利用富氧燃烧烟气对废料进行预热：电弧炉炼钢过程中节能与减排的数值优化研究

《Applied Thermal Engineering》：Oxygen-enriched combustion of flue gas for scrap preheating: computational optimization of energy conservation and emissions reduction in electric arc furnace steelmaking

氧富燃烧耦合废钢预热技术可协同提升电弧炉炼钢热效率并降低氮氧化物排放，通过构建燃烧模型和预热模型系统优化氧浓度（40%）及当量比（1.1），实现预热温度均匀性提升和能耗降低，助力钢铁行业碳减排。

　　

卓文妮|洪春 Zhu|华兵 Li|丁旭 Hou|志宇 He|建新 Wang|斌 Li|周华 Jiang|树才 Zhang|郝峰

东北大学冶金学院，中国沈阳 110819

摘要

钢铁行业是全球碳排放的主要来源，占总碳排放量的7%–9%。在中国，这一比例甚至更高，约为16%。利用烟气中的显热和潜热有效预热废钢已成为钢铁行业节能和减排的关键途径，尤其是在基于废钢的电弧炉（EAF）炼钢过程中。本研究开发了一个烟气燃烧模型，系统地研究了燃烧参数如何影响燃烧特性和污染物NOx的浓度。结果表明，最佳燃烧参数组合为：助燃气体中的氧浓度为40%，燃烧当量为1.1。在这些条件下，燃烧特性不仅满足废钢预热所需的温度和速度要求，同时也符合空气污染物的综合排放标准。随后，我们采用了一个废钢预热模型来探讨与富氧燃烧结合的竖式EAF对废钢预热效率的影响。研究结果表明，应用富氧燃烧技术利用高温烟气的显热和潜热后，预热过程中的冷区显著减少，废钢预热温度的均匀性明显提高。本研究将烟气富氧燃烧与竖式EAF中的废钢预热相结合，提出的技术方法实现了预热效率和NOx排放控制的协同优化，从而促进了钢铁行业的进一步节能和减排。

引言

碳中和的概念最早由总部位于伦敦的英国公司Future Forests于1997年提出。其核心原则是通过碳抵消机制来平衡碳排放。此后，碳中和在全球气候变化治理中变得越来越重要[1]、[2]、[3]。中国积极参与全球气候治理，并提出了“双碳”目标（也称为“3060”目标）：力争在2030年前达到二氧化碳排放峰值，并在2060年前实现碳中和[4]。在中国，钢铁行业的碳排放占比很高，约为全国总碳排放量的16%——远高于全球平均水平[5]。这主要是由于通过电弧炉（EAF）进行短流程炼钢的比例较低（不到10%），而这一比例在美国（约68%）和欧盟（约42%）要高得多[6]、[7]。因此，大幅增加EAF炼钢的比例是实现清洁生产、减少碳排放并最终实现碳中和目标的关键途径。

采用EAF技术不仅有利于废钢资源的回收利用，而且相比基于铁矿石的长流程炼钢路线具有显著优势[8]、[9]。具体而言，每生产一吨钢材，EAF可减少约1.6吨的CO₂排放和近3吨的固体废物产生，同时在环境性能、投资效率和生产力方面带来多重好处[10]、[11]。废钢预热技术是EAF中的关键工艺组成部分，具有三大优势：节能和减排、缩短冶炼周期以及提高废钢利用率[12]、[13]。当废钢预热温度分别达到500℃、700℃和900℃时，EAF炼钢的节能效果分别约为25%、33%和50%[14]。因此，推动与高效废钢预热结合的EAF技术的发展是实现深度脱碳的关键途径。

