉煤气需求成本， 通过热平衡计算得到 燃料的需求量 的表达式 冶金能源 ENERGY F OR ME I IAL LURGI CAL I NDUS TRY Vo 1 ． 31 No ．1 J a n ． 2 0 1 2 晦 h e I ’ 弓 a。 。 c 。 一 1 a‘ L ‘ ％ ‘ 2 式中 为所需高炉煤气量， k g ／ s ； Q为热负荷， Q 2 MW； c I 为燃料的比热 ， J ／ k g C ； c 为助燃剂 的比热 ， J ／ k g ℃ ； c 詹 为烟气 的 比热， J ／ k g C ； ， ， 分别为燃料、 助燃剂及排烟的温度， ℃； o r 为空气系数； 为高炉煤气的理论空气需求量， 与 氧浓度相关 ， k g ／ k g 。 采用纯氧与空气混合的方法来得到所需氧浓 度的富氧空气。以深冷法制取纯氧 9 9 ． 6 ％ ， 通过计算得到制备富氧空气所需耗电量 E 的表 达式 E 。 L x百 - 0 ． 2 3 3 3 、⋯⋯ 式中 为制备所需富氧空气的耗电量， k Wh ／ k g ； E 为深冷法制氧能耗 ， 取 E 0 ． 2 8 k Wh ／ k g ； 神 ，为助燃剂中氧气的质量分数， ％。 通过计算得到该加热炉在 2 M W热负荷的运 行过程牛， 煤气成本以及制氧成本随氧浓度的变 化规律， 具体结果如图5 所示。由图5可知， 随着 氧浓度的增加， 排烟量减小， 从而减少了炉子的排 烟热损失， 降低了高炉煤气的消耗量。同时随着 氧浓度的增加制氧成本增加 ， 但是 由于煤气消 耗量减少所以需氧量减少， 因而制氧成本的增加 速度随氧浓度的升高逐渐变缓。可以看出， 随着 氧浓度的增加总运行成本增加， 但增加速率逐渐 变缓， 其总运行成本维持在 l 1 ． 5 千元／ d 左右。 如果考虑对加热炉烟气中的 C O 进行捕集， 则必须考虑 C O 的捕集成本与烟气中 C O 浓度 的关系。式 4 为使用膜法分离烟气中的 C O 图5 富氧燃烧高炉煤气的运行成本 时，捕集能耗随干烟气 C O 浓度的变化关系 J 。 E 2 [ y - 1／7 一 - 1 0∞ _ 3 4 式中 E 为膜法分离烟气中 C O 能耗 ， G J ／ t ； C为 C O 捕集率， ％； R为气体常数取 8 ． 3 1 4 ； y为压缩 气体的膨胀率； 卵 为压缩机效率， ％； P ／ 为膜两 边压力比。同样在 2 MW 的热负荷下 ， 加热 炉使 用富氧燃烧并且进行 C O 捕集时， 总的运行成本 随氧浓度的变化规律如图 6所示。 由图6可知，随着氧浓度的增加 C O 的捕 集成本降低，并且降低的速度逐渐变缓。同时， 总能耗随着氧浓度的升高而降低，而当氧浓度高 于6 5 ％以后随着氧浓度的增加总能耗的降低速 率逐渐变缓， 在纯氧燃烧时达到最低。 图6 富氧燃烧高炉煤气并且考虑 C O 捕集时 的运行成本 3 ． 2 高温空气燃烧纯高炉煤气的成本分析 高温空气燃烧技术可以将烟气的温度降低到 2 0 0 ℃左右，可以实现 “ 极限”的余热回收，从 而提高了炉子的热效率。但是，在高温空气燃烧 技术中蓄热体的烧损和腐蚀比较严重，因而需要 经常更换，这也成为了高温空气燃烧技术主要的 运营成本 。同时，传统的金属换热器排烟温度在 4 5 0 ℃以下 ，此时排烟所带走 的热量 已经属 于低 品质的热量， 所以通过高成本的蓄热体来回收低 品质的热量是否经济，依然是目前工业炉所面临 的一个问题。而在国外，首先通过普通换热器预 热空气或煤气，随后将较高温度的烟气通人余热 锅炉产生蒸汽，这是一种可以有效地实现余热梯 级利用的方法。 根据图 l中的理论燃烧温度随空气、煤气预 热温度的变化和蓄热体的基本换热特性，经过理 v0 1 ． 31 No ．1 J a n ． 2 0l 2 冶金能源 EN ERG Y F OR ME T AI 工 lURG I C AL I NDUS TR Y 4 1 t 论分析得出一个可行性方案。 通过双蓄热将空气0 。 0 0 3 m 、宽壁厚0 ． 0 0 1 m ，更换扁期为3 个月。 和煤气分别预热到 1 0 0 0 5 0 C，一方面可提高 通过对蓄热体内部的气固换热模型计算，得到如 煤气的燃烧温度， 另一方面可以很大程度的回收 表2 所示的操作参数， 其中加热炉的热负荷仍取 烟气余热。选择蜂窝蓄热体，材质为粘土质，四 2 M W。 边形通道，孔长0 ． 0 0 3 m、长壁厚0 ． 0 0 1 m 、孔宽 表2 高温空气燃烧纯高炉煤气的操作参数 同时，结合公式 2 与 4 计算得到， 在此情况下 ，C O 捕集成本约 3 ． 2 8 8千元／ d 。在 不考虑 C O 捕集能耗的情况下，高温空气燃烧 纯高炉煤气的运行成本约为 l O ． 6 6 千元／ d ，略低 于富氧燃烧时的运行成本。而在考虑 C O 捕集 能耗的情况下，其运行成本约为 l 3 ． 9 4千元／ d ， 高于富氧燃烧时的运行成本。 通过上面的分析可知，高温空气燃烧技术和 富氧燃烧技术均可以在普通轧钢加热炉上实现纯 高炉煤气的利用。利用高温空气燃烧技术 ，可以 通过蓄热体实现烟气余热的 “ 极限” 回收，但 是由于其建设和维护成本较高、运行工况不稳定 等原因，所以其应用受到了限制。而对于富氧燃 烧技术，不仅可以通过减少排烟热损失来提高加 热炉热效率，增加炉内三原子气体成分来改善炉 内的换热特性 ，而且还可以实现低成本的 C O 捕集，因此富氧燃烧技术将在工业炉上有非常广 泛的应用 。 4 结论 1 普通空气助燃的纯高炉煤气燃烧，煤 气的预热温度对理论燃烧温度的影响比空气预热 对其的影响更明显。煤气预热温度每提高 1 0 0 ℃ 理论燃烧温度提高约 5 0 ℃，空气预热温度每提 高 1 0 0 ％理论燃烧温度提高约3 6 ℃； 2 在固定的热负荷下，不考虑 C O 的捕 集时，高温空气燃烧纯高炉煤气比富氧燃烧纯高 炉煤气的运行成本低约 6 ％； 3 在固定的热负荷下，当考虑 C O 捕集 时，使用纯氧燃烧纯高炉煤气比高温空气燃烧纯 高炉煤气的运行成本低约 1 0 ％。 参考文献 [ 1 ]G．B i s i o ， A．B o s i o ， G．R u b a t t o ．T h e r m o d y n a m i c s a p p u e d t o o x y g e n e n r i c h m e n t o f c o mb u s ti o n a i r[ J ] ．E n - 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