美国钢铁制造业的天然气用量比重已经从1980年的9%上升到2004年的22.5%，主要是因为减少了焦炉煤气的应用，推动了钢厂对新的高热值燃料的需求。钢厂天然气消耗中，加热炉占了很大的比重：加热炉的天然气用量在联合钢厂中占天然气总消耗量的43%左右；在短流程钢厂中天然气用量比重则达到了56%（WSD，2004）。20世纪中期，美国天然气的价格低于0.85RMB/Nm3，燃料费用在热轧钢生产线整体费用中只是一小部分。然而，19世纪末20世纪初，天然气价格显著增长。2005年中期达到了2.85RMB/Nm3。天然气价格上升增加了热轧钢的生产成本。联合和短流程钢厂都在寻求可降低成本，灵活的燃烧技术以达到不降低钢铁质量、加热炉产量和排放要求和达到节能目的。

    米塔尔钢铁公司-印第安纳港热轧钢厂（Mittal-IHV）（以前的ISG钢铁公司）和普莱克斯gon公司共同合作，将氧燃燃烧系统应用到热轧带钢（HSM）生产线的加热炉中，作为达到节能目的的解决方案。热轧带钢厂对氧燃燃烧系统制定了严格的考核标准。最重要的一条是在不降低产能的情况下，可以在氧燃燃烧系统和空气燃烧系统之间进行自动转换。其他考核标准还包括最小工作量的耐火材料改造（理想情况下不需要进行耐火材料改造）；不增加NOx的排放等一系列标准。HSM选择3号加热炉进行测试（3号加热炉最近完成了热恢复系统和水冷系统的升级改造），并以此作为应用这种节能技术的示范性加热炉。

    加热炉基本信息

    米塔尔钢铁公司84”热轧带钢生产线年产量为380万吨。共有RUST公司设计的3台推钢式加热炉。每台加热炉有上下预热段，上下加热段和东西保温段。预热段和加热段采用天然气-热空气燃烧，保温段采用天然气-冷空气燃烧。整体加热能力为每炉823GJ/小时。加热炉的标称产量280t/小时，平均运行产量175t/小时。

    以节约燃料为目的的氧气燃烧系统

    钢坯加热炉的燃料消耗率通常在1.37~2.11GJ/吨钢。燃料消耗较低的加热炉通常有较长的非加热区域，同时助燃空气的预热温度在427℃到500℃之间。燃料消耗较高的加热炉通常预热区域较短，助燃空气也没有经过预热。

    在利用空气助燃的燃烧系统中，氮气在燃烧产物中约占70%的比率。烟气出口温度为1000℃的加热炉，氮气从加热炉中带走了大部分能量。在保持钢坯得到相同能量的同时，降低加热率可以达到节约燃料的目的。实践显示，转换部分空气燃烧到氧气燃烧可以显著降低烟气温度，同时烟气量也将大幅度降低。

    普莱克斯研发了适合不同应用的一系列氧气燃烧烧嘴。其中就有针对加热炉研发的稀氧燃烧烧嘴。其基本的概念是：燃料和热的、经过稀释的氧化剂（氧气组分在2%~10%）进行反应以产生低火焰温度的反应区域。氧气和燃料分别通过不同烧嘴注入到炉膛中。这种注入系统通过在炉内的“混合区”和炉内气体发生卷吸而产生“热的稀释过的氧化剂”。反应区和混合区在炉内是分离的，以便阻止燃料和未稀释的氧化剂直接发生反应。一对或几对氧气和燃料的烧嘴装置在炉壁上以创造炉内气体的回流模式，提高氧化剂的稀释程度并且增强和燃料的混合效果。稳定的燃烧需要预热炉内气体，炉内温度最低要求为760℃。如上所述，由烧嘴装置的特点，使这种烧嘴可以和已有的空气烧嘴进行整合，并且可以允许两种燃烧方式同时存在。

    燃烧系统改造

    在分析过加热炉数据以及和带钢厂工作人员进行讨论之后，下预热区被选为稀氧燃烧技术改造区。下预热区有10个Bloom烧嘴。由于米塔尔公司想要避免耐火材料的改造并保留空气燃烧系统，所以在20世纪90年代被成功应用于加热炉改造的稀氧燃烧技术（DOC）被选为技术改造的平台。DOC的安装包括用DOC烧嘴代替已有的空气烧嘴，或另外安装新的DOC烧嘴。然而，为了达到的钢厂要求，普莱克斯公司制定了针对带钢厂的烧嘴整合方案。

    为了减少加热炉炉墙耐材改造的施工量，在这个项目中将燃料枪和氧枪整合于空气烧嘴中。这种设计最大程度减少了对炉壳或耐火材料的改造。另外，新的燃烧系统设计使两种燃烧系统可以灵活转换运行（并不代表同时运行），燃料的流量控制设备也进行了修改以允许同一控制管线可以应用于两种模式的操作。这种设计减少了安装新的燃料控制管线的费用和附加的整合工作费用。下面将详细描述烧嘴的修改和控制系统的修改。

    烧嘴中整合DOC喷枪

    燃料喷枪的直径与装置在双燃料烧嘴上的油枪的直径相同，燃料枪顶端的位置被设计在油枪收回的位置上。运行天然气燃烧时，油枪处于收回状态，所以这种设计将不会影响烧嘴的性能。

