低氮燃燒技術(shù)在首鋼球團(tuán)的應(yīng)用實(shí)踐

喬 俊 沈國良 劉金英 張 嬋

(北京首鋼股份有限公司，河北 遷安 064404)

0 引言

氮氧化物由于能夠產(chǎn)生酸雨、引起臭氧層破壞并帶來光化學(xué)煙霧和霧霾等惡劣天氣，一直是各類企業(yè)要重點(diǎn)控制的污染物之一。按照河北省唐山市環(huán)保部門的要求，自2019年起區(qū)域內(nèi)鋼鐵企業(yè)執(zhí)行河北省《鋼鐵工業(yè)大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB13/2169-2018)，球團(tuán)焙燒煙氣的氮氧化物排放限值為50 mg/m3。2021年4月5日，唐山市人民政府正式發(fā)布了唐政字[2021]30號(hào)《關(guān)于執(zhí)行鋼鐵、火電行業(yè)大氣污染物排放特別要求》的通知，要求自2021年5月1日起，唐山地區(qū)現(xiàn)有長流程鋼鐵企業(yè)開始執(zhí)行大氣污染物排放特別要求，其中規(guī)定的球團(tuán)焙燒煙氣外排氮氧化物濃度限值進(jìn)一步下調(diào)至30 mg/m3，球團(tuán)生產(chǎn)的環(huán)保壓力越來越大。

某公司球團(tuán)1#生產(chǎn)線采用鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯-環(huán)冷機(jī)法生產(chǎn)氧化球團(tuán)礦，設(shè)計(jì)能力120萬t/a，2018年10月份完成了全流程超低排放改造，其采用了“半干法脫硫除塵一體化技術(shù)+中低溫SCR脫硝技術(shù)”，外排煙氣的氮氧化物濃度設(shè)計(jì)限值為50 mg/m3。在中低溫SCR脫硝系統(tǒng)投入運(yùn)行以后，氮氧化物外排濃度雖然達(dá)到了超低排放標(biāo)準(zhǔn)，但是在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，還是存在有氨逃逸、對(duì)煙氣溫度要求較高、運(yùn)行成本較高等缺點(diǎn)，尤其是從2020年下半年以來，系統(tǒng)初裝的脫硝催化劑使用壽命進(jìn)入后期，脫硝效率下降明顯，外排氮氧化物濃度要控制在30 mg/m3以內(nèi)的難度極大，生產(chǎn)期間經(jīng)常發(fā)生由于外排數(shù)值瞬時(shí)超標(biāo)而影響球團(tuán)主線運(yùn)行的情況。為了滿足球團(tuán)生產(chǎn)穩(wěn)定和環(huán)保達(dá)標(biāo)排放的要求，從2020年5月份開始研究采用低氮燃燒技術(shù)對(duì)回轉(zhuǎn)窯主燃燒器進(jìn)行升級(jí)改造，盡量減少球團(tuán)焙燒煙氣中氮氧化物的生成量。

1 氮氧化物的形成機(jī)理

1.1 形成機(jī)理概述

氮氧化物是只由氮、氧兩種元素組成的化合物，常見的氮氧化物有一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、一氧化二氮(N2O)、五氧化二氮(N2O5)等，作為空氣污染物的氮氧化物常指NO和NO2。燃燒過程中排放的氮氧化物約95%是NO，剩余5%是NO2、N20和N203等化合物。燃料燃燒過程中所產(chǎn)生的氮氧化物總量與燃料燃燒方式、燃燒溫度、過量空氣系數(shù)及煙氣在爐內(nèi)停留時(shí)間有關(guān)。氮氧化物按照其形成機(jī)理可分為熱力型、燃料型、快速型三種類型，其中快速型生成量極少，可以忽略不計(jì)。

1.2 熱力型

熱力型氮氧化物是指高溫下N2和O2反應(yīng)生成的氮氧化物，影響熱力型氮氧化物生成的因素主要有溫度、氧濃度和停留時(shí)間。溫度越高，生成的熱力型氮氧化物量越多，當(dāng)T<1 300 ℃時(shí)，氮氧化物的生成量很少，當(dāng)T≥1 500 ℃時(shí)，T每增加100 ℃反應(yīng)速率增大6～7倍，當(dāng)溫度達(dá)到1750℃后氮氧化物幾乎是直線上升，當(dāng)溫度達(dá)到1 900 ℃后氮氧化物以指數(shù)方次急劇上升。實(shí)驗(yàn)研究還表明，過量空氣系數(shù)處于1.1～1.2范圍時(shí)，氮氧化物的生成量最大，偏離這個(gè)范圍后，氮氧化物的生成量會(huì)明顯減少。當(dāng)N和O處于高溫區(qū)的時(shí)段越長，反應(yīng)就越充分，生成的熱力型氮氧化物就越多。

