Herverwaringsoven Brander Types, Efficiëntie en Milieueffecten

Brander Types in Herverwaringsovens

De staalindustrie staat momenteel voor grote uitdagingen wat betreft de continue reductie van milieuitstoot bij verbetering van de economische haalbaarheid van de processen. Herverwaringsovens, gezien hun hoge energieverbruik, zijn een gebied waar de aandacht van de staalindustrie nodig is. Ze zijn belangrijke apparaten die bijdragen aan de productiviteit en energie-efficiëntie van de staalfabriek.

Moderne herverwaringsovens zijn loopbalkovens waarbij de balken het laad staalmateriaal (blokken, bloemen of platen) in de oven tillen en naar de volgende positie verplaatsen. De verwarming wordt in deze ovens gedaan door direct verbranden van de brandstof zowel boven als onder het laad staalmateriaal, met dakbrander (om het dak te verwarmen dat dan de warmte naar het laad staalmateriaal uitstraalt) en/of lange vlam branders (zijwanden en/of voorwand). Veelvoorkomende brandstoffen in herverwaringsovens zijn gemengd gas van lage calorische waarde (hoogovengas gemengd met cokesovengas en convertergas), cokesovengas, zware olie, laag zwavel zware rest (LSHS), of aardgas.

Belangrijke Parameters

De belangrijke parameters voor een herverwaringsoven omvatten het verbrandingssysteem bestaande uit de gebruikte brandstof, voorziening en de technologische toestand van de verbrandingslucht, de branders en hun locatie voor juiste warmteverdeling, voorverwarmen van verbrandingslucht en brandstofgas, afvalwarmte herwinningssysteem, lucht-brandstof verhouding, controle van oven trek, de oven uitlegstysteem, en oven parameter meet- en regelsysteem. Het oven verbrandingssysteem ondersteunt naast het vereiste productiviteitsniveau van de oven, efficiënt benutting van warmte-invoer, lagere warmteverliezen, efficiënte herwinning van afvalwarmte, minimale schade aan de oven refractarimaterialen, en lagere opwekking van broeikasgassen, met name NOx. Het oven verbrandingssysteem zorgt ook voor een oven atmosfeer die vorming van Walsel op het staaloppervlak minimaliseert.

Warmteherwinningssystemen

Warmteherwinningssystemen zijn wijd toegepast in staalfabrieken om de uitlaatgas warmteverliezen van herverwaringsovens te verminderen. Aangezien uitlaatgas warmteverlies een hoog percentage van thermisch verlies uitmaakt, wordt de oven efficiëntie verbeterd en brandstofverbruik verminderd door het gebruik van warmteherwinningssysteem. Twee typen warmteherwinningssystemen worden normaal ingezet: gecentraliseerd systeem en gedistribueerd systeem. Het gecentraliseerde warmteherwinningssysteem verwarmt verbrandingslucht met een metalen recuperator door de warmte van de uitlaatgassen en is momenteel wijd in gebruik. Echter, de maximaal bereikbare voorverwarmde lucht temperatuur met deze methode is ongeveer 600 °C bij een oventemperatuur van ongeveer 1300 °C vanwege materiaal temperatuurlimitaties. Het gedistribueerde warmteherwinningssysteem bestaat uit een schakelend type regeneratieve brander systeem met gebruik van keramische (meestal alumina) ballen als regeneratieve media. Het levert hogere temperatuur voorverwarmde lucht dan het gecentraliseerde systeem.

Branderkenmerken

Branders die in herverwaringsovens worden gebruikt, vormen een van de belangrijke aspecten die de energie-efficiëntie van de herverwaringsoven bepalen. Verschillende staalspecificaties vereisen verschillende temperatuurprofielen in de herverwaringsoven. Daarom is het voor de juiste warmteverdeling binnen de oven belangrijk dat de branders flexibiliteit hebben zodat het bedienend personeel de verbrandingsparameters kan aanpassen aan de diverse procesomstandigheden. Branders moeten een goede turndown ratio hebben, lage NOx mogelijkheden en hoge efficiëntie.

