李 敬 李 娜 郭曉生 李卓冉

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 前言

氮氧化物主要以NO、N02、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等形式出現(xiàn)，統(tǒng)稱為NOX。 在空氣中，NOX很易與人體和動物血液中的血色素混合奪取氧分，使血液缺氧，引起中樞神經(jīng)麻痹癥，NO2還會強烈刺激呼吸器管粘膜，引起肺部疾病。NOX對人體的心、肝、腎臟及造血組織均有損害，嚴重時會導致死亡。NO和NO2會破壞同溫層中的臭氧層，使其失去對紫外光輻射的屏蔽作用，危害地面生物。大氣中的NOX與SOX、粉塵共存，生成硫酸或硫酸鹽溶液和硝酸或硝酸鹽溶液，形成酸雨。 由于NOX對人類和自然界都存在危害，所以必須控制NOX的生成和排放。目前國家工業(yè)爐窯煙氣排放中NOX的特別排放標準為 300 mg/m3以下，超低排放標準為 150 mg/m3以下。

安鋼第二煉軋廠1 780 mm 機組加熱爐生產(chǎn)運行期間煙氣排放中的 NOx 濃度在 150 ～ 300 mg/m3之間，達到了特別排放要求。但是卻不能穩(wěn)定、連續(xù)的達到超低排放標準150 mg/m3以下，給第二煉軋廠的環(huán)保管控提升和熱軋機組的生產(chǎn)順行帶來了巨大的壓力。

1 加熱爐熱力型NOX 生成的機理及常用控制手段

軋鋼加熱爐在生產(chǎn)運行中產(chǎn)生的NOX主要是熱力型NOX，其中NO 占比為90%以上[1]。熱力型NOX是燃料在燃燒時空氣中的氮在高溫下氧化產(chǎn)生的，隨著反應溫度的升高，其反應速率按指數(shù)規(guī)律增加。當熱力溫度 T 小于 1 500 K 時，NO 的生產(chǎn)量很少；當 T 大于 1 500 K 時，T 每增加 100 K，反應速率增大6 ～7 倍；其所產(chǎn)生的NOX中，NO 約占90%～95%，NO2占5%～10%。熱力型NOX產(chǎn)生量與熱力溫度之間的關系如圖1 所示。

圖1 熱力型NOX 產(chǎn)生量與熱力溫度之間的關系

目前國內(nèi)降低NOX的排放措施分為一級脫氮技術和二級脫氮技術。一級脫氮技術就是通過采用低NOX燃燒器以及燃燒優(yōu)化調(diào)整，有效控制NOX的產(chǎn)生，從源頭上減少生成量；二級脫氮技術就是利用各種措施盡可能減少已經(jīng)生成的NOX排放，屬于煙氣脫硝范圍，這里重點從采用一級脫氮技術來研究和施實應用。

2 降低加熱爐熱力型NOX 研究方向的確定

根據(jù)加熱爐熱力型NOX產(chǎn)生的機理，結合1 780 mm 機組加熱爐相關設計參數(shù)，確定分別從以下4 個方面進行研究：（1）研究熱力型NOX生成量與加熱爐爐膛溫度的關系；（2）研究燃料燃燒時，燃料空、燃比及空氣過剩系數(shù)與NOX生成量的關系；（3）研究余熱回收系統(tǒng)中空氣預熱溫度與NOX生成量的關系；（4）研究燒嘴燃燒過程中火焰形狀與NOx 生成量的關系。

3 施實開展降低熱力型NOX 的研究過程

3.1 與爐膛溫度之間的關系

研究人員重點對加熱爐正常生產(chǎn)運行過程中爐膛溫度的變化與煙氣中熱力型NOX的生成量進行了研究對比、分析。首先，標定加熱爐熱電偶測量誤差，確保熱電偶誤差范圍在±30℃內(nèi)；其次，選擇當日混合煤氣熱值和壓力較為穩(wěn)定的工況，確保爐膛內(nèi)的溫度場穩(wěn)定、均勻，混合煤氣熱值為（2 300±100） kcal/m3，壓力為8 ～ 10 kPa，空氣預熱起始溫度為 400 ℃；最后，通過每次分別增加10 ℃二加熱段的爐溫，實時測量煙氣中NOX含量的變化值。最終得出的熱力型NOX產(chǎn)生量與加熱爐爐膛溫度的趨勢關系如圖2 所示。

圖2 熱力型NOx 生成量與加熱爐爐膛溫度關系

從圖2 可以看出，熱力型NOx 的生成量與加熱爐爐膛溫度的升高基本成正比例倍數(shù)上升。

3.2 與燃料空、燃比及空氣系數(shù)的關系

研究加熱爐混合煤氣燃燒過程中空、燃比中的空氣過剩系數(shù)至關重要，它不僅對煙氣中NOX的生成量、氧濃度影響較大，而且對煤氣是否能夠完全燃燒從而影響煤氣中的有機氮組分也息息相關。研究人員在加熱爐生產(chǎn)運行工況相對穩(wěn)定的情況下，通過調(diào)整不同的空、燃比數(shù)值，對加熱爐煙氣中的氧濃度和NOX生成量進行了測試研究對比，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 空、燃比值中氧濃度與NOX 生產(chǎn)量對應表

