降低加熱爐熱力型NOX 濃度控制技術(shù)的研究與應(yīng)用

李 敬 李 娜 郭曉生 李卓冉

（安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司）

0 前言

氮氧化物主要以NO、N02、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等形式出現(xiàn)，統(tǒng)稱為NOX。 在空氣中，NOX很易與人體和動(dòng)物血液中的血色素混合奪取氧分，使血液缺氧，引起中樞神經(jīng)麻痹癥，NO2還會(huì)強(qiáng)烈刺激呼吸器管粘膜，引起肺部疾病。NOX對(duì)人體的心、肝、腎臟及造血組織均有損害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致死亡。NO和NO2會(huì)破壞同溫層中的臭氧層，使其失去對(duì)紫外光輻射的屏蔽作用，危害地面生物。大氣中的NOX與SOX、粉塵共存，生成硫酸或硫酸鹽溶液和硝酸或硝酸鹽溶液，形成酸雨。 由于NOX對(duì)人類和自然界都存在危害，所以必須控制NOX的生成和排放。目前國(guó)家工業(yè)爐窯煙氣排放中NOX的特別排放標(biāo)準(zhǔn)為 300 mg/m3以下，超低排放標(biāo)準(zhǔn)為 150 mg/m3以下。

安鋼第二煉軋廠1 780 mm 機(jī)組加熱爐生產(chǎn)運(yùn)行期間煙氣排放中的 NOx 濃度在 150 ～ 300 mg/m3之間，達(dá)到了特別排放要求。但是卻不能穩(wěn)定、連續(xù)的達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)150 mg/m3以下，給第二煉軋廠的環(huán)保管控提升和熱軋機(jī)組的生產(chǎn)順行帶來(lái)了巨大的壓力。

1 加熱爐熱力型NOX 生成的機(jī)理及常用控制手段

軋鋼加熱爐在生產(chǎn)運(yùn)行中產(chǎn)生的NOX主要是熱力型NOX，其中NO 占比為90%以上[1]。熱力型NOX是燃料在燃燒時(shí)空氣中的氮在高溫下氧化產(chǎn)生的，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。當(dāng)熱力溫度 T 小于 1 500 K 時(shí)，NO 的生產(chǎn)量很少；當(dāng) T 大于 1 500 K 時(shí)，T 每增加 100 K，反應(yīng)速率增大6 ～7 倍；其所產(chǎn)生的NOX中，NO 約占90%～95%，NO2占5%～10%。熱力型NOX產(chǎn)生量與熱力溫度之間的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 熱力型NOX 產(chǎn)生量與熱力溫度之間的關(guān)系

目前國(guó)內(nèi)降低NOX的排放措施分為一級(jí)脫氮技術(shù)和二級(jí)脫氮技術(shù)。一級(jí)脫氮技術(shù)就是通過(guò)采用低NOX燃燒器以及燃燒優(yōu)化調(diào)整，有效控制NOX的產(chǎn)生，從源頭上減少生成量；二級(jí)脫氮技術(shù)就是利用各種措施盡可能減少已經(jīng)生成的NOX排放，屬于煙氣脫硝范圍，這里重點(diǎn)從采用一級(jí)脫氮技術(shù)來(lái)研究和施實(shí)應(yīng)用。

2 降低加熱爐熱力型NOX 研究方向的確定

根據(jù)加熱爐熱力型NOX產(chǎn)生的機(jī)理，結(jié)合1 780 mm 機(jī)組加熱爐相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，確定分別從以下4 個(gè)方面進(jìn)行研究：（1）研究熱力型NOX生成量與加熱爐爐膛溫度的關(guān)系；（2）研究燃料燃燒時(shí)，燃料空、燃比及空氣過(guò)剩系數(shù)與NOX生成量的關(guān)系；（3）研究余熱回收系統(tǒng)中空氣預(yù)熱溫度與NOX生成量的關(guān)系；（4）研究燒嘴燃燒過(guò)程中火焰形狀與NOx 生成量的關(guān)系。

