卓鳳榮,黃世來,陳連發(fā),段再基,趙 嵐(馬鞍山鋼鐵股份公司第三煉鐵總廠,安徽 馬鞍山 243000)
馬鋼鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯煙氣中NOx探討
卓鳳榮,黃世來,陳連發(fā),段再基,趙 嵐
(馬鞍山鋼鐵股份公司第三煉鐵總廠,安徽 馬鞍山 243000)
通過對氮氧化物產(chǎn)生機理的研究,以及結(jié)合馬鋼鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)實踐,明確了鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)生氮氧化物的原因,從而在生產(chǎn)操作上提出了一系列降低鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯煙氣中氮氧化物排放濃度的有效措施。
鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯;氮氧化物;探討
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.033
為促進經(jīng)濟與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展,國家相繼出臺了一系列環(huán)保法律法規(guī),2012年10月1日實施了《鋼鐵燒結(jié)、球團工業(yè)大氣污染物排放標準》,其中規(guī)定鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯大氣污染物排放標準,要求現(xiàn)有企業(yè)在2015年1月1日起排放的煙氣中氮氧化物濃度≤300mg/m3。
氮氧化物包括一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、三氧化二氮 (N2O3)、四氧化二氮(N2O4)和五氧化二氮(N2O5)等, 各種化合物具有不同程度的毒性,空氣污染物的氮氧化物用化學式NOx來表示,常指一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2),燃燒產(chǎn)生的氮氧化物90%~95%以一氧化氮(NO)為主。氮氧化物有三種生成方式,第一種是熱力型NOx,第二種是燃料型NOx,第三種是快速型NOx,鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯煙氣的氮氧化物主要以熱力型NOx為主,熱力型NOx的生成機理是氮氣(N2)在高溫下氧化,反應(yīng)式如下:
溫度、空氣過剩系數(shù)是影響熱力型NOx生成量的兩個因素,其中NOx生成量與溫度呈指數(shù)關(guān)系,改變空氣過剩系數(shù)實質(zhì)是改變火焰溫度,煤氣燃燒時,當溫度低于1800K時,氮氧化物很少,但溫度高于1800K時,氮氧化物呈指數(shù)倍增長。
2016年1月17日到2月19日馬鋼鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯煙氣中氮氧化物濃度上升,平均濃度260mg/m3,按照規(guī)定,氮氧化物濃度不得持續(xù)4小時超300mg/m3,所以鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線經(jīng)常因為氮氧化物偏高,導(dǎo)致減產(chǎn),對鏈窯的產(chǎn)能以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性有重大影響。經(jīng)調(diào)查,馬鋼鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線有以下原因造成煙氣氮氧化物濃度上升。
3.1回轉(zhuǎn)窯窯頭密封罩通洞漏風
2016年2月24日8:00到2月27日8:00停機定修期間,修補了窯頭密封罩頂部4平方的通洞。由此可知,在停機檢修前的生產(chǎn)過程中,窯頭密封罩有大量的冷風兌入到回轉(zhuǎn)窯內(nèi),2016年2月當?shù)刈畹推骄鶜鉁貫?℃,低氣溫、密封罩通洞面積大兩個因素導(dǎo)致回轉(zhuǎn)窯焦爐煤氣用量大幅度上升,窯頭密封罩修補前,回轉(zhuǎn)窯焦爐煤氣流量達到14600m3/h;
根據(jù)公式P(動壓,Pa)=0.5*ρ(空氣密度,kg/m3)*v2(風速,m/s),計算出窯頭密封罩通洞處風速v=5.7m/s(取值1℃時的空氣密度為1.288kg/m3,窯頭壓力作為動壓);從而得知每小時通入的冷風量Q=v*t*s=5.7*3600*4=82080m3;
在我廠的操作中,主要以預(yù)熱II段的溫度來調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)窯煤氣量,所以通洞兌入的82080m3冷風從1℃加熱到970℃需要的熱量Q1=cm△t= cρV△t =1030*82080*1.29*(970-1)=105GJ, 需 要6485m3的焦爐煤氣燃燒放熱,即窯頭密封罩通洞造成焦爐煤氣流量上升6485m3/h,總量達到14600m3/h。
