高效低氮燃燒器在球團回轉(zhuǎn)窯的應用

姚永江 蔡長明劉 勇

(1.日照鋼鐵球團，山東 日照 276800；2.襄陽中和機電技術有限公司(武漢)研發(fā)中心，湖北 武漢 430000)

0 引言

隨著GB 28662-2012《鋼鐵燒結、球團工業(yè)大氣污染物排放標準》的實施，氮氧化合物的排放限值將更加苛刻?！氨Ｗo環(huán)境，達標排放”將成為球團企業(yè)所必須承擔的社會責任和義務，但是由此環(huán)保的壓力將直接導致制造成本增加。因此，加大技術創(chuàng)新，引進新技術，采用高效低氮燃燒器將會成為球團行業(yè)鏈回環(huán)生產(chǎn)工藝生產(chǎn)中達到環(huán)保降氮要求和降低成本的有效出路。

某廠鋼鐵球團兩條鏈回環(huán)回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)為60萬t/a生產(chǎn)線，由于窯尾無脫硝裝置，原燃燒器為煤氣混燒型燃燒器，火焰形狀發(fā)散不規(guī)整，粗短，調(diào)整直流風、旋流風對燒嘴火焰的調(diào)整和高溫區(qū)間的拉伸變化不明顯。窯中位置容易形成結圈且不易掉落，每次停機清理對窯內(nèi)耐材造成剝蝕明顯?；鹧骈L短粗細不能在線方便調(diào)整。需要進行必要的技術改造，決定更換選用襄陽中和機電技術有限公司設計生產(chǎn)的SR2型高效低氮燃燒器。

1 燃燒器的高效和降氮原理

燃燒器通道排布從外至內(nèi)，依次為軸流風通道、旋流風通道、轉(zhuǎn)爐煤氣通道、煤風通道、中心風通道，見圖1。將轉(zhuǎn)爐煤氣通道布置在軸流風、旋流風以內(nèi)，從而使火焰中心的燃料富集，燃燒主要集中在火焰中心區(qū)域，形成燃料密集型燃燒，在氧濃度較低的環(huán)境下低氮燃燒。

圖1 高效低氮燃燒器頭部示意

軸流風、旋流風出口截面積可調(diào)。不同的燃料特性、不同的燃料量，需要不同的助燃風量和混合速度，燃燒器可實現(xiàn)在助燃風量不變的情況下改變軸、旋流風出口速度，也可實現(xiàn)在出口速度不變的情況下改變軸旋流風風量，以達到燃料最佳燃燒速度和最高燃燒效率及最低一次風率，有利于降低熱耗同時最大限度滿足回轉(zhuǎn)窯對火焰的溫度分布要求。

燃燒器設計有中心風，中心風不但起到控制火焰內(nèi)回流區(qū)的遠近和大小及穩(wěn)定火焰的作用，同時防止高溫粉塵粘結在燃燒器頭部堵塞燃燒器出口而影響火焰形狀。

燃燒器頭部設計攏焰罩，攏焰罩長度適當加長，使火焰一開始形成碗狀效應，沒有強渦流，火焰溫度分布更加均勻平緩，避免高溫峰值的形成，有利于降低熱力型氮氧化物。

軸、旋流風波紋補償器采用最新的棘輪調(diào)節(jié)裝置，單手即可操作，可實現(xiàn)在線輕松調(diào)整，方便快捷。

在目前燃料型氮氧化物不可控情況下，為進一步穩(wěn)定降低熱力型NOx的生成需要采取如下主要措施：

1)降低燃燒溫度，避免局部高溫；

2)降低氧氣濃度；

3)降低燃燒器出口部分燃燒中心的氧氣濃度，加強局部還原氣氛將已經(jīng)生成的NOx再還原成N2。

如此則需要針對性地通過以下方式來實現(xiàn)降低熱力型氮氧化物的方式實現(xiàn)降氮：

1)通過各通道內(nèi)外出口的錐度和速度合理設計，延緩燃料與助燃風的混合，組織燃料與助燃風的混合燃燒均勻平和，不產(chǎn)生劇烈燃燒現(xiàn)象和過高的熱力集中點，從而形成細長規(guī)則有剛度的火焰形狀，控制燃燒溫度在1 500 ℃以下，避免局部高溫。

2)減小一次助燃風配比，采用12%～15%低比例的一次助燃風比例，有時生產(chǎn)使用時甚至會達到10%的低比例，使在火焰最大直徑處的高溫區(qū)處氧氣濃度很低或處于微還原氣氛，通過抑制NOx生成和再還原回N2的方式，有效降低熱力型NOx的生成。