3 施實(shí)開(kāi)展降低熱力型NOX 的研究過(guò)程

3.1 與爐膛溫度之間的關(guān)系

研究人員重點(diǎn)對(duì)加熱爐正常生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中爐膛溫度的變化與煙氣中熱力型NOX的生成量進(jìn)行了研究對(duì)比、分析。首先，標(biāo)定加熱爐熱電偶測(cè)量誤差，確保熱電偶誤差范圍在±30℃內(nèi)；其次，選擇當(dāng)日混合煤氣熱值和壓力較為穩(wěn)定的工況，確保爐膛內(nèi)的溫度場(chǎng)穩(wěn)定、均勻，混合煤氣熱值為（2 300±100） kcal/m3，壓力為8 ～ 10 kPa，空氣預(yù)熱起始溫度為 400 ℃；最后，通過(guò)每次分別增加10 ℃二加熱段的爐溫，實(shí)時(shí)測(cè)量煙氣中NOX含量的變化值。最終得出的熱力型NOX產(chǎn)生量與加熱爐爐膛溫度的趨勢(shì)關(guān)系如圖2 所示。

圖2 熱力型NOx 生成量與加熱爐爐膛溫度關(guān)系

從圖2 可以看出，熱力型NOx 的生成量與加熱爐爐膛溫度的升高基本成正比例倍數(shù)上升。

3.2 與燃料空、燃比及空氣系數(shù)的關(guān)系

研究加熱爐混合煤氣燃燒過(guò)程中空、燃比中的空氣過(guò)剩系數(shù)至關(guān)重要，它不僅對(duì)煙氣中NOX的生成量、氧濃度影響較大，而且對(duì)煤氣是否能夠完全燃燒從而影響煤氣中的有機(jī)氮組分也息息相關(guān)。研究人員在加熱爐生產(chǎn)運(yùn)行工況相對(duì)穩(wěn)定的情況下，通過(guò)調(diào)整不同的空、燃比數(shù)值，對(duì)加熱爐煙氣中的氧濃度和NOX生成量進(jìn)行了測(cè)試研究對(duì)比，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 空、燃比值中氧濃度與NOX 生產(chǎn)量對(duì)應(yīng)表

另外，研究人員通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整和實(shí)測(cè)加熱爐正常生產(chǎn)時(shí)的運(yùn)行參數(shù)，得出爐子工況如果能夠較為穩(wěn)定，燒嘴工作在額定工況時(shí)只需控制各段空氣過(guò)剩系數(shù)，尤其是均熱、二加熱段的空氣過(guò)剩系數(shù)，同時(shí)避免急速升溫降溫，NOX排放就能有效控制在120 mg/Nm3（8%標(biāo)準(zhǔn)含氧量折算后）以內(nèi)；如果在生產(chǎn)過(guò)程中，加熱爐混合煤氣熱值和壓力波動(dòng)較大，不易確定空、燃比時(shí)，必須將加熱爐爐尾預(yù)熱段激光殘氧分析儀所檢測(cè)出的殘氧量控制在1.5%以下，才可以有效降低高溫?zé)煔庵械腘OX濃度。生產(chǎn)期間，三段式加熱爐各段空氣過(guò)剩系數(shù)控制參數(shù)見(jiàn)表2。

通過(guò)研究和實(shí)際檢測(cè)，證明了燃料空燃比及空氣過(guò)剩系數(shù)對(duì)熱力型NOX的生成量影響較大，有效控制空燃比及空氣過(guò)剩系數(shù)是確保NOX濃度降低的有效途徑之一。

表2 三段式加熱爐各燃燒段空氣過(guò)剩系數(shù)控制

3.3 與空氣預(yù)熱溫度的關(guān)系

在絕熱條件下，燃料在一定空氣系數(shù)下進(jìn)行燃燒時(shí)所能達(dá)到的溫度稱為實(shí)際理論燃燒溫度，其公式為：

式中：t理——實(shí)際理論燃燒溫度，℃；Qd——燃料低發(fā)熱量, kJ/m3；Q燃——煤氣預(yù)熱后帶入爐內(nèi)的物料熱量， kJ/m3；Q空——空氣預(yù)熱后帶入爐內(nèi)的物料熱量， kJ/m3；Q分——燃料燃燒時(shí)熱分解帶走的熱量， kJ/m3；Va——一定空氣系數(shù)下的單位燃料燃燒生成氣量， m3/m3；C產(chǎn)——燃燒生成氣的平均比熱容， kJ/m3·℃。

