摘要：虽然还原过程是钢铁生产碳排放的主要来源而备受关注，但也应关注燃烧过程。当然，燃烧过程在小型钢铁厂的重要性比在联合钢铁厂更大，更不用说在独立轧钢厂了。包括轧制、热处理和精加工在内的下游钢铁加工的二氧化碳排放量占直接单位产品二氧化碳排放量的比例很大。对于采用废钢的
世界金属导报
1 前言
虽然还原过程是钢铁生产碳排放的主要来源而备受关注，但也应关注燃烧过程。当然，燃烧过程在小型钢铁厂的重要性比在联合钢铁厂更大，更不用说在独立轧钢厂了。包括轧制、热处理和精加工在内的下游钢铁加工的二氧化碳排放量占直接单位产品二氧化碳排放量的比例很大。对于采用废钢的小型钢铁厂，这一数字约为50%。
富氧燃烧技术是一种可即时实现脱碳的解决方案，同时还能在可行的情况下顺利适应氢燃料。钢铁厂中的许多单元操作都使用空气来燃烧燃料，而空气中有79%是惰性气体（几乎全是氮气）。这些氮气在炉内被加热，并随烟道气排放，造成能源浪费、燃料消耗以及CO2排放增加。此外，它还阻碍了燃烧产物的辐射传热，而辐射传热在高温下是主要的传热机制。用氧气代替空气（即富氧燃烧）消除了氮气这种惰性成分，从而带来以下结果：①减少60%的燃料消耗和CO2排放；②烟气量减少75%；③减排高达90%的NOx；④按需生产增加；⑤能够在加热和再加热操作中使用低热量气体。
富氧燃烧的经济性通常取决于燃料价格，但随着钢铁厂采用清洁氢燃料来减少碳排放，富氧燃烧将变得在经济上必不可少。这是因为即使氢气价格降至约2美元/千克，氢气仍然是一种相对昂贵的燃料，因此，需要采用富氧燃烧来尽量减少氢气使用量。所以，对钢铁厂的建议是：现在就转换为富氧燃烧，以实现20%-50%的CO2减排，并准备好在未来可能实现完全脱碳时掺入清洁氢气，如图1所示。
富氧燃烧产生的烟气量小且CO2浓度高，这也有利于碳捕集、利用和封存（CCUS）技术。另一个特点是，它支持低热值燃料的高效利用。
2 无焰富氧燃烧
“无焰燃烧”一词传达了燃烧类型在视觉上的特征，即火焰不再可见或者难以通过人类的眼睛被察觉到。另一种描述可能是，这种燃烧在时间和空间上得到了延展，它以大的体积扩散开来，因此有时被称为“体积燃烧”。这种火焰具有均匀且较低的温度，几乎与空气-燃料燃烧的温度相同，但所含的能量与传统的富氧燃烧相同。在无焰富氧燃烧中，燃料和氧化剂的混合物通过反应火焰体积均匀地反应，反应速率由反应物的分压及其温度控制。
当烟气混合到燃烧区时，在稀释的氧气浓度下发生无焰富氧燃烧。这减缓了富氧燃烧反应，并导致火焰温度降低，低于热氮氧化物（NOx）的生成温度。由于燃料消耗较低且燃烧过程中不含氮气，烟气量可减少75%-80%。当然，低烟气量且CO2浓度很高对CCUS有利。将烟气混合到火焰中还会将能量分散到整个容器或炉子中，以实现更快、更均匀的加热，如图2所示。
林德公司从2003年开始应用无焰富氧燃烧技术，其首个应用案例出现在不锈钢生产商奥托昆普。减少NOx排放的特性已被证实是成功的，同时温度均匀性的大幅提高也是其成功的关键因素之一。使用无焰富氧燃烧技术已证明可节省高达65%的能源；大多数从空气-燃料完全转换为无焰富氧燃烧的装置显示出，其可燃料和CO2排放的减少比例为20%-50%。林德已经在几乎所有类型的钢加热炉和退火炉、铝和铜熔炼炉、以及钢包和其他容器预热系统中安装了400多套无焰富氧燃烧装置。如果在钢铁生产过程中充分利用无焰富氧燃烧技术的潜力，全球钢铁行业的碳排量每年将减少2亿吨。
在无焰富氧燃烧中，燃料和氧化剂的混合物借助于反应火焰的体积均匀地反应，其反应速率由反应物的分压及其温度控制。在无焰富氧燃烧中，燃烧气体有效地分散在整个炉内，即使安装的燃烧器数量有限，也能确保更有效和均匀地加热材料。虽然第一次安装是在加热炉和退火炉中进行，但无焰富氧燃烧很快被用于钢包和转炉的预热，并取得了很好的效果。下一个正在开发的具有重大积极影响的领域是高炉热风炉。另一个领域是低热值燃料的使用，例如，高炉煤气；富氧燃烧的使用有力地支持了低热值气体的成功使用。较低的火焰温度，与传统的空气-燃料燃烧的温度相同，大幅减少了NOx的形成，再加上温度的均匀性，导致NOx的排放量显著低于空气-燃料燃烧的排放量。此外，优异的温度均匀性减少了加热时间，在再加热的情况下，减少了氧化铁皮损失。