3)合理的較快速度的軸流風和旋流風的大推力推送以及中心風的回流外推作用，可有效縮短高溫煙氣在高溫區(qū)內(nèi)的停留時間，減少煙氣中N2的參與氧化的機會，從而降低熱力型NOx的生成。

4)為進一步降低窯頭燃燒溫度，可考慮增加使用鏈箅機輔燒，從而不影響產(chǎn)質(zhì)量和低氣耗情況下有效再降低部分氮氧化物生成。

2 改造過程

原燃燒器為煤、氣混燒型燃燒器，當全燒轉(zhuǎn)爐煤氣時，火焰會短粗，不能在線調(diào)整火焰形狀，燒成帶短，在窯頭不遠的地方火焰會有很亮的高溫點，容易結圈且不掉圈，影響回轉(zhuǎn)窯的運轉(zhuǎn)率和相應的電耗。有一部分轉(zhuǎn)爐煤氣在窯頭難以完全燃燒，被抽風至回轉(zhuǎn)窯尾部燃燒，致使窯尾溫度偏高。結合現(xiàn)場實際情況和要求，進行了如下的相應改造：

1)轉(zhuǎn)爐煤氣熱值降低以后，火焰溫度會降低50～80 ℃，影響成品球團的強度指標，加裝鏈箅機輔助燒嘴，提高預熱二段煙室溫度，增加入窯生球強度，減輕窯頭燒成壓力。鏈箅機輔助燒嘴為平焰氣體燃燒器，安裝于鏈箅機預熱二段的靠近窯尾端的兩面?zhèn)葔ι希此膫€輔燒配置，每個燃燒能力為400～600 m3/h，兩兩錯開，交錯向后排開安裝，燃燒器燃燒火焰出口氣流速度達20 m/s以上,有很高水平前送的硬度，能直接送至箅床中間，不使火焰直接下降至側(cè)墻下部，造成溫度不均勻，確保鏈箅機預熱二段的溫度場均勻且能有效提高入窯生球強度。另外設計窯頭燃燒器時要加強窯頭氣體燃料與助燃風的混合，使火焰剛勁有力，細長規(guī)整，使球團在較長的燒成帶內(nèi)多停留焙燒也可有效提高成品球強度。從而保證在轉(zhuǎn)爐煤氣熱值降低和回轉(zhuǎn)窯熱工狀態(tài)穩(wěn)定情況下仍能生產(chǎn)出與原來質(zhì)量相當?shù)那驁F成品。

2)更換窯頭燃燒器為SR2型高效低氮的多通道煤、氣混燒燃燒器，火焰長度可達：15～20 m，長短粗細可通過本體上的調(diào)節(jié)閥門以及波紋補償器進行在線調(diào)節(jié)在線調(diào)節(jié)方便，它可在線調(diào)節(jié)各風道出口截面積，從而改變噴出速度，達到調(diào)節(jié)火焰形狀和強弱的目的。

3)更換原有窯頭燃燒器所配置的流量：333 m3/min，升壓：5 kPa的離心風機為低風量高風壓的羅茨風機，風量為75.5 m3/min，風壓為：19.6 kPa，少送入一次風，有效節(jié)能降耗。

4)在窯頭燃燒器上增加一個煤粉通道，當焙燒溫度偏低影響球團抗壓強度質(zhì)量的時候，噴入適量煤粉，用以提高焙燒溫度。

更改前后的現(xiàn)場圖片對比見圖2。

圖2 更改前后的現(xiàn)場照片(左為更改前)

3 設計原理和現(xiàn)場應用調(diào)整

氮氧化物的生成途徑有三種：

1)熱力型NOx,指空氣中的氮氣在高溫下氧化而生成NOx，一般占比20%～30%左右。熱力NOx的生成和溫度關系很大，在溫度足夠高時，熱力型NOx反應速率按指數(shù)規(guī)律增加。當T<1 500 ℃時NOx的生成量不大，而當T>1 500 ℃時氮氧化物生成速度成倍增長。

2)快速型NOx，指燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團如CH等反應生成NOx，一般占比5%左右；

3)燃料型NOx，指燃料中含氮化合物在燃燒過程中進行熱分解，繼而進一步氧化而生成NOx，在NOx生成中占比達：50%～70%。如果轉(zhuǎn)爐煤氣燃料中含有如NH3、HCN、吡啶、喹啉等含氮組分高但又難檢測的成分，由含氮組分燃燒容易生成大量的NOx，會出現(xiàn)氮氧化物濃度波動且超標情形。

