Zuurstofverbranding en de toepassing ervan in heropwarmingsovens

Oxy-fuel verbranding en de toepassing ervan in heropwarmingsovens

Het opnieuw verwarmen van staal is een energie-intensief proces dat een uniforme temperatuurverdeling in de opwarmovens vereist. Vroeger werden recuperatoren gebruikt om verbrandingslucht voor te verwarmen, waardoor energie werd bespaard. Recentere innovaties zijn onder meer zuurstof (O2) verrijking en het gebruik van regeneratieve branders, die hogere luchttemperaturen voorverwarmen dan recuperatoren. Deze processen hebben beperkingen, zoals verslechtering van de apparatuur, afnemende energie-efficiëntie in de loop van de tijd, hoge onderhoudskosten en verhoogde NOx-emissies met verhoogde luchtvoorverwarmingstemperatuur, tenzij speciale apparatuur wordt gebruikt.

Er zijn drie dingen nodig voor het starten en onderhouden van de verbranding. Dit zijn brandstof, zuurstof en voldoende energie voor ontsteking. De efficiëntie van het verbrandingsproces is het hoogst als brandstof en zuurstof elkaar zonder enige beperking kunnen ontmoeten en reageren. Maar tijdens de verwarmingspraktijk is naast een efficiënte verbranding ook de overdracht van warmte van praktische overwegingen.

Normale lucht die voor verbranding wordt gebruikt, bevat naast zuurstof stikstof (N2) en argon (Ar). Bij een lucht-brandstofbrander bevat de brandervlam stikstof uit de verbrandingslucht. Een aanzienlijk deel van de brandstofenergie wordt gebruikt om deze stikstof op te warmen. De hete stikstof verlaat de schoorsteen, waardoor energieverliezen ontstaan. Lucht biedt dus geen optimale omstandigheden voor verbranding en warmteoverdracht. Warmte die door stikstof wordt opgenomen, gaat verloren of moet worden teruggewonnen met het oog op energiebesparing. Het huidige beste lucht-brandstof verwarmingssysteem in de herverhittingsoven heeft minstens 310 M Cal nodig voor een ton staal om de juiste temperatuur van het staalproduct voor het walsen te bereiken.

Historisch gezien was het primaire gebruik van autogeenverbranding bij het lassen en snijden van metalen, met name staal, aangezien autogeengas hogere vlamtemperaturen mogelijk maakt dan kan worden bereikt met een lucht-brandstofvlam. De introductie van een innovatieve oxy-fuel-brandertechnologie (met 100 % zuurstof) voor het opwarmen van staal is een relatief recent fenomeen. Het concept van zuurstof-brandstofverbranding werd in 1982 door Abraham voorgesteld in de context van het leveren van een kooldioxide (CO2) rijk rookgas. Vanwege de potentiële voordelen heeft Argonne National Laboratory (ANL) een aantal onderzoeksactiviteiten uitgevoerd, waaronder een techno-economische studie en pilot-schaalstudies over het onderwerp.

Oxy - brandstof verwijst naar de praktijk van het volledig vervangen van lucht als de bron van oxidatiemiddel voor verbranding met industriële zuurstof. Zuurstof van industriële kwaliteit wordt gedefinieerd als vloeibare zuurstof die wordt verdampt tot een gas of ter plaatse gegenereerde zuurstof. Vloeibare zuurstoftoevoer heeft over het algemeen een zuiverheid van meer dan 99,99%, terwijl de ter plaatse gegenereerde zuurstofzuiverheid gewoonlijk in het bereik van 90% tot 93% ligt. Het voordeel van het gebruik van ter plaatse gegenereerde zuurstof is lagere kosten, aangezien het product niet vloeibaar hoeft te worden gemaakt of vervoerd hoeft te worden en onder een lagere druk wordt geleverd om het stroomverbruik te minimaliseren. In een geïntegreerde staalfabriek waar een luchtscheidingsinstallatie voor staalproductie bestaat, kan zuurstof met een hoge zuiverheid (99,99 %) worden geleverd via een pijpleiding vanuit de luchtscheidingsinstallatie.

Wanneer het stikstofgas wordt vermeden door het gebruik van industriële zuurstof, zoals in het geval van oxy-fuel-verbranding, dan is niet alleen de verbranding zelf efficiënter, maar ook de warmteoverdracht. Oxy - brandstofverbranding beïnvloedt het verbrandingsproces op een aantal manieren. Het eerste voor de hand liggende resultaat is de toename van het thermische rendement als gevolg van het verminderde uitlaatgasvolume, een resultaat dat fundamenteel en geldig is voor alle soorten autogeenbranders. Bovendien wordt de concentratie van de sterk uitstralende verbrandingsproducten, CO2 en H2O, in de ovenatmosfeer verhoogd. Voor verwarmingsactiviteiten leiden deze twee factoren tot een hogere verwarmingssnelheid, brandstofbesparing, lagere CO2- en NOx-emissies en lagere SOx-emissies als de brandstof zwavel bevat. Fig 1 toont Oxy - brandstof en lucht - brandstofverbrandingsprocessen.

