1 提出问题

某公司钢包烘烤技术原为套筒式烧嘴，主要燃料是高炉煤气。使用中发现主要存在以下几方面的问题：

1高温烟气从包盖边缘直接排放，烟气带走绝大部分热量；

2火焰刚性不足，温度均匀性差，为达到烘烤效果不得不延长烘烤时间；

3为兼顾火焰刚性，空气严重过剩，无法准确控制空燃比；

4大负荷时由于包内压力高，火焰乱窜直接热损失大；

5烘烤热效率低，能耗高，污染物排放量大。

为了解决以上问题，钢企与郑州德斯特自动化设备有限公司根据富氧全氧燃烧技术特性，采用了全氧燃烧技术解决方案。

2 全氧燃烧技术及特点

全氧燃烧是指用工业氧气代替空气来燃烧燃料，可以使燃料燃烧更加完全。全氧燃烧对于空气燃烧有诸多优点：全氧燃烧过程与空气燃烧相比，空气中约79％的氮气不再参与燃烧，可以提高火焰温度，烟气中不存在氮气，燃烧产物为三原子产物，三原子物质的传热效果高于双原子的物质，提高加热效率；而且氮气不再参与排烟，可以大幅减少烟气量，减少排烟热损失。全氧助燃直接带来的经济效益就是能够节约燃料，减少NO_X的排放，达到净化环境的要求。

图1 全氧燃烧原理图

全氧燃烧由于无N2参与燃烧过程，理论上不会产生NO,但由于于实际燃料中会含有少量N2，以及燃烧过程中密封性能不佳会从大气中吸入少量N2，但由于N2 浓度较低，即使全氧燃烧的火焰温度较高，NO,的生成量比空气燃烧还要少，若能通过烟气回流等技术控制火焰的温度及燃烧区氧浓度，全氧燃烧的NO的生成量会降到极低。

            表1 全氧燃烧的理论烟气成分%

钢包全氧烘烤的核心设备是全氧烧嘴，本项目采用的全氧烧嘴采用内循环式FGR技术解决火焰局部高温问题通过独特的结构设计使高温烟气在烧嘴中自循环，同时将整个燃烧过程人为区分为燃气和氧气配比不同的若干阶段，使燃气的燃烧分别在燃气过浓、燃气过淡和燃尽三个区域分阶段完成，有效控制燃烧区域的O浓度和反应速度，达到稳定的燃烧效果。

图2全氧烧嘴外形图

图3为该全氧烧嘴燃烧区域氧浓度的CFD模拟分析结果，从图3中可以看出，由于高温烟气的自循环，火焰区域的实际氧浓度可以控制在35％以上，在提高整体火焰温度的同时可以有效的控制全氧烧嘴头部的局部高温确保了烧嘴的使用寿命。

图3燃烧区域氧浓度分布

图4为该全氧烧嘴燃烧区域温度场的CFD模拟分析结果，可以从图中看出，由于烟气量的大幅减少以及氧气的高速喷射，火焰高温区可以直接冲到钢包中部以下，避免了传统燃烧由于烟气量反冲力过大，无法保证烘烤均匀性的弊端。

图4 燃烧区域温度场分布

3应用实践

3.1 设备改造

本次改造将燃料由低热值煤气改为天然气，助燃剂由空气改为纯氧。拆除原来的阀架、控制系统、烧嘴，只保留包盖和支架，新增气体流量控制系统，烘烤自动控制系统，全氧烧嘴，点火烧嘴。烘烤阀架原理图见图5。

图5  烘烤阀架原理图

3.2 烘烤曲线

根据耐火材料的特性和生产节奏，制定的升温曲 线见图6。

图 6  新钢包烘烤曲线

3.3 工艺条件

钢包尺寸：上沿耐材直径2600 mm，下部耐材直径 2300 mm，钢包净空高3050 mm。

燃料介质为天然气，热值为35530 kJ/m³，压力大千 1.5 kg/cm²。

氧气含量99.9%，压力1.2 kg/cm²。

烘烤介质流量见表2。

表2 烘烤介质流量

3.4 烘烤操作

钢包就位，开启自动点火烧嘴，启动主烧嘴，落下包盖确保包盖和钢包上沿的间隙为1cm，便于产生的烟气溢出。

图 7 全氧钢包烘烤

3.5 尾气分析

在天然气和氧气流量分别为60和130m³/h的燃烧烘烤状态下，对尾气成分进行分析，分析数据见表3。

从现场实测烟气成分可以看出，全氧燃烧的燃烧效率非常高，尾气中残留的CO很低，NOx的生成量远低于环保排放标准；H20含量高于理论值主要是由于耐材中水分析出影响了实际烟气成分。 

图 8 烘烤过程温度显示

4 全氧烘烤与发生炉煤气加空气烘烤能耗的对比：采集炼钢厂发生炉煤气加空气烘烤和全氧烘烤3个月的数据对比结果见表4。

                     表 3 尾气成分分析

从表4可以看出，在生产稳定情况下，需要烘烤的包数不变，烘烤效果一样，和发生炉煤气＋空气燃烧相比，全氧燃烧节约能源83％以上，有着巨大的经济效益。

5结论

(1)和发生炉煤气＋空气燃烧相比，全氧燃烧烘烤过程，废气量小，废气带走的热量少，节约能源83％以上，经济效益显著。

(2)全氧燃烧过程和空气燃烧相比，不存在79％的氮气，废气量减少70％以上，减少了NOx的排放。

(3)钢包和包盖之间的缝隙只有1cm，没有火焰外溢，包盖的寿命显著延长。