另外，研究人員通過現(xiàn)場調(diào)整和實測加熱爐正常生產(chǎn)時的運行參數(shù)，得出爐子工況如果能夠較為穩(wěn)定，燒嘴工作在額定工況時只需控制各段空氣過剩系數(shù)，尤其是均熱、二加熱段的空氣過剩系數(shù)，同時避免急速升溫降溫，NOX排放就能有效控制在120 mg/Nm3（8%標準含氧量折算后）以內(nèi)；如果在生產(chǎn)過程中，加熱爐混合煤氣熱值和壓力波動較大，不易確定空、燃比時，必須將加熱爐爐尾預熱段激光殘氧分析儀所檢測出的殘氧量控制在1.5%以下，才可以有效降低高溫煙氣中的NOX濃度。生產(chǎn)期間，三段式加熱爐各段空氣過剩系數(shù)控制參數(shù)見表2。

通過研究和實際檢測，證明了燃料空燃比及空氣過剩系數(shù)對熱力型NOX的生成量影響較大，有效控制空燃比及空氣過剩系數(shù)是確保NOX濃度降低的有效途徑之一。

表2 三段式加熱爐各燃燒段空氣過剩系數(shù)控制

3.3 與空氣預熱溫度的關系

在絕熱條件下，燃料在一定空氣系數(shù)下進行燃燒時所能達到的溫度稱為實際理論燃燒溫度，其公式為：

式中：t理——實際理論燃燒溫度，℃；Qd——燃料低發(fā)熱量, kJ/m3；Q燃——煤氣預熱后帶入爐內(nèi)的物料熱量， kJ/m3；Q空——空氣預熱后帶入爐內(nèi)的物料熱量， kJ/m3；Q分——燃料燃燒時熱分解帶走的熱量， kJ/m3；Va——一定空氣系數(shù)下的單位燃料燃燒生成氣量， m3/m3；C產(chǎn)——燃燒生成氣的平均比熱容， kJ/m3·℃。

研究人員在生產(chǎn)節(jié)奏和混合煤氣熱值（2 300 kcal/m3）相對穩(wěn)定的情況下，假設煤氣在絕熱條件下和一定的空氣系數(shù)下進行燃燒，設定空氣系數(shù) α 為 1.15，將Qd、Q燃、Q空、Q分、Va、C產(chǎn)相關數(shù)值分別帶入式（1），通過計算得出空氣預熱溫度在400 ℃時的加熱爐理論燃燒溫度為1 983 ℃，則燃料理論燃燒溫度為該溫度是假定加熱爐完全絕熱的條件下理論計算得出。實際生產(chǎn)過程中加熱爐存在約35%的熱損失，即燃料燃燒熱效率僅為65%，則在上述條件下，實際燃料理論燃燒產(chǎn)生的爐溫約為1 288.95 ℃.同理，在相同條件下，當加熱爐空氣預熱溫度分別達到450 ℃、500 ℃和550 ℃時，加熱爐實際理論燃燒產(chǎn)生的爐溫分別為1 309.75 ℃、1 331.2 ℃和 1 352 ℃，爐溫依次遞增了20.8 ℃、21.45 ℃、20.8 ℃，平均增度為 21 ℃。通過實測不同空氣預熱溫度下煙氣中的NOX濃度含量發(fā)現(xiàn)，此時煙氣中的NOX依次遞增了6 ～8 mg/m3，現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表3，煙氣中熱力型NOX生成量與空氣預熱溫度之間的趨勢關系如圖3 所示。

表3 空氣預熱溫度與煙氣中NOX 產(chǎn)生量的對應關系

圖3 熱力型NOX 生成量與空氣預熱溫度的關系

提高空氣預熱溫度可以有效增加煙氣中物理熱的回收，提高燃料燃燒溫度，對降低混合煤氣消耗有利，但同時也增加了煙氣中NOX的濃度。因此，在實際生產(chǎn)中需要尋求最佳的平衡點，既滿足環(huán)保管控標準要求，又要力求燃料節(jié)能的最大化。

