低氮煤氣燃燒器在球團(tuán)回轉(zhuǎn)窯低氮達(dá)標(biāo)排放技改中的應(yīng)用

馬曉勇 孟祥龍 吳 敬 蔡長(zhǎng)明

(1.凌源鋼鐵股份有限公司第二煉鐵廠，遼寧 凌源122504；2.襄陽(yáng)中和機(jī)電有限公司，湖北 襄陽(yáng)441000)

0 引言

隨著GB 28662-2012《鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的實(shí)施，氮氧化合物的排放限值將更加苛刻，國(guó)家環(huán)保要求NOx排放濃度在300 mg/Nm3以下[1]?！氨Ｗo(hù)環(huán)境，達(dá)標(biāo)排放”成為球團(tuán)企業(yè)必須承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任和義務(wù)。環(huán)保的壓力加大直接導(dǎo)致制造脫硝設(shè)備運(yùn)行的成本增加，因此，加大技術(shù)創(chuàng)新力度，引進(jìn)新技術(shù)，采用有效降氮措施成為球團(tuán)行業(yè)鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯-環(huán)冷機(jī)生產(chǎn)工藝中達(dá)到環(huán)保降氮要求和降低成本的有效出路。

某公司第二煉鐵廠回轉(zhuǎn)窯為年產(chǎn)200萬(wàn)t的鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯-環(huán)冷機(jī)工藝生產(chǎn)線，原窯頭燃燒器配置的是單燒焦?fàn)t煤氣的四通道氣體燃燒器，在生產(chǎn)過(guò)程中，為保證國(guó)家環(huán)保要求NOx排放濃度在300 mg/Nm3以下的達(dá)標(biāo)排放要求，雖然經(jīng)過(guò)多次熱態(tài)工況包括對(duì)燃燒器的火焰狀況調(diào)整，仍很難保證回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)時(shí)NOx排放濃度值低于排放標(biāo)準(zhǔn)300 mg/Nm3，球團(tuán)窯只能日減產(chǎn)約400 t運(yùn)行，此時(shí)NOx排放濃度基本控制在240～290 mg/Nm3。在這種情況下公司因氮氧化物排放達(dá)標(biāo)要求被動(dòng)減產(chǎn)導(dǎo)致出現(xiàn)一定量的產(chǎn)能需求缺口，只能被迫大量外購(gòu)球團(tuán)，增加了采購(gòu)成本，成為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的一大難題，迫切需要解決。

這種依靠降低產(chǎn)能保證氮氧化物排放達(dá)標(biāo)的生產(chǎn)狀況嚴(yán)重制約球團(tuán)回轉(zhuǎn)窯的正常球團(tuán)生產(chǎn)，降低回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)轉(zhuǎn)效益，因此需要優(yōu)化改進(jìn)，找到一些降氮措施，力求在保證回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)正常生產(chǎn)出滿足市場(chǎng)需求的高質(zhì)量；在無(wú)需外購(gòu)球團(tuán)填補(bǔ)需求缺口的高產(chǎn)量情況下，煙氣中的氮氧化物含量數(shù)值也可以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)以下。

1 氮氧化物的生成機(jī)理

NOx的生成途徑主要有三種，具體情況如下：

1)熱力型NOx：指空氣中的氮?dú)庠诟邷貤l件下氧化而生成的NOx。溫度對(duì)空氣中的氮轉(zhuǎn)化為NOx的數(shù)量有著非常顯著的影響(見(jiàn)圖1)。煙氣溫度越低，NOx的生成量越少；同時(shí)煙氣在高溫區(qū)域停留的時(shí)間越短，則NOx的生成量越少。

圖1 3種類(lèi)型NOx隨溫度的分布圖

2)燃料型NOx：指在燃燒過(guò)程中，燃料中的含氮化合物經(jīng)過(guò)熱分解和氧化而生成的NOx。

3)快速型NOx：指燃料中的碳?xì)浠衔镌谌紵龝r(shí)，由于燃料相對(duì)集中，燃料中的碳?xì)浠衔锔邷胤纸獬傻奶細(xì)潆x子團(tuán)如CH自由基等與空氣中的氮?dú)夥磻?yīng)生成HCN和N，然后以非?？斓乃俣扰c氧氣作用而生成NOx。 通常情況下，快速型NOx所占總的NOx的比例不到5%，故一般不予詳細(xì)研究[2]。