Fig 1 Oxy – brandstof en lucht – verbrandingsprocessen voor brandstof

Oxy - brandstofverbranding blijkt in veel opzichten te verschillen van luchtverbranding, waaronder een lagere vlamtemperatuur en vertraagde vlamontsteking. Veel van de effecten van oxy-fuel-verbranding kunnen worden verklaard door verschillen in gaseigenschappen tussen CO2 en N2, de belangrijkste verdunningsgassen in respectievelijk oxy-fuel en lucht. CO2 heeft andere eigenschappen dan N2, die zowel de warmteoverdracht als de verbrandingsreactiekinetiek beïnvloeden. Deze verschillen worden hieronder beschreven.

• Dichtheid -Het molecuulgewicht van CO2 is 44, vergeleken met 28 voor N2, dus de dichtheid van het rookgas is hoger bij oxy-brandstofverbranding.
• Warmtecapaciteit -De warmtecapaciteit van CO2 is hoger dan die van N2.
• Diffusiviteit – De zuurstofdiffusiesnelheid in CO2 is 0,8 keer die in N2.
• Stralingseigenschappen van de ovengassen:-Oxy - brandstofverbranding heeft hogere CO2- en H2O-niveaus, beide met een hoog zendvermogen.

In vergelijking met lucht – brandstof, oxy – brandstof resulteert dit in een veel efficiëntere en snellere verwarming van het staalproduct. Het thermische rendement van zuurstof-brandstof is ongeveer 80% in vergelijking met het rendement van lucht-brandstof, dat is ongeveer 40% tot 60%. Met oxy-fuel is er een verbetering van de productiviteit en een afname van het brandstofverbruik om het staalproduct op de gewenste temperatuur te brengen. Het gebruik van oxy-brandstof verbetert ook de temperatuuruniformiteit en veroorzaakt minder uitstoot naar het milieu.

Het algemene voordeel van het vervangen van lucht door industriële zuurstof is dat het stikstofgehalte dat met lucht in het verbrandingsproces wordt gebracht, bijna of volledig wordt geëlimineerd. Vermindering van stikstof bij de verbranding zorgt voor een hogere vlamtemperatuur en verbrandingsefficiëntie, aangezien een lager verbrandingsgasvolume de hoeveelheid warmte die van de vlam wordt afgenomen en verloren gaat aan de uitlaat, vermindert. Tijdens oxy-fuel verbranding wordt een gas gegenereerd dat voornamelijk uit CO2 en water bestaat.

Thermische overdracht door oxy-brandstofverbranding wordt gekenmerkt door een aanzienlijke lokale overdracht vanwege een hoge emissiviteit (aanzienlijke concentraties CO2 en H2O in de vlammen) en een verminderd vlamvolume, wat ten eerste leidt tot een verbeterd vermogen om zijn energie over te dragen naar de belasting en ten tweede een extra winst in energie-efficiëntie.

Voor continue verwarmingsbewerkingen is het ook mogelijk om de herverhittingsoven economisch op een hogere temperatuur aan de ingangszijde van de oven te laten werken. Dit verhoogt verder de mogelijke doorvoer van de opwarmoven. Er is waargenomen dat de energie-efficiëntie van oxy-brandstofverbranding gelijkwaardig of zelfs beter is dan die van heropwarmovens met apparatuur voor sterk voorverwarmde verbrandingslucht. De voordelen van het gebruik van zuurstofgas in vergelijking met verbranding van lucht en brandstof zijn dus als volgt.