研究人員在生產(chǎn)節(jié)奏和混合煤氣熱值（2 300 kcal/m3）相對(duì)穩(wěn)定的情況下，假設(shè)煤氣在絕熱條件下和一定的空氣系數(shù)下進(jìn)行燃燒，設(shè)定空氣系數(shù) α 為 1.15，將Qd、Q燃、Q空、Q分、Va、C產(chǎn)相關(guān)數(shù)值分別帶入式（1），通過(guò)計(jì)算得出空氣預(yù)熱溫度在400 ℃時(shí)的加熱爐理論燃燒溫度為1 983 ℃，則燃料理論燃燒溫度為該溫度是假定加熱爐完全絕熱的條件下理論計(jì)算得出。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中加熱爐存在約35%的熱損失，即燃料燃燒熱效率僅為65%，則在上述條件下，實(shí)際燃料理論燃燒產(chǎn)生的爐溫約為1 288.95 ℃.同理，在相同條件下，當(dāng)加熱爐空氣預(yù)熱溫度分別達(dá)到450 ℃、500 ℃和550 ℃時(shí)，加熱爐實(shí)際理論燃燒產(chǎn)生的爐溫分別為1 309.75 ℃、1 331.2 ℃和 1 352 ℃，爐溫依次遞增了20.8 ℃、21.45 ℃、20.8 ℃，平均增度為 21 ℃。通過(guò)實(shí)測(cè)不同空氣預(yù)熱溫度下煙氣中的NOX濃度含量發(fā)現(xiàn)，此時(shí)煙氣中的NOX依次遞增了6 ～8 mg/m3，現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3，煙氣中熱力型NOX生成量與空氣預(yù)熱溫度之間的趨勢(shì)關(guān)系如圖3 所示。

表3 空氣預(yù)熱溫度與煙氣中NOX 產(chǎn)生量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖3 熱力型NOX 生成量與空氣預(yù)熱溫度的關(guān)系

提高空氣預(yù)熱溫度可以有效增加煙氣中物理熱的回收，提高燃料燃燒溫度，對(duì)降低混合煤氣消耗有利，但同時(shí)也增加了煙氣中NOX的濃度。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中需要尋求最佳的平衡點(diǎn)，既滿足環(huán)保管控標(biāo)準(zhǔn)要求，又要力求燃料節(jié)能的最大化。

3.4 與燒嘴火焰形狀的關(guān)系

加熱爐熱力型NOX主要是在燒嘴燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的，控制措施主要是減少燃燒最高溫度區(qū)域范圍和降低燒嘴燃燒時(shí)過(guò)量空氣系數(shù)和局部氧濃度[2]。目前國(guó)內(nèi)使用的低氮氧化物燒嘴主要采用了燃料分級(jí)燃燒技術(shù)，其燃燒過(guò)程分為兩個(gè)階段，第一階段通過(guò)燒嘴的一次風(fēng)抑制了NOX的生成，推遲了燃燒過(guò)程，并將已經(jīng)生成的NOX分解還原，使燃料型NOX減少，由于此時(shí)火焰溫度降低，使得熱力型NOX的生成量也相應(yīng)的減少了；第二級(jí)段的燃燒則將所需的其余空氣通過(guò)二次風(fēng)送入爐膛，與第一級(jí)所產(chǎn)生的煙氣混合，使燃料燃燒完全，成為燃燼區(qū)，從而完成整個(gè)燃燒過(guò)程。

依據(jù)上述低氮燒嘴的控NOX原理，施實(shí)低氮燒嘴燃燒期間火焰形狀的控制就顯得尤為重要，其火焰形狀直接決定了NOX生成量的大小。研究人員首先根據(jù)平焰燒嘴內(nèi)部的空氣旋流器結(jié)構(gòu)，在平焰燒嘴空氣管道接口處增設(shè)節(jié)流片，以此增加進(jìn)入燒嘴前空氣壓力，使空氣在燒嘴內(nèi)形成旋流度高、分布均勻的氣流，切向進(jìn)入燃燒室，與煤氣逐漸混合燃燒，達(dá)到最佳的火焰附壁效應(yīng)，形成穩(wěn)定均勻的盤(pán)狀火焰?；鹧嬖椒€(wěn)定，火盤(pán)直徑越大，燒嘴燃燒出口中心回流區(qū)卷吸煙氣的效果越明顯，有利于降低NOX的生成。改進(jìn)后的平焰燒嘴煙氣附壁效應(yīng)三維效果如圖4 所示。