现代与废钢预热结合的EAF设计主要分为竖式、水平连续进料和旋转双壳结构[15]。竖式EAF利用废钢与烟气之间的逆流相互作用实现高效显热回收[16]。重要的是，EAF烟气中含有大量可燃成分（如CO），其化学能可以通过富氧燃烧完全释放（图1）——这一过程使废钢预热温度超过了仅依靠显热所能达到的极限[17]、[18]。这种显热和潜热的联合利用显著提高了废钢预热的整体效率[19]、[20]。然而，烟气燃烧会产生NOx（主要是NO和NO₂）等污染物，对生态系统、人类健康（尤其是呼吸系统和心血管系统）以及工业过程造成多方面的危害[21]、[22]。研究表明，影响NOx形成的关键因素包括助燃气体中的氧浓度、燃烧温度（特别是在高温区域）和氮浓度[23]、[24]、[25]。因此，对于采用富氧燃烧的竖式EAF废钢预热系统来说，精确控制温度以同时提高炼钢效率和抑制NOx生成是一个亟待解决的挑战。

数值建模是一种成熟的方法，用于揭示高温预热系统中的复杂物理化学过程。例如，Hajidavalloo等人开发了一个固定床固气传热模型，揭示了海绵铁预热过程中的传热规律，并确定床高是一个关键参数[26]。Mandal等人基于将固体物料视为多孔介质的概念，率先提出了一个结合燃烧器和废钢床的耦合CFD模型，其准确性已通过实验测量得到严格验证[27]、[28]。最近，Zhuang等人提出了一个熔池-氧气燃烧器联合预热模型，量化了燃烧器倾角对预热效率的影响[29]。关于富氧燃烧参数的优化，Lu等人建立了一个数值模型来优化 reheating furnace 结构和富氧燃烧，发现第二加热段（HS-II）中21%–37%的氧体积分数能够平衡热效率、节能效果和坯料加热质量[30]。Gan等人还模拟了使用合成气作为燃料的行走梁式 reheating furnace，发现30%的氧富集可以实现最佳的温度均匀性，但过量氧会增加NO?排放[31]。尽管关于 reheating furnace 和熔池等设备中富氧燃烧过程的研究和建模为燃烧参数的优化提供了深入见解，但竖式EAF中废钢预热所需的燃料组成、流动结构和控制目标与这些过程不同，特别是如何确定最佳的氧浓度和当量比。因此，仍有必要优化竖式EAF的燃烧参数以实现高预热效率和低NOx排放。

为了有效控制废钢预热温度并减少NOx排放，建立了烟气燃烧模型和废钢预热模型，并系统研究了EAF烟气的燃烧特性及其对废钢预热温度的影响。在缺乏明确约束的情况下，通过基于多标准权衡的参数研究确定了富氧燃烧条件下竖式EAF废钢预热的关键控制参数。此外，还比较评估了富氧燃烧技术对废钢预热效果的影响。研究结果为竖式EAF中废钢预热过程的优化提供了理论参考，有助于促进钢铁行业的节能和减排，最终为实现碳中和目标做出贡献。

部分摘录

一般假设

鉴于工业废钢的形态多样性较大，为了简化几何结构，将其在预热竖井中建模为具有均匀孔隙率的多孔介质[12]。本研究采用以下基本假设：

• (1)
  所有气体相被视为不可压缩流体；
• (2)
  燃烧反应完全进行，没有显著的中间反应；
• (3)
  预热竖井壁是绝热的；
• (4)
  EAF烟气的流量是恒定的。

烟气燃烧模型

在模拟EAF烟气燃烧时，

结果与讨论

本研究的主要目标是利用与富氧燃烧结合的废钢预热技术，在废钢进入EAF之前对其进行高效预热，从而提高预热温度并降低电能消耗。在此过程中，需要明确燃烧参数对烟气温度、速度和NOx污染物排放的影响，并根据这些发现确定最佳工艺参数

结论

本研究建立了一个烟气燃烧模型，系统研究了氧浓度和当量比对富氧燃烧过程中烟气燃烧温度、流速和NOx污染物浓度的影响。在此基础上，开发了一个废钢预热模型，探讨了充分利用烟气中的显热和潜热对竖式EAF中废钢预热效率的影响。所提出的技术

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划 [项目编号：2022YFC3901403]、中国宝武低碳冶金创新基金会 [项目编号：BWLCF202211] 和中央高校基本科研业务费 [项目编号：N25ZLV005] 的支持。