酸素燃料燃焼と蓄熱式バーナーによる鋼再加熱炉の効率向上

再加熱炉における酸素燃料燃焼とその応用

鋼の再加熱は、再加熱炉内で均一な温度分布を必要とするエネルギー集約型プロセスです。歴史的に、燃焼用空気を予熱するためにレキュペレーターが使用され、エネルギー節約が図られてきました。より最近の革新には、酸素（O₂）濃縮と蓄熱式バーナーの使用があり、これらはレキュペレーターよりも高い予熱空気温度を提供します。しかし、これらのプロセスには、設備の劣化、時間経過に伴うエネルギー効率の低下、高いメンテナンスコスト、特別な設備を用いない限り空気予熱温度の上昇に伴うNOx排出量の増加といった制約があります。

燃焼の開始と持続には3つの要素が必要です。燃料、酸素、着火に十分なエネルギーです。燃料と酸素が制約なく出会って反応できる場合、燃焼プロセスの効率は最高になります。しかし、加熱実務では、効率的な燃焼に加えて、熱伝達も実用的な考慮事項となります。

燃焼用通常空気には、酸素のほか窒素（N₂）とアルゴン（Ar）が含まれます。空気燃料バーナーでは、バーナー炎に燃焼空気由来の窒素が含まれます。燃料エネルギーの相当量がこの窒素の加熱に消費されます。高温の窒素はスタックから排出され、エネルギー損失を生じます。したがって、空気は燃焼および熱伝達の両面で最適な条件を提供しません。窒素が吸収した熱は廃棄されるか、エネルギー保全のために回収する必要があります。現在の最良の空気燃料加熱システムでも、圧延に適した鋼製品温度を達成するには、鋼1トンあたり少なくとも310 MCalが必要です。

酸素燃料燃焼の歴史と原理

歴史的に、酸素燃料燃焼の主用途は、空気燃料炎では達成できないより高い炎温度が得られるため、金属、特に鋼の溶接と切断にありました。鋼再加熱用の革新的な酸素燃料バーナー技術（100%酸素使用）の導入は、比較的ごく最近の現象です。酸素燃料燃焼の概念は、1982年にアブラハムによって、二酸化炭素（CO₂）豊富な排ガスを提供する文脈で提案されました。潜在的な利点があるため、アルゴンヌ国立研究所（ANL）が技術経済研究とパイロットスケール研究を含む研究活動を行いました。

酸素燃料とは、燃焼の酸化剤源として空気を完全に工業用酸素で置き換えることを指します。工業用酸素は、気化された液体酸素供給または現場生成酸素と定義されます。液体酸素供給の純度は一般に99.99%以上、現場生成酸素の純度は通常90%～93%の範囲です。現場生成酸素の利点は、液化や輸送が不要で、低圧で供給されるため電力消費を最小限に抑えられることで、コストが低いことです。製鋼用空気分離プラントを持つ一貫製鉄所では、高純度酸素（99.99%）をパイプラインで空気分離プラントから供給できます。

酸素燃料燃焼では工業用酸素を用いることで窒素ガスを排除すると、燃焼自体がより効率的になるだけでなく、熱伝達も改善されます。酸素燃料燃焼は燃焼プロセスに多くの面で影響を与えます。まず明らかな結果として、排ガス量の減少による熱効率の向上があり、これはすべてのタイプの酸素燃料バーナーに共通する根本的かつ有効な結果です。さらに、燃焼生成物中の高放射性成分であるCO₂とH₂Oの濃度が炉内雰囲気で高まります。加熱作業において、これら2つの要因は、より高い加熱率、燃料節約、CO₂とNOx排出量の低減、燃料に硫黄が含まれる場合のSOx排出量低減につながります。図1は酸素燃料燃焼と空気燃料燃焼のプロセスを示しています。

図1 酸素燃料燃焼と空気燃料燃焼のプロセス

酸素燃料燃焼は、空気燃焼と多くの点で異なります。炎温度の低下や着火遅延などが挙げられます。酸素燃料燃焼の多くの効果は、酸素燃料と空気燃焼における主な希釈ガスであるCO₂とN₂の物性差で説明できます。CO₂はN₂とは異なる特性を持ち、熱伝達と燃焼反応速度論の両方に影響を与えます。これらの違いは以下の通りです。