De rangschikking van branders in een herverwaringsoven is ook zeer belangrijk voor de verhitingskenmerken van de oven. Volgens de positie van de branders in de oven, worden rangschikkingen ingedeeld in drie verhitingsmethoden: (i) Gebruik van axiale-stroom branders in voorwand, (ii) gebruik van zijwand branders in zijwanden, en (iii) gebruik van vlakke vlam stralingsbranders in het dak. Elke verhitingsmethode heeft zijn eigen kenmerken. Een bepaalde verhitingsmethode of een combinatie van verhitingsmethoden wordt voor een herverwaringsoven gekozen om te passen bij de lokale omstandigheden in de staalfabriek. In staalfabrieken waar meerdere brandstoffen beschikbaar zijn, moeten de branders de mogelijkheid hebben om meerdere brandstoffen te benutten.

De herverwaringsoven moet zo ontworpen zijn dat binnen een gegeven tijd het laad staalmateriaal uniform wordt verhit tot een gewenste temperatuur met het minimum aan brandstof. Aangezien de verwarming plaatsvindt met behulp van branders, is het noodzakelijk om het volgende te waarborgen voor juiste warmteverdeling.

• Het vuur van de herverwaringsoven moet gedaan worden door branders gelegen aan het afvoereind van de oven en gelegen aan de boven- en/of onderkant van het laad staalmateriaal.
• De vlam mag geen vast object raken of belemmeren. Elke belemmering zorgt ervoor dat brandstofdeeltjes de-atomiseren, wat de verbranding beïnvloedt en zwarte rook veroorzaakt. Als de vlam op het laad staalmateriaal impingeert, nemen de walselverliezen toe. Als de vlam op refractarimaterialen impingeert, kunnen producten van onvolledige verbranding neerslaan en reageren met de refractaire bestanddelen bij hoge temperaturen, wat schade aan de oven refractarimaterialen veroorzaakt.
• De vlammen van verschillende branders moeten van elkaar vrij zijn, doorkruisende vlammen veroorzaken onvolledige verbranding. Het is ook wenselijk om branders op tegenoverliggende zijden verspringend aan te brengen.
• De brander vlam heeft de neiging om vrij te reizen in de verbrandingsruimte net boven het materiaal. Om die reden mag de as van de brander in de oven niet parallel aan de hearth geplaatst worden, maar onder een opwaartse hoek. De vlam mag echter niet het ovendak raken.
• Grote branders produceren langere vlammen, wat meestal moeilijk binnen de ovenwanden te behouden is. Daarom worden doorgaans een groot aantal branders van mindere capaciteit ingezet om een betere warmteverdeling binnen de oven te garanderen en ook de oven levensduur te vergroten.

Vlakke Vlam Branders (FFB)

De vlakke vlam branders (FFB) worden meestal op het dak van de herverwaringsoven gebruikt. Door deze branders vindt indirect georiënteerde stralingswarmteoverdracht plaats. De warmte van brandstofverbranding wordt overgedragen aan het laad staalmateriaal niet alleen direct vanuit de vlam, maar ook door de dak refractaire voering van de oven. De vlam, die normaal niet-luminieus is, wordt gekenmerkt door hoge temperatuur en relatief lage emissiviteit overeenkomend met selectieve straling van kooldioxide en waterdamp. Vanwege het gebrek aan vlamimpact op het laad staalmateriaal worden FFB verwarmde ovens indirecte verhitingsovens genoemd.

De branders zijn ontworpen om de vlam over het dakoppervlak in een dunne laag te spreiden. Omdat de stroomsnelheid van de verbrandingsgassen in de richting van de branderas verwaarloosbaar is, stijgt de temperatuur van het refractaire dak door intensieve warmteoverdracht van de vlam naar het dak. Op deze manier fungeert het refractaire dak als de hoofduitstralingsoppervlakte.

Het gebruik van vlakke vlam branders wordt als passend en voordelig beschouwd wanneer het laad staalmateriaal in de herverwaringsoven een groot vlak oppervlak heeft, mogelijk parallel aan het ovendak en wanneer de verhitings temperatuur van het laad staalmateriaal boven 900 °C ligt. De volgende zijn de belangrijkste voor- en nadelen van FFB gestookte ovens:

