山鋼日鋼高爐熱風(fēng)爐低氮排放實踐

鄧 勇，于學(xué)文

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司，山東 日照276805）

山鋼日照公司5 100 m3高爐配套4座頂燃式熱風(fēng)爐，2 座空氣預(yù)熱爐。高爐煤氣和助燃空氣分別通過板式換熱器預(yù)熱后，助燃空氣再經(jīng)空氣預(yù)熱爐預(yù)熱。熱風(fēng)爐采用兩燒兩送，交叉并聯(lián)送風(fēng)制度，預(yù)熱爐采用一燒一送制度。在單純?nèi)紵郀t煤氣的工況下，熱風(fēng)平均溫度達(dá)到1 250 ℃以上。熱風(fēng)爐廢氣中氮氧化物（NOx）含量長期控制在30 mg/Nm3以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于2019年國家環(huán)保要求熱風(fēng)爐廢氣中NOx濃度不高于200 mg/m3的國家標(biāo)準(zhǔn)，很好地實現(xiàn)了熱風(fēng)爐廢氣的超低氮排放。

1 NOx產(chǎn)生的原因

NOx在燃燒過程中的生成機(jī)理，可分為燃料型、熱力型、快速型3 種。在熱風(fēng)爐燃燒過程中，作為燃料的是高爐煤氣，NOx的產(chǎn)生基本只存在熱力型一種，燃料型和快速型基本可以忽略不計。

熱力型NOx生成機(jī)理是1964 年由原蘇聯(lián)學(xué)者捷里道維奇提出的。捷里道維奇機(jī)理認(rèn)為，熱力型NOx是由混合氣體中的N2與O2反應(yīng)生成的，溫度是熱力型NOx的主要影響因素，隨著反應(yīng)溫度的升高，其反應(yīng)速率按指數(shù)規(guī)律增加。降低熱力型NOx的生成主要措施為：1）降低燃燒溫度，避免局部高溫；2）降低氧氣濃度；3）縮短在高溫區(qū)內(nèi)的停留時間。

2 實現(xiàn)低氮排放的優(yōu)化措施

山鋼日照的熱風(fēng)爐設(shè)計加熱風(fēng)量8 000 Nm3/min，拱頂溫度1 420 ℃，熱風(fēng)溫度1 300 ℃，高爐煤氣消耗量274 000 Nm3/h。預(yù)熱爐加熱助燃空氣量60 000 Nm3/h，助燃空氣預(yù)熱后溫度500 ℃，預(yù)熱爐高爐煤氣消耗量36 600 Nm3/h。

根據(jù)氮氧化物熱力學(xué)研究的成果，結(jié)合熱風(fēng)爐實際工作狀態(tài)，降低NOx的方法也是從上述的三個方面出發(fā)，主要包括設(shè)備優(yōu)化、燃料優(yōu)化和操作優(yōu)化3個方面。

2.1 熱風(fēng)爐設(shè)備優(yōu)化

熱風(fēng)爐設(shè)備優(yōu)化措施主要是優(yōu)化熱風(fēng)爐陶瓷燃燒器結(jié)構(gòu)。在熱風(fēng)爐設(shè)計階段，通過對比國內(nèi)外頂燃式燃燒器的結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點，最終采用螺旋混合陶瓷燃燒器設(shè)計。這種燃燒器結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點包括：

1）這種結(jié)構(gòu)可以有效提高高爐煤氣和助燃風(fēng)在燃燒器內(nèi)部的混勻效果，使高爐煤氣和助燃風(fēng)在燃燒器內(nèi)充分混勻，避免出現(xiàn)局部氧濃度過高造成的熱力型NOx生成。

2）由于燃料和助燃風(fēng)充分混勻后燃燒，可以將燃燒生成的熱量充分吸收，且不會形成局部的高溫區(qū)，避免出現(xiàn)局部溫度過高造成的熱力型NOx生成。

