Verbetering van staalopverwarmingsrendement met oxy-brandstofverbranding en regeneratieve branders

Oxy-brandstofverbranding en toepassing in opverwarmingsovens

Staalopverwarming is een energie-intensief proces dat een uniforme temperatuursverdeling in opverwarmingsovens vereist. Historisch gezien werden recuperators gebruikt om verbrandingslucht te preverwarmen, waardoor energie wordt bespaard. Recentere innovaties omvatten zuurstofverrijking en het gebruik van regeneratieve branders, die hogere preverwarmluchttemperaturen bieden dan recuperators. Deze processen hebben beperkingen zoals apparatuurvervallen, dalend energierendement in de tijd, hoge onderhoudskosten en verhoogde NOx-emissies bij verhoogde preverwarmluchttemperatuur, tenzij speciale apparatuur wordt gebruikt.

Drie dingen zijn nodig voor het starten en handhaven van verbranding: brandstof, zuurstof en voldoende energie voor ontbranding. De efficiëntie van het verbrandingsproces is het hoogst als brandstof en zuurstof elkaar kunnen ontmoeten en reageren zonder beperkingen. Maar tijdens de verhitingspraktijk is, naast efficiënte verbranding, warmteoverdracht ook een praktische overweging.

Normale lucht die voor verbranding wordt gebruikt, bevat naast zuurstof ook stikstof (N2) en argon (Ar). Bij een lucht-brandstofbrander bevat de branderflam stikstof uit de verbrandingslucht. Een aanzienlijk deel van de brandstofenergie wordt gebruikt om deze stikstof op te warmen. De hete stikstof verlaat de oven door de schoorsteen, wat energietverliezen creëert. Lucht biedt dus geen optimale voorwaarden voor verbranding en warmteoverdracht. De door stikstof geabsorbeerde warmte gaat verloren of moet voor energiebesparing worden herwonnen. Hedendaagse beste lucht-brandstofverhitingsystemen in de opverwarmingsoven hebben ten minste 310 Mcal per ton staal nodig om de juiste temperatuur van het staalproduct voor walzen te bereiken.

Historische ontwikkeling van oxy-brandstofverbranding

Historisch gezien was het primaire gebruik van oxy-brandstofverbranding in het lassen en snijden van metalen, vooral staal, omdat oxy-brandstof hogere vlamtemperaturen toestaat dan lucht-brandstofvlammen. De introductie van een innovatieve oxy-brandstofbrandertechnologie (met 100% zuurstof) voor staalopverwarming is een relatief recent fenomeen. Het concept van oxy-brandstofverbranding werd in 1982 door Abraham voorgesteld in de context van het leveren van een kooldioxide (CO2) rijke rookgas. Vanwege de potentiële voordelen voerde Argonne National Laboratory (ANL) onderzoek uit, inclusief een technisch-economische studie en pilotschaalstudies.

Oxy-brandstof verwijst naar de praktijk om lucht als bron van oxidator voor verbranding volledig te vervangen door industriële zuurstof. Industriële zuurstof wordt gedefinieerd als vloeibare zuurstofvoorraad verdampt tot gas of on-site gegenereerde zuurstof. Vloeibare zuurstofvoorraad heeft over het algemeen een zuiverheid van meer dan 99,99%, terwijl on-site gegenereerde zuurstofzuiverheid meestal in het bereik van 90% tot 93% ligt. Het voordeel van on-site gegenereerde zuurstof is lagere kosten, omdat het product niet hoeft te worden vervloeist of getransporteerd en bij lagere druk wordt geleverd om stroomverbruik te minimaliseren. In geïntegreerde staalwerken waar een luchtscheidingsinstallatie voor staalproductie bestaat, kan hoge zuiverheid zuurstof (99,99%) via leiding van de luchtscheidingsinstallatie worden geleverd.