• De temperatuurverdeling in de FFB ovenkamer en in het laad staalmateriaal is uniformer. Er is bevredigende temperatuurcontrole van de individuele zones waardoor de benodigde ovenoutput bereikt kan worden.
• De snellere verhitingsnelheden, door FFB, verminderen de bloottijd van het laad staalmateriaal aan hoge temperatuur. Daardoor wordt het optreden van oppervlakte oxidatie of verschijnselen als decarburisatie en grove korrel staalstructuur sterk gereduceerd.
• Een grote reductie in brandstofverbruik van bijna 40% kan worden bereikt na een 100% tot 50% afname in ovenoutput.
• Intensief mengen van gasvormige brandstof en verbrandingslucht zorgt voor snelle en volledige verbranding van het mengsel bij lage overmaat aan lucht.
• Een fundamenteel nadeel van dakverhitting is het risico op oververhitting van het laad staalmateriaal oppervlak na een plotselinge verandering in ovenoutput.
• Een excessieve verhitingsnelheid aan het begin van de ovenkamer kan ongewenste thermische spanningen en structurele deformaties in het laad staalmateriaal induceren.

Lange Vlam Branders

Een grote variëteit aan lange vlam branders met diverse kenmerken en verschillende capaciteiten is op de markt beschikbaar. Deze branders zijn beschikbaar in diverse capaciteiten en voor gebruik van verschillende brandstoffen zoals olie, gas of meerdere brandstoffen.

In de herverwaringsoven met de lange vlam branders, aangezien het grootste deel van de verwarming van het laad staalmateriaal plaatsvindt door convectie, draait de hercirculatie van verbrandingsproducten wezenlijk bij aan de verwarmingssnelheid en temperatuuruniformiteit. Lange vlam branders produceren hoge snelheid gassen die de verbrandingsgassen meenemen en hercirculeren om temperatuuruniformiteit in de oven te bereiken met minimum overmaat aan lucht.

De branders aan de voorwand van de herverwaringsoven zijn meestal van langere vlam terwijl die aan de zijwand van de oven kortere variabele vlam hebben. De branders aan de voorwand zijn normaal van axiale stroom verbrandingstype en hebben een brede bereik van instelling. Ze zijn grote capaciteit branders en hebben beperking van de lengte per zone in de richting van de ovenlengte. De stroom van verbrandingsgassen binnen de oven is soepel langs de ovenlengte. De neusdelen van de branders maken de structuur van de oven gecompliceerd. Met deze branders is er uniformiteit van verwarming langs de ovenbreedte maar de temperatuur neigt te dalen aan de neusdelen in de richting van de ovenlengte. De werkbaarheid is relatief goed behalve rond branders in lager gebied waar de temperatuur relatief hoog is.

De branders aan de zijwand hebben een smal bereik van instellingen. Deze branders zijn ook van grote capaciteit en hebben beperking in de richting van de ovenbreedte. De stroom van verbrandingsgassen neigt te dwaalen aangezien de richting van de branders loodrecht staat op de richting van de ovenlengte. Aangezien er geen neusdeel in deze branders zit, vercompliceren ze de ovenstructuur niet. De branders hebben goede uniformiteit in de richting van de ovenlengte maar slechte uniformiteit in de richting van de ovenbreedte. De werkbaarheid is relatief goed met deze branders.

Regeneratieve en Recuperatieve Branders

Een regeneratieve brander is een brander met een warmteherwinningssysteem dat de afvalwarmte van de oven uitlaatgas herwint om de verbrandingslucht nodig voor het verbranden van de brandstof bij de brander op te warmen. Gebruik van regeneratieve branders voor herverwaringsovens kan aanzienlijke energiebesparing opleveren.

De regeneratieve branders zijn ontworpen om de warmte aan de aanvoerslucht te herwinnen door de warmte van het uitlaatgas over te brengen naar de aanvoerslucht die in de verbranding gebruikt moet worden. De regeneratieve brander heeft twee sets branders elk met een regenerator en het omkeerklep. De regenerator gebruikt keramische (meestal alumina) ballen om de warmte te verzamelen. Terwijl de eerste regeneratieve brander vuurt, is de andere de oven gassen aan het uitlaten. Het uitlaatgas wordt door de regeneratieve brander body geleid en overdraagt de warmte aan de keramische ballen. Daarom wordt de warmte van uitlaatgas overgedragen aan de aanvoerslucht aangezien deze door de verwarmde keramische ballen passeert. Het omkeerklep stelt de richting van de luchtstroom in die in de brander kop komt, wat de aanvoerslucht temperatuur vergelijkbaar maakt met de bedrijfstemperatuur. Vanwege een hoge voorverhitingslucht temperatuur kan de regeneratieve brander brandstof besparen en de verbranding met hoge efficiëntie laten plaatsvinden.

