軋鋼加熱爐超低氮排放無焰燃燒技術應用研究

江 華，朱小輝

（北京京誠鳳凰工業(yè)爐工程技術有限公司，北京100176）

節(jié)能和環(huán)保是制約我國鋼鐵行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素，在2018 年全國環(huán)境保護工作會議上，我國制定實施了打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年作戰(zhàn)計劃，啟動鋼鐵行業(yè)超低排放改造，全國具備改造條件的鋼鐵企業(yè)力爭實現超低排放, 其中軋鋼加熱爐和熱處理爐氮氧化物實現超低排放是其中一項重要目標。目前諸多工序減排措施大都采用末端治理，其中煙氣脫硝處理技術存在占地面積大、運營成本高且易產生二次污染等問題。而低氮燃燒技術通過對氮氧化物產生的源頭進行控制，無需額外的附屬污染處理設備，僅依靠低氮燃燒裝置本身的優(yōu)化設計和低氮燃燒控制技術，即可滿足鋼鐵企業(yè)軋鋼工序爐窯的安全環(huán)保低成本運行需求，是實現工業(yè)爐超低氮排放的首選技術方案。鋼坯加熱爐由于工藝溫度高，燃燒峰值溫度也相對較高，而熱力型氮氧化物隨燃燒峰值溫度升高化學反應速率按指數規(guī)律迅速增加，鋼坯加熱工藝溫度高與熱力型氮氧化物隨燃燒峰值溫度升高急劇上升之間的矛盾是高溫工業(yè)爐的氮氧化物源頭控制的關鍵技術難題。

現有低NOx燃燒技術主要圍繞如何降低燃燒溫度，減少熱力型NOx生成開展的，主要技術包括分級燃燒、預混燃燒、煙氣外部再循環(huán)、多孔介質催化燃燒等等?，F有上述低氮燃燒技術存在以下缺陷：

（1）火焰溫度高?，F有低氮燃燒技術仍然是基于傳統(tǒng)有焰燃燒開發(fā)的，對于降低NOx有一定效果，但無法根本消除過高的火焰峰值溫度，無法大幅度降低NOx排放，沒有本質突破，難以實現超低排放。

（2）適應范圍窄?，F有低氮燃燒技術應用場合受限制，在某些特殊應用場景，例如高濃度富氧燃燒、高熱值煤氣及受限空間內的高強度燃燒等應用場景下，現有低氮燃燒技術難以實現超低氮排放。

（3）穩(wěn)定性差。我國鋼鐵企業(yè)數量規(guī)模龐大，部分企業(yè)由于工序工藝限制導致工況復雜多變，如產能負荷、燃料成分等的波動，現有低氮燃燒技術無法實現工況波動下的穩(wěn)定超低排放。

綜上所述，系統(tǒng)研究先進無焰燃燒超低氮排放技術及裝備，開發(fā)適應軋鋼高溫工業(yè)爐復雜多變工況的超低氮燃燒控制技術，為國內鋼鐵企業(yè)的超低排放改造提供可靠的技術保障和配套裝備，實現各種復雜工況下在線連續(xù)監(jiān)測超低排放，對于鋼鐵加熱爐及熱處理爐的高效燃燒、低氮環(huán)保性能提升，對我國鋼鐵行業(yè)長期可持續(xù)綠色發(fā)展以及客戶的當前迫切需求都具有重要的現實意義。

無焰燃燒正是在這種節(jié)能減排背景下發(fā)展起來的高效燃燒方式。無焰燃燒是指將空氣和燃料通過不同噴口噴入燃燒室劇烈混合，使得燃燒反應過程發(fā)生在低氧濃度的“惰性氣氛”中，燃燒呈“空間反應”特征，有時甚至會充滿整個爐膛，火焰鋒面消失，肉眼看不見明顯火焰，因此被稱為無焰燃燒[1]。由于燃燒在整個爐膛內發(fā)生，溫度分布均勻，不會出現局部高溫區(qū)，從而將NOx濃度控制在較低水平，在提高了燃燒效率的同時降低了污染物排放，可應用于工業(yè)加熱等燃燒及熱處理設備[2]。因此，研究具有低污染物排放、穩(wěn)定高效且溫度場分布更加均勻等特點的無焰燃燒技術，對于鋼鐵行業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 無焰燃燒器試驗研究

