1 前言

雖然還原過程是鋼鐵生產(chǎn)碳排放的主要來源而備受關(guān)注，但也應(yīng)關(guān)注燃燒過程。當(dāng)然，燃燒過程在小型鋼鐵廠的重要性比在聯(lián)合鋼鐵廠更大，更不用說在獨立軋鋼廠了。包括軋制、熱處理和精加工在內(nèi)的下游鋼鐵加工的二氧化碳排放量占直接單位產(chǎn)品二氧化碳排放量的比例很大。對于采用廢鋼的小型鋼鐵廠，這一數(shù)字約為50%。

富氧燃燒技術(shù)是一種可即時實現(xiàn)脫碳的解決方案，同時還能在可行的情況下順利適應(yīng)氫燃料。鋼鐵廠中的許多單元操作都使用空氣來燃燒燃料，而空氣中有79%是惰性氣體（幾乎全是氮氣）。這些氮氣在爐內(nèi)被加熱，并隨煙道氣排放，造成能源浪費、燃料消耗以及CO2排放增加。此外，它還阻礙了燃燒產(chǎn)物的輻射傳熱，而輻射傳熱在高溫下是主要的傳熱機(jī)制。用氧氣代替空氣（即富氧燃燒）消除了氮氣這種惰性成分，從而帶來以下結(jié)果：①減少60%的燃料消耗和CO2排放；②煙氣量減少75%；③減排高達(dá)90%的NOx；④按需生產(chǎn)增加；⑤能夠在加熱和再加熱操作中使用低熱量氣體。

富氧燃燒的經(jīng)濟(jì)性通常取決于燃料價格，但隨著鋼鐵廠采用清潔氫燃料來減少碳排放，富氧燃燒將變得在經(jīng)濟(jì)上必不可少。這是因為即使氫氣價格降至約2美元/千克，氫氣仍然是一種相對昂貴的燃料，因此，需要采用富氧燃燒來盡量減少氫氣使用量。所以，對鋼鐵廠的建議是：現(xiàn)在就轉(zhuǎn)換為富氧燃燒，以實現(xiàn)20%-50%的CO2減排，并準(zhǔn)備好在未來可能實現(xiàn)完全脫碳時摻入清潔氫氣，如圖1所示。

富氧燃燒產(chǎn)生的煙氣量小且CO2濃度高，這也有利于碳捕集、利用和封存（CCUS）技術(shù)。另一個特點是，它支持低熱值燃料的高效利用。

2 無焰富氧燃燒

“無焰燃燒”一詞傳達(dá)了燃燒類型在視覺上的特征，即火焰不再可見或者難以通過人類的眼睛被察覺到。另一種描述可能是，這種燃燒在時間和空間上得到了延展，它以大的體積擴(kuò)散開來，因此有時被稱為“體積燃燒”。這種火焰具有均勻且較低的溫度，幾乎與空氣-燃料燃燒的溫度相同，但所含的能量與傳統(tǒng)的富氧燃燒相同。在無焰富氧燃燒中，燃料和氧化劑的混合物通過反應(yīng)火焰體積均勻地反應(yīng)，反應(yīng)速率由反應(yīng)物的分壓及其溫度控制。

當(dāng)煙氣混合到燃燒區(qū)時，在稀釋的氧氣濃度下發(fā)生無焰富氧燃燒。這減緩了富氧燃燒反應(yīng)，并導(dǎo)致火焰溫度降低，低于熱氮氧化物（NOx）的生成溫度。由于燃料消耗較低且燃燒過程中不含氮氣，煙氣量可減少75%-80%。當(dāng)然，低煙氣量且CO2濃度很高對CCUS有利。將煙氣混合到火焰中還會將能量分散到整個容器或爐子中，以實現(xiàn)更快、更均勻的加熱，如圖2所示。

