在钢铁行业“碳达峰、碳中和”的大背景下，针对传统高能耗设备的技术创新与改造显得尤为重要。传统的钢包烘烤系统主要采用蓄热式烧嘴，空气助燃，其热量会加热空气中的氮气，从而造成能源损失，在高温条件下，氮气会与氧气发生反应生成氮氧化物，氮氧化物对环境和人体健康造成伤害。武汉钢铁有限公司炼钢厂有传统的钢包烘烤器17台，根据现场的实际运行效率与钢包周转情况，决定对其中的14台进行技术改造，以满足节能降耗的需求。本文结合技术改造的情况，对采用纯氧燃烧技术的钢包烘烤器的改造过程、运行情况进行了探讨。
1传统蓄热式钢包烘烤器的问题与改进途径
传统蓄热式钢包烘烤器采用蓄热式烧嘴。蓄热式烧嘴的工作原理是(见图1):A状态下，煤气和空气在鼓风机的作用下经换向系统进入右侧蓄热室，煤气和空气被预热到设定温度以上，预热后的燃烧气体经右侧喷口喷出并进行燃烧反应;与此同时，左侧蓄热室完全处于排烟状态，高温烟气经左侧喷口进入左侧蓄热室，蓄热体在左侧蓄热室中进行热量传递，高温烟气经换向装置在引风机的作用下排入大气。30秒后，在换向系统的作用下，右侧蓄热式烧嘴的燃烧状态和左侧蓄热式烧嘴的排烟状态同时换向，整个加热炉的加热过程由A状态变为B状态;在系统B状态下，煤气和助燃空气在鼓风机的作用下，经换向系统进入左侧蓄热室，然后与左侧蓄热室的蓄热体进行热量交换，并通过左侧蓄热室烧嘴喷口喷出进行燃烧，与此同时，右侧蓄热室完全处于排烟状态，高温烟气经过右侧蓄热室蓄热体时传递热量，以较低温度经换向装置在引风机的作用下排入大气，完成一个换向周期。
图1 蓄热式烧嘴原理图
从上述过程可以看到，蓄热式烧嘴频繁换向以及蓄热体循环交替进行蓄热和放热，导致烧嘴在交变热应力的影响下，产生疲劳破损，换向装置因周期性机械动作产生磨损，导致系统故障率较高，维护工作量大、成本高。而维修通常需要停炉维修，影响了生产正常运行。产生的高温烟气直接排放，也造成能源的大量浪费。
2 全氧燃烧式钢包烘烤系统应用
针对原有技术的不足，可采用全氧燃烧技术作为技术改造的方向。全氧燃烧与空气燃烧相比有诸多优点：无氮气参与燃烧，可以提高火焰温度，减少废气和污染物排放量，提高加热效率，降低成本。
2.1 全氧燃烧原理
全氧燃烧是指用工业氧气(氧气纯度>90%)代替空气来对燃料进行燃烧，可以使燃料燃烧更加完全。以煤气燃料为例，空气燃烧与全氧燃烧对比如下：CnHm+(n+m/4)O2→nCO2+m/2H2O+Q
其中，CnHm表示煤气的化学式，Q表示燃烧释放的热量。在这个反应中，煤气中的碳和氢与氧气发生反应，生成二氧化碳和水，并释放了热能，与空气燃烧相比，空气中约78%的氮气不再参与燃烧，氮气不再参与排烟，烟气量排放量降低70%以上。
2.2 全氧燃烧设备
2.2.1全氧烧嘴
全氧燃烧式钢包烘烤系统使用新一代烟气自呼吸式多流股全氧烧嘴(见图2)，具有以下优点：(1)采用高强烧嘴砖，提高了耐受温度;(2)O₂分段供给，保证火焰稳定;(3)其为纯扩散燃烧组织火焰，无回火风险;(4)O₂多流股喷射，能够再次卷吸烟气(因为是自呼吸式烧嘴)。
图2 全氧烧嘴
2.2.2阀组
系统使用一体化阀组设计，包含氧气调节回路、混合煤气调节回路、吹扫回路、仪表气回路等，执行欧标DIN,EN 746—2—2010工业热加工工艺设备。该阀组具有断电保护联锁、停气保护联锁、泄露保护联锁、自动流量控制、参数异常报警等功能。
2.2.3电气系统
电气系统为三电一体化设备，配置了所需的检测元件、电气控制设备。电控柜通过面板按钮、触摸屏进行操作，配置可视防护罩，可独立打开。触摸屏可显示各种检测模拟量值，监视设备状态，显示报警条和报警记录、参数设置功能等。
系统内设多种烘烤曲线，具备手动和全自动烘烤模式，通过上位机监控HMI界面可实现远程监视与操控功能，见图3。
图3 HMI界面
2.2.4温度检测装置
采用在线双波短红外测温装置，能够透过火焰、燃烧气体及水蒸气干扰，直接连续准确测量大包底部耐材的温度。测量数据可以直接用于闭环控制，降低燃气耗量，防止耐材过烧现象，提高耐材使用寿命。
2.2.5包盖提升装置
采用卷扬机，控制包盖抬升与压下，同时设置安全位与工作位限位开关，避免损坏设备。
3 烘烤系统的改造效果
以6号钢包烘烤台为例，热修6号钢包烘烤台由某公司改造，于2022年12月30日开始采用全氧燃烧技术，烧嘴使用新一代烟气自呼吸式多流股全氧烧嘴，故障率由改造前的2.08%降低到0.14%，详见表1～3。
表1 6号烘烤台改造前烘烤数据
表2 6号烘烤台改造后烘烤数据
表3 6号烘烤台改造前后对比
由表1，表2，表3可知：与改造前相比较，经过改造后的6号烘烤台在大修罐、冷罐配罐以及中修灶这三种罐况上所消耗的煤气，分别减少75.16%、49.29%、62.05%，烘烤成本分别降低73.25%、46.08%、59.77%。
4 结论
(1)与未改造的烘烤台相比，采用了全氧燃烧技术的烘烤装置，烘烤大修罐、冷罐配罐以及中修罐所消耗的煤气分别减少75.16%、49.29%、62.05%;成本分别降低73.25%、46.08%、59.77%。
(2)采用了全氧燃烧技术，空气中的氮气不再参与燃烧，氮气不再参与排烟，烟气量排放量降低70%以上，减轻了环境污染。
(3)对钢包烘烤装置进行节能改造后，烘烤装置故障率由改造前的2.08%降低到0.14%,延长了设备的使用寿命。
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