Aufheizofenbrenner: Typen, Effizienz und Umweltauswirkungen

Brennertypen in Aufheizöfen

Derzeit steht die Stahlindustrie vor der großen Herausforderung, Umweltschutzemissionen kontinuierlich zu reduzieren und gleichzeitig die wirtschaftliche Tragfähigkeit der Prozesse zu verbessern. Aufheizöfen sind aufgrund ihres hohen Energieverbrauchs ein Bereich, in dem die Aufmerksamkeit der Stahlindustrie erforderlich ist. Sie sind wichtige Anlagen, die zur Produktivität und Energieeffizienz des Stahlwerks beitragen.

Moderne Aufheizöfen sind Schubbalkenöfen, bei denen die Balken das Aufladematerial (Brammen, Blöcke oder Knüppel) im Ofen anheben und in die nächste Position bewegen. Die Beheizung erfolgt in diesen Öfen durch direkte Befeuerung des Brennstoffs sowohl von oben als auch von unten des Aufladematerials, wobei Dachbrenner (zur Erwärmung des Daches, das dann die Wärme an das Aufladematerial abstrahlt) und/oder Langflammenbrenner (Seitenwände und/oder Frontwand) verwendet werden. Übliche Brennstoffe in Aufheizöfen sind Mischgas mit niedrigem Heizwert (Hochofengas gemischt mit Koksovengas und Konvertergas), Koksovengas, Schweröl, schwefelarmes Schweröl (LSHS) oder Erdgas.

Wichtige Parameter und Wärmerückgewinnung

Wichtige Parameter für einen Aufheizofen umfassen das Verbrennungssystem bestehend aus dem verwendeten Brennstoff, der Versorgung und dem technologischen Zustand der Verbrennungsluft, den Brennern und ihrer Position für eine ordnungsgemäße Wärmeverteilung, der Vorwärmung von Verbrennungsluft und Brenngas, dem Wärmerückgewinnungssystem, dem Luft-Brennstoff-Verhältnis, der Kontrolle des Ofenzugs, dem Ofenabgassystem sowie dem Mess- und Steuerungssystem für Ofenparameter. Das Ofenverbrennungssystem unterstützt nicht nur das erforderliche Produktivitätsniveau des Ofens, sondern gewährleistet auch eine effiziente Nutzung der Wärmezufuhr, geringere Wärmeverluste, effiziente Rückgewinnung von Abwärme, minimale Beschädigung der Ofenfeuerfestauskleidung und geringere Erzeugung von Treibhausgasen, insbesondere NOx. Das Ofenverbrennungssystem sorgt auch für eine Ofenatmosphäre, die die Zunderbildung auf der Stahloberfläche minimiert.

Wärmerückgewinnungssysteme werden in Stahlwerken breit eingesetzt, um die Abgaswärmeverluste von Aufheizöfen zu reduzieren. Da der Abgaswärmeverlust einen hohen Prozentsatz des thermischen Verlusts ausmacht, wird der Ofenwirkungsgrad verbessert und der Brennstoffverbrauch durch den Einsatz von Wärmerückgewinnungssystemen reduziert. Normalerweise werden zwei Arten von Wärmerückgewinnungssystemen eingesetzt: zentralisiertes System und verteiltes System. Das zentralisierte Wärmerückgewinnungssystem vorwärmt die Verbrennungsluft mit einem metallischen Rekuperator durch die Wärme der Abgase und ist derzeit weit verbreitet. Die maximal erreichbare vorgewärmte Lufttemperatur liegt bei dieser Methode jedoch bei etwa 600 °C bei einer Ofentemperatur von ca. 1300 °C aufgrund von Materialtemperaturbeschränkungen. Das verteilte Wärmerückgewinnungssystem besteht aus einem schaltenden regenerativen Brennersystem mit keramischen (meist Aluminiumoxid) Kugeln als Regenerationsmedium. Es liefert höhere vorgewärmte Lufttemperaturen als das zentralisierte System.

