退火爐低氮燃燒技術(shù)研究與應(yīng)用

王 濤

(上海梅山鋼鐵股份有限公司冷軋廠,江蘇 南京 210039)

目前鋼鐵企業(yè)帶鋼連續(xù)熱處理爐加熱段一般采用燃?xì)廨椛涔苓M(jìn)行加熱,燃?xì)馀c助燃空氣在輻射管內(nèi)燃燒,通過熱輻射對(duì)帶鋼進(jìn)行加熱。燃?xì)庠谌紵^程中產(chǎn)生的NOx對(duì)環(huán)境危害大,又很難處理,還能形成光化學(xué)煙霧和酸雨,因此必須抑制燃燒過程中NOx的生成。NOx鋼鐵企業(yè)排放指標(biāo)限值為300 mg/m3,而部分地區(qū)(如江蘇省)實(shí)行超低排放標(biāo)準(zhǔn)為<200 mg/m3。

1 氮氧化物產(chǎn)生機(jī)理

NOx的產(chǎn)生主要有3種形式,具體如下:

(1)燃料型NOx:燃料中含氮有機(jī)物在燃燒中氧化而成,在600～800 ℃時(shí)就會(huì)產(chǎn)生燃料型NOx。

(2)快速型NOx:燃料揮發(fā)物中碳?xì)浠衔锖涂諝庵械獨(dú)夥磻?yīng)產(chǎn)生HCN和N,再進(jìn)一步與氧氣作用以極快的速度產(chǎn)生NOx。

(3)熱力型NOx:燃料燃燒時(shí),空氣中的氮在高溫下發(fā)生氧化反應(yīng),>1 400 ℃時(shí),每增加100 K,反應(yīng)速率增大6～7倍。對(duì)于W型輻射管,距離燒嘴噴口0～1 000 mm范圍是NOx生成的主要區(qū)域。在此區(qū)域輻射管內(nèi)氣體燃燒溫度較高,并且分布較為集中。在空氣系數(shù)大于l的火焰(燃料稀薄的火焰)中,NOx的生成主要是在火焰帶的下游進(jìn)行。NOx的生成速度可用式(1)計(jì)算,此式適用于空氣過剩的預(yù)混合火焰[1]:

(1)

式中:c[O2]、c[N2]、c[NO]分別為O2、N2、NOx的摩爾濃度,mol/cm3;T為絕對(duì)溫度,K;t為時(shí)間,s;R為通用氣體常數(shù),J/(mol·K)。

由式(1)可知,NOx的生成速度受以下因素影響:

(1)O2濃度:NOx的生成速度在空氣系數(shù)等于1附近最大,遠(yuǎn)離1時(shí),生成速度急劇下降。

(2)火焰溫度:NOx的生成反應(yīng)在燃燒溫度低于1 500 ℃時(shí)幾乎觀測(cè)不到;在溫度高于1 600 ℃時(shí),這一反應(yīng)才變得明顯,并且隨著溫度升高,反應(yīng)速度按指數(shù)規(guī)律迅速增加。

(3)在高溫區(qū)停留時(shí)間:停留時(shí)間越長(zhǎng),NOx的生成量越多。

2 低氮燃燒技術(shù)

減少氮氧化物生成量的根本在于降低火焰燃燒峰值溫度和燃燒區(qū)氧含量,目前主要有以下4方面技術(shù):

(1)助燃空氣預(yù)熱;

(2)分級(jí)燃燒;

(3)煙氣回流二次燃燒;

(4)無焰燒嘴。

2.1 助燃空氣預(yù)熱技術(shù)

用燃燒煙氣對(duì)助燃空氣進(jìn)行預(yù)熱,縮短了混合燃燒的時(shí)間,且隨著預(yù)熱溫度的提高,輻射管表面溫度分布的不均勻性逐漸降低,有利于減少NOx。

傳統(tǒng)的輻射管煙氣余熱靠燒嘴自身簡(jiǎn)單的單級(jí)式換熱器來預(yù)熱助燃空氣,然而,在這種情況下,由于受單個(gè)輻射管體積的限制,以及空氣壓力降和燃燒產(chǎn)物的影響,空氣預(yù)熱到400 ℃已經(jīng)是極限值了,目前,進(jìn)一步利用煙氣余熱方式主要有以下兩種:兩級(jí)換熱及蓄熱式燒嘴。

2.1.1 兩級(jí)換熱技術(shù)

一般的輻射管燒嘴在排煙側(cè)放置1個(gè)換熱器,將煙氣排放溫度降到650 ℃左右;兩級(jí)換熱式燒嘴在煙氣排放端再設(shè)置1個(gè)換熱器,可將煙氣排放溫度進(jìn)一步降低到500 ℃以下,獲得更高的空氣預(yù)熱溫度。

寶鋼股份冷軋廠C312機(jī)組輻射管采用二級(jí)空氣預(yù)熱,一級(jí)空氣預(yù)熱器為套管式,空氣最終預(yù)熱溫度接近600 ℃,如圖1所示。

圖1 C312機(jī)組輻射管二級(jí)空氣預(yù)熱系統(tǒng)

寶鋼股份冷軋廠C308機(jī)組于2013年改造,輻射管采用二級(jí)空氣預(yù)熱,一級(jí)空氣預(yù)熱器為盤管式,空氣最終預(yù)熱溫度接近700 ℃,如圖2所示。

圖2 C308機(jī)組輻射管二級(jí)空氣預(yù)熱系統(tǒng)

2.1.2 蓄熱式燒嘴技術(shù)

