焦爐循環(huán)煙氣加熱技術控制氮氧化物生成的研究與實踐

王明 楊智偉 劉衍棋

摘 要：闡述循環(huán)煙氣加熱技術在焦爐生產(chǎn)過程中改變了燃燒機理，使焦爐燃燒室垂直溫度分布均勻，降低焦爐生產(chǎn)標準溫度，從而控制氮氧化物的生成，分析循環(huán)煙氣燃燒模式變化帶來的節(jié)能減排效果；介紹將該技術應用于焦化生產(chǎn)實踐所增加的工藝控制點、設備配置情況及其產(chǎn)生的效果。

關鍵詞：循環(huán)煙氣加熱；垂直溫度分布；低氮燃燒；超低排放

RESEARCH AND PRACTICE ON CONTROLLING NITROGEN OXIDE GENERATION USING COKE OVEN CIRCULATING FLUE GAS HEATING TECHNOLOGY

Wang Ming? ? Yang Zhiwei? ? Liu Yanqi

（Fangda Special Steel Technology Co.， Ltd.? ? ?Nanchang? ? 330012）

Abstract：The article explains that the circulating flue gas heating technology has changed the combustion mechanism in the coke oven production process， making the vertical temperature distribution of the coke oven combustion chamber uniform， reducing the standard temperature of coke oven production， thereby controlling the generation of nitrogen oxides， and analyzing the energy-saving and emission reduction effects brought about by the changes in the circulating flue gas combustion mode. This article introduces the process control points， equipment configuration， and the resulting effects of applying this technology to coking production practice.

Key words： circulating flue gas heating；vertical temperature distribution；low nitrogen combustion；ultra-low emissions

0? ? 前? ? 言

焦化廠在生產(chǎn)過程中需要在燃燒室燃燒煤氣對碳化室提供熱量，將原煤進行干餾產(chǎn)生焦炭，同時排放燃燒室產(chǎn)生的廢氣。焦爐燃燒煤氣一般使用自產(chǎn)的焦爐煤氣，燃燒廢氣排放的氮氧化物濃度一般可達1 000 mg/m3以上，按照現(xiàn)有的脫硝工藝，達到超低排放標準難度較高。

某公司焦化廠現(xiàn)有1×60孔4.3 m搗固焦爐一座和42+21孔4.3 m頂裝焦爐兩座。其中搗固焦爐使用自產(chǎn)焦爐煤氣加熱生產(chǎn)，焦爐煙氣NOx濃度達1 100 mg/m3左右；頂裝焦爐使用高爐煤氣加熱生產(chǎn)，焦爐煙氣NOx濃度約500 mg/m3左右。焦爐煙氣配套建設有活性炭脫硫脫硝處理系統(tǒng)，脫硝系統(tǒng)設計進口NOx≤500 mg/Nm3，出口NOx≤150 mg/Nm3。按照現(xiàn)有生產(chǎn)模式，焦爐混合煙氣的NOx濃度平均水平約800 mg/Nm3，給煙氣脫硝處理系統(tǒng)達到超低排放標準帶來巨大壓力。

為了減小脫硫脫硝系統(tǒng)的入口NOx濃度，降低治理難度，考慮從源頭上降低氮氧化物的生成，即采用低氮燃燒技術，控制氮氧化物的產(chǎn)生。

1? ? 焦爐煙氣NOx產(chǎn)生的機理

NOx主要是指NO和NO2，其他如N2O3、N2O、N2O4、N2O5占比非常小。形成的機理主要有三種：第一類為燃料中固定氮生成的NOx，稱為燃料型NOx；第二類由燃燒過程中空氣中的N2轉(zhuǎn)化形成，稱為熱力型NOx或澤利多維奇（Zeldovich）NOx；第三類是由含碳自由基與N2生成的NOx，稱為快速型NOx[1]。

1.1? ? 燃料型

NOx是由燃料中的含氮有機物直接氧化生成的。反應方程式：

R3N+O2→NO、NO2、CO2+H2O

燃料型NOx的生成受空氣過剩系數(shù)和燃料-空氣混合條件的影響較大。研究表明，在低溫條件下，燃料中20%～80%的氮可轉(zhuǎn)化為NOx。

1.2? ? 熱力型

熱力型NOx源于在燃燒過程中空氣中的N。被氧化而成NOx，它主要產(chǎn)生于溫度高于1 373 K的高溫區(qū)，其反應機理源于澤利多維奇模型，主要反應如下：