3.2回轉(zhuǎn)燃燒器噴嘴開裂
我廠回轉(zhuǎn)窯燃燒器的工作原理:焦爐煤氣和高爐煤氣從燃氣管道按一定的擴散角旋流向外噴,由相鄰的旋流風傳給相當高的動量和動量矩,以高速度螺旋前進,并繼續(xù)徑向擴散,與高速的軸流風相遇。軸流風束的插入進一步加強了氣體燃料與空氣的混合(包括二次風),并可調(diào)節(jié)火焰的放散程度,能按需要調(diào)節(jié)火焰的長短、粗細,達到需要的火焰形狀。如圖1所示:
圖1 回轉(zhuǎn)窯燃燒器工作原理
目前燒嘴已使用了6年多,噴嘴頂部的耐材脫落,外殼開裂,軸流風很多不是從噴嘴外噴,而是從頂部開裂處噴出,助燃風壓力偏低,只有13KPa左右(正常16KPa),導(dǎo)致火焰放散、火焰變短,即焦爐煤氣與高爐煤氣在窯頭8m左右的位置集中燃燒,此處局部高溫。雖然球團的焙燒溫度一般在1200到1250℃,但焦爐煤氣和高爐煤氣的燃燒溫度能達到2000K左右,所以煙氣的氮氧化物主要產(chǎn)生部位是距離窯頭8m處的火焰前端。用紅外線測溫儀檢測回轉(zhuǎn)窯筒體溫度,回轉(zhuǎn)窯距離窯頭8m處的筒體溫度為最高點,達到270℃,證實了窯內(nèi)局部高溫,為產(chǎn)生大量氮氧化物濃度創(chuàng)造了條件。
3.3產(chǎn)能受限
表1為首鋼球團廠二系列的鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯熱平衡表,由于馬鋼鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯的工況與它非常類似,可以通用熱平衡表。由熱平衡表得知,鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯的熱量來源主要是煤氣燃燒和球團氧化放熱,其中球團氧化放熱占到總熱量收入的55.99%,球團氧化放熱量對系統(tǒng)溫度的影響是巨大的。我廠在2016年1月17日到2月19日期間,產(chǎn)能較低,平均生球量325t/h,比滿負荷生產(chǎn)時的生球量350t/h低25t/h,即干球量減少23t/h,導(dǎo)致球團氧化放熱減少8.4%,為了保證系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定,需要增加焦爐煤氣流量約1000 m3/h,另外焦爐煤氣火焰溫度2000K左右,增加回轉(zhuǎn)窯焦爐煤氣流量,回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)高溫區(qū)域進一步擴大,煙氣中NOx濃度繼續(xù)上升。
通過研究NOx的生成機理以及我廠生產(chǎn)的實際情況,針對回轉(zhuǎn)窯窯頭通洞、回轉(zhuǎn)窯燃燒器噴嘴開裂、產(chǎn)能受限的原因,采取以下措施:
(1)修補回轉(zhuǎn)窯窯頭密封罩;
表1 鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯熱平衡表
(2)修復(fù)回轉(zhuǎn)窯燃燒器噴嘴;
(3)提高產(chǎn)能,達到滿負荷生產(chǎn)的理想狀態(tài)。
采取上述措施后,回轉(zhuǎn)窯煤氣流量由14600m3/h下降到7500m3/h,回轉(zhuǎn)窯筒體溫度最高點由270℃下降到250℃,且回轉(zhuǎn)窯筒體高溫區(qū)域面積減小,通過降低焦爐煤氣流量,減少火焰溫度以及高溫區(qū)域,鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯煙氣中NOx由260 mg/m3下降到200 mg/m3,效果明顯。
控制鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯煙氣中的NOx濃度對于球團技術(shù)人員來說,是一項新命題,從馬鋼鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)實踐來看,控制煙氣中的NOx濃度,需要從熱力型NOx的生成機理出發(fā),即降低回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)火焰溫度以及減少回轉(zhuǎn)窯高溫區(qū)域,針對上述兩點可以進一步采取措施來控制煙氣中的NOx濃度:
(1)降低生球水分,減少能耗,減少煤氣流量;
(2)調(diào)好回轉(zhuǎn)窯火焰形狀,窯內(nèi)溫度梯度合理;
(3)加大回轉(zhuǎn)窯二次風風量,減少窯內(nèi)高溫區(qū)域;
(4)調(diào)整回轉(zhuǎn)窯燃燒器一次風空煤比,降低火焰溫度。
[1]傅菊英,姜濤,朱德慶.燒結(jié)球團學[M].長沙:中南工業(yè)大學出版社,1996.