從圖1可以表明，燃燒溫度對(duì)熱力型氮氧化物生成有決定性的作用，當(dāng)燃燒溫度低于1 500 ℃時(shí)，氮氧化物的生成量很少；高于1 500 ℃時(shí)，氮氧化物生成量按指數(shù)規(guī)律迅速增加[3]。

2 煙氣氮氧化物濃度偏高原因分析

該公司第二煉鐵廠回轉(zhuǎn)窯窯頭采用氣體燃燒器，運(yùn)行后的窯尾煙氣經(jīng)脫硫處理，沒(méi)有脫硝設(shè)備運(yùn)行。原來(lái)使用的燃燒器為四通通焦?fàn)t煤氣燃燒器，其端面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，自攏焰罩一側(cè)從外到內(nèi)的通道排布為：軸流風(fēng)、旋流風(fēng)、焦?fàn)t煤氣、中心風(fēng)和點(diǎn)火氣，焦?fàn)t煤氣按一定的擴(kuò)散角經(jīng)旋流器旋流向外噴出，由外鄰的經(jīng)旋流器螺旋擾動(dòng)的旋流風(fēng)傳給相當(dāng)高的動(dòng)量和動(dòng)量矩，以高速度螺旋前進(jìn)，并繼續(xù)向外徑向擴(kuò)散，與高速射出的軸流風(fēng)束相遇。軸流風(fēng)束的插入進(jìn)一步增強(qiáng)了氣體燃料與空氣的混合(包括周?chē)亩物L(fēng))，可根據(jù)風(fēng)量的大小和軸流風(fēng)旋流風(fēng)的出口截面積的大小調(diào)節(jié)來(lái)控制火焰的發(fā)散程度，能按實(shí)際生產(chǎn)熱工需要調(diào)節(jié)火焰的長(zhǎng)短、粗細(xì)，達(dá)到需要的火焰形狀。但是焦?fàn)t煤氣中的高比例氫氣的燃燒特性決定了這種結(jié)構(gòu)的燃燒方式易產(chǎn)生高溫集中情況，很容易造成火焰區(qū)域的局部溫度達(dá)到1 500 ℃以上，這樣就比較容易產(chǎn)生較高比例的熱力型的氮氧化物。

圖2 原用燃燒器端面結(jié)構(gòu)

考慮到熱力型氮氧化物的生成機(jī)理，其生成是在高溫下由氧原子撞擊氮分子而發(fā)生反應(yīng)的結(jié)果，尤其是在溫度達(dá)1 500 ℃以上燃燒情況，因此這種燃燒情形產(chǎn)生熱力型氮氧化物的主要影響因素是溫度和空氣過(guò)剩系數(shù)[3]，在操作上采取了適當(dāng)降低焙燒溫度和一次助燃風(fēng)量的措施，逐漸將一次助燃風(fēng)量由7 000 m3/h降低到6 200 m3/h。調(diào)整后，NOx排放濃度略有降低，基本控制在240～290 mg/Nm3，基本能夠滿足環(huán)保排放要求，但卻造成回轉(zhuǎn)窯整個(gè)熱態(tài)工況系統(tǒng)溫度降低，預(yù)熱二段溫度由原1 020 ℃左右逐漸降低到980 ℃左右，這樣就使入窯生球的干燥、預(yù)熱和焙燒效果變差，入窯生球強(qiáng)度差，破碎入窯的球團(tuán)粉料量增大，使得在生產(chǎn)過(guò)程中回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈頻次加劇，進(jìn)一步影響了回轉(zhuǎn)窯的球團(tuán)的生產(chǎn)質(zhì)量。同時(shí)加劇的回轉(zhuǎn)窯窯體耐材表面結(jié)圈使得耐火材料使用壽命降低，對(duì)回轉(zhuǎn)窯長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)許多不利影響。

為保證回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)時(shí)使用焦?fàn)t煤氣為燃料時(shí)NOx排放濃度值達(dá)標(biāo)，球團(tuán)回轉(zhuǎn)窯經(jīng)多次熱態(tài)工況包括對(duì)燃燒器的火焰狀況調(diào)整摸索，最終也很難做到達(dá)產(chǎn)(達(dá)產(chǎn)運(yùn)行產(chǎn)量6 000 t/d)運(yùn)行，只能每日產(chǎn)量減產(chǎn)約400 t運(yùn)行，此時(shí)NOx排放濃度基本可控制在240～290 mg/Nm3，在這種情況下導(dǎo)致出現(xiàn)一定量的產(chǎn)能需求缺口該公司只能被迫大量外購(gòu)球團(tuán)，成為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的一大難題。