Wanneer stikstofgas wordt vermeden door het gebruik van industriële zuurstof, zoals bij oxy-brandstofverbranding, is niet alleen de verbranding zelf efficiënter, maar ook de warmteoverdracht. Oxy-brandstofverbranding beïnvloedt het verbrandingsproces op diverse manieren. Het eerste duidelijke resultaat is de toename van het thermisch rendement door het verminderde rookgasvolume, een resultaat dat fundamenteel is en geldt voor alle typen oxy-brandstofbranders. Bovendien neemt de concentratie van de sterk stralende verbrandingsproducten, CO2 en H2O, in de ovenatmosfeer toe. Voor verhitingsoperaties leiden deze twee factoren tot een hogere verhittingsnelheid, 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-brandstofverbrandingsprocessen

Oxy-brandstofverbranding verschilt van luchtverbranding op diverse manieren, waaronder verminderde vlamtemperatuur en vertraagde vlamontbranding. Veel effecten van oxy-brandstofverbranding kunnen worden verklaard door verschillen in gaseigenschappen tussen CO2 en N2, de hoofdverdunnende gassen in respectievelijk oxy-brandstof en lucht. CO2 heeft andere eigenschappen dan N2 die zowel warmteoverdracht als verbrandingsreactiekinetica beïnvloeden. Deze verschillen zijn:

• Dichtheid: Het molecuulgewicht van CO2 is 44, tegenover 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 ovengassen: Oxy-brandstofverbranding heeft hogere CO2- en H2O-niveaus, beide met hoog emissievermogen.

Vergeleken met lucht-brandstof, resulteert oxy-brandstof in een veel efficiëntere en snellere verhitting van het staalproduct. Het thermisch rendement van oxy-brandstof is ongeveer 80%, vergeleken met het rendement van lucht-brandstof dat rond 40% tot 60% ligt. Met oxy-brandstof is er verbetering in productiviteit en daling in brandstofverbruik om het staalproduct tot de gewenste temperatuur te verwarmen. Het gebruik van oxy-brandstof verbetert ook de temperatuursuniformiteit en produceert minder emissies aan het milieu.

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

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

Voor continue verhitingsoperaties is het ook mogelijk om de opverwarmingsoven economisch bij een hogere temperatuur aan de invoerkant te laten draaien. Dit verhoogt de mogelijke doorvoer van de opverwarmingsoven verder. Er is waargenomen dat het energierendement van oxy-brandstofverbranding equivalent is of zelfs beter dan opverwarmingsovens met apparatuur voor hoog gepreverwalde verbrandingslucht. De voordelen van oxy-brandstof ten opzichte van lucht-brandstofverbranding zijn als volgt:

• Oxy-brandstof resulteert in substantiële toename van beschikbare warmte (totale energie-input minus energie verloren aan de uitlaat) vergeleken met lucht-brandstofverbranding. De toename van beschikbare warmte is direct gerelateerd aan reducties in energieverbruik.
• Een toename van beschikbare warmte van verbranding betekent dat minder warmte aan de uitlaat verloren gaat en een groter percentage van de totale energie-input overblijft om werk in de oven te verrichten. Dus, wanneer beschikbare warmte toeneemt, daalt de hoeveelheid totale energie-input die nodig is om een constant bedrag werk te verrichten.
• Verhoogde verhittingsnelheid resulteert in hogere productie. De praktische limiet voor productietoename is afhankelijk van de capaciteit van de lading om warmte te absorberen en de tijd en temperatuur waarop de lading aan warmte wordt blootgesteld. Ervaringen uit diverse oxy-brandstofinstallaties tonen aan dat productdoorvoer in de meeste operaties kan worden verhoogd zonder de oventemperatuur-instelling te verhogen, met uitzondering van die opverwarmingsovens die al aan een temperatuurramp-limiet voldoien. Naast de toename in beschikbare warmte, hebben de hogere oxy-brandstofvlamtemperatuur en stralingspotentieel van verbrandingsgassen een positieve impact op verwarmingscapaciteit en productiesnelheid.
• Omdat stralingswarmteoverdracht afhangt van het temperatuurverschil tussen bron en ontvanger tot de vierde macht, resulteert oxy-brandstofverbranding in een grote toename van vlam-naar-lading stralingspotentieel. De verbrandingsproducten van oxy-brandstof zijn ook betere bronnen van stralingswarmteoverdracht. Dit komt omdat het merendeel van lucht-brandstofverbrandingsproduct stikstof is, wat niet zo efficiënt is als stralingswarmteoverdrachtsmechanisme als kooldioxide en waterdamp die het merendeel van oxy-brandstofverbrandingsproducten vormen.
• Verminderde ovenemissies – Het volume van de uitlaat is aanzienlijk lager met oxy-brandstof. Totale uitlaatvolume met oxy-brandstof is doorgaans 70% tot 90% minder dan totaal lucht-brandstofuitlaatvolume. Het meest voor de hand liggende resultaat van het gebruik van oxy-brandstof is dat brandstofverbruik wordt verminderd. Met de reductie in brandstofverbruik is de CO2-emissie lager over een gegeven tijd of per eenheid geladen gewicht. Bij oxy-brandstofverbranding wordt de deelspanning van stikstof in de verbrandingsproducten drastisch verlaagd, wat de potentieel voor NOx-vorming verlaagt zelfs bij verhoogde vlamtemperatuur.
• De concentratie van verontreinigingen in het rookgas is hoger, wat scheiding vergemakkelijkt.
• Het rookgas bestaat voornamelijk uit CO2, geschikt voor opslag (sequestratie).