In het geval van een recuperatieve brander, is de structuur van de brander vergelijkbaar met de stralingswarmtewisselaar buis die de aanvoerslucht opwarmt tot een hogere temperatuur (ongeveer 750 °C) door de warmte van het uitlaatgas aan de aanvoerslucht te herwinnen. Daarom kan de uitgewisselde warmte in de brander de verbrandingsefficiëntie verbeteren en de brandstofkosten ongeveer 25% tot 30% besparen.

Het regeneratieve brander principe is weergegeven in Fig 1. De eerste brander is in de vuurmodus terwijl de tweede brander in de uitlaatmodus is. De eerste brander vuurt met de warme verbrandingslucht die over zijn brander waait. De tweede brander ontvangt het hete uitlaatgas uit de oven naar zijn keramische ballen om de warmte in de brander te bewaren. Alleen na het doorgeven van zijn warmte, wordt het uitlaatgas vrijgegeven. Na een periode van een halve minuut tot één minuut, wordt de tweede brander geschakeld naar vuurmodus terwijl de eerste brander begint het hete uitlaatgas te ontvangen. De vuur- en ontvangstmodus van de brander werkt alternerend en continu tot de herverwaringsoven stopt. De hoge voorverwarmde lucht temperatuur maakt het verbrandingsproces zeer efficiënt.

Het recuperatieve brander principe is ook in Fig 1 weergegeven. De temperatuur van de aanvoerslucht wordt voor de verbranding in de oven voorverhit door de warmtewisseltechniek. Het uitlaatgas stroomt door de brander uitgerust met een warmtewisselaar geïnstalleerd binnenin de brander. De warmte van het uitlaatgas wordt aan de aanvoerslucht uitgewisseld voordat het uit de brander uitstroomt. Het uitlaatgas loopt door het gebied rond de buitenkant van de brander en de warmte wordt binnenin de brander uitgewisseld.

Fig 1 Principes van regeneratieve en recuperatieve brander systemen

Oxybrandstof Branders

Oxybrandstof verwijst naar de praktijk van het volledig vervangen van lucht als bron van oxidator voor verbranding door industriële zuurstof. Oxybrandstof verbranding vermindert of elimineert stikstof in verbrandingslucht en vermindert aanzienlijk afvalwarmte die met rookgassen mee wordt uitgevoerd. De oxybrandstof branders kunnen gebruikt worden in hoge temperatuur herverwaringsovens waar temperatuuruniformiteit kritisch is en uiterst lage NOx emissies gewenst zijn.

Het algemene voordeel van het vervangen van lucht door industriële zuurstof is dat de stikstofinhoud in de lucht die naar het verbrandingsproces wordt gebracht, bijna of volledig geëlimineerd wordt. Reductie van stikstof in verbranding maakt hogere vlam temperatuur en verbrandingsefficiëntie mogelijk aangezien lager verbrandingsgas volume de hoeveelheid warmte die van de vlam wordt genomen en verloren gaat in de uitlaatgassen, vermindert.

De voordelen van het gebruik van oxybrandstof vergeleken met lucht-brandstof verbranding zijn: (i) verminderd energieverbruik, (ii) verhoogde verhitingsnelheid resulterend in hogere productie zonder verhoging van oven temperatuur instelpunt, en (iii) verminderde oven emissies.

Oxybrandstof vlammen hebben een hogere temperatuur met minder volume en lengte dan lucht-brandstof vlammen. Het vlamkenmerk met oxybrandstof moet overwogen worden bij het ontwerpen van oxybrandstof brander systemen voor staal herverhittings toepassingen. Over het algemeen vereist staalverhitting een gelijkmatige temperatuurverdeling zodat gelokaliseerde over- of onderverhitting in het product vermeden wordt. Het type en de plaatsing van oxybrandstof branders hangt af van het type oven en de nabijheid van vlammen tot staalproduct.

Oxybrandstof vlammen hebben een hogere temperatuur met minder volume en lengte dan lucht-brandstof vlammen. Het vlamkenmerk met oxybrandstof moet overwogen worden bij het ontwerpen van oxybrandstof brander systemen voor staal herverhittings toepassingen. Over het algemeen vereist staalverhitting een gelijkmatige temperatuurverdeling zodat gelokaliseerde over- of onderverhitting in het product vermeden wordt. Het type en de plaatsing van oxybrandstof branders hangt af van het type oven en de nabijheid van vlammen tot staalproduct.