從以上的運(yùn)行和調(diào)整后的結(jié)果看，如果能在燃燒過(guò)程中采取措施有效降低熱力型氮氧化物生成量，應(yīng)當(dāng)能夠大幅降低煙氣中的氮氧化物的濃度值，并且還能有效保證回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)生產(chǎn)的產(chǎn)質(zhì)量達(dá)標(biāo)要求。所以計(jì)劃在窯頭使用的燃燒器上采取降氮技術(shù)措施，通過(guò)燃燒器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，以及增加低熱值煤氣用量的方式，以偏重于細(xì)長(zhǎng)火焰形狀的方式從降低高溫集中區(qū)域溫度方向減少熱力型的氮氧化物的生成比例，決定采用針對(duì)性設(shè)計(jì)的低氮型燃燒器。

3 低氮燃燒器的低氮技術(shù)措施

基于以上分析和技改方向，該公司與其合作公司通過(guò)校企合作與華中科技大學(xué)進(jìn)行了模擬仿真實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)圖3、圖4)，焦?fàn)t煤氣理論燃燒溫度可達(dá)2 000 ℃以上，而高爐煤氣的理論燃燒溫度約為1 450 ℃，當(dāng)混燒以上兩種煤氣時(shí)，理論燃燒溫度可大幅降低，有利于降低熱力型氮氧化物的生成。因此，在對(duì)煤氣及各風(fēng)機(jī)能力進(jìn)行理論核算后，將燃燒器由單燒焦?fàn)t煤氣改為燒焦?fàn)t和高爐兩種煤氣，其中設(shè)計(jì)焦?fàn)t煤氣用量在8 000≈10 000 Nm3/h，高爐煤氣用量在8 000≈9 000 Nm3/h。

圖3 各助燃風(fēng)比例變化時(shí)的火焰熱場(chǎng)工況

圖4 軸向切面氮氧化物(總的和熱力型)分布

在煤氣成分一定，燃料型氮氧化物不可控情況下，為進(jìn)一步穩(wěn)定降低熱力型NOx的生成需要在設(shè)計(jì)低氮燃燒器時(shí)采取以下主要措施[4]：

1)摻入一定量的低熱值煤氣形成分級(jí)燃燒效果，降低燃燒溫度，避免局部高溫。

2)通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)保證細(xì)長(zhǎng)火焰形狀，不形成高溫集中現(xiàn)象，延緩煤氣與助燃風(fēng)的混合劇烈程度，降低高溫區(qū)域的氧氣濃度，適量減少助燃風(fēng)的用量。

3)穩(wěn)焰和煙氣回流的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低燃燒中心區(qū)域的氧氣濃度，加強(qiáng)火焰內(nèi)焰中心區(qū)域的還原氣氛將已經(jīng)生成的NOx再還原成N2。

由此根據(jù)需要針對(duì)性地通過(guò)以下方式對(duì)多通道燃燒器優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)降氮：

1)在保證熱能和焙燒溫度需求和球團(tuán)成品質(zhì)量情況下，增加摻燒低熱值煤氣如高爐煤氣的用量可以有效降低熱力型氮氧化物的產(chǎn)生。

2)通過(guò)各通道內(nèi)外出口的錐度和速度合理設(shè)計(jì)，延緩氣體燃料尤其是焦?fàn)t煤氣燃料與助燃風(fēng)的混合，組織氣體燃料與助燃風(fēng)的混合燃燒均勻平和，不產(chǎn)生劇烈燃燒現(xiàn)象和過(guò)高的熱力集中點(diǎn)，從而形成細(xì)長(zhǎng)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。

3)減小窯頭一次助燃風(fēng)配比，采用12≈15%低比例的一次助燃風(fēng)比例，在實(shí)際生產(chǎn)使用時(shí)甚至?xí)_(dá)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(guò)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。

4)合理的較快速度的軸流風(fēng)和旋流風(fēng)的大推力推送，中心風(fēng)端蓋板的鈍體效應(yīng)，以及中心風(fēng)的回流外推作用，可有效縮短高溫?zé)煔庠诟邷貐^(qū)內(nèi)的停留時(shí)間，減少煙氣中N2的參與氧化的機(jī)會(huì)，從而降低熱力型NOx的生成。