• Oxy-fuel resulteert in een aanzienlijke toename van de beschikbare warmte (totale energie-input minus energie die verloren gaat aan de uitlaat) in vergelijking met verbranding van lucht-brandstof. De toename van de beschikbare warmte houdt direct verband met een vermindering van het energieverbruik.
• Een toename van de beschikbare verbrandingswarmte betekent dat er minder warmte verloren gaat aan de uitlaat en een groter percentage van de totale energie-input wordt overgelaten om werk in de oven te doen. Dus, wanneer de beschikbare warmte wordt verhoogd, wordt de totale hoeveelheid energie die nodig is om een ​​constante hoeveelheid werk te doen, verminderd.
• Een hogere verwarmingssnelheid resulteert in een hogere productie. De praktische grens aan productieverhoging is afhankelijk van het vermogen van de lading om warmte op te nemen en de tijd en temperatuur waarop de lading aan hitte wordt blootgesteld. De ervaringen van verschillende autogeen-brandstofinstallaties is dat de productdoorvoer bij de meeste bewerkingen kan worden verhoogd zonder het instelpunt van de oventemperatuur te verhogen, met uitzondering van die heropwarmingsovens die al voldoen aan een ingestelde limiet voor temperatuurstijging. Naast de toename van de beschikbare warmte, hebben de hogere oxyfuel-vlamtemperatuur en het stralingspotentieel van verbrandingsgassen een positieve invloed op het verwarmingsvermogen en de productiesnelheid.
• Omdat stralingswarmteoverdracht afhankelijk is van het temperatuurverschil van de bron naar de ontvanger tot de vierde macht, resulteert oxy-fuel-verbranding in een grote toename van de vlam om het stralingspotentieel te belasten. De verbrandingsproducten van oxyfuel zijn ook betere bronnen van stralingswarmteoverdracht. Dit komt omdat het grootste deel van het lucht-brandstofverbrandingsproduct stikstof is, wat niet zo'n efficiënt mechanisme voor de overdracht van stralingswarmte is als kooldioxide en waterdamp die de meerderheid van de zuurstof-brandstofverbrandingsproducten vormen.
• Verlaagde ovenemissies - Het uitlaatvolume is aanzienlijk lager bij autogeen. Het totale uitlaatvolume met autogeen brandstof is over het algemeen 70 % tot 90 % minder dan het totale lucht-brandstofuitlaatvolume. Het meest voor de hand liggende resultaat van het gebruik van oxy-fuel is dat het brandstofverbruik wordt verminderd. Met de vermindering van het brandstofverbruik is de uitstoot van CO2 lager over een bepaalde tijd of per eenheid verwarmde lading. Met zuurstof-brandstofverbranding wordt de partiële stikstofdruk in de verbrandingsproducten drastisch verlaagd, waardoor de kans op NOx-vorming wordt verlaagd, zelfs bij verhoogde vlamtemperatuur.
• De concentratie van verontreinigende stoffen in het rookgas is hoger, waardoor scheiden makkelijker wordt
• Het rookgas is voornamelijk CO2, geschikt voor opslag

Naast de bovengenoemde voordelen, kan de optie om oxy-fuel-verbranding te gebruiken soms leiden tot lagere kapitaalinvesteringen in vergelijking met andere methoden om de efficiëntie te verbeteren, zoals recuperatoren of emissiebeheersingsapparatuur. Oxy-brandstofverbranding zorgt ervoor dat alle installatieleidingen en stroomlijnen compact zijn zonder dat er recuperatieve of regeneratieve warmteterugwinningsunits nodig zijn. Het vermindert ook drastisch de fysieke afmetingen van branders, ovens en rookgaskanalen en er zijn geen elektrische ventilatieventilatoren nodig. Ook verbrandingsluchtblazers en aanverwante laagfrequente geluidsproblemen worden vermeden. Verder heeft de conversie naar oxy-brandstofverbranding in sommige gevallen geresulteerd in minder kalkverlies door een betere controle en kortere opwarmtijd.

Zuurstofvlammen hebben een hogere temperatuur met minder volume en lengte dan luchtbrandstofvlammen. Er moet rekening worden gehouden met de vlamkarakteristiek met autogeenbrandstof bij het ontwerpen van autogeenbrandersystemen voor toepassingen met het opnieuw verhitten van staal. Over het algemeen vereist het verwarmen van staal een gelijkmatige temperatuurverdeling, zodat plaatselijke oververhitting of onderverhitting in het product wordt vermeden. Het type en de plaatsing van autogeenbranders hangt af van het type oven en de nabijheid van de vlammen tot het staalproduct.

Hoewel het aanzienlijke voordelen biedt voor de efficiëntie, vereist het lage volume van verbrandingsproducten met autogeen brandstof enige speciale aandacht bij het ontwerpen van verbrandingscontrolesystemen. Een goede regeling van de verbrandingsverhouding is van cruciaal belang voor verwarmingsprocessen van staal, aangezien de verbrandingsproducten de verwarmingsatmosfeer vormen en uiteindelijk de snelheid en het type kalkaanslag beïnvloeden. In lucht-brandstofverbrandingssystemen zorgt het grote volume stikstof dat met lucht in het verbrandingsproces wordt gebracht, voor een demper of veiligheidsfactor tegen veranderingen in de lucht-brandstofverhouding. Met autogeen brandstof wordt deze demper bijna volledig geëlimineerd. Dit betekent dat een procentuele verandering in de zuurstof-brandstofverhouding met zuurstof-brandstof een grotere impact zal hebben op de atmosfeer van de verwarmingsoven dan dezelfde verandering met lucht-brandstof.