林德公司從2003年開始應(yīng)用無焰富氧燃燒技術(shù)，其首個應(yīng)用案例出現(xiàn)在不銹鋼生產(chǎn)商奧托昆普。減少NOx排放的特性已被證實是成功的，同時溫度均勻性的大幅提高也是其成功的關(guān)鍵因素之一。使用無焰富氧燃燒技術(shù)已證明可節(jié)省高達(dá)65%的能源；大多數(shù)從空氣-燃料完全轉(zhuǎn)換為無焰富氧燃燒的裝置顯示出，其可燃料和CO2排放的減少比例為20%-50%。林德已經(jīng)在幾乎所有類型的鋼加熱爐和退火爐、鋁和銅熔煉爐、以及鋼包和其他容器預(yù)熱系統(tǒng)中安裝了400多套無焰富氧燃燒裝置。如果在鋼鐵生產(chǎn)過程中充分利用無焰富氧燃燒技術(shù)的潛力，全球鋼鐵行業(yè)的碳排量每年將減少2億噸。

在無焰富氧燃燒中，燃料和氧化劑的混合物借助于反應(yīng)火焰的體積均勻地反應(yīng)，其反應(yīng)速率由反應(yīng)物的分壓及其溫度控制。在無焰富氧燃燒中，燃燒氣體有效地分散在整個爐內(nèi)，即使安裝的燃燒器數(shù)量有限，也能確保更有效和均勻地加熱材料。雖然第一次安裝是在加熱爐和退火爐中進(jìn)行，但無焰富氧燃燒很快被用于鋼包和轉(zhuǎn)爐的預(yù)熱，并取得了很好的效果。下一個正在開發(fā)的具有重大積極影響的領(lǐng)域是高爐熱風(fēng)爐。另一個領(lǐng)域是低熱值燃料的使用，例如，高爐煤氣；富氧燃燒的使用有力地支持了低熱值氣體的成功使用。較低的火焰溫度，與傳統(tǒng)的空氣-燃料燃燒的溫度相同，大幅減少了NOx的形成，再加上溫度的均勻性，導(dǎo)致NOx的排放量顯著低于空氣-燃料燃燒的排放量。此外，優(yōu)異的溫度均勻性減少了加熱時間，在再加熱的情況下，減少了氧化鐵皮損失。

3 無焰富氧燃燒的應(yīng)用

在瑞典鋼鐵公司（SSAB）使用REBOX HLL技術(shù)。板坯在每爐300t/h的步進(jìn)梁式爐中從環(huán)境溫度加熱到1230℃?？諝?燃料燃燒系統(tǒng)使用回收系統(tǒng)將空氣預(yù)熱到400℃。燃料是油，在安裝HLL裝置之前，電耗是440kWh/t，即1.58GJ/t。

REBOX HLL創(chuàng)造了一種無焰富氧燃燒，無需更換現(xiàn)有的空氣-燃料燃燒器。通過減少空氣流量并以高速氧氣注入燃燒，可以取得很大的效益。燃燒所需75%的氧氣都是通過這種技術(shù)提供的。煙氣量比空氣-燃料的少45%。

HLL裝置的安裝相當(dāng)容易，因為它不需要更換任何燃燒器或另外安裝燃燒器，這就最大限度地減少了安裝停機(jī)時間?？諝?燃料系統(tǒng)隨時都可以像以前那樣恢復(fù)運行。這消除了與實施相關(guān)的任何潛在風(fēng)險，并使操作更加靈活和優(yōu)化，以應(yīng)對波動的燃料成本和生產(chǎn)要求。

此次安裝的重要結(jié)果如下：①對表面質(zhì)量沒有負(fù)面影響；②對板坯溫度的均勻性有積極影響；③可以更容易地實現(xiàn)控制系統(tǒng)建議的理想加熱曲線；④減少爐膛冒出的煙塵，大幅改善了工廠環(huán)境；⑤NOx排放量可以減少45%；⑥燃料消耗可以減少25%，從而減少SO2和CO2的排放；⑦產(chǎn)量可提高20%。

