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2023/02/03
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一、研究的背景与问题
中国“双碳”战略的实现，必须控制能源消耗总量及能源消费强度、大幅度提升非化石能源占一次能源消费比重、大幅度消减煤炭生产量和消费量等等。
钢铁企业2011-2020年，粗钢产量的年均增速5.1%，支撑中国经济的高质量发展；从营业收入来看，2020年黑色冶炼及压延加工业、金属制品、通用设备制造等8个与钢材产业的合计营收占工业总营收的44.5%。尽管我国吨钢综合能耗由2000年的920kgce/t降低到2017年的567kgce/t，但体量大，钢铁工业总能耗占全国工业总能耗的20%~25%，占全国总能耗15%；中国钢铁业碳排放占全国碳排放总量的15%，是制造业31个门类中碳排放最大的行业。
全氧燃烧技术几乎无N2参与，大幅减少烟气量，减少排烟热损失；燃烧产物为均三原子气体，烟气黑度大，且火焰温度高，辐射系数大，燃烧效率高，有明显的节能效果，通过节约燃料促进碳减排目标的实现；同时烟气成分中的CO2占比大幅提高，有利于CO2的捕集，通过碳吸附、碳捕集技术可进一步存进“碳达峰、碳中和”目标的实现。
全氧无焰弥散式燃烧是一种能够有效降低污染排放，节约能源的技术，可直接减少燃料天然气的消耗量；同时由于取消了空气助燃时的鼓风机、引风机等设备，可直接减少电力的消耗量；全氧燃烧燃烧温度高，燃烧效率高，加热时间短，可减少钢坯氧化烧损程度，提高钢坯成品率，提高产品产量，增加产品销售收益；由于全氧燃烧大幅度减少NOx的排放，可减少相应的环保投入。
因此，全氧燃烧配套自主烧钢智能控制技术，可实现炉内钢坯身份的透明化，前馈温度、气氛控制预判，保障满足轧制节奏要求的低温烧钢、低过剩空气系数性能等；在保证钢坯出炉温度状态满足轧钢系统要求的前提下，可最大限度地降低吨钢综合能耗，充分挖掘加热炉加热能力，最大限度地降低企业生产成本。
中钢集团鞍山热能研究院有限公司采用了全氧无焰弥散式燃烧技术对唐山正丰钢铁有限公司现有加热炉燃烧系统等进行升级改造，替代常规空气助燃，取得了降低加热炉燃耗、减少污染物排放量和碳排放量及降低企业生产成本等效果。
二、解决问题的思路与技术方案
1、技术路线
全氧无焰弥散式燃烧技术是利用氧气（氧浓度91-100%）直接取代空气进行无焰弥散式燃烧，并利用烧钢智能控制技术可实现炉内钢坯身份的透明化，前馈温度、气氛控制预判，保障满足轧制节奏要求的低温烧钢、低过剩空气系数控制等。全氧燃烧技术研究路线如下：
（1）研究确定常规空气燃烧器的钢坯加热炉改造成全氧燃烧系统的炉体改造方向和内容；
（2）研究确定钢坯加热炉全氧燃烧系统的阀门管路系统配置方案；
（3）研究确定钢坯加热炉全氧燃烧系统的分区控制机理；
（4）研究确定钢坯加热炉全氧燃烧系统的电气控制系统配置方案；
（5）建设加热炉自主烧钢智能系统，提升加热炉全氧燃烧智能化水平。
2、技术方案
（1）全氧燃烧工艺流程
全氧燃烧就是利用氧气（氧浓度91-100%）直接取代空气进行的燃烧方式，可通过全氧烧嘴、点火燃烧器及控制阀组的改造实现步进式加热炉的全氧燃烧。
a.加热炉温度控制系统
根据加热工艺的要求，将加热段分为：加热1段，加热2段，均热段。对应于7个流量温度控制段，分别为：加热1段上，加热1段下，加热2段上、加热2段下，均热段上侧、均热段下端，端面（根据工艺要求可调节）。
图1 全氧燃烧工艺流程图
图2 全氧加热炉工艺布置图
在各工艺控制段相应位置安装全氧烧嘴，安装温度检测装置，用于对炉膛温度的检测。正常情况下，每个温度控制段两侧的温度检测装置参与本段对应供热装置的控制。
b.氧燃比调节系统
对于性能优良的燃烧系统，一定要保证燃料充分燃烧，同时也不能有过量的氧气加入。以保证合理的氧燃配比。
c.燃烧系统管路压力自动调节及快速切断
●快速切断：根据操作及安全连锁要求，进行快速切断。
●压力调节：采用定值调节方法，以检测值为参变量，调节PV的开度。同时将供热段燃料气、氧气瞬时流量的总和作为前馈信号参与调节，以稳定燃料气、氧气总管的压力。
（2）加热炉自主烧钢智能系统
自主烧钢智能控制系统要实现两个功能：一是对钢坯温度进行精确跟踪，二是在钢坯温度跟踪的基础上，正确地做出具有可行性的升/降炉段温度决策，且加以实施。
a.钢坯升温过程的精确跟踪
跟踪范围是从某钢坯上料完成开始，到该钢坯离开加热炉为止，跟踪对象是钢坯的位置和温度变化过程。包括钢坯位置跟踪和钢坯温度跟踪。