N2+O2→NO、NO2

熱力型NOx的濃度隨溫度和氧濃度的增大而增加。國內(nèi)外相關機構(gòu)大量研究表明，焦爐煤氣燃燒點溫度高達1 800 K以上，非常適宜煙氣中的NOx的生成，并且隨溫度的進一步提升，NOx含量呈幾何級數(shù)增長。

1.3? ? 快速型

NOx形成是在較低溫度下，由N2、O2和碳氫化合物的自由基之間發(fā)生快速反應生成的。反應方程式：

CH4+N2+O2→NO、NO2、CO2+H2O

快速型NOx生成的機理復雜，主要產(chǎn)生于HC含量較高，氧濃度較低的富燃區(qū)。

大量基礎研究證明，焦爐排放煙氣中，熱力型NOx的占比達95%以上，因此只要適當控制反應溫度和氧濃度，就可以有效控制焦爐外排煙氣中NOx的含量。具體措施是抽取部分脫硫脫硝處理后煙氣摻入焦爐助燃空氣，貧化助燃空氣，減小局部燃燒強度。

2? ? 循環(huán)煙氣加熱節(jié)能降氮機理的研究

2.1? ? 焦爐加熱改善的機理

將焦爐煙氣混入助燃空氣，遵循“貧氧助燃、總氧充足”原則[2]。其加熱機理如圖1所示。

1）直燃焰 1。采用空氣助燃的燃燒火焰。該焰型燃燒劇烈，火焰較短，熱量集中在立火道下部，為了滿足上部加熱需要，則下部必然過熱，符合NOx的生成條件，燃燒煙氣NOx濃度高。

2）直燃焰2。—循環(huán)煙氣加入后形成的貧氧燃燒火焰。當助燃風含氧濃度降低時，在立火道下部發(fā)生貧氧燃燒，特點是局部供氧相對不足，燃燒時生成CO，溫度降低，火焰可從原來的1.4 m左右拉長至2.8 m左右，這是改善焦爐下部熱量過度集中的主要原因。下部生成的CO隨煙氣進入立火道中部后會產(chǎn)生二次燃燒（見圖1，CO燃燒區(qū)），熱量釋放在燃燒室上部空間內(nèi)，立火道垂直溫度分布均勻，熱能利用效率大幅提高，較低的標準火道溫度即可滿足煤餅整體加熱需要。這樣就避免了燃燒室局部高溫的發(fā)生，有效降低了NOx的生成，改善焦爐的加熱效果。

2.2? ? 節(jié)約回爐煤氣的機理

1）焦爐煙氣被強制加入助燃空氣后，焦爐加熱機理發(fā)生變化，焦爐立火道標溫降低、立火道上部和下部溫差減小，熱效率提高，是焦爐回爐煤氣降低的重要原因。

2）焦爐煙氣被強制配入助燃風后，只要堅持做好貧氧助燃、總氧充足原則，控制煙囪煙氣中含氧約8%，配入助燃風中的煙氣含氧參與燃燒，故進入焦爐的助燃風總量降低，隨助燃風進入燃燒室內(nèi)的氮氣同比降低，帶走熱量減小，回爐煤氣消耗必然降低，這也是焦爐外排煙氣總量降低的原因之一。

3）據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，焦爐滿負荷生產(chǎn)時，焦爐加熱煤氣實際消耗約占煤氣總量的50%以上。采用低氮燃燒技術后，多數(shù)情況下，加熱煤氣消耗量可降至煤氣總量的45%左右即可滿足生產(chǎn)需要。這是回爐煤氣消耗大幅降低的主要原因。

