1 前言
雖然還原過程是鋼鐵生產碳排放的主要來源而備受關注，但也應關注燃燒過程。當然，燃燒過程在小型鋼鐵廠的重要性比在聯合鋼鐵廠更大，更不用說在獨立軋鋼廠了。包括軋制、熱處理和精加工在內的下游鋼鐵加工的二氧化碳排放量占直接單位產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，這一數字約為50%。
富氧燃燒技術是一種可即時實現脫碳的解決方案，同時還能在可行的情況下順利適應氫燃料。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，它還阻礙了燃燒產物的輻射傳熱，而輻射傳熱在高溫下是主要的傳熱機制。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90%的NOx；④按需生產增加；⑤能夠在加熱和再加熱操作中使用低熱量氣體。
富氧燃燒的經濟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濟上必不可少。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：現在就轉換為富氧燃燒，以實現20%-50%的CO2減排，并準備好在未來可能實現完全脫碳時摻入清潔氫氣，如圖1所示。
富氧燃燒產生的煙氣量小且CO2濃度高，這也有利于碳捕集、利用和封存（CCUS）技術。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火焰體積均勻地反應，反應速率由反應物的分壓及其溫度控制。
，時長01:02 ▲ 以上是廣告，視頻中所有數據來源于斯普瑞噴霧系統。當煙氣混合到燃燒區(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，并導致火焰溫度降低，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，以實現更快、更均勻的加熱，如圖2所示。
林德公司從2003年開始應用無焰富氧燃燒技術，其首個應用案例出現在不銹鋼生產商奧托昆普。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鍵因素之一。使用無焰富氧燃燒技術已證明可節(jié)省高達65%的能源；大多數從空氣-燃料完全轉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熱系統中安裝了400多套無焰富氧燃燒裝置。如果在鋼鐵生產過程中充分利用無焰富氧燃燒技術的潛力，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火焰的體積均勻地反應，其反應速率由反應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，即使安裝的燃燒器數量有限，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行，但無焰富氧燃燒很快被用于鋼包和轉爐的預熱，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域是高爐熱風爐。另一個領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 無焰富氧燃燒的應用
在瑞典鋼鐵公司（SSAB）使用REBOX HLL技術。板坯在每爐300t/h的步進梁式爐中從環(huán)境溫度加熱到1230℃?？諝?燃料燃燒系統使用回收系統將空氣預熱到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提供的。煙氣量比空氣-燃料的少45%。
HLL裝置的安裝相當容易，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時間?？諝?燃料系統隨時都可以像以前那樣恢復運行。這消除了與實施相關的任何潛在風險，并使操作更加靈活和優(yōu)化，以應對波動的燃料成本和生產要求。
此次安裝的重要結果如下：①對表面質量沒有負面影響；②對板坯溫度的均勻性有積極影響；③可以更容易地實現控制系統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。
4 氫就緒系統
氫氣燃燒產生100%的H2O作為燃燒產物，因此沒有CO2排放。在過去幾年里，林德在其技術中心進行了測試，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，并與鋼鐵生產商一起進行了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工廠的均熱爐中進行氫-氫再加熱的全面示范。2020年3月進行了第一次以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。鋼錠經過加熱和均熱處理后，在軋機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量。奧沃科得出結論，他們相信氫氣可以簡單靈活的使用，對鋼材質量沒有影響，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的步進梁式加熱爐進行了改造。將整個加熱爐從空氣-燃料燃燒改造為100%無焰富氧燃燒。
新安裝的系統采用REBOX Hyox技術，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，當氫氣供應具備可行性時，該加熱爐計劃完全使用氫氣作為燃料。
5 結論
鋼鐵生產在真正邁向碳中和方面有著巨大的機遇，鑒于其在使用方面的優(yōu)勢，這將進一步鞏固鋼鐵的可持續(xù)發(fā)展地位。在大多數地方，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的碳排放。
富氧燃燒技術是實現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。鋼鐵廠現在可以改用富氧燃燒，以實現20%-50%的CO2減排，并準備在未來可以實現完全脫碳時開始使用綠色氫氣。
碳中和的鋼鐵生產之旅不必等待可行的氫氣供應。目前，在加熱爐和退火爐上使用無焰富氧燃燒技術進行即時脫碳，大幅降低了碳排放，取得了良好效果。這些經過驗證的技術已為使用氫氣做好了準備。