此外，瑞典和芬蘭的奧托昆普基地、美國俄亥俄州的安塞樂米塔爾Shelby工廠、瑞典奧沃科的工廠、印度KCSSL鋼鐵廠都采用了REBOX富氧燃燒技術(shù)。

4 氫就緒系統(tǒng)

氫氣燃燒產(chǎn)生100%的H2O作為燃燒產(chǎn)物，因此沒有CO2排放。在過去幾年里，林德在其技術(shù)中心進(jìn)行了測試，以開發(fā)氫氣燃燒器并評估氫氣燃燒的影響。

從2018年春季開始，林德評估了1.0MW的無焰富氧燃燒，使用氫氣作為部分或全部的燃料。結(jié)果表明：無焰富氧燃燒的優(yōu)點，包括溫度的均勻性和低NOx排放，可以保持下來。下一步是評估其對材料的影響，并與鋼鐵生產(chǎn)商一起進(jìn)行了10kg樣品加熱的中試試驗。這些初步試驗令人鼓舞，沒有顯示出對材料的負(fù)面影響。基于試點測試的積極成果，奧沃科公司和林德公司決定在瑞典奧沃科的Hofors工廠的均熱爐中進(jìn)行氫-氫再加熱的全面示范。2020年3月進(jìn)行了第一次以100%氫氣作為燃料的鋼材加熱，使用了25噸滾珠軸承鋼錠。均熱爐使用REBOX Hyox的氫-氧燃料燃燒。鋼錠經(jīng)過加熱和均熱處理后，在軋機(jī)上被成功軋制成棒材。軋制力、尺寸、氧化鐵皮損失和溫度均勻性與以往一樣處于高質(zhì)量水平。對最終棒材的全面檢查和分析表明，使用氫氣作為燃料加熱不會影響質(zhì)量。奧沃科得出結(jié)論，他們相信氫氣可以簡單靈活的使用，對鋼材質(zhì)量沒有影響，這將意味著碳排放的大幅減少。2024年上半年，奧沃科Hofors工廠在24座均熱爐上全面安裝了REBOX Hyox裝置，其中氧氣和氫氣都將通過可再生能源獲得。

2023年，林德公司在芬蘭奧沃科Imatra工廠的一臺75t/h的步進(jìn)梁式加熱爐進(jìn)行了改造。將整個加熱爐從空氣-燃料燃燒改造為100%無焰富氧燃燒。

新安裝的系統(tǒng)采用REBOX Hyox技術(shù)，完全具備使用氫氣的條件。此次改造使燃料消耗降低了25%以上，并大幅減少了NOx排放。未來幾年，當(dāng)氫氣供應(yīng)具備可行性時，該加熱爐計劃完全使用氫氣作為燃料。

5 結(jié)論

鋼鐵生產(chǎn)在真正邁向碳中和方面有著巨大的機(jī)遇，鑒于其在使用方面的優(yōu)勢，這將進(jìn)一步鞏固鋼鐵的可持續(xù)發(fā)展地位。在大多數(shù)地方，使用氫氣目前還不切實際，不過，可以立即采取一些行動來減少鋼鐵生產(chǎn)的碳排放。

富氧燃燒技術(shù)是實現(xiàn)即時脫碳的解決方案，而且還能讓鋼鐵廠在氫燃料可行時順利過渡到使用氫燃料。鋼鐵廠現(xiàn)在可以改用富氧燃燒，以實現(xiàn)20%-50%的CO2減排，并準(zhǔn)備在未來可以實現(xiàn)完全脫碳時開始使用綠色氫氣。

碳中和的鋼鐵生產(chǎn)之旅不必等待可行的氫氣供應(yīng)。目前，在加熱爐和退火爐上使用無焰富氧燃燒技術(shù)進(jìn)行即時脫碳，大幅降低了碳排放，取得了良好效果。這些經(jīng)過驗證的技術(shù)已為使用氫氣做好了準(zhǔn)備。