圖4 改進(jìn)后的平焰燒嘴煙氣附壁效果

針對(duì)低氮調(diào)焰燒嘴，研究人員將燒嘴本體上的二次風(fēng)閥全開(kāi)（100%閥位），使得二次風(fēng)的流量增加、噴出速度提高，加強(qiáng)了煙氣再循環(huán)效果，進(jìn)一步降低了燃燒區(qū)域的氧濃度，同時(shí)避免火焰形成局部高溫區(qū)，有效抑制了熱力型NOX的產(chǎn)生。從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，調(diào)焰燒嘴燃燒時(shí)火焰長(zhǎng)度在4 ～5 m，燒嘴燃燒產(chǎn)生的煙氣卷吸率最高，達(dá)到了稀釋火焰的效果，可以有效降低調(diào)焰燒嘴燃燒時(shí)產(chǎn)生的 NOX生成量，NOX生成量在 120 mg/m3以下。

4 研究結(jié)論的應(yīng)用

（1）加熱爐生產(chǎn)期間，盡量將高溫段的爐溫控制在1 280 ℃之內(nèi)，避免爐膛溫度過(guò)高造成煙氣中NOX產(chǎn)生量的急劇增加。

（2）將燃料空、燃比控制在2.2 以下；過(guò)?？諝庀禂?shù)不大于1.15；同時(shí)監(jiān)控爐尾煙氣中殘氧含量，使其控制在1.5%以內(nèi)；杜絕煙氣中含氧量過(guò)高。

（3）對(duì)每座加熱爐進(jìn)行熱平衡測(cè)算，得出了空氣預(yù)熱溫度在500 ～520 ℃范圍內(nèi)時(shí)，既確保了煙氣中余熱余能的最大回收率，也可以有效控制了煙氣中NOX的生成量。

（4）正常生產(chǎn)期間，通過(guò)數(shù)查爐頂錨固磚間距，有效調(diào)整了平焰燒嘴的火盤(pán)直徑和形狀，確保了平焰燒嘴燃燒過(guò)程中火焰的附壁效應(yīng)。同樣，將調(diào)焰燒嘴的火焰長(zhǎng)度調(diào)整到4 ～5 m，確保了煙氣的最大卷吸率，避免了調(diào)焰燒嘴火焰產(chǎn)生局部高溫的情況。

5 應(yīng)用效果

經(jīng)過(guò)上述技術(shù)研究和現(xiàn)場(chǎng)優(yōu)化調(diào)整，第二煉軋廠1 780 mm 機(jī)組加熱爐在正常生產(chǎn)期間，煙氣中的NOX連續(xù)排放指標(biāo)達(dá)到≤150 mg/Nm3的目標(biāo)（8%標(biāo)準(zhǔn)含氧量折算后），滿足了環(huán)保管控標(biāo)準(zhǔn)；避免軋線被迫停車或錯(cuò)峰生產(chǎn)等環(huán)保事故的發(fā)生，確保軋線的生產(chǎn)順行，加熱爐煙氣中NOX含量實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究和應(yīng)用，1 780 mm 熱連軋加熱爐煙氣中的NOX濃度有效控制在了120 mg/m3以下，達(dá)到了國(guó)家超低排放標(biāo)準(zhǔn)和要求，為該機(jī)組后期的環(huán)保管控提升及生產(chǎn)順行奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為其他鋼鐵企業(yè)同類型加熱爐煙氣中NOX濃度控制方式提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保管控的提升，軋鋼加熱爐煙氣排放中的NOX濃度指標(biāo)將會(huì)越來(lái)越嚴(yán)格。開(kāi)展降低NOX排放量的工藝研究，獲得該方面的新技術(shù)、新知識(shí)和降低NOX濃度的操作控制方式是每個(gè)企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急，也是鋼鐵企業(yè)熱軋生產(chǎn)線今后發(fā)展的必經(jīng)之路。