本文針對開發(fā)的超低氮排放無焰燃燒器進行燃燒試驗研究，熱態(tài)試驗系統(tǒng)如圖1 所示。燃燒器功率1 000 kW，熱態(tài)燃燒試驗爐長6 m，寬2.5 m，高1.9 m，采用輕型纖維復合模塊內襯結構，采用多支沿爐膛軸線布置的熱電偶進行爐溫檢測，氣源為管道天然氣，最大流量200 m3/h，壓力15 000 Pa，助燃風機額定風量5 000 m3/h，風壓13 000 Pa，排煙風機額定排風量6 000 m3/h，風壓2 000 Pa。

圖1 熱態(tài)試驗系統(tǒng)示意圖

對于無焰的形成機制，WüNNING J A 等人[3]的研究顯示，無焰燃燒的實現需滿足兩個條件:①燃料和氧化劑反應之前必須預熱到一定的溫度或爐膛溫度充分高（通常大于800 ℃）；②燃料和氧化劑反應之前必須混合足夠多的煙氣，以保證反應發(fā)生時的低氧濃度。只有當①、②條件同時滿足時，燃燒區(qū)域才會發(fā)生穩(wěn)定的無焰燃燒，此時，由于減少高溫區(qū)域的駐留時間和降低燃燒區(qū)域的氧含量，抑制反應發(fā)生時的火焰溫度以及局部熱點的生成，使在高溫下大量生成的熱力型NO 得到控制[4]。

無焰燃燒的湍流火焰相互作用主要表現為:由于反應物射流動量的增加產生強烈的煙氣再循環(huán)導致反應區(qū)的湍流度要高于傳統(tǒng)火焰，與此同時對反應物的高度稀釋使得化學反應速率降低，即化學反應時間尺度大于湍流時間尺度[5]。本文超低氮排放無焰燃燒器綜合應用燃氣分級及煙氣強制內循環(huán)技術，使得爐內燃燒呈現透明無焰狀態(tài)（見圖2）。

圖2 熱態(tài)試驗研究中有焰及無焰燃燒圖像對比圖

試驗研究表明無焰狀態(tài)的維持需要燃氣保持一定的噴射速度，當遠離設計工況運行，燃氣速度大幅降低后，則無焰狀態(tài)難以維持。燃燒器采用異型燒嘴磚設計，可以充分利用空氣射流動能，形成射流負壓區(qū)強制引入煙氣與空氣預先混合，使其充分稀釋，然后再進入爐膛燃燒空間，燃氣射流亦可在與氧氣發(fā)生燃燒反應前預先引射摻混部分煙氣，從而大幅度降低燃燒反應發(fā)生時的燃氣濃度，實現化學反應較為溫和的透明無焰燃燒，現場無明顯燃燒噪音。

測試爐溫1 200 ℃背景下爐膛軸線溫度分布如圖3 所示。測試結果表明燃燒反應區(qū)最高峰值溫度接近爐氣溫度，相比傳統(tǒng)火焰劇烈燃燒反應區(qū)的最高峰值溫度大幅度降低約150~200 ℃，這主要是由于傳統(tǒng)燃燒火焰反應區(qū)體積較小，火焰區(qū)最高峰值溫度較高；無焰燃燒反應區(qū)體積大幅增加，則火焰最高峰值溫度在爐膛體積內均勻化，無明顯高峰和低谷區(qū)。爐膛軸線溫度場均勻性大幅提升，這有利于提升軋鋼加熱爐鋼坯溫度均勻性，同時避免局部火焰高溫導致的氧化燒損加重，提升鋼坯加熱質量。