Naast de bovenstaande voordelen kan de optie van oxy-brandstofverbranding soms leiden tot lagere kapitaalinvesteringen vergeleken met andere methoden om de efficiëntie te verbeteren, zoals recuperators of emissiecontroleapparatuur. Oxy-brandstofverbranding stelt alle installatiepijpen en stroomlijnen compact in zonder behoefte aan recuperatieve of regeneratieve warmteherwinningseenheden. Het verkleint ook drastisch de fysieke afmetingen van branders, ovens en rookgaskanalisering, evenals er is geen behoefte aan elektrische ventilatietoren. Ook verbrandingsluchtblazers en gerelateerde laagfrequente geluidsproblemen worden vermeden. Verder heeft conversie naar oxy-brandstofverbranding in sommige gevallen geleid tot minder schaalverlies door betere controle en kortere verhitings tijd.

Oxy-brandstofvlammen hebben een hogere temperatuur met minder volume en lengte dan lucht-brandstofvlammen. De vlamkarakteristiek met oxy-brandstof moet overwogen worden bij het ontwerpen van oxy-brandstofbrander-systemen voor staalopverwarmingsapplicaties. Over het algemeen eist staalverhitting een gelijkmatige temperatuursverdeling zodat gelokaliseerde oververhitting of onderverhitting in het product wordt vermeden. Het type en de plaatsing van oxy-brandstofbranders hangt af van het type oven en de nabijheid van vlammen tot het staalproduct.

Hoewel oxy-brandstof substantiële voordelen voor efficiëntie biedt, vereist het lage volume van verbrandingsproducten bij oxy-brandstof speciale aandacht bij het ontwerpen van verbrandingscontrolesystemen. Goede controle van het verbrandingsverhouding is cruciaal voor staalverhitingsprocessen, omdat de verbrandingsproducten de verhitingsatmosfeer vormen en uiteindelijk de snelheid en het type schaalvorming beïnvloeden. Bij lucht-brandstofverbrandingssystemen biedt het hoge volume stikstof dat met lucht in het verbrandingsproces wordt gebracht, een demper of veiligheidsfactor tegen veranderingen in lucht-brandstofverhouding. Met oxy-brandstof is deze demper bijna volledig geëlimineerd. Dit betekent dat een procentuele verandering in zuurstof-brandstofverhouding met oxy-brandstof een grotere impact heeft op de ovenatmosfeer dan dezelfde verandering met lucht-brandstof.