    原有的Bloom公司烧嘴有耐材内衬的风箱及耐材挡板。防火材料挡板包括6个孔。DOC烧嘴包括一个独立的氧枪和独立的燃料喷枪（每个烧嘴只需要一个氧枪）。喷枪设计在耐熔板中心位置的某个孔中。当喷嘴被安置在耐熔板已经存在的装置孔时，空气端口的总体面积只减少了8.8%。空气端口面积适当的减少只对最高加热能力有影响，对正常燃烧状态不会有所影响。区域燃烧率的分析表明，受影响的燃烧时间百分比基本可忽略不计，所以空气/燃料烧嘴的性能基本不会发生改变。

    氧气喷嘴系统在钢厂停工期内安装。所有10个装备线的安装工作在1天完成。整个DOC燃烧系统在钢厂常规停工期1周内完成。

    控制系统改造

    所有加热炉都是通过Bailey Infi 90分布式控制系统（DCS）进行控制的。DOC系统的继电器盘管理供氧，系统启动，并且控制DOC相关燃烧系统的所有阀门开启和关闭。DCS监视并控制所有其他的转换功能：包括监视联动装置，在流量低于安全值时自动进行燃烧系统转换；同时监视DOC的运行，在DOC 非正常运行时自动转换到空气燃烧系统。DCS监视着所有DOC系统启动和维持运行的必要条件。如果这些必要条件没有达到，DCS将不允许DOC启动或自动转换为空气燃烧系统。当DOC运行发生问题时，控制系统也将自动转换为空气燃烧，同时保证不降低这个区域的燃烧率。

    氧燃系统的性能分析

    84”热轧钢生产线通过多种燃烧设定条件处理12种不同类型的钢种。最初，通过加入不同的钢种对DOC系统的性能进行分析。然而，由于每个特定流程不同的加热温度，钢坯尺寸，待轧率和产率，用这种方法很难做出DOC燃烧系统和空气燃烧系统的比较。

    DOC和空气燃烧在加热炉各项参数的月平均值上作了性能比较。在不同班次和轮次的过程参数评定中取平均值。另外对HSM最重要的好处：燃料节约是基于每月的平均值进行比较而不是选区效果较好的班次。

    2005年5月初，钢厂相对2004年和2005年第一季度开始减少产量。在这一期间，钢厂的运行期相对前一个月少了几天。为了便于月与月之间的比较，只在产量超过1400吨（平均产量117吨/小时）的轮次中取平均值。这将有效避免系统启动和关闭时对数据分析带来的误差。

    表1显示了DOC和空气燃烧系统月平均性能的比较。这些月份有相近待轧率，钢坯宽度，钢坯预热温度百分比和平均产量。如下述数据显示，DOC减少了约10%的燃料消耗。用氧量和燃料的节约量的比率用来评价氧气作为节能技术的有效性，在米塔尔公司HSM安装的DOC燃烧系统的用氧节能有效性，在米塔尔公司HSM安装的DOC燃烧系统得用氧节能有效性为9.75GJ/ton氧气。这个数据受空气燃烧转化为氧气燃烧时热量输出百分率的影响，同时受空气预热温度和转换中烟气温度变化的影响。这个值和其他加热炉改造得到的数据一致。加热炉运行条件在表1种显示。天然气价格采用在2004年初期水平的价格，通过应用DOC技术，可以为HSM的每个加热炉节约大概RMB 280 万元的燃料费用。随着天然气价格的不断上升，节约燃料的效益将更高。

    表1 空气燃烧和DOC月平均性能比较
   

Month	Delay(%	Hearth Coverage(%)	Hot Charge(%)	Avg.Prod.Rate(tph)	MMBtu/ton steel	O2 Tons/ton steel
Air/fuel	15.77	80.2	12.5	181.4	1.603	0
DOC	17.15	80.5	12.1	183.0	1.446	0.0171

    下预热段是整个加热炉的第二大燃烧区间。空气用量也是这个加热炉第二大的。将这个段转换成DOC将显著减少送风机的空气流量。为了计算减少空气流量带来的相关节约，将一个附有记录装置的电表安装在东西热风风机处。

    空气燃烧系统在热交换器前烟气中氮化物的含量测定和在DOC中的测定方法一样。通过测定显示NOx的排放与之前空气燃烧系统基本保持一致。烟气中的过氧控制显示了运行DOC时烟气中的氧含量明显高于空气燃烧系统的烟气氧含量（6% vs 3%）。这种现象可以理解为：在热风管线中提供给下预热段的空气在蝶型阀处泄漏导致残留空气的读数误差。尽管比较高的烟气含氧量，NOx的排放依然和之前的空气燃烧系统相似，这说明在降低烟气含氧量后，NOx的排放可以进一步降低。

    最后，钢坯产生氧化铁皮的问题在安装DOC的加热炉出口处监测。和之前改造观察到的结果一致，安装DOC燃烧系统后，钢坯氧化铁皮量及表面质量和空气燃烧相比没有变化。加热炉环境中氧化铁皮的形成主要取决于钢坯表面温度和氧化中氧化元素。转化为DOC燃烧系统后，钢坯温度在预热段相对较低，同时氧化元素的浓度由于稀释效应在下加热段也保持较低水平。在之前的实验室试验中，关于部分转化空气燃烧到DOC燃烧系统，氧化铁皮量的分析也给出相似的结果。

    结语

    普莱克斯公司的稀氧燃烧技术成功的和钢坯加热炉的空气燃烧系统进行整合，并允许在空气燃烧系统和DOC燃烧系统间进行灵活的转换。这种技术带来了显著的燃料节约，同时不需要对加热炉操作人员进行特殊的培训。装备DOC 烧嘴的加热炉和空气燃烧加热炉相比较，钢坯质量没有变化。