圖3 無焰燃燒軸向溫度分布圖

將無焰燒嘴與傳統(tǒng)調焰燒嘴NOx的測試結果進行對比，如圖4 所示。采用無焰燃燒器在降低NOx方面有顯著的效果，相比傳統(tǒng)火焰燃燒NOx生成量降低約60%以上，具備大幅度減排能力。同時隨著爐溫的提升，二者也均體現出NOx逐步升高的趨勢，但無焰燃燒器NOx排放隨著爐溫上升趨勢平緩，而傳統(tǒng)有焰燃燒則在爐溫超過1 200 ℃后NOx有加速上升趨勢，而軋鋼加熱爐爐溫1 200 ℃以上是常見工藝溫度，這也是傳統(tǒng)加熱方式NOx較高的原因，即傳統(tǒng)燃燒器NOx生成敏感溫度區(qū)與軋鋼加熱爐工藝溫度區(qū)間重合。

圖4 傳統(tǒng)調焰燃燒器同無焰燃燒器NOx 生成量（基準氧8%O2）對比圖

同時，針對無焰燃燒器，在典型軋鋼工藝爐溫1 250℃下調節(jié)煙氣中氧含量，以考察NOx隨殘氧濃度的變化趨勢。測試結果表明隨著殘氧濃度的增加，無焰燃燒器在爐溫1 250 ℃不變的情況下，NOx稍有升高，但總體均表現出超低氮排放的特性，如圖5 所示。

圖5 無焰燃燒NOx 成生量（基準氧8%O2）隨殘氧變化關系圖

因此，當軋鋼加熱爐工藝溫度低于1 250 ℃時，如將爐內殘氧控制在合理區(qū)間內，無焰燃燒器可表現出超低氮排放特性。

2 工程應用案例分析

近年來，超低氮無焰燃燒技術在國內外大中型鋼鐵企業(yè)不同類型的加熱爐上得到了成功應用，其NOx排放濃度降低60%～70%，主要典型應用業(yè)績及正常生產工況下的測試NOx數據統(tǒng)計見表1。

表1 典型工程應用統(tǒng)計數據

上述監(jiān)測結果表明加熱爐NOx排放濃度均大幅度優(yōu)于國家鋼鐵行業(yè)超低排放濃度小時均值不大于200 mg/m3的要求，而通過現場調試過程也表明超低氮燃燒技術要想發(fā)揮理想的減排性能，不僅在于燃燒器本身設計方案的優(yōu)化，還在于鋼鐵企業(yè)能夠從日常生產控制角度去合理執(zhí)行。

2.1 產能利用度

目前大部分軋鋼加熱爐還是比例燃燒控制，如實際生產的時候產能過小或者過大，將間接造成低氮燃燒器處于低負荷或者超負荷運行，這對低氮排放不利。超低氮燃燒器作為一種熱工裝備，具有非線性特征，因此，當其遠離設計工況運行時性能下降，不利于保持超低氮排放和爐溫均勻，因此建議對超低氮排放燃燒裝置實行數字化脈沖控制，以適應加熱爐負荷變化和確保燃燒裝置處于最佳工況運行。

2.2 爐內氣氛控制

由于燃燒過程中NOx濃度隨煙氣中殘氧濃度的升高而增加，因此，需要嚴格控制爐內過?？諝庀禂?，低過?？諝庀禂悼纱_保較低的NOx，又能夠減少煙氣帶走的熱量。但空氣消耗系數低于下限，燃料燃燒不充分，導致燃料浪費；空氣消耗系數大于上限，則鋼坯的氧化燒損越大，且過多的煙氣帶走大量的熱量，使燃燒系統(tǒng)熱效率過低，同時造成NOx排放濃度超標。因此，加熱爐爐內的氣氛控制顯得非常重要，直接影響燃料噸耗和鋼材的成材率。目前軋鋼加熱爐操作人員都習慣于從安全角度考慮大風量操作，通常煙氣中殘氧都在3%～5%以上，有些老舊加熱爐由于密封性較差吸入冷風量偏大，遠大于這個數字，對于燃氣燃燒來說既不節(jié)能也不環(huán)保，即使從安全考慮也沒有必要，因此需要結合現場殘氧監(jiān)測制定合理的殘氧控制標準，以確保安全清潔低氮生產。

