降低套筒窯氮氧化物排放的研究與實(shí)踐

穆冀里，陳俊鋒，閆川川，宋曙光，劉文遠(yuǎn)

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063200）

0 引言

某大型鋼鐵廠白灰窯現(xiàn)有5 座套筒窯，近年來(lái)套筒窯排放物中氮氧化物含量在200 mg/Nm3左右，距離目標(biāo)（100 mg/Nm3）仍有較大差距，為了適應(yīng)新的環(huán)保要求，降低環(huán)境污染，急需進(jìn)行煙氣排放達(dá)標(biāo)改造。介紹針對(duì)套筒窯氮氧化物排放超標(biāo)的具體情況，通過(guò)優(yōu)化工藝、改造設(shè)備，以達(dá)到降低氮氧化物的目的實(shí)際案例。

1 煙氣中NOx 生成機(jī)理

氮氧化物的生成途徑主要有3 種，即快速型氮氧化物、燃料型氮氧化物、熱力型氮氧化物，在石灰煅燒過(guò)程中所生成的NOx主要為熱力型，主要成分為NO 和NO2。燃料型和快速型所占比重較少。

熱力型氮氧化物是指空氣中的氮?dú)夂脱鯕庠诟邷貤l件下反應(yīng)生成NOx，為熱力型NOx[1]。當(dāng)火焰溫度達(dá)到1400 ℃及以上時(shí)，氮氧化物的含量會(huì)大幅增加[2]。氧氣和燃料氣混合得越快、越充分，燃燒速度越快，火焰溫度就越高，而隨著過(guò)量空氣百分比的增加，氮氧化物的排放量會(huì)增加。

高溫下氮與氧的總反應(yīng)式[3]：

NOx折算值的計(jì)算公式：

折算值是根據(jù)氮氧化物實(shí)測(cè)值和氧含量實(shí)測(cè)值通過(guò)上述公式進(jìn)行折算后的結(jié)果；其中N實(shí)為氮氧化物實(shí)際測(cè)量濃度，O實(shí)為尾氣中氧氣實(shí)際測(cè)量濃度。

2 影響NOx 折算值的主要因素

某大型鋼鐵廠根據(jù)NOx的生成機(jī)理及折算值的計(jì)算公式，結(jié)合生產(chǎn)中實(shí)際情況，歸納出以下降低NOx折算值主要途徑。

2.1 溫度控制

由于NOx的形成與燒成溫度有很強(qiáng)的相關(guān)性，試驗(yàn)表明燃燒溫度從1200 ℃起，特別是在1400 ℃后的形成明顯上升，而套筒窯的火焰溫度峰值在這個(gè)區(qū)間。因此，要降低NOx的生成，就必須控制好火焰溫度。

上部燃燒室是欠氧燃燒，在助燃空氣流量不變時(shí)增高煤氣的流量，導(dǎo)致燃燒室溫度由原來(lái)的（1280±30）℃降到（1200±30）℃，但仍在允許范圍內(nèi)。下部燃燒室在降低空氣消耗的同時(shí)減少煤氣供給量，燃燒室溫度由原來(lái)的（1250±30）℃降到（1180±30）℃，但由于燃燒產(chǎn)物生成量的減少造成并流煅燒帶的有效熱能總量減少，其直接后果是循環(huán)氣體的溫度降低。循環(huán)氣體的溫度直接反映并流煅燒帶的溫度，此溫度降低就意味著并流煅燒帶的溫度降低，石灰質(zhì)量就不能得到保證。套筒窯工藝操作從根本上來(lái)說(shuō)就是穩(wěn)定循環(huán)氣體溫度。為了使流過(guò)并流煅燒帶的煙氣有足夠的有效熱能，可行的方法是在噴射器噴管的設(shè)計(jì)中提高噴管的壓力比，使驅(qū)動(dòng)空氣獲得更大的引射動(dòng)量以強(qiáng)化高溫氣體在并流煅燒帶中的循環(huán)，從而保證石灰質(zhì)量。

2.2 空燃比操作

燃燒過(guò)程中，空氣與燃?xì)獾谋壤蜏囟戎苯佑绊懭紵业娜紵闆r，空氣不足會(huì)導(dǎo)致燃料燃燒不充分；如果空氣過(guò)剩，根據(jù)NOx的折算值計(jì)算公式，則會(huì)導(dǎo)致NOx折算值急劇升高，所以合理控制空氣與燃?xì)獗壤强刂芅Ox折算值至關(guān)重要的一步。