• 密度 - CO₂の分子量は44、N₂は28であるため、酸素燃料燃焼では排ガス密度が高くなります。
• 熱容量 - CO₂の熱容量はN₂より高いです。
• 拡散性 - CO₂中の酸素拡散率はN₂中の0.8倍です。
• 炉内ガスの放射特性 - 酸素燃料燃焼ではCO₂とH₂O濃度が高く、両者とも高い放射力を持ちます。

空気燃料と比較して、酸素燃料は鋼製品をはるかに効率的かつ迅速に加熱します。酸素燃料の熱効率は約80%であるのに対し、空気燃料の効率は約40%～60%です。酸素燃料では生産性が向上し、鋼製品を所望温度まで加熱する燃料消費量が減少します。酸素燃料の使用は温度均一性を改善し、環境への排出を低減します。

空気を工業用酸素で置き換える一般的な利点は、空気とともに燃焼プロセスに持ち込まれる窒素含有量がほぼまたは完全に排除されることです。燃焼における窒素の削減により、燃焼ガス量の減少で炎から奪われ排気として失われる熱量が減るため、より高い炎温度と燃焼効率が得られます。酸素燃料燃焼では、主にCO₂と水蒸気で構成されるガスが生成されます。

酸素燃料燃焼による熱伝達は、高い放射率（炎中のCO₂とH₂Oの相当濃度）と炎体積の縮小による相当な局所的伝達が特徴で、第一に負荷へのエネルギー伝達能力が向上し、第二にエネルギー効率のさらなる向上が得られます。

連続加熱操作では、炉のエントリー側をより高温で経済的に運転することも可能です。これにより、再加熱炉のスループットがさらに向上します。酸素燃料燃焼のエネルギー効率は、高予熱燃焼空気設備を持つ再加熱炉と同等、あるいはそれ以上であることが観察されています。したがって、空気燃料燃焼と比較した酸素燃料の利点は以下の通りです。

• 酸素燃料は、空気燃料燃焼と比較して利用可能熱量（総エネルギー投入量から排気損失を差し引いたもの）を大幅に増加させます。利用可能熱量の増加は、エネルギー消費量の削減と直接関係します。
• 燃焼の利用可能熱量が増加すると、排気への熱損失が減り、総エネルギー投入量のより多くの割合が炉内で仕事をするために残されます。したがって、利用可能熱量が増加すると、一定量の仕事を行うために必要な総エネルギー投入量が減少します。
• 加熱率の向上は生産性向上につながります。生産増加の実用的限界は、負荷の吸熱能力と負荷が熱に曝される時間と温度に依存します。様々な酸素燃料導入事例の経験では、炉温度セットポイントを上げることなく、ほとんどの操業で製品スループットを増加できることがわかっています。既に設定温度ランプ制限を満たしている再加熱炉を除きます。利用可能熱量の増加に加え、より高い酸素燃料炎温度と燃焼ガスの放射ポテンシャルが、加熱能力と生産速度に好影響を与えます。
• 放射熱伝達は、熱源から被加熱物への温度差の4乗に依存するため、酸素燃料燃焼では炎から負荷への放射ポテンシャルが大幅に増大します。酸素燃料の燃焼生成物は、より良い輻射熱伝達源でもあります。空気燃料燃焼生成物の大半は窒素であり、酸素燃料燃焼生成物の大半を占める二酸化炭素と水蒸気ほど効率的な輻射熱伝達メカニズムではないためです。
• 炉排出ガスの削減 - 酸素燃料では排気量が大幅に減少します。酸素燃料の総排気量は、一般に空気燃料の総排気量より70%～90%少ないです。酸素燃料使用の最も明らかな結果は燃料消費量の削減です。燃料消費量の減少により、単位時間あたりまたは単位加熱負荷あたりのCO₂排出量が低減します。酸素燃料燃焼では燃焼生成物中の窒素分圧が大幅に低下するため、高炎温度でもNOx生成ポテンシャルが低下します。
• 排ガス中の汚染物質濃度が高まるため、分離が容易になります。
• 排ガスは主にCO₂であり、隔離（貯留）に適しています。

上記の利点に加え、酸素燃料燃焼の採用は、レキュペレーターや排出ガス制御設備など、効率改善の他の方法と比較して、場合によっては設備投資を低減できる可能性があります。酸素燃料燃焼では、すべての配管とフロートレインをコンパクトにでき、レキュペラティブまたは蓄熱式熱回収ユニットが不要です。また、バーナー、炉、排ガスダクトの物理的サイズを大幅に縮小でき、電気換気ファンも不要です。さらに、燃焼空気ブロワーと関連する低周波騒音問題も回避できます。場合によっては、酸素燃料燃焼への転換により、より良い制御と加熱時間短縮によりスケール損失が減少したとの報告もあります。