[2]姚治華,張玲,杜鵑.鋼鐵工業(yè)氮氧化物污染防治途徑研究[J].環(huán)境科學與管理,2015(03):71-74.
[3]馬曉茜,梁淑華.燃氣火焰中熱力型NOx的生成與控制[J].環(huán)境導(dǎo)報,1997(02):17-20.
[4]馮俊小,孫志武,張宇,張永明,楊金寶.鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的熱診斷與節(jié)能分析[J].燒結(jié)球團,2007(06):29-34.
圖1
氣動馬達,活塞式氣動馬達,柴油機自帶。
空氣壓縮機,發(fā)動機自帶的活塞式壓縮機,進氣口接發(fā)動機空濾。
儲氣罐,容量80L,放散壓力設(shè)定為8bar。在空壓機停止工作的情況下,能夠儲存足夠體積和壓力的氣體,為發(fā)動機再次啟動提供氣源。
壓力匯管,作用是建立和穩(wěn)定系統(tǒng)壓力,是系統(tǒng)所有控制閥的載體。容量為4-5L。
控制閥組,由四個先導(dǎo)式氣控閥組成,先導(dǎo)壓力分別檢測發(fā)動機殼體表面溫度、排氣口溫度、發(fā)動機冷卻水水溫、水洗箱水位,通常情況下瓦斯?jié)舛葯z測也應(yīng)并入該處閥組。
氣動角座閥(序號2),雙向控制常閉式,許用壓力1.6MPa,開啟壓力設(shè)置在3bar。執(zhí)行器為雙向彈簧復(fù)位式,分別檢測匯管壓力和空壓機輸出壓力,當空壓機一側(cè)壓力等于或大于匯管一側(cè)壓力時,執(zhí)行器控制閥芯關(guān)閉。
調(diào)壓器(序號1、6)。本方案共使用兩套自力式調(diào)壓器。1號調(diào)壓器起穩(wěn)定儲氣罐壓力作用,設(shè)定壓力為8bar;6號調(diào)壓器,壓力設(shè)定在3bar,作用是賦予系統(tǒng)匯管3bar的初始壓力,開啟角座閥。
氣控閥(序號4、8),4號為常閉式,先導(dǎo)氣壓為匯管壓力,氣壓大于6bar時開啟;8號為常開式,先導(dǎo)氣壓同樣為匯管壓力,高于6bar時關(guān)閉。
充氣拉桿開關(guān)(序號5),由兩部分組成,充氣氣缸和一個氣控閥。氣缸安裝于駕駛室操縱面板上,通過駕駛員撥動氣缸前端拉桿,使氣缸充氣,所建立的壓力可以打開與其相連的氣控閥,使氣罐與匯管前端的調(diào)壓器接通。
快放閥(序號9),無氣流通過時氣動馬達一側(cè)處于排空狀態(tài)。
節(jié)流閥(序號10),調(diào)節(jié)閥口流量,改變匯管的充氣時間。
停機開關(guān)(序號11),急停按鈕,按下后釋放匯管壓力,需要手動旋啟。
氣動蝶閥(序號12),先導(dǎo)常閉式,許用壓力1.6MPa,執(zhí)行器檢測匯管壓力,開啟壓力設(shè)置在3bar。
過濾器(序號13),由于使用環(huán)境惡劣,避免灰塵和水蒸氣對氣路原件造成損壞。
