热风炉富氧燃烧特性与操作策略研究

热风炉富氧燃烧特性与操作策略研究孟凡双金国一（鞍钢股份有限公司炼铁总厂，辽宁鞍山 114021）摘要：介绍了富氧燃烧技术的基本特性，根据富氧燃烧的特性，分析了采用单一燃料——高炉煤气燃烧的热风炉，其富氧混合操作、空燃比设定、废气和拱顶温度的变化，及运行效果，对采用富氧燃烧技术热风炉的操作和使用有一定的指导意义。

关键词：热风炉富氧燃烧操作1 前言燃料燃烧是燃料与助燃剂在一定条件下发生放热和发光的剧烈氧化反应。

通常的燃料燃烧都以空气作为助燃剂，而空气中参与燃烧反应的O2含量仅为21%，不参与燃烧反应的N2含量却高达79%，这些N2吸收了大量的燃烧反应热，最终随烟气排人大气中，造成了很大的能源浪费。

富氧燃烧就是助燃剂中的O2含量大于21%的燃料燃烧。

这种燃烧方式提高了助燃剂中的有用成分O2的含量，降低了助燃剂中的无用成分N2的含量，对于稳定燃烧过程，提高燃烧效率，改善炉内传热具有积极意义。

根据燃料燃烧的基本理论知识，阐述了采用高炉煤气作为燃料，增加助燃空气中含氧量时，燃烧反应速度、空气消耗系数、燃耗产物生成量和理论燃烧温度等，一些燃烧的基本特性；通过燃烧的基本特性分析，针对热风炉的实际操作带来的变化；同时对于同种结构的热风炉，同时采用双预热和富氧燃烧技术，其运行情况进行了分析，提出了富氧燃烧技术对热风炉的适用性，对采用富氧燃烧技术热风炉的操作和使用有一定的指导意义。

2 富氧燃烧特性2.1燃烧反应速度应用燃烧反应动力学原理，分析富氧燃烧反应速度。

热风炉的主要燃料为高炉煤气，高炉煤气的主要成份为CO，其化学反应计量式为：2CO+O2→2CO2其反应速度为[1]：W=PK0m co m o20.25T-2.25exp(-2300/T) （1）W——反应速度，mol/sPK——比例系数，s-1m co m o2——CO和O2的相对浓度，molT——混合气体温度，K由式（1）分析可知，高炉煤气在富氧空气助燃时，在反应物压力、温度不变的条件下，燃烧反应速度随着氧气浓度的增加而增大。

2.2空气消耗系数空气消耗系数主要是按烟气的成分计算，有氧平衡原理有[1]：n=（O2´+KRO2´）/KRO2´（2）n——空气消耗系数O2´——烟气中氧气的百分含量，%RO2´——烟气中二氧化物的百分含量，%K——燃料成分系数由式（2）分析可知，高炉煤气燃烧的烟气中主要的二氧化物为CO2，产生量不随助燃空气中氧含量的变化而变化，但是烟气量随着助燃空气中氧含量的增加而减小，故CO2的百分含量增加，假设烟气中的O2百分含量不变，则空气消耗系数随着助燃空气中氧含量的增加而减小。

2.3燃烧产物生成量燃烧产物的生成量是根据燃烧反应的物质平衡计算的，完全燃烧时，其理论燃烧产物的生成量为[1]：Vy= [CO+H2+CO2+N2+H2O]/100+(1/V O2-1)[0.5CO+0.5H2-O2]/100 (3)Vy——理论燃烧产物的生成量，m3/m3CO、H2、CO2、N2、H2O、O2——高炉煤气中各成分含量，%V O2——空气中氧的含量，%由式（3）分析可知，对于同一种燃料，燃烧产物的产生量随着空气中氧含量的增加而减少。

2.4理论燃烧温度理论燃烧温度的计算公式为[1]：t理=Q低/V n c产（4）式中:t理——理论燃烧温度，℃Q低——燃料低发热值，kJ/kgV n——单位质量燃气的烟气体积，m3/kgc产——烟气比定压热容，kJ/（m3·K）由式（4）分析可知，在燃烧产物比定压热容和燃料种类不变的情况下，随着氧气体积分数的增加，燃烧化学反应速度的加快，烟气体积的降低，理论燃烧温度会逐渐提高。

3 操作策略3.1高炉煤气化学成分以某厂热风炉的生产实例进行分析，热风炉使用的燃料为高炉煤气其主要成分见表1。

表1 高炉煤气成分（湿）%成分CO2N2CO H2H2O含量% 17.89 50.88 21.99 2.24 73.2燃烧转换由于高炉生产的连续性，热风炉需要进行燃烧与送风的转换。

由2.1可知，燃烧反应速度随着氧气浓度的增加而增大，即富氧燃烧提高了火焰传播速度。

因为稳定燃烧时．火焰前锋面上的气流速度等于火焰向燃烧器传播的速度。

所以燃烧器上的气体出流速度必须大于等于火焰速度。

否则火焰会回火进入燃烧器内，导致熄火，甚至爆燃。

由于富氧燃烧时火焰速度更快。

富氧燃烧器的出流速度应比空气助燃系统更高。

开始燃烧时，要开高炉煤气和助燃空气阀，然后开氧气阀，按一定比例混入；停止燃烧时，先关氧气阀，后关高炉煤气和助燃空气阀。

3.3空燃比的控制由2.2假设烟气中含氧量不变，以表1高炉煤气的成分进行计算。

图2 助燃空气中含氧量与空气消耗系数关系 图3 助燃空气中含氧量与空燃比关系由图2和3可知，随着助燃空气中含氧量的增加，空燃比逐渐减小。

在热风炉的富氧烧炉过程中的空燃比要比正常时小。

3.4废气温度的控制由高炉煤气的燃烧特性和图4可知，在助燃空气中增加氧气的含量，燃烧产物中CO 2的量不发生变化；N 2和H 2O 的量减少，但是随着含氧量的增加，N 2减少的比较明显；燃烧产生的烟气量也明显减少。