Brenner, die in Aufheizöfen eingesetzt werden, stellen einen der wichtigen Aspekte dar, der die Energieeffizienz des Aufheizofens entscheidet. Unterschiedliche Stahlspezifikationen erfordern unterschiedliche Temperaturprofile im Aufheizofen. Daher ist es für die ordnungsgemäße Wärmeverteilung im Ofen wichtig, dass die Brenner Flexibilität aufweisen, damit das Bedienpersonal die Verbrennungsparameter an die unterschiedlichen Prozessbedingungen anpassen kann. Brenner müssen ein適切es Regelverhältnis, niedrige NOx-Fähigkeiten und hohe Effizienz aufweisen.

Die Anordnung der Brenner in einem Aufheizofen ist auch für die Heizcharakteristika des Ofens sehr wichtig. Je nach Position der Brenner im Ofen werden die Anordnungen in drei Heizmethoden klassifiziert: (i) Einsatz von Axialstrahlbrennern in der Frontwand, (ii) Einsatz von Seitenbrennern in den Seitenwänden, und (iii) Einsatz von Flachflammen-Strahlungsbrennern im Dach. Jede Heizmethode hat ihre eigenen Charakteristika. Eine bestimmte Heizmethode oder eine Kombination von Heizmethoden wird für einen Aufheizofen gewählt, um den lokalen Bedingungen im Stahlwerk gerecht zu werden. In Stahlwerken, in denen mehrere Brennstoffe verfügbar sind, sollten die Brenner die Fähigkeit zur Nutzung mehrerer Brennstoffe haben.

Der Aufheizofen muss so ausgelegt sein, dass das Aufladematerial innerhalb einer gegebenen Zeit gleichmäßig auf eine gewünschte Temperatur mit minimalem Brennstoffverbrauch erhitzt wird. Da die Beheizung mit Brennern erfolgt, muss Folgendes für eine ordnungsgemäße Wärmeverteilung sichergestellt werden:

• Die Befeuerung des Aufheizofens erfolgt durch Brenner, die am Austragsende des Ofens positioniert sind und sich oben und/oder unten zum Aufladematerial befinden.
• Die Flamme darf kein festes Objekt berühren oder behindert werden. Jede Behinderung führt dazu, dass Brennstoffteilchen entatomisiert werden, was die Verbrennung beeinträchtigt und schwarzen Rauch verursacht. Wenn die Flamme auf das Aufladematerial trifft, erhöht sich der Zunderverlust. Wenn die Flamme auf die Feuerfestauskleidung trifft, können Produkte unvollständiger Verbrennung sich absetzen und bei hohen Temperaturen mit den Bestandteilen der Feuerfestauskleidung reagieren, was zu Schäden an der Ofenauskleidung führt.
• Die Flammen verschiedener Brenner müssen frei voneinanders sein, da sich kreuzende Flammen unvollständige Verbrennung verursachen. Es ist auch wünschenswert, Brenner auf gegenüberliegenden Seiten versetzt anzuordnen.
• Die Brennerflamme neigt dazu, sich frei im Verbrennungsraum direkt über dem Material zu bewegen. Aus diesem Grund darf die Achse des Brenners im Ofen nicht parallel zum Herd, sondern in einem nach oben gerichteten Winkel platziert werden. Die Flamme darf jedoch nicht die Ofendecke treffen.
• Große Brenner erzeugen längere Flammen, die normalerweise schwer innerhalb der Ofenwände zu halten sind. Daher werden in der Regel eine große Anzahl von Brennern geringerer Kapazität eingesetzt, um eine bessere Wärmeverteilung im Ofen zu gewährleisten und die Ofenlebensdauer zu erhöhen.