1.3 燃料型

燃料型氮氧化物是指燃料中的含氮化合物在燃燒過程當(dāng)中熱分解而又接著被氧化而生成的氮氧化物。在煤粉燃燒過程中，煤中的揮發(fā)分首先熱解而析出，進(jìn)入揮發(fā)分中的N被稱為揮發(fā)分N，殘留在焦炭中的N被稱為焦炭N，揮發(fā)分中的N主要存在于焦油和碳?xì)浠衔镏?，隨著溫度的升高然后被分解成HCN和NH3，然后HCN和NH3被氧化成NO。影響燃料型氮氧化物的生成因素主要有溫度、過量空氣系數(shù)、燃料性質(zhì)、水分。當(dāng)溫度處于700～800 ℃范圍時(shí)，燃料型氮氧化物的生成量達(dá)到最大，當(dāng)溫度繼續(xù)升高，燃料型氮氧化物的變化量不大。

1.4 快速型

快速型氮氧化物是燃燒過程中空氣中的N和燃料中的含碳自由基如CH、 CH2、C2H、 C2等先在高溫下反應(yīng)生成中間產(chǎn)物N, NCH, CN等，然后又瞬時(shí)與氧氣反應(yīng)生成的氮氧化物。

2 回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒器的設(shè)計(jì)原理

2.1 燃料情況

該公司球團(tuán)生產(chǎn)過程中所使用的燃料有焦?fàn)t煤氣和煤粉兩種，其中焦?fàn)t煤氣的供氣壓力大于8 000 Pa，可供流量為1 000～8 000 Nm3/h，燃燒發(fā)熱值約為17.4 MJ/m3，煤粉則為煙煤和無煙煤按照一定比例混合后磨細(xì)制成，其主要的質(zhì)量指標(biāo)如表1，煤粉的最大可供量為4 t/h。

表1 煤粉的主要質(zhì)量指標(biāo)

2.2 低氮燃燒器的結(jié)構(gòu)

回轉(zhuǎn)窯燃燒器在球團(tuán)生產(chǎn)工藝中是非常關(guān)鍵的設(shè)備之一，也是氮氧化物生成的源頭設(shè)備，低氮燃燒器的設(shè)計(jì)原則是：使燃燒器內(nèi)部或出口射流的空氣分級(jí)，控制燃料與助燃空氣的混合過程和速度，延緩燃燒時(shí)間，延長火焰行程，拉長燒成帶，降低火焰峰值溫度，從而減少熱力型氮氧化物的生成量。

根據(jù)燃料的類型，1#球團(tuán)生產(chǎn)線的回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒器采用了五通道結(jié)構(gòu)如圖1；其頭部結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖1 回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒器現(xiàn)場圖片

圖2 回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒器頭部結(jié)構(gòu)圖

燃燒器通道排布從外至內(nèi)，依次為直流風(fēng)通道、旋流風(fēng)通道、煤風(fēng)通道、焦?fàn)t煤氣通道、焦?fàn)t煤氣通道。將焦?fàn)t煤氣通道和煤風(fēng)通道全部都布置在直流風(fēng)、旋流風(fēng)以內(nèi)，從而使火焰中心的燃料富集，燃燒過程主要集中在火焰的中心區(qū)域，進(jìn)行燃料密集型燃燒，形成局部低氧濃度的環(huán)境。各通道內(nèi)、外出口的錐度和速度經(jīng)過合理設(shè)計(jì)，延緩燃料與助燃風(fēng)的混合時(shí)間，并使燃燒均勻平和，不產(chǎn)生劇烈燃燒現(xiàn)象和過高的熱力集中點(diǎn)，控制火焰溫度，避免局部高溫，抑制N2和O2反應(yīng)生成氮氧化物。

燃燒器頭部還設(shè)計(jì)有一個(gè)攏焰罩，它可以使火焰形成碗狀效應(yīng)，沒有強(qiáng)渦流，火焰溫度分布更加均勻平緩，避免高溫峰值的形成，這也有利于降低燃燒過程中的熱力型氮氧化物。

直流風(fēng)、旋流風(fēng)出口截面積和風(fēng)量均可調(diào)整。通過改變助燃風(fēng)量、直流風(fēng)和旋流風(fēng)出口速度等不同的控制參數(shù)，對(duì)燃燒器噴射火焰的形態(tài)進(jìn)行控制，達(dá)到燃料最佳燃燒速度、最高燃燒效率以及最低的一次風(fēng)率，在滿足回轉(zhuǎn)窯對(duì)火焰溫度分布要求的基礎(chǔ)上(如圖3)，減少了窯內(nèi)的高溫帶，降低熱力型氮氧化物的生成量。