根據(jù)現(xiàn)場情況，燃燒器調(diào)試后實際窯尾氮氧化物排放數(shù)值一般在45 mg/m3以下(18%基準氧含量)，有時會有少量波動，分析是因為煤氣燃料中的含氮組分高波動以及燃燒器的特有多通道有效完全混合結構造成的局部高溫導致一定量熱力型NOx的生成引起的數(shù)值增大波動。

在針對性設計燃燒器的過程中為保證燃料的充分燃燒和低氮排放效果，把握的總設計原則是：使在燃燒器內(nèi)部或出口射流的空氣分級，控制燃料與助燃空氣的混合過程和速度，使燃燒推遲，延長火焰行程，拉長燒成帶，配上合理的較長尺寸攏焰罩攏焰效果降低火焰峰值溫度，從而減少熱力型NOx生成量。有效降低主燃燒區(qū)域的氧量水平，通過分級送入燃燒助燃空氣，煤粉或煤氣在缺氧條件下熱解燃燒，促使燃燒氮N2向分子氮的轉(zhuǎn)化。提高煙氣回流強度，設置一個大尺寸的穩(wěn)焰中心風端蓋板，使回流區(qū)域中的氮氧化物在缺氧的還原氣氛下進一步還原回氮氣成分，后燃的煤氣燃料在再燃區(qū)持續(xù)燃燒，與主燃區(qū)生成煙氣及未燃盡碳?；旌?，形成還原性氣氛，此反應區(qū)域為易產(chǎn)生高溫的燃燒器出口部分區(qū)域，不影響球團窯窯中氧化燒成帶的氧化氣氛，此區(qū)域生成熱力型氮氧化物比例高，此處的總的過量空氣系數(shù)小于1。燃料中的C、CO、烴以及部分還原性氮，將NOx還原成分子氮，如下式反應，從而進一步降低煙氣中的NOx濃度。

(1)

(2)

SR2型高效低氮燃燒器自2019年12月以來分別投入兩條球團回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線使用后，調(diào)整方向上主要以形成細長火焰為主，在成品球質(zhì)量保證情況下，一次助燃風機通過放風處理，盡可能少用窯頭的一次助燃風機的風量，增大軸流風的截面積調(diào)整，減少旋流風的截面積，減小火焰旋流強度，形成均勻細長柔順的火焰形狀。在實際使用過程中，軸流風的風壓保證在：8～12 kPa，旋流風的風壓保證在：5～8 kPa，中心風的風壓保證在：4～6 kPa。

4 應用效果

現(xiàn)場使用的轉(zhuǎn)爐煤氣的低位熱值為：1 300～1 400 kcal/m3，接點壓力為：4～10 kPa。

使用新的高效低氮燃燒器后，燃燒器火焰形狀規(guī)整細長，在線調(diào)整方便靈活，窯內(nèi)氣氛通透，熱工狀態(tài)易于控制，球團產(chǎn)質(zhì)量均達到更換前良好狀態(tài)，噸球熱耗比原來有效降低15%～20%，窯尾煙氣中的氮氧化物排放也一直穩(wěn)定在達標排放的<50 mg/m3的標準(基準氧含量18%),見表1。

表1 回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計

高效低氮燃燒器火焰形狀和煅燒溫度適合球團窯的煅燒工況，結合合適的生球球團配料工藝和穩(wěn)定的窯系統(tǒng)操作，成品球團的質(zhì)量如成球強度和亞鐵含量轉(zhuǎn)鼓指數(shù)指標均達標，所以備用煤粉通道一直沒有使用即可滿足球團窯的正常生產(chǎn)。通過將近幾個月的生產(chǎn)實踐證明，SR2高效低氮燃燒器在年產(chǎn)60萬t球團回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線上的應用是成功的，在節(jié)能降耗和低氮氧化物排放方面均獲得滿意的效果。

5 結語

在球團行業(yè)鏈回環(huán)生產(chǎn)工藝生產(chǎn)中，球團回轉(zhuǎn)窯上使用的多通道燃燒器可以響應環(huán)保低氮排放要求，選用高效低氮型燃燒器，根據(jù)NOx的熱力型和瞬時型生成機理[1]，通過降低在高溫區(qū)的停留時間、降低峰值火焰溫度、通過稀釋降低絕熱火焰溫度、降低燃燒強度、增強火焰的冷卻、控制或延遲燃料和空氣混合、利用富燃料火焰區(qū)域、減少煙氣在高溫區(qū)的停留時間、降低燃燒區(qū)域氧濃度、降低整體氧濃度、形成富燃料的初始火焰區(qū)域。這些措施，在設計時加以針對性，在生產(chǎn)過程中根據(jù)需要合理控制，可以實現(xiàn)低氮排放，而且節(jié)能降耗。