Flachflammenbrenner

Flachflammenbrenner (FFB) werden normalerweise im Dach des Aufheizofens eingesetzt. Durch diese Brenner erfolgt ein indirekt ausgerichteter Strahlungswärmeübergang. Die Wärme aus der Brennstoffverbrennung wird an das Aufladematerial nicht nur direkt von der Flamme, sondern auch durch die feuerfeste Dachauskleidung des Ofens übertragen. Die Flamme, die normalerweise nicht leuchtend ist, zeichnet sich durch hohe Temperatur und relativ niedrige Emissivität aus, entsprechend der selektiven Strahlung von Kohlendioxid und Wasserdampf. Aufgrund des Fehlens von Flammeneinwirkung auf das Aufladematerial werden FFB-beheizte Öfen als indirekt beheizte Öfen bezeichnet.

Die Brenner sind so konstruiert, dass sie die Flamme in einer dünnen Schicht über die Dachoberfläche verteilen. Da der Durchfluss der Verbrennungsgase in Richtung der Brennerachse vernachlässigbar ist, wird die Temperatur des feuerfesten Daches durch intensiven Wärmeübergang von der Flamme zum Dach erhöht. Auf diese Weise fungiert das feuerfeste Dach als Hauptstrahlungsfläche.

Der Einsatz von Flachflammenbrennern wird als angemessen und vorteilhaft angesehen, wenn das Aufladematerial im Aufheizofen eine große flache Oberfläche hat, die möglicherweise parallel zum Ofendach verläuft, und wenn die Aufheiztemperatur des Aufladematerials über 900 °C liegt. Die folgenden sind die Hauptvor- und -nachteile von FFB-beheizten Öfen:

• Die Temperaturverteilung in der FFB-Ofenkammer und im Aufladematerial ist gleichmäßiger. Es gibt eine zufriedenstellende Temperaturregelung der einzelnen Zonen, um den erforderlichen Ofenausstoß zu erreichen.
• Die schnelleren Aufheizraten durch FFB verkürzen die Zeit der Exposition des Aufladematerials gegenüber hohen Temperaturen. Daher werden das Auftreten von Oberflächenoxidation oder Phänomenen wie Entkohlung und grobkörniger Stahlstruktur stark reduziert.
• Eine wesentliche Reduzierung des Brennstoffverbrauchs um fast 40 % kann bei einer Verringerung des Ofenausstoßes von 100 % auf 50 % erreicht werden.
• Intensive Vermischung von gasförmigem Brennstoff und Verbrennungsluft gewährleistet schnelle und vollständige Verbrennung des Gemischs bei niedrigem Luftexzess.
• Ein grundlegender Nachteil der Dachbeheizung ist das Risiko einer Überhitzung der Aufladematerialoberfläche nach einer plötzlichen Änderung des Ofenausstoßes.
• Eine übermäßige Aufheizrate am Anfang der Ofenkammer kann unerwünschte thermische Spannungen und strukturelle Verformungen im Aufladematerial hervorrufen.

Langflammenbrenner

Eine große Vielfalt an Langflammenbrennern mit verschiedenen Charakteristika und unterschiedlichen Kapazitäten ist auf dem Markt verfügbar. Diese Brenner sind in verschiedenen Kapazitäten und für den Einsatz unterschiedlicher Brennstoffe wie Öl, Gas oder Mehrfachbrennstoffe erhältlich.

Im Aufheizofen mit Langflammenbrennern erfolgt der größte Teil der Aufheizung des Aufladematerials durch Konvektion, weshalb die Rezirkulation der Verbrennungsprodukte wesentlich zur Aufheizgeschwindigkeit und Temperaturgleichmäßigkeit beiträgt. Langflammenbrenner erzeugen hochgeschwindige Gase, die die Verbrennungsgase mitreißen und rezirkulieren, um Temperaturgleichmäßigkeit im Ofen mit minimalem Luftexzess zu erreichen.