钢坯位置跟踪可实现：钢坯信息初始化、钢坯炉前位置跟踪、钢坯装炉事件处理、钢坯炉内位置修正、钢坯出炉事件处理等功能。根据各类检测装置的检测结果，及与基础控制系统定时同步得到的钢坯位置信息，跟踪修正炉内钢坯的位置状态，以保证钢坯温度跟踪系统能够准确计算钢坯环境温度。
钢坯温度跟踪可实现：钢坯初始温度计算、炉内钢坯温度场计算、钢坯温度场模型在线修正等功能。通过炉前测温装置测定钢坯初始加热温度；依据系统检测的炉气温度值（矩阵）、钢坯当前所在位置、已知钢坯计算温度，使用温度场模型实时预测新的钢坯温度场；并建立了在线和离线相结合的钢坯温度场修正机制。
b.基于钢坯温度的炉温智能控制
炉温自主控制是建立在钢坯温度跟踪、生产节奏跟踪等功能之上的炉温自动调节机制。
智能控制系统包含6个子系统，分别是：加热规则编辑器、基本钢温状态评价模块、生产状态分析模块、钢温状态修正模块、炉温调整决策模块、炉温调整操作执行模块。
图3 烧钢过程炉温调整决策示例图
此外，对原加热炉的适应性改造，包括结合全氧燃烧升级后的燃烧特性及换热特性对加热炉炉体结构进行结构优化，适当降低炉顶高度，缩短预热段长度保证充分利用燃料热量实现热效率转化最大化；对现有加热炉排烟系统进行改造是根据新系统烟气排放需求，降低排放总量，降低排烟温度；对原加热炉自动化系统的升级等。
三、主要创新性成果
1、针对全氧燃烧加热炉的炉内气流场、温度场及炉内钢坯对流换热、辐射换热的特性，对传统加热炉进行了结构创新改进，提高钢坯在炉内的综合换热效率，强化钢坯换热，提高了加热炉生产率。
2、全氧无焰弥散式燃烧器，通过流体设计将燃烧器的氧气、天然气形成高速射流流场，利用速度场在炉内实现气体自卷吸，从而实现弥散式燃烧。
3、多级联动的自调压稳定管路系统，建立由1级阀组、2级支路阀组、末端标定控制阀、管路不同位置的压力传感器组成多级联动调压稳压系统；通过压力反馈数值分析，实现管路系统压力自调节。
4、管道系统泄露自检测模块，该模块通过管路系统配置的多级应急切断阀和压力检测系统，实现管路系统泄露自检、巡检功能，保证管路系统安全稳定运行。
5、基于钢坯传热模型的加热炉自主烧钢智能系统，结合了全氧燃烧辐射换热、对流换热、气体组分等特有影响因素，建立了针对全氧燃烧烟气氛围的传热模型。该系统通过模型实时跟踪炉内钢坯加热状态，修正加热炉工作状态；包含加热规则编辑器、基本钢温状态评价模块、生产状态分析模块、钢温状态修正模块、炉温调整决策模块、炉温调整操作执行模块等6大模块和功能。
四、应用情况与效果
大型线加热炉全氧燃烧节能环保技术已应用于唐山正丰钢铁有限公司120t/h步进梁式加热炉上，实现了加热炉综合供热能力的提高，将加热炉小时产能从改造前的100t提升至改造后的120t；该条轧钢生产线由改造前80万吨/年提升至改造后的96万吨/年。
1、节能效果
实现了精准氧燃比、分段温控、加热速率提升、气体氛围控制等，降低钢坯在炉时间；使得加热炉工序氧化烧损降低20%，全流程氧化烧损降低0.5%；全年实现回收氧化烧损产能转化0.48万吨，可节能3939.67tce（当量值），4358.92tce（等价值），实现变废为宝转换利润1440万元。
表1 改造前后节能效果对比表
注：节能量负值为项目改造后新增能耗量。
图4 改造前现场照片
图5 改造后现场照片
2、环保效果
（1）本项目为汽化冷却不产生废水；取消了鼓风机、引风机等主要设备，几乎不产生噪声污染。
（2）加热炉燃料天然气为清洁燃料，全氧燃烧烟气量最大（冷装时）约为1.2万m³/h，相较改造前大约减少76%，烟气中几乎不含SO2；
（3）NOx等污染物大幅度减少；NOx浓度可控制在20mg/m³；NOx可减排34.31t/a。
（4）通过节约天然气，减少CO2排放量7912吨。
随着国家“双碳”战略的实施，国家对钢铁企业节能减排要求更加趋于严格，近年来，随着制氧技术的发展，工业制氧成本已经大幅降低，全氧燃烧技术具有了良好的经济性，使其面向市场推广和应用成为了可能。全氧燃烧技术已经成为工业企业重点关注的节能减碳技术，大型线加热炉全氧燃烧技术的应用必将成为工业炉窑的发展方向，具有广阔的市场前景。
中国金属学会发布（信息来源：中钢集团鞍山热能研究院有限公司）
随着中国金属学会《高炉炼铁变压吸附供氧技术规范》团体标准的发布，钢铁行业内首个变压吸附制氧标准开始正式实施。在整个钢铁流程内，有多种非纯氧应用环境，均可采用变压吸附制氧（VPSA-O2）技术，如加热炉、高炉、热风炉、烧结、电炉等工序。
凭借着能耗低、投资低、建设周期短、启停方便、设备稳定等诸多优点，北大先锋已为国内外钢铁用户建设了70余套变压吸附制氧设备。截止2022年底，公司累计建设产氧装置规模超过200万Nm³/h。