酸素燃料炎は、空気燃料炎より高温で、体積と長さが小さいです。鋼再加熱用途の酸素燃料バーナーシステム設計時には、この炎特性を考慮する必要があります。一般に、鋼加熱では製品の局所的な過熱や未加熱を避けるため、均一な温度分布が求められます。酸素燃料バーナーのタイプと配置は、炉のタイプと炎から鋼製品までの近接度に依存します。

効率に多大な利益をもたらす一方で、酸素燃料による燃焼生成物の低体積は、燃焼制御システム設計時に特別な注意を要します。適切な燃焼比制御は、燃焼生成物が加熱雰囲気を構成し、最終的にスケール生成の速度と種類に影響するため、鋼加熱プロセスにとって極めて重要です。空気燃料燃焼システムでは、空気とともに燃焼プロセスに導入される大量の窒素が、空気燃料比の変化に対する緩衝材や安全係数として機能します。酸素燃料ではこの緩衝材がほぼ完全に排除されます。つまり、酸素燃料では酸素燃料比のパーセント変化が、空気燃料での同程度の変化よりも、加熱炉雰囲気により大きな影響を与えます。

酸素燃料による炉雰囲気の変化は、スケール生成に悪影響を与えず、場合によっては利益となっています。燃焼生成物中のCO₂とH₂Oの高分圧が、より効率的な熱伝達メカニズムを提供し、加熱率を向上させることでスケール生成の時間要因を減らします。また、空気燃料と酸素燃料の比較では、酸素燃料ではスケール生成特性が変化します。鋼表面に形成されるスケール層は、空気燃料燃焼時より薄くなります。このスケール特性の変化理由は、酸素燃料雰囲気が薄く緻密な酸化層を速やかに形成し、さらなる酸化とスケール生成を防止するためと考えられています。

無炎酸素燃料燃焼

近年、「無炎酸素燃料燃焼」が採用されています。この表現は、燃焼タイプの視覚的側面を伝えるもので、炎が視覚的に見えなくなったり、肉眼では検出しにくくなったりすることを意味します。別の表現をすれば、燃焼が時間と空間で「拡張」されている、つまり大きな体積に広がっているため、「体積燃焼」と呼ばれることもあります。このような炎は均一でより低い温度を持ちながら、同じエネルギー量を含んでいます。

無炎酸素燃料燃焼では、炎が高温炉ガスによって希釈されます。これにより炎温度が低下し、熱的NOx生成を抑制し、鋼のより均一な加熱を実現します。

無炎酸素燃料では、燃料と酸化剤の混合物が炎体積全体で均一に反応し、その速度は反応物の分圧と温度によって制御されます。無炎酸素燃料バーナーは燃焼ガスを炉全体に効果的に分散させ、設置バーナー数が限られていても、材料をより効果的かつ均一に加熱します。分散した炎は同じエネルギー量を持ちながら、より大きな体積に広がっています。より低い炎温度は、NOx生成を大幅に抑制します。低NOx排出は地球温暖化の観点からも重要で、NO₂のいわゆる地球温暖化ポテンシャルはCO₂のほぼ300倍です。また、低発熱量燃料の使用も可能で、例えば高炉トップガスの利用が最近強調されています。

酸素燃料バーナーは常に強力でコンパクトでしたが、新世代の無炎酸素燃料バーナーはそのコンパクトな設計を維持し、既設酸素燃料バーナーの交換や空気燃料設備への容易なレトロフィットを容易にしています。さらに、無炎酸素燃料燃焼はさらなる利点を追加するだけでなく、環境影響を大幅に低減する新たな用途を開拓しています。

酸素燃料燃焼技術をすでに導入している製鉄所では、以下の結果が得られています。

• 再加熱炉のスループット能力が最大50%向上
• 燃料消費量が最大50%削減
• CO₂排出量が最大50%削減
• NOx排出量の低減
• 再加熱時のスケール損失削減
• 鋼表面品質への悪影響なし
• 鋼温度均一性への好影響
• 制御システムが提示する理想的な加熱カーブをより容易に達成可能
• 炉スタックからの煙が減少し、プラント環境が大幅に改善