Die Brenner an der Frontwand des Aufheizofens sind normalerweise Langflammenbrenner, während die an der Seitenwand kürzere variable Flammen haben. Die Brenner an der Frontwand sind normalerweise axialströmende Brenntypen und benötigen einen weiten Einstellbereich. Es handelt sich um Brenner mit großer Kapazität und einer Begrenzung der Länge pro Zone in Ofenlängsrichtung. Der Strömungsverlauf der Brenngase im Ofen ist glatt entlang der Ofenlänge. Die Nasenteile der Brenner verkomplizieren die Ofenstruktur. Mit diesen Brennern gibt es Gleichmäßigkeit der Beheizung entlang der Ofenbreite, aber die Temperatur neigt an den Nasenteilen in Ofenlängsrichtung abzufallen. Die Bearbeitbarkeit ist relativ gut, außer im Bereich der Brenner im unteren Bereich, wo die Temperatur relativ hoch ist.

Die Brenner an der Seitenwand benötigen einen engen Einstellbereich. Diese Brenner haben ebenfalls große Kapazität und eine Begrenzung in Ofenbreitenrichtung. Der Strömungsverlauf der Brenngase neigt zum Driften, da die Brennerrichtung rechtwinklig zur Ofenlängsrichtung verläuft. Da diese Brenner keine Nasenteile haben, verkomplizieren sie die Ofenstruktur nicht. Die Brenner weisen gute Gleichmäßigkeit in Ofenlängsrichtung auf, aber schlechte Gleichmäßigkeit in Ofenbreitenrichtung. Die Bearbeitbarkeit ist mit diesen Brennern relativ gut.

Regenerative und rekuperative Brenner

Ein regenerativer Brenner verfügt über ein Wärmerückgewinnungssystem, das die Abwärme des Ofenabgases nutzt, um die für die Verbrennung des Brennstoffs am Brenner benötigte Verbrennungsluft vorzuwärmen. Der Einsatz regenerativer Brenner für Aufheizöfen kann erhebliche Energieeinsparungen bringen.

Regenerative Brenner sind so ausgelegt, dass sie die Wärme an die Zuluft zurückgewinnen, indem sie die Wärme vom Abgas auf die Zuluft übertragen, die in der Verbrennung verwendet werden soll. Der regenerative Brenner hat zwei Brennersätze, jeweils mit einem Regenerator und einem Umschaltventil. Der Regenerator verwendet keramische (meist Aluminiumoxid) Kugeln, um die Wärme aufzunehmen. Während der erste regenerative Brenner feuert, leitet der andere die Ofengase ab. Das Abgas wird durch den Brennerkörper geleitet und überträgt die Wärme auf die keramischen Kugeln. Daher wird die Wärme vom Abgas auf die Zuluft übertragen, da diese durch die erhitzten keramischen Kugeln strömt. Das Umschaltventil legt die Richtung des Luftstroms fest, der in den Brennerkopf eintritt, wodurch die Zulufttemperatur der Betriebstemperatur angeglichen wird. Aufgrund der hohen vorgewärmten Lufttemperatur kann der regenerative Brenner Brennstoff sparen und die Verbrennung mit hoher Effizienz durchführen.

Bei einem rekuperativen Brenner ist die Struktur des Brenners ähnlich dem Strahlungswärmetauscherrohr, das die Zuluft auf eine höhere Temperatur (ca. 750 °C) vorwärmt, indem es die Wärme vom Abgas auf die Zuluft zurückgewinnt. Daher kann die im Brenner ausgetauschte Wärme die Verbrennungseffizienz verbessern und den Brennstoffkosten um ca. 25 % bis 30 % einsparen.

Das Prinzip des regenerativen Brenners ist in Abb. 1 dargestellt. Der erste Brenner befindet sich im Feuerungsmodus, während der zweite Brenner im Abgasmodus ist. Der erste Brenner feuert mit warmer Verbrennungsluft, die über seinen Brenner strömt. Der zweite Brenner nimmt das heiße Abgas aus dem Ofen in seine keramischen Kugeln auf, um die Wärme im Brenner zu speichern. Erst nach Abgabe seiner Wärme wird das Abgas freigesetzt. Nach einer Periode von einer halben bis einer Minute wird der zweite Brenner in den Feuerungsmodus geschaltet, während der erste Brenner das heiße Abgas aufnimmt. Der Feuerungs- und Empfangsmodus der Brenner arbeitet abwechselnd und kontinuierlich, bis der Aufheizofen gestoppt wird. Die hohe vorgewärmte Lufttemperatur macht den Verbrennungsprozess sehr effizient.