2.3? ? 焦爐外排煙氣降低的機理

1）焦爐煤氣消耗量降低，煙囪外排煙氣量同比例降低。

2）使用該技術后，回配煙氣中一般含氧量在8%左右，這部分氧參與燃燒后，新配入空氣減少，煙囪外排煙氣相應降低。

大部分焦爐實際的空氣過剩系數(shù)遠高于理論控制值，一般實際空氣過剩系數(shù)在1.5以上。采用低氮燃燒技術后，實際空氣過剩系數(shù)一般控制1.2左右，這也是煙囪外排煙氣降低的主要原因。

2.4? ? 循環(huán)煙氣加熱對降氮效果的研究

根據(jù)理論計算和實踐經(jīng)驗，焦爐循環(huán)煙氣量達到15%左右，NOx的生成量可以下降50%左右（這與工藝主體設備燃燒溫度有關。由于焦爐燃燒溫度高達1 750 ℃，循環(huán)煙氣加熱對NOx降低的影響巨大）。其他爐窯（電廠鍋爐等）本身燃燒溫度較低，產(chǎn)生的NOx量小，下降幅度也遠低于焦爐，大約只有25%左右。

焦爐采用廢氣循環(huán)加熱技術，能改善焦爐高向加熱，降低加熱煤氣量等優(yōu)點，但廢氣的配入是有限度的，首先焦爐的低氧燃燒，不能影響焦爐正常熱工的調(diào)控，影響焦爐5點壓力的總體平衡，再者導入廢氣量過大勢必造成焦爐爐頂空間溫度升高，影響焦爐荒煤氣的正常導出及化產(chǎn)品回收的產(chǎn)量和質(zhì)量。

3? ? 焦爐循環(huán)煙氣加熱技術的實踐

3.1? ? 基本情況

爐組規(guī)模：1×60孔搗固焦爐

炭化室高度：4.3 m

炭化室中心距：1.2 m

開閉器形式：復熱式鉈式空廢氣交換開閉器

結(jié)焦時間：22.5 h

燃料：焦爐煤氣

3.2? ? 目標

1）NOx初始值在1 000 mg/m3以上時，煙氣NOx濃度降低50%以上；NOx初始值在1 000 mg/m3

以下時，煙氣中氮氧化物≤500 mg/Nm3（小時平均值、按煙氣中的O2為8%折算）。

2）預留化產(chǎn)VOCs入焦爐焚燒接口，入焦爐VOCs量按10 000 Nm3/h設計。

3）加熱煤氣量降低。

3.3? ? 焦爐廢氣外循環(huán)裝置

焦爐廢氣外循環(huán)裝置由廢氣引出裝置、廢氣輸送裝置、廢氣分配裝置、廢氣交換裝置等四部分構(gòu)成，如圖2所示。

3.3.1? ?廢氣引出裝置

該裝置包括引風機、風機進出口管道、煙道出口管道及氣動切換閥和風機出口溫度變送器、煙道出口溫度變送器等。

1）每座焦爐設 1 臺風機，均為變頻調(diào)速控制，通過自動調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速，保證機焦兩側(cè)管道的壓力穩(wěn)定。

2）從機或焦側(cè)分煙道調(diào)節(jié)翻板后的集合煙道取氣，煙道出口閥安裝在煙氣取氣口位置，為三偏心硬密封蝶閥，當風機停機時，自動切斷該閥，以防止機焦兩側(cè)空氣倒流入煙囪內(nèi)。

3）風機出口管道及煙道出口管道上安裝的溫度變送器主要用于根據(jù)化產(chǎn) VOCs氣量變化自動調(diào)整廢氣量。

3.3.2? ? 廢氣輸送裝置

在焦爐地下室的機、焦兩側(cè)開閉器下方各安裝一條煙氣輸送管道，每間隔一定距離設有膨脹節(jié)，其上安裝有壓力變送器，其前端與風機出口管道連接，每條管道的煙氣輸送支管與N+2個廢氣開閉器對應。

3.3.3? ? 廢氣分配裝置

該裝置由無縫鋼管、手動調(diào)節(jié)閥、耐高溫金屬軟管及測壓閥組件構(gòu)成，其一端與廢氣輸送管道連接，另一端與廢氣交換裝置連接。每套輸送支管上均安裝手動調(diào)節(jié)閥及測壓閥組件，其作用是保證每個分配閥后的壓力保持一致，把廢氣均勻地分配到各個廢氣開閉器內(nèi)。