图4 含氧量与烟气量及各组分量的关系 图5 含氧量与烟气各组分百分含量的关系从图5中可以看出，由于燃烧产物的减少，CO 2和H 2O 的含量增加，而决定热风炉辐射转热效果的主要是受燃烧产物中CO 2和H 2O含量的影响，燃烧产物中CO 2和H 2O 含量增加，则该气体的分压就大，辐射给热系数增大，能够强化热风炉内部换热。

热风炉内部的传热方式为对流和辐射，对流传热占主要部分。

由于助燃空气中氧含量的增加，燃烧产物中CO2和H2O含量增加，强化了热风炉的辐射传热效果，利于热风炉上部温度的提高；但同时烟气量的减少，烟气流速降低，对流传热效果减弱，影响热风炉下部传热，即废气温度低；实际生产过程中，以废气温度来检验热风炉蓄热量的高低，一旦废气温度低，为高炉送风的时间就短；如果想提高废气温度，就要延长烧炉时间。

采用富氧烧炉时，考虑废气温度带来的变化。

3.5拱顶温度的控制由于助燃空气中氧含量的增加，燃烧产物中CO2和H2O含量增加，强化了热风炉的辐射传热效果，利于热风炉上部温度的提高，即提高了热风炉的拱顶温度，但并不是拱顶温度越高，为高炉提供的风温就越高。

如果想得到1300℃的风温，在空气和煤气不预热的情况下，富氧含量增加到45%可以使拱顶温度达到1450℃，可以达到1300℃的风温。

在烧炉操作过程中，达到拱顶温度后，就要增加空气量来提高热风炉中下部的蓄热量，并不需要一味地追求拱顶温度，其越高并不是越好。

对于热风炉拱顶温度并不高的热风炉，适当增加助燃空气中氧气的含量，对提高风温有一定的作用；对于拱顶温度在高温情况下运行的热风炉，不建议使用富氧燃烧。

图6 理论燃烧温度1-空气、煤气不预热；2-空气预热到300℃，煤气不预热；3—空气、煤气都预热到150℃；4-空气预热到300℃，煤气预热到200℃4 运行评价4.1基础数据使用单一的高炉煤气燃料，实现高炉1200℃的风温，采用两种运行方式，一种是使用分离式热管换热器，实现空、煤气预热200℃；另一种是采用富氧燃烧技术，由图6可知，助燃空气中富氧含量达到30%（富氧量9%），理论燃烧温度可达到1400℃，即可满足1200℃的风温要求。

假设热风炉的热量损失都为5%，3座热风炉，采用两烧一送操作制度，运行周期为3小时；采用双预热的热风炉平均排烟温度为300℃，采用富氧燃烧技术的热风炉由3.4可知，强化了热风炉的传热效果，减少排烟温度，暂设为250℃；高炉的鼓风量为5000m3/min，从100℃升高到1200℃。

4.2运行评价热风炉的两种方式运行情况见表2。

表2 运行情况比较从表2可以看出，采用富氧燃烧技术，加热1m3鼓风需要的煤气量比采用双预热运行的热风炉增加了0.0638m3，氧气需要0.0245m3，助燃空气量减少了0.08m3，显然采用富氧燃烧技术的运行成本要高于采用双预热技术，故对于高炉热风炉来说，采用富氧燃烧技术只能强化炉内传热，达不到节能的效果。

5 结束语（1）富氧燃烧技术提高了火焰的传播速度，使火焰的高温区下移，对热风炉燃烧室和陶瓷燃烧器的耐高温性能有一定的考验，同时易发生回火，增加了操作风险。

（2）随着助燃空气中氧含量的增加，空气消耗系数逐渐减少，需要的空气量减少，对原设计热风炉使用富氧，导致助燃风机高负荷工作，空气管道过分富于，空气流量难于控制，影响高炉煤气的燃烧效果。

（3）富氧燃烧使燃烧产物中CO2和H2O含量增加，强化了热风炉的辐射传热效果，能够提高热风炉的拱顶温度，对于拱顶温度过低的热风炉，可以通过富氧燃烧技术来强化传热，提高拱顶温度；对于拱顶温度在高温情况下运行的热风炉，不建议使用富氧燃烧。

（4）富氧燃烧强化了热风炉的上部传热效果，使排烟温度降低，而排烟温度是热风炉蓄热量的重要指标，排烟温度降低，导致送风时间的减少，故在操作上必须延长热风炉的燃烧时间。

（5）对于相同结构的热风炉，采用空、煤气双预热和富氧燃烧技术两种运行方式来看，空、煤气双预热其运行成本低，节能效果明显。

（6）富氧燃烧改善了高炉煤气的燃烧特性，强化辐射传热效果，对于强调火焰温度及气氛的炉窑，其优势更加明显；而对于单一需要蓄热量的热风炉来说，应当谨慎使用。

参考文献：[1] 韩昭舱，燃料及燃烧[M]，北京，冶金工业出版社，1994.[2] 《炼铁设计参考资料》编写组，炼铁设计参考资料[M]，北京，冶金工业出版社，1979.[3] 潘亮，苏俊林等，富氧燃烧火焰特性试验研究[J]，煤气与热力，2009，（6）：28-29.。