De verandering in de ovenatmosfeer met oxy-fuel heeft geen nadelig effect op de vorming van kalkaanslag en is in sommige gevallen een voordeel gebleken. De hogere partiële druk van CO2 en H2O in de verbrandingsproducten zorgt voor een efficiënter warmteoverdrachtmechanisme, waardoor een hogere verwarmingssnelheid mogelijk is, wat de tijdsfactor voor kalkvorming vermindert. Vergelijking van lucht-brandstof en autogeen laat zien dat de kenmerken van kalkaanslag veranderen met autogeen. De schaal die op het oppervlak van het staal wordt gevormd, bevindt zich in een dunnere laag dan wordt gevormd met lucht-brandstofverbranding. Men denkt dat de reden voor de verandering in schaalkarakteristiek is dat de zuurstof-brandstofatmosfeer snel een dunne en dichte oxidelaag produceert die verdere oxidatie en kalkvorming voorkomt.

Vlamloze oxy - brandstofverbranding

De laatste jaren wordt er gebruik gemaakt van ‘vlamloze oxy-brandstofverbranding’. De uitdrukking communiceert het visuele aspect van het verbrandingstype, dat wil zeggen, de vlam wordt niet langer visueel gezien of gemakkelijk gedetecteerd door het menselijk oog. Een andere omschrijving zou kunnen zijn dat verbranding 'uitgebreid' is in tijd en ruimte - het wordt verspreid in grote volumes, en daarom wordt het soms 'volumeverbranding' genoemd. Zo'n vlam heeft een gelijkmatige en lagere temperatuur, maar bevat toch dezelfde hoeveelheid energie.

Bij vlamloze oxy-fuel-verbranding wordt de vlam verdund door de hete ovengassen. Dit verlaagt de vlamtemperatuur om het ontstaan ​​van thermische NOx te voorkomen en om een ​​meer homogene verwarming van het staal te bereiken.

In vlamloze oxybrandstof reageert het mengsel van brandstof en oxidatiemiddel uniform door het vlamvolume, waarbij de snelheid wordt geregeld door partiële druk van reactanten en hun temperatuur. De vlamloze zuurstofbrandstofbranders verspreiden de verbrandingsgassen effectief door de oven, wat zorgt voor een effectievere en gelijkmatigere verwarming van het materiaal, zelfs met een beperkt aantal geïnstalleerde branders - de verspreide vlam bevat nog steeds dezelfde hoeveelheid energie maar wordt over een groter volume verspreid . Door de lagere vlamtemperatuur wordt de lage NOx-vorming aanzienlijk verminderd. Een lage NOx-emissie is ook belangrijk vanuit het perspectief van de opwarming van de aarde; NO2 heeft een zogenaamd aardopwarmingsvermogen dat bijna 300 keer zo groot is als dat van CO2. Ook is het gebruik van laagcalorische brandstoffen haalbaar, wat de laatste tijd steeds meer benadrukt wordt, bijvoorbeeld door het gebruik van hoogoventopgas.

Oxybrandstofbranders zijn altijd krachtig en compact geweest, en de nieuwe generatie vlamloze zuurstofbrandstofbranders heeft zijn compacte ontwerp behouden om de vervanging van reeds geïnstalleerde zuurstofbrandstofbranders te vergemakkelijken en voor eenvoudige retrofit van luchtbrandstofinstallaties. Bovendien voegt vlamloze oxy-brandstofverbranding niet alleen meer voordelen toe, maar opent het ook voor nieuwe toepassingen, die allemaal bijdragen aan een aanzienlijk verminderde impact op het milieu.

In de staalfabrieken waar de oxy-fuel verbrandingstechnologie al is geïmplementeerd, worden de volgende resultaten behaald.

• Verbetering van de doorvoercapaciteit van de naverwarmingsoven tot wel 50%
• Besparing in brandstofverbruik tot wel 50%
• Verlaging van de uitstoot van CO2 tot 50%
• Lagere hoeveelheid NOx-uitstoot
• Vermindering van het kalkverlies tijdens het opwarmen
• Er is geen negatieve invloed op de oppervlaktekwaliteit van staal
• Er is een positieve invloed op de temperatuuruniformiteit van het staal
• Het is mogelijk om gemakkelijker de ideale verwarmingscurve te bereiken die door het regelsysteem wordt voorgesteld
• Er komt minder rook uit de ovenstapel, wat de plantomgeving aanzienlijk verbetert.