找到NOx折算值與溫度、空燃比之間的關(guān)系，確定合理的控制范圍（圖1）。通過(guò)線性回歸，得到：

圖1 氮氧化物等值線圖

氮氧化物折算值=1265-0.555（溫度）-1458（空燃比）+306（空燃比×空燃比）+0.534（溫度×空燃比）。

根據(jù)方程，氮氧化物折算值與空燃比、溫度正比、空燃比×空燃比及溫度×空燃比有以上關(guān)系；按白灰的質(zhì)量要求，溫度不能過(guò)低，應(yīng)取適當(dāng)溫度。綜合考慮，空燃比取1.55～1.65，燃燒室溫度?。?200±30）℃。

2.3 采用新型燒嘴

燒嘴主要影響火焰的形狀及火焰的溫度分布，一般情況下燒嘴采用多通道的結(jié)構(gòu)形式，由于燒嘴氣孔較少，且分布不合理，燒嘴燃燒過(guò)程中火焰呈現(xiàn)亮白色、亮紅色，外焰溫度較高，最高可達(dá)到1400～1500 ℃，會(huì)增加NOx的生成。

通過(guò)對(duì)燒嘴與助燃空氣風(fēng)道結(jié)構(gòu)和斷面大小的調(diào)整，優(yōu)化燒嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以有效避免外焰局部高溫，降低NOx的形成概率（圖2）。低氮燒嘴采用“多點(diǎn)小燒嘴”，使燃?xì)夂涂諝饣旌细浞?，燃燒火焰分層明顯的亮白色變?yōu)榈{(lán)色火焰，外焰溫度降低。燃燒室內(nèi)溫度分布更加均勻，減少局部高溫情況的出現(xiàn)。

圖2 燒嘴

2.4 增加煤氣排水器

某大型鋼鐵企業(yè)筒窯所使用的轉(zhuǎn)爐煤氣中含有大量水分，煤氣水分大造成煤氣熱值不穩(wěn)定、壓力波動(dòng)、燒嘴腐蝕、堵塞等問(wèn)題，甚至造成套筒窯燃燒室單室脫火或滅火現(xiàn)象發(fā)生。滅火、燒嘴堵塞勢(shì)必增加煤氣用量，導(dǎo)致窯爐內(nèi)局部溫度升到，NOx也會(huì)上升。

針對(duì)以上情況采取的措施為：在煤氣管道總管及每座套筒窯的煤氣管道末端增加煤氣排水器，保證進(jìn)入燃燒室的煤氣干燥，同時(shí)避免管道結(jié)構(gòu)，改善燒嘴滅火的情況（圖3）。

圖3 煤氣排水器

加裝煤氣排水器后對(duì)煤氣進(jìn)行取樣化驗(yàn)，得到結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 兩組轉(zhuǎn)爐煤氣樣品成分 %

經(jīng)計(jì)算可得，煤氣B 比煤氣A 熱值低68.14 kcal/Nm3（285.1 kJ/Nm3），即針對(duì)樣品A 和樣品B 而言，含有水分的樣品比干燥后的樣品單位體積熱值低68.14 kcal/Nm3。

由以上計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，水分對(duì)煤氣熱值的影響比較明顯，從而在窯爐內(nèi)對(duì)NOx產(chǎn)生較大間接影響；通過(guò)加裝煤氣排水器，增加大煤氣管道放水頻率，可減少煤氣含水量，降低對(duì)NOx產(chǎn)生的影響。

2.5 其他控制措施

除以上所提到的控制NOx的措施外，管道及窯體的密封、加料頻率等均對(duì)尾氣中的氧含量造成一定的影響。需要從出灰系統(tǒng)、煅燒系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、上料系統(tǒng)進(jìn)行全密封，以減少氧含量增高，從而降低NOx的折算值。

3 改善效果

改善前后氮氧化物對(duì)比如圖4 所示，某大型鋼鐵廠套筒窯尾氣排放中NOx折算值，改善前及改善后的對(duì)比，NOx折算值由最初的月均153 mg/Nm3，降低到月均64.77 mg/Nm3，符合現(xiàn)行環(huán)保要求（≤100 mg/Nm3）

圖4 改善前后氮氧化物對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

研究套筒窯NOx的生成機(jī)理和降低排放的技術(shù)手段，環(huán)保意義重大，同時(shí)也為國(guó)內(nèi)套筒窯的尾氣達(dá)標(biāo)排放提供可行方案。此方案不需要對(duì)窯體進(jìn)行大規(guī)模設(shè)備改造，相對(duì)于其他方案來(lái)說(shuō)成本較低，簡(jiǎn)單有效，便于操作。