該公司在確定混燒焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣后，對(duì)燃燒器結(jié)構(gòu)進(jìn)行變更優(yōu)化(詳見(jiàn)圖5、圖6)。由原四通道氣體燃燒器改為五通道氣氣混燒燃燒器，不但可滿足工藝焙燒溫度，而且焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣與一次助燃風(fēng)和二次助燃風(fēng)混合良好，攏煙罩形成的碗狀效應(yīng)收攏火焰，使煤氣燃燒火焰狀態(tài)穩(wěn)定，形狀規(guī)整，火焰不產(chǎn)生過(guò)高的峰值溫度和局部高溫，溫度分布均勻合理。從設(shè)計(jì)改進(jìn)措施上力求減少熱力型氮氧化物的生成比例。

圖5 原四通道氣體燃燒器火焰中各種氣流流動(dòng)示意圖

圖6 優(yōu)化后的五通道氣體燃燒器火焰中

優(yōu)化后的燃燒器工作原理：燃料焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣分別從各自的通道行進(jìn)至頭部端口部，按一定的擴(kuò)散角經(jīng)旋流器旋流向外噴出，由外鄰的旋流風(fēng)傳給相當(dāng)高的動(dòng)量和動(dòng)量矩，以高速度螺旋前進(jìn)，并繼續(xù)徑向擴(kuò)散，與高速射出的軸流風(fēng)束相遇。軸流風(fēng)束的插入進(jìn)一步保證了燃料與引射進(jìn)入的助燃空氣的按需混合，能按實(shí)際生產(chǎn)熱態(tài)工況需要調(diào)節(jié)火焰的長(zhǎng)短、粗細(xì)，達(dá)到需要的火焰形狀。其中心部分的中心風(fēng)除起穩(wěn)流的作用外，還能使中心部分的燃料及CO燃燒提供適量的氧氣，使燃燒更為充分；中心風(fēng)的回流外推作用，可有效縮短高溫?zé)煔庠诟邷貐^(qū)內(nèi)的停留時(shí)間，減少煙氣中N2的參與氧化的機(jī)會(huì)，有效降低熱力型的氮氧化物的生成。優(yōu)化技改后頭部實(shí)物圖見(jiàn)圖7。

圖7 技改后頭部實(shí)物圖

4 取得優(yōu)化效果及效益

4.1 優(yōu)化效果

使用新的低氮燃燒器后，燃燒器火焰形狀規(guī)整細(xì)長(zhǎng)，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，燃燒器火焰燃燒狀態(tài)明顯改善，由改造前的發(fā)散、飄短變?yōu)榉€(wěn)定，形狀規(guī)整，焙燒溫度恢復(fù)到正常水平，預(yù)熱二段溫度穩(wěn)定達(dá)到1 020 ℃，入窯生球強(qiáng)度有效提高，入窯破碎率小，窯內(nèi)粉料少，結(jié)圈情況也比以前大幅改善，回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的球團(tuán)礦產(chǎn)量提高，氮氧化物排放濃度顯著降低，不會(huì)因超標(biāo)限產(chǎn)和降產(chǎn)運(yùn)行，成功實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，具體結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 燃燒器改造前后指標(biāo)對(duì)比表

4.2 效益

改造后，排放煙氣中的氮氧化物濃度降低，已不再是產(chǎn)量的制約性因素。球團(tuán)礦產(chǎn)量有較大提升空間，按目前日增產(chǎn)328 t計(jì)算，年降低球團(tuán)礦固定費(fèi)用約300萬(wàn)元，同時(shí)還可降低煤氣和電等能源消耗，減緩回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈、延長(zhǎng)耐火材料使用壽命，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，氮氧化物排放濃度降低，減少對(duì)大氣的污染，具有顯著的環(huán)保效益。

5 結(jié)語(yǔ)

在球團(tuán)行業(yè)鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯-環(huán)冷機(jī)生產(chǎn)工藝中，球團(tuán)回轉(zhuǎn)窯上使用的多通道低氮燃燒器可以響應(yīng)環(huán)保低氮排放要求，通過(guò)采用高爐和焦?fàn)t煤氣兩種氣體燃料混燒的新型低氮?dú)怏w燃燒器，根據(jù)NOx的熱力型和瞬時(shí)型生成機(jī)理[4]，利用有效降氮的技術(shù)措施改進(jìn)于燃燒器上，可以有效降低窯尾煙氣中的氮氧化物排放濃度，攻克了回轉(zhuǎn)窯氮氧化物排放因?yàn)槌瑯?biāo)制約生產(chǎn)的難題，是國(guó)內(nèi)年產(chǎn)200萬(wàn)t回轉(zhuǎn)窯低氮生產(chǎn)技術(shù)的一次重大創(chuàng)新，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。