蓄熱式輻射管工作原理:1個(gè)蓄熱燒嘴單元由2個(gè)燒嘴、2個(gè)蓄熱體、氣體切換閥和相關(guān)控制系統(tǒng)組成,燒嘴和蓄熱體成對(duì)出現(xiàn)。當(dāng)燒嘴A工作時(shí),所產(chǎn)生的大量高溫?zé)煔饨?jīng)由燒嘴B排出,與蓄熱體換熱后,可將排煙溫度降低到200 ℃以下,這主要取決于蓄熱體的蓄熱容量和蓄熱速率。一定的時(shí)間間隔后,切換閥使燃燒空氣通過燒嘴B的蓄熱體,空氣將立刻被預(yù)熱到煙氣溫度的80%～90%以上。燒嘴B啟動(dòng)的同時(shí),燒嘴A停止工作,而轉(zhuǎn)換為排煙和蓄熱裝置。通過這種交替運(yùn)行方式,實(shí)現(xiàn)所謂“極限余熱回收”和燃燒空氣的高溫預(yù)熱。同時(shí),余熱回收方式也從以往的集中式改進(jìn)為分散式回收方式,溫度控制更易實(shí)現(xiàn),如圖3所示。

圖3 蓄熱式燒嘴系統(tǒng)

蓄熱式燒嘴高溫空氣燃燒火焰的峰值溫度降低,溫度場(chǎng)分布均勻以及采用低過剩空氣系數(shù)燃燒降低了燃燒氣氛的含氧量,熱力型NOx的形成受到抑制。

2.2 分級(jí)燃燒技術(shù)

熱力型NOx的生成很大程度上取決于燃燒溫度。燃燒溫度在當(dāng)量比為1的情況下達(dá)到最高,在貧燃或者富燃的情況下進(jìn)行燃燒,燃燒溫度會(huì)下降很多。運(yùn)用該原理開發(fā)出了分級(jí)燃燒技術(shù),包括空氣分級(jí)以及燃料分級(jí)。這兩種方法最終將會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的過量空氣系數(shù)保持一個(gè)定值,為目前普遍采用的低氮燃燒控制技術(shù)[2]。

(1)空氣分級(jí)燃燒:第一級(jí)是富燃料燃燒,在第二級(jí)加入過量空氣,為貧燃料燃燒,兩級(jí)之間加入空氣冷卻以保證燃燒溫度不至于太高。

(2)燃料分級(jí)燃燒:與空氣分級(jí)燃燒正好相反,第一級(jí)為燃料稀相燃燒,而在第二級(jí)加入燃料使得當(dāng)量比達(dá)到要求的數(shù)值。

分級(jí)燃燒技術(shù)可有效降低燃燒溫度水平,消除火焰局部高溫?zé)霟釁^(qū),避免了高溫區(qū)集中使得NOx濃度減少。

2.3 煙氣回流二次燃燒技術(shù)

燃燒溫度的降低可以通過在火焰區(qū)域加入煙氣來實(shí)現(xiàn),加入的煙氣吸熱從而降低了燃燒溫度。通過將煙氣的燃燒產(chǎn)物加入到燃燒區(qū)域內(nèi),不僅降低了燃燒溫度,減少了NOx生成,同時(shí)加入的煙氣降低了氧氣的分壓,這將減弱氧氣與氮?dú)馍蔁崃π蚇Ox的過程,從而減少NOx的生成。P型輻射管就是采用的煙氣回流二次燃燒技術(shù),如圖4所示。

圖4 雙P輻射管燃燒系統(tǒng)

某鋼鐵企業(yè)硅鋼SACL機(jī)組通過燒嘴改造,加大煙氣回流量,降低火焰極值溫度,煙氣中NOx含量由之前的200 mg/m3降低到80 mg/m3。

2.4 無焰燒嘴技術(shù)

無焰燒嘴又稱全預(yù)混式燒嘴,實(shí)際助燃空氣量大于或等于理論空氣量,即空氣消耗系數(shù)≥1,在工作時(shí),燃?xì)馀c空氣預(yù)先在燒嘴內(nèi)部均勻混合,然后再通入燃燒室內(nèi)進(jìn)行燃燒。燃燒火焰短而且燃燒充分,無明顯火焰鋒面。由于燃燒速度很快,火焰短而透明,無明顯輪廓,所以叫無焰燃燒,如圖5所示。

圖5 無焰燒嘴

在傳統(tǒng)有焰燃燒模式下,化學(xué)反應(yīng)集中在一個(gè)比較狹小的火焰面進(jìn)行,造成溫度分布不均勻,火焰鋒面溫度高,必然導(dǎo)致熱力型NOx的大量生成,有焰燃燒中,若將火焰拉長(zhǎng)可以使熱量分散,有利于降低氮氧化物。而無焰燃燒,火焰小而分散,近似看不見火焰,無明顯鋒面,燃燒區(qū)域溫度分布均勻,污染排放低,無焰燒嘴可實(shí)現(xiàn)氮氧化物低于60 mg/m3。

3 結(jié)論

隨著退火爐輻射管燒嘴技術(shù)的不斷進(jìn)步,高效環(huán)保將是下一代輻射管燒嘴的重點(diǎn)發(fā)展方向。在低氮燃燒技術(shù)方面,目前行業(yè)成熟應(yīng)用的主要有助燃空氣預(yù)熱技術(shù)及分級(jí)燃燒技術(shù)。而新一代蓄熱式無焰燒嘴將蓄熱式燒嘴與無焰燒嘴技術(shù)有效結(jié)合,較常規(guī)輻射管燒嘴熱效率提升12%左右,同時(shí)排放煙氣中氮氧化物低于60 mg/m3。