3.3.4? ? 廢氣交換裝置

如圖3所示，焦爐機焦兩側(cè)均配置N+2套柱塞換向閥，柱塞換向閥的閥芯上部通過環(huán)鏈、扇輪與開閉器連桿機構(gòu)連接，實現(xiàn)與焦爐廢氣同步交換。

所有與高溫煙氣直接接觸的風機、管道均采用保溫設計，高溫管道均不做表面防腐處理。

3.4? ? 燃燒控制系統(tǒng)

煙囪煙氣混入助燃風內(nèi)，單位體積助燃風含氧量明顯降低，屬于貧氧燃燒，炭化室熱能分布和傳遞方式發(fā)生變化，需要建立一套新的加熱平衡機制。系統(tǒng)由1套PLC控制系統(tǒng)和兩臺工控機構(gòu)成。

1）把煙氣外循環(huán)當做第三方調(diào)節(jié)手段使用，通過立火道上部和下部溫差數(shù)據(jù)，調(diào)整循環(huán)煙氣量，實現(xiàn)全爐溫度均勻，熱效率提高。

2）通過采集上升氣流蓄熱室頂部吸力、下降氣流蓄熱室頂部吸力、上升氣體小煙道吸力、下降氣流小煙道吸力、燃燒室看火孔壓力等5點壓力參數(shù)，調(diào)整風機運行頻率，調(diào)節(jié)循環(huán)煙氣量。廢氣盤壓力的控制、蓄熱室頂部壓力的控制、看火孔壓力的控制及分煙道吸力的控制。

3）配置進口手持式煙氣分析儀，根據(jù)實測NOx、CO、氧含量等參數(shù)進行系統(tǒng)調(diào)整，保證煤氣充分燃燒。

3.5? ? 關鍵設備

1）風機。

焦爐地下室安裝 1 臺風機，采用變頻控制。

2）氣動切斷閥。

風機進口管道上均安裝氣動切斷閥一臺，這是廢氣循環(huán)裝置的關鍵設備，其作用主要是風機停機時，自動切斷該閥，以防止機焦兩側(cè)空氣倒流入煙囪內(nèi)。

3）F型換向閥組。

F型換向閥組是一套專用于開閉器的廢氣換向設備，機焦兩側(cè)均配置N+2套。特制的柱塞換向閥的閥芯上部通過環(huán)鏈、鉈輪與交換機拉桿連接，實現(xiàn)與焦爐煤氣廢氣交換裝置的同步交換。

4? ? 運行效果

搗固焦爐采用循環(huán)優(yōu)化加熱裝置前后煙氣NOx濃度分別為1 014 mg/m3、501 mg/m3，煙氣NOx濃度降低50.59%，達到改造要求。從改造前后的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，煙氣含氧量從原來的10%下降到8%左右，消除了煙氣由于含氧量高于基準值造成的折算數(shù)據(jù)超標。脫硫脫硝處理后煙氣氮氧化物排放一直維持在50 mg/m3，可以輕松達到超低排放標準。

5? ? 結(jié)? ? 語

“焦爐廢氣循環(huán)式優(yōu)化加熱”可大幅改善焦爐立向加熱的均勻性能，降低燃燒廢氣N0x產(chǎn)生，極大減輕焦爐煙氣脫銷處理系統(tǒng)的壓力。另外，焦爐循環(huán)加熱技術可節(jié)約回爐煤氣消耗、降低氨水消耗，脫硝催化劑使用壽命延長，經(jīng)濟效益和環(huán)保效益均十分可觀。廢氣循環(huán)加熱技術可在其他N0x高濃度產(chǎn)生的工序中推廣應用，從源頭上進行減排，同時可以減少污染治理、設施運行費用，發(fā)揮多重效益。

參考文獻

[1]? ? 鐘英飛.焦爐加熱燃燒時氮氧化物的形成機理及控制[J].燃料與化工，2009，40（6）：5-8+12.

[2]? ? 姬廣偉，孫國慶，孟凱，等.焦爐廢氣循環(huán)技術應用淺析[J].燃料與化工，2020，51（1）：48-49+52.