圖3 回轉(zhuǎn)窯火焰溫度分布模擬圖

3 實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用情況

3.1 現(xiàn)場使用和調(diào)整情況

2021年3月16日，該公司1#球團(tuán)生產(chǎn)線的回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒器完成了全部的設(shè)計(jì)、制作和安裝工作并開始投入使用。生產(chǎn)過程中，調(diào)整方向主要以形成細(xì)長火焰為主，在成品球抗壓合格的前提下，適當(dāng)減少窯頭一次助燃風(fēng)風(fēng)量，增大直流風(fēng)的截面積調(diào)整，減少旋流風(fēng)的截面積，減小火焰旋流強(qiáng)度，形成均勻柔順的火焰形狀。

在實(shí)際操作過程中，低氮燃燒器表現(xiàn)出了火焰長度在線調(diào)節(jié)方便、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、燃燒火焰穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)穩(wěn)定的情況下，回轉(zhuǎn)窯窯尾溫度、鏈箅機(jī)煙罩溫度、鏈箅機(jī)風(fēng)箱溫度等主要的球團(tuán)工藝參數(shù)和改造以前基本保持一致，為保證生產(chǎn)安全，將燃燒器的軸流風(fēng)的風(fēng)壓控制在8～12 kPa，旋流風(fēng)的風(fēng)壓控制在5～8 kPa，火焰噴射長度控制在15～20 m，回轉(zhuǎn)窯的窯況控制良好。

在降低氮氧化物的操作控制方面，同步采取了適當(dāng)降低回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)溫度、降低煙氣氧氣濃度、提高窯內(nèi)負(fù)壓、減少煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間等控制措施。

3.2 應(yīng)用效果

該公司球團(tuán)1#生產(chǎn)線使用回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒器前后的主要生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比情況如表2。

表2 使用低氮燃燒器前后的主要生產(chǎn)數(shù)據(jù)

通過表2中的數(shù)據(jù)可以看出，使用低氮燃燒器以后的綜合效益非常明顯。球團(tuán)礦平均日產(chǎn)量由3 770 t/d提高到了3 829 t/d，這主要得益于生產(chǎn)期間氮氧化物這一環(huán)保指標(biāo)控制穩(wěn)定以后，減少了球團(tuán)生產(chǎn)的被動(dòng)調(diào)整和大幅度波動(dòng)；成品球團(tuán)礦抗壓強(qiáng)度由3 276 N/球下降至2 632 N/球，主要原因是采用低氮燃燒器之后，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的高溫帶減少，球團(tuán)焙燒溫度對(duì)比降低，回轉(zhuǎn)窯窯頭球料溫下降了大約47 ℃，但是球團(tuán)礦的質(zhì)量還在控制標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)；鏈箅機(jī)的煙罩溫度控制以及鏈箅機(jī)預(yù)熱球抗壓強(qiáng)度基本和前期持平，變化不明顯；球團(tuán)礦綜合燃料消耗由16.26 kgce/t降低至15.75 kgce/t，燃料利用效率得到提高；球團(tuán)焙燒煙氣的氮氧化物濃度由169 mg/m3降低至92 mg/m3，降幅達(dá)到45.56%，減少氮氧化物生成量的效果顯著；SCR脫硝裝置的噴氨量由之前的平均296 kg/h下降至39 kg/h，并且其流程控制更加的平穩(wěn)(如圖4)，凈化后煙氣的氮氧化物濃度由38 mg/m3降低至11 mg/m3，降幅達(dá)到71.05%，完全達(dá)到了唐山地區(qū)大氣污染物排放特別限值要求；氨逃逸數(shù)值由2.6 ppm降低至0.7 ppm，進(jìn)一步減少了排向大氣中的污染物；球團(tuán)礦氨水單耗由1.78 kg/t下降至0.46 kg/t，降低74.16%，單此一項(xiàng)每年就可以節(jié)約氨水消耗成本110余萬元。

圖4 低氮燃燒器使用前后SCR脫硝裝置噴氨量對(duì)比圖

4 結(jié)語

1)球團(tuán)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氮氧化物可分為熱力型、燃料型、快速型三種類型，熱力型氮氧化物是由N2和O2在高溫下反應(yīng)生成，可以通過減少熱力型氮氧化物的生成量來降低球團(tuán)焙燒煙氣中的氮氧化物濃度。2)回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒器通過合理設(shè)計(jì)其通道結(jié)構(gòu)，使燃燒器內(nèi)部和出口射流的空氣分級(jí)，控制燃料與助燃空氣的混合過程和速度，延緩燃燒時(shí)間，延長火焰行程，拉長燒成帶，降低火焰峰值溫度，從而有效減少熱力型氮氧化物的生成量。

3)該公司球團(tuán)1#生產(chǎn)線在使用回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒器之后，鏈箅機(jī)預(yù)熱球強(qiáng)度保持基本不變，焙燒煙氣中的氮氧化物濃度降低了45.56%，外排煙氣中的氮氧化物濃度降低了71.05%，完全達(dá)到了唐山地區(qū)大氣污染物排放特別限值要求，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在當(dāng)前越來越重視環(huán)保的形勢下，低氮燃燒技術(shù)在球團(tuán)行業(yè)具有很好的推廣應(yīng)用前景。