De verandering in ovenatmosfeer met oxy-brandstof heeft geen nadelige invloed op schaalvorming en in sommige gevallen is het zelfs een voordeel. De hogere deeltjesdruk van CO2 en H2O in de verbrandingsproducten biedt een efficiënter warmteoverdrachtsmechanisme, wat toelaat voor een verhoogde verhittingsnelheid die de tijdsfactor voor schaalvorming reduceert. Ook vergelijking van lucht-brandstof en oxy-brandstof toont aan dat de kenmerken van schaalvorming veranderen met oxy-brandstof. De schaal die op het oppervlak van het staal wordt gevormd, is in een dunner laag dan die gevormd met lucht-brandstofverbranding. De reden voor de verandering in schaalkenmerk wordt gedacht te zijn omdat de oxy-brandstofatmosfeer snel een dunne en dichte oxidelaag produceert die verdere oxidatie en schaalvorming voorkomt.

Vlamloze oxy-brandstofverbranding

In recente jaren is 'vlamloze oxy-brandstofverbranding' toegepast. De term communiceert het visuele aspect van het verbrandingstype: de vlam is niet langer visueel zichtbaar of makkelijk te detecteren door het menselijk oog. Een andere beschrijving zou zijn dat verbranding 'uitgerekt' is in tijd en ruimte – het is verspreid over grote volumes, en daarom wordt het soms 'volume verbranding' genoemd. Zo'n vlam heeft een uniforme en lagere temperatuur, maar bevat dezelfde hoeveelheid energie.

Bij vlamloze oxy-brandstofverbranding wordt de vlam verdund door de hete ovengassen. Dit verlaagt de vlamtemperatuur om creatie van thermische NOx te voorkomen en om meer homogene verhitting van het staal te bereiken.

Bij vlamloze oxy-brandstof reageert het mengsel van brandstof en oxidant uniform door het vlamvolume, met de snelheid gecontroleerd door de deeltjesdrukken van reactanten en hun temperatuur. De vlamloze oxy-brandstofbranders verspreiden de verbrandingsgassen effectief door de hele oven, wat zorgt voor meer effectieve en uniforme verhitting van het materiaal zelfs met een beperkt aantal geïnstalleerde branders – de verdeelde vlam bevat nog steeds dezelfde hoeveelheid energie maar is verspreid over een groter volume. De lagere vlamtemperatuur vermindert de NOx-vorming aanzienlijk. Lage NOx-emissie is ook belangrijk vanuit een aardopwarmingsperspectief; NO2 heeft een zogenaamde aardopwarmingspotentieel dat bijna 300 keer dat van CO2 is. Ook is het gebruik van lage calorische brandstoffen haalbaar, wat recentelijk benadrukt is, bijvoorbeeld door het gebruik van hoogovengas.

Oxy-brandstofbranders zijn altijd al krachtig en compact, en de nieuwe generatie vlamloze oxy-brandstofbranders heeft zijn compacte ontwerp behouden om de uitwisseling van reeds geïnstalleerde oxy-brandstofbranders te vergemakkelijken en voor eenvoudige retrofit van lucht-brandstofinstallaties. Verder voegt vlamloze oxy-brandstofverbranding niet alleen verdere voordelen toe, maar opent ook de deur voor nieuwe toepassingen, allemaal ter ondersteuning van een aanzienlijk verminderd milieueffect.

In de staalwerken waar oxy-brandstofverbrandingstechnologie al is geïmplementeerd, worden de volgende resultaten behaald:

• Verbetering in de doorvoercapaciteit van de opverwarmingsoven tot een niveau van 50%
• Besparing in brandstofverbruik tot een niveau van 50%
• Daling in CO2-emissies tot een niveau van 50%
• Lagere hoeveelheid NOx-emissies
• Reductie in schaalverlies tijdens opverwarming
• Geen negatieve impact op de oppervlaktekwaliteit van staal
• Positieve impact op de temperatuursuniformiteit van het staal
• Het is mogelijk om de ideale verwarmingscurve die door het controlsysteem wordt voorgesteld, makkelijker te bereiken
• Er is minder rook afkomstig van de ovenschoorsteen, wat de fabriekomgeving aanzienlijk verbetert.