3 无焰富氧燃烧的应用
在瑞典钢铁公司（SSAB）使用REBOX HLL技术。板坯在每炉300t/h的步进梁式炉中从环境温度加热到1230℃。空气-燃料燃烧系统使用回收系统将空气预热到400℃。燃料是油，在安装HLL装置之前，电耗是440kWh/t，即1.58GJ/t。
REBOX HLL创造了一种无焰富氧燃烧，无需更换现有的空气-燃料燃烧器。通过减少空气流量并以高速氧气注入燃烧，可以取得很大的效益。燃烧所需75%的氧气都是通过这种技术提供的。烟气量比空气-燃料的少45%。
HLL装置的安装相当容易，因为它不需要更换任何燃烧器或另外安装燃烧器，这就最大限度地减少了安装停机时间。空气-燃料系统随时都可以像以前那样恢复运行。这消除了与实施相关的任何潜在风险，并使操作更加灵活和优化，以应对波动的燃料成本和生产要求。
此次安装的重要结果如下：①对表面质量没有负面影响；②对板坯温度的均匀性有积极影响；③可以更容易地实现控制系统建议的理想加热曲线；④减少炉膛冒出的烟尘，大幅改善了工厂环境；⑤NOx排放量可以减少45%；⑥燃料消耗可以减少25%，从而减少SO2和CO2的排放；⑦产量可提高20%。
此外，瑞典和芬兰的奥托昆普基地、美国俄亥俄州的安塞乐米塔尔Shelby工厂、瑞典奥沃科的工厂、印度KCSSL钢铁厂都采用了REBOX富氧燃烧技术。
4 氢就绪系统
氢气燃烧产生100%的H2O作为燃烧产物，因此没有CO2排放。在过去几年里，林德在其技术中心进行了测试，以开发氢气燃烧器并评估氢气燃烧的影响。
从2018年春季开始，林德评估了1.0MW的无焰富氧燃烧，使用氢气作为部分或全部的燃料。结果表明：无焰富氧燃烧的优点，包括温度的均匀性和低NOx排放，可以保持下来。下一步是评估其对材料的影响，并与钢铁生产商一起进行了10kg样品加热的中试试验。这些初步试验令人鼓舞，没有显示出对材料的负面影响。基于试点测试的积极成果，奥沃科公司和林德公司决定在瑞典奥沃科的Hofors工厂的均热炉中进行氢-氢再加热的全面示范。2020年3月进行了第一次以100%氢气作为燃料的钢材加热，使用了25吨滚珠轴承钢锭。均热炉使用REBOX Hyox的氢-氧燃料燃烧。钢锭经过加热和均热处理后，在轧机上被成功轧制成棒材。轧制力、尺寸、氧化铁皮损失和温度均匀性与以往一样处于高质量水平。对最终棒材的全面检查和分析表明，使用氢气作为燃料加热不会影响质量。奥沃科得出结论，他们相信氢气可以简单灵活的使用，对钢材质量没有影响，这将意味着碳排放的大幅减少。2024年上半年，奥沃科Hofors工厂在24座均热炉上全面安装了REBOX Hyox装置，其中氧气和氢气都将通过可再生能源获得。
2023年，林德公司在芬兰奥沃科Imatra工厂的一台75t/h的步进梁式加热炉进行了改造。将整个加热炉从空气-燃料燃烧改造为100%无焰富氧燃烧。
新安装的系统采用REBOX Hyox技术，完全具备使用氢气的条件。此次改造使燃料消耗降低了25%以上，并大幅减少了NOx排放。未来几年，当氢气供应具备可行性时，该加热炉计划完全使用氢气作为燃料。
5 结论
钢铁生产在真正迈向碳中和方面有着巨大的机遇，鉴于其在使用方面的优势，这将进一步巩固钢铁的可持续发展地位。在大多数地方，使用氢气目前还不切实际，不过，可以立即采取一些行动来减少钢铁生产的碳排放。
富氧燃烧技术是实现即时脱碳的解决方案，而且还能让钢铁厂在氢燃料可行时顺利过渡到使用氢燃料。钢铁厂现在可以改用富氧燃烧，以实现20%-50%的CO2减排，并准备在未来可以实现完全脱碳时开始使用绿色氢气。
碳中和的钢铁生产之旅不必等待可行的氢气供应。目前，在加热炉和退火炉上使用无焰富氧燃烧技术进行即时脱碳，大幅降低了碳排放，取得了良好效果。这些经过验证的技术已为使用氢气做好了准备。
《世界金属导报》
2025年第7期 B14
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