3.4 與燒嘴火焰形狀的關系

加熱爐熱力型NOX主要是在燒嘴燃燒過程中產(chǎn)生的，控制措施主要是減少燃燒最高溫度區(qū)域范圍和降低燒嘴燃燒時過量空氣系數(shù)和局部氧濃度[2]。目前國內(nèi)使用的低氮氧化物燒嘴主要采用了燃料分級燃燒技術，其燃燒過程分為兩個階段，第一階段通過燒嘴的一次風抑制了NOX的生成，推遲了燃燒過程，并將已經(jīng)生成的NOX分解還原，使燃料型NOX減少，由于此時火焰溫度降低，使得熱力型NOX的生成量也相應的減少了；第二級段的燃燒則將所需的其余空氣通過二次風送入爐膛，與第一級所產(chǎn)生的煙氣混合，使燃料燃燒完全，成為燃燼區(qū)，從而完成整個燃燒過程。

依據(jù)上述低氮燒嘴的控NOX原理，施實低氮燒嘴燃燒期間火焰形狀的控制就顯得尤為重要，其火焰形狀直接決定了NOX生成量的大小。研究人員首先根據(jù)平焰燒嘴內(nèi)部的空氣旋流器結構，在平焰燒嘴空氣管道接口處增設節(jié)流片，以此增加進入燒嘴前空氣壓力，使空氣在燒嘴內(nèi)形成旋流度高、分布均勻的氣流，切向進入燃燒室，與煤氣逐漸混合燃燒，達到最佳的火焰附壁效應，形成穩(wěn)定均勻的盤狀火焰?；鹧嬖椒€(wěn)定，火盤直徑越大，燒嘴燃燒出口中心回流區(qū)卷吸煙氣的效果越明顯，有利于降低NOX的生成。改進后的平焰燒嘴煙氣附壁效應三維效果如圖4 所示。

圖4 改進后的平焰燒嘴煙氣附壁效果

針對低氮調(diào)焰燒嘴，研究人員將燒嘴本體上的二次風閥全開（100%閥位），使得二次風的流量增加、噴出速度提高，加強了煙氣再循環(huán)效果，進一步降低了燃燒區(qū)域的氧濃度，同時避免火焰形成局部高溫區(qū)，有效抑制了熱力型NOX的產(chǎn)生。從現(xiàn)場試驗結果來看，調(diào)焰燒嘴燃燒時火焰長度在4 ～5 m，燒嘴燃燒產(chǎn)生的煙氣卷吸率最高，達到了稀釋火焰的效果，可以有效降低調(diào)焰燒嘴燃燒時產(chǎn)生的 NOX生成量，NOX生成量在 120 mg/m3以下。

4 研究結論的應用

（1）加熱爐生產(chǎn)期間，盡量將高溫段的爐溫控制在1 280 ℃之內(nèi)，避免爐膛溫度過高造成煙氣中NOX產(chǎn)生量的急劇增加。

（2）將燃料空、燃比控制在2.2 以下；過?？諝庀禂?shù)不大于1.15；同時監(jiān)控爐尾煙氣中殘氧含量，使其控制在1.5%以內(nèi)；杜絕煙氣中含氧量過高。

（3）對每座加熱爐進行熱平衡測算，得出了空氣預熱溫度在500 ～520 ℃范圍內(nèi)時，既確保了煙氣中余熱余能的最大回收率，也可以有效控制了煙氣中NOX的生成量。

（4）正常生產(chǎn)期間，通過數(shù)查爐頂錨固磚間距，有效調(diào)整了平焰燒嘴的火盤直徑和形狀，確保了平焰燒嘴燃燒過程中火焰的附壁效應。同樣，將調(diào)焰燒嘴的火焰長度調(diào)整到4 ～5 m，確保了煙氣的最大卷吸率，避免了調(diào)焰燒嘴火焰產(chǎn)生局部高溫的情況。

5 應用效果

經(jīng)過上述技術研究和現(xiàn)場優(yōu)化調(diào)整，第二煉軋廠1 780 mm 機組加熱爐在正常生產(chǎn)期間，煙氣中的NOX連續(xù)排放指標達到≤150 mg/Nm3的目標（8%標準含氧量折算后），滿足了環(huán)保管控標準；避免軋線被迫停車或錯峰生產(chǎn)等環(huán)保事故的發(fā)生，確保軋線的生產(chǎn)順行，加熱爐煙氣中NOX含量實際檢測數(shù)據(jù)見表4。

6 結束語

通過研究和應用，1 780 mm 熱連軋加熱爐煙氣中的NOX濃度有效控制在了120 mg/m3以下，達到了國家超低排放標準和要求，為該機組后期的環(huán)保管控提升及生產(chǎn)順行奠定了基礎，同時也為其他鋼鐵企業(yè)同類型加熱爐煙氣中NOX濃度控制方式提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗。

隨著國家對環(huán)保管控的提升，軋鋼加熱爐煙氣排放中的NOX濃度指標將會越來越嚴格。開展降低NOX排放量的工藝研究，獲得該方面的新技術、新知識和降低NOX濃度的操作控制方式是每個企業(yè)的當務之急，也是鋼鐵企業(yè)熱軋生產(chǎn)線今后發(fā)展的必經(jīng)之路。