2.3 燃料成分控制

生產現場存在比較普遍的一個問題還在于燃料氣的成分波動很大，偏離燒嘴設計工況，導致設計參數與現場工況不吻合，熱力NOx也顯著增加，另外不潔凈的煤氣自身還含有不可知的燃料NOx，這些都可能造成NOx排放超標。因此，穩(wěn)定和潔凈的燃料成分對于清潔生產是必要的前提。

2.4 爐溫控制

隨爐溫的升高，超低氮排放燃燒裝置NOx排放濃度也隨之上升，因此，在工藝溫度許可的情況下，宜以較低工藝溫度運行。同時，建議在高溫工藝段采用較低過?？諝庀禂?，而在下游低溫工藝段可補償部分剩余空氣，確?？諝饪偭?，保證燃料燃燒完全。

綜上所述，除拓展超低氮燃燒器的工作范圍，還需從生產角度將影響NOx排放的各類因素控制在合理水平，才能達到理想的超低排放。寶鋼熱軋加熱爐工程采用混合煤氣燃燒，實現在線監(jiān)測NOx排放小于50 mg/m3，表明無焰燃燒，技術具有超低氮排放特性，工程應用采用合理控制技術時能更好發(fā)揮其效果（見圖6）。

圖6 寶鋼2050 熱軋加熱爐在線監(jiān)測NOx 濃度分布圖

3 結論及建議

本文通過熱態(tài)試驗研究了無焰燃燒器的燃燒特性，研究表明無焰燃燒技術具有諸多優(yōu)點，可適用多種燃料如混合煤氣、焦爐煤氣、天然氣等的低氮燃燒。

（1）與傳統(tǒng)的擴散火焰或預混火焰不同，無焰燃燒無可見的火焰前沿鋒面，燃燒反應發(fā)生在一個彌散的寬廣區(qū)域，幾乎在整個爐膛內同時進行，燃燒溫度場分布較傳統(tǒng)火焰更為均勻，燃燒污染物NOx排放濃度大幅度降低。

（2）無焰燃燒的發(fā)生受燃燒器結構、空煤氣分級比例、空煤氣射流流速等多種因素影響。本文的研究結果表明，非軸對稱的偏置結構、較高的二次空氣或者二次煤氣比例、高速的空煤氣射流速度均有利于形成和維持更好的無焰燃燒狀態(tài)。

（3）鋼廠軋鋼加熱爐采用本文開發(fā)的超低氮排放無焰燃燒技術及裝備，通過合理的燃燒控制技術、爐內氣氛優(yōu)化監(jiān)測等合理化運營策略，可顯著降低NOx排放60%以上，表明該工業(yè)級超低氮無焰燃燒技術及裝備值得推廣應用。

本文無焰燃燒技術及裝置目前在國內大中型鋼鐵企業(yè)以及一帶一路沿線如土耳其、印尼、烏茲別克斯坦等國家熱連軋、中厚板、棒線材等軋鋼加熱爐中都獲得了成功應用，適用于脈沖燃燒控制或比例燃燒控制技術，突破現有常規(guī)低氮有焰燃燒技術的限制，實現超低氮排放無焰燃燒技術的工業(yè)規(guī)?；瘧茫跓o需末端治理措施的情況下僅依靠超低氮燃燒控制技術及裝備即可實現NOx源頭治理，引領了工業(yè)爐復雜工況下超低氮排放燃燒技術發(fā)展方向。