2.2 燃料的優(yōu)化措施

熱風(fēng)爐的燃料是高爐煤氣，高爐煤氣中可燃成分越高，高爐煤氣的發(fā)熱值就越高，燃燒過程中就會在火焰尖峰形成局部的高溫區(qū)域。溫度的升高就會造成熱力型NOx的生成。但低熱值的高爐煤氣會導(dǎo)致熱風(fēng)溫度低，無法滿足高爐需要。助燃風(fēng)預(yù)熱爐可以預(yù)熱熱風(fēng)爐燒爐時的助燃風(fēng)溫度，從而解決因高爐煤氣熱值低導(dǎo)致的熱風(fēng)溫度低的矛盾。

為了避免高爐煤氣熱值過高，作為燃料的高爐煤氣的煤氣利用率≮49.5%。高爐煤氣利用率是高爐生產(chǎn)過程中的主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)之一，只有高爐穩(wěn)定順行時才可以實現(xiàn)這個指標(biāo)。熱風(fēng)爐的低NOx排放是高爐煉鐵的系統(tǒng)問題，不能僅僅依靠熱風(fēng)爐操作和設(shè)備設(shè)施優(yōu)化。

2.3 熱風(fēng)爐燒爐的優(yōu)化措施

熱風(fēng)爐既要滿足高爐的高風(fēng)溫需要，還要實現(xiàn)廢氣中的低NOx排放。在熱風(fēng)爐燒爐過程中要避免熱風(fēng)爐拱頂溫度過高，還要滿足高爐熱風(fēng)溫度＞1 250 ℃；因此要適當(dāng)減少升溫期時間，增加蓄熱期和飽和期時間，滿足高爐的高風(fēng)溫需要。具體熱風(fēng)爐操作過程的優(yōu)化措施包括：1）在熱風(fēng)爐所有工作時間內(nèi)，熱風(fēng)爐拱頂溫度始終≯1 380 ℃。2）熱風(fēng)爐開始燒爐到拱頂溫度達(dá)到1 330 ℃時為熱風(fēng)爐升溫期。升溫期內(nèi)煤氣流量控制在195～200 km3/h。3）熱風(fēng)爐拱頂溫度在1 330～1 360 ℃時為熱風(fēng)爐蓄熱期。蓄熱期內(nèi)煤氣流量為155～180 km3/h，蓄熱期熱風(fēng)爐廢氣溫度＜350 ℃。4）熱風(fēng)爐拱頂溫度在1 360～1 380℃時為熱風(fēng)爐飽和期。飽和期內(nèi)熱風(fēng)爐廢氣溫度350～430 ℃，煤氣流量為125～140 km3/h。5）在熱風(fēng)爐燒爐過程中的任何時間段，廢氣中氧氣濃度控制在0.5%±0.2%，助燃風(fēng)風(fēng)量根據(jù)廢氣中氧氣濃度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

3 取得的效果

結(jié)合NOx熱力學(xué)研究和高爐熱風(fēng)爐的實際工況，通過采取針對性的控制措施，在不采取脫硝措施下，長期控制在30 mg/Nm3以下，低于國家環(huán)保要求，實現(xiàn)了熱風(fēng)爐廢氣的超低氮排放。在保證熱風(fēng)溫度持續(xù)達(dá)到1 250 ℃的前提下，實現(xiàn)了熱風(fēng)爐的清潔生產(chǎn)。具體廢氣中NOx含量見圖1（數(shù)值取自日照市環(huán)保局監(jiān)測數(shù)據(jù)）。

圖1 熱風(fēng)爐廢氣中NOx含量

4 結(jié) 語

通過優(yōu)化熱風(fēng)爐燃燒器的結(jié)構(gòu)，可以有效地提高高爐煤氣和助燃空氣的預(yù)混效果，避免局部氧氣濃度過高，改善熱風(fēng)爐高溫區(qū)分布，降低廢氣中的NOx含量。提高高爐煤氣利用率，降低高爐煤氣熱值，可以降低熱風(fēng)爐廢氣中的NOx含量。通過控制熱風(fēng)爐拱頂溫度低于1 380 ℃，可以降低廢氣中的NOx含量。