Das Prinzip des rekuperativen Brenners ist ebenfalls in Abb. 1 dargestellt. Die Temperatur der Zuluft wird vor der Verbrennung im Ofen durch die Wärmeaustauschtechnik vorgewärmt. Das Abgas strömt durch den Brenner, der mit einem im Brenner installierten Wärmetauscher ausgestattet ist. Die Wärme vom Abgas wird an die Zuluft ausgetauscht, bevor sie aus dem Brenner austritt. Das Abgas läuft durch den Bereich außerhalb des Brenners, und die Wärme wird im Inneren des Brenners ausgetauscht.

Abb. 1 Prinzipien regenerativer und rekuperativer Brennersysteme

Oxyfuel-Brenner

Oxyfuel bezeichnet die Praxis, Luft als Oxidatorquelle für die Verbrennung vollständig durch technischen Sauerstoff zu ersetzen. Oxyfuel-Verbrennung reduziert oder eliminiert Stickstoff in der Verbrennungsluft und verringert die mit dem Abgas abgeführte Abwärme erheblich. Oxyfuel-Brenner können in Hochtemperatur-Aufheizöfen eingesetzt werden, wo Temperaturgleichmäßigkeit kritisch und extrem niedrige NOx-Emissionen gewünscht sind.

Der generelle Vorteil der Ersetzung von Luft durch technischen Sauerstoff besteht darin, dass der in der Luft vorhandene Stickstoffgehalt, der in den Verbrennungsprozess eingebracht wird, fast oder vollständig eliminiert wird. Die Reduzierung von Stickstoff in der Verbrennung ermöglicht höhere Flammentemperaturen und Verbrennungseffizienz, da das geringere Verbrennungsgasvolumen die vom Flammen entzogene und in den Abgasen verlorene Wärmemenge reduziert.

Die Vorteile der Verwendung von Oxyfuel im Vergleich zur Luft-Brennstoff-Verbrennung sind: (i) reduzierter Energieverbrauch, (ii) erhöhte Aufheizrate mit Resultat höherer Produktion ohne Erhöhung des Ofentemperatur-Sollwerts, und (iii) reduzierte Ofenemissionen.

Oxyfuel-Flammen haben eine höhere Temperatur bei geringerem Volumen und Länge als Luft-Brennstoff-Flammen. Die Flammeneigenschaften bei Oxyfuel müssen bei der Konstruktion von Oxyfuel-Brennersystemen für Stahlaufheizanwendungen berücksichtigt werden. Im Allgemeinen erfordert das Stahlaufheizen eine gleichmäßige Temperaturverteilung, um lokale Überhitzung oder Unterkühlung des Produkts zu vermeiden. Die Art und Platzierung der Oxyfuel-Brenner hängt von der Ofenart und der Nähe der Flammen zum Stahlprodukt ab.

Oxyfuel-Flammen haben eine höhere Temperatur bei geringerem Volumen und Länge als Luft-Brennstoff-Flammen. Die Flammeneigenschaften bei Oxyfuel müssen bei der Konstruktion von Oxyfuel-Brennersystemen für Stahlaufheizanwendungen berücksichtigt werden. Im Allgemeinen erfordert das Stahlaufheizen eine gleichmäßige Temperaturverteilung, um lokale Überhitzung oder Unterkühlung des Produkts zu vermeiden. Die Art und Platzierung der Oxyfuel-Brenner hängt von der Ofenart und der Nähe der Flammen zum Stahlprodukt ab.