Кислородное сжигание топлива и его применение в нагревательных печах

В настоящее время сталелитейная промышленность сталкивается с серьезными проблемами, связанными с постоянным сокращением выбросов в окружающую среду при одновременном повышении экономической жизнеспособности процессов. Печи повторного нагрева из-за их высокого энергопотребления — одна из областей, требующих внимания сталелитейной промышленности. Это важное оборудование, которое способствует производительности и энергоэффективности сталелитейного завода.

Повторный нагрев стали — это энергоемкий процесс, требующий равномерного распределения температуры в нагревательных печах. Исторически рекуператоры использовались для предварительного нагрева воздуха для горения, тем самым сохраняя энергию. Более поздние инновации включают обогащение кислородом (O2) и использование регенеративных горелок, которые обеспечивают более высокую температуру подогрева воздуха, чем рекуператоры. Эти процессы имеют ограничения, такие как износ оборудования, снижение энергоэффективности с течением времени, высокие затраты на техническое обслуживание и повышенные выбросы NOx при повышении температуры предварительного нагрева воздуха, если не используется специальное оборудование.

Для запуска и поддержания горения необходимы три вещи. Это топливо, кислород и энергия, достаточная для воспламенения. Эффективность процесса сгорания наивысшая, если топливо и кислород могут встречаться и реагировать без каких-либо ограничений. Но во время практики отопления, помимо эффективного сгорания, передача тепла также имеет практическое значение.

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 нагрева этого азота. Горячий азот выходит через дымовую трубу, создавая потери энергии. Следовательно, воздух не обеспечивает оптимальных условий для горения, а также для передачи тепла. Тепло, поглощаемое азотом, либо тратится впустую, либо должно рекуперироваться с целью сохранения энергии. На сегодняшний день лучшая система воздушно-топливного нагрева в нагревательной печи требует не менее 310 M Cal на тонну стали для достижения нужной температуры стального продукта для прокатки.

Исторически сложилось так, что кислородное горение в основном использовалось при сварке и резке металлов, особенно стали, поскольку кислородное топливо позволяет достичь более высоких температур пламени, чем может быть достигнуто с помощью воздушно-топливного пламени. Внедрение инновационной технологии кислородно-топливных горелок (использующих 100% кислород) и ЗЗУ для топлива для повторного нагрева стали — явление относительно недавнее. Концепция кислородного сжигания была предложена в 1982 году Абрахамом в контексте получения дымовых газов, богатых диоксидом углерода (CO2). В связи с потенциальными преимуществами, Аргоннская национальная лаборатория (ANL) провела ряд исследовательских работ, включая технико-экономическое исследование и экспериментальные исследования по этому вопросу.

Кислородно-топливо относится к практике полной замены воздуха в качестве источника окислителя для сжигания кислородом промышленного качества. Кислород промышленного качества определяется как жидкий кислород, испаренный в газ, или кислород, генерируемый на месте. Подача жидкого кислорода обычно имеет чистоту более 99,99%, тогда как чистота кислорода, генерируемого на месте, обычно находится в диапазоне от 90% до 93%. Преимущество использования кислорода, генерируемого на месте, заключается в более низкой стоимости, поскольку продукт не нужно сжижать или транспортировать, и он доставляется при более низком давлении, чтобы минимизировать потребление энергии. На металлургическом комбинате, где существует воздухоразделительная установка для производства стали, кислород высокой чистоты (99,99%) может подаваться по трубопроводу от воздухоразделительной установки.