氣罐與匯管壓力表安裝于駕駛室面板上,方便駕駛員讀取。
(1)駕駛員拉起充氣開關(guān)(序號5),氣罐中的壓縮空氣流經(jīng)調(diào)壓器(序號6)后壓力降至3bar充入系統(tǒng)壓力匯管。至壓力穩(wěn)定在3bar后,常閉式氣動角座閥(序號2)和氣動蝶閥(序號12)開啟,儲氣罐與起動開關(guān)接通;(2)按下起動開關(guān)(序號3),壓縮空氣通過開關(guān)后分流出2路:一路經(jīng)過單向閥(序號7)以8bar壓力充入系統(tǒng)壓力匯管;另一路流經(jīng)常開式氣控閥(序號8)后進入快放閥(序號9)和過濾器后進入氣動馬達,馬達帶動發(fā)動機運轉(zhuǎn),完成起動;(3)按下起動開關(guān)的同時,由儲氣罐進入?yún)R管的氣流將使匯管壓力上升。當壓力上升至6bar時,自匯管取壓的8號氣控閥將關(guān)閉,切斷馬達進氣氣路。當壓力升至6.5bar時,4號氣控閥打開,空壓機與角座閥執(zhí)行器接通,此時在空壓機提供的8bar壓力大于匯管一側(cè)6.5bar壓力,并有彈簧復(fù)位,角座閥閥芯關(guān)閉,切斷儲氣罐與馬達、匯管的氣路。節(jié)流閥(序號10)可調(diào)節(jié)此過程時間;(4)馬達進氣源被8號氣控閥切斷后,由于彈簧復(fù)位作用馬達推桿氣室氣體迅速由快放閥排出,使推桿迅速收回,完成起動過程。如非再次啟動,與快放閥連接的馬達氣室處于排空狀態(tài),馬達活塞桿也始終在收回狀態(tài);(5)停機時,按下停機開關(guān)(序號11),釋放匯管中的氣體,系統(tǒng)壓力迅速降低,發(fā)動機停機;充氣拉桿(序號5)氣缸因為泄壓帶動面板上的拉桿回彈,與其相連的氣控閥關(guān)閉,切斷儲氣罐與匯管的連接;重新開機時,駕駛員需旋啟停機開關(guān)并再次拉動充氣拉桿給匯管充氣。
當發(fā)動機運轉(zhuǎn)一段時間后,可能出現(xiàn):發(fā)動機過熱、排氣溫度過高、水洗箱水位過低或水溫過高等現(xiàn)象。此時,連通系統(tǒng)壓力匯管的控制閥將開啟,使系統(tǒng)壓力迅速下降,充氣拉桿開關(guān)將關(guān)閉,切斷6號調(diào)壓器的進氣;當降至3bar以下時,常閉式角座閥和氣動蝶閥關(guān)閉,阻斷發(fā)動機進氣道,發(fā)動機自然停機。在起動條件未恢復(fù)之前,控制閥組一直泄氣,角座閥也始終關(guān)閉,此時起動開關(guān)接通與否均不起作用。當條件恢復(fù)時,控制閥組自動關(guān)閉,系統(tǒng)壓力才能重新建立。
(1)氣控閥和角座閥都有自動切斷作用,駕駛員按動起動按鈕后,無需考慮起動時間,不需要松開該按鈕馬達即可自動收回,可通過節(jié)流閥進行調(diào)節(jié)該過程時間,方便操作。另外,如駕駛員在發(fā)動機工作時出現(xiàn)誤操作,再次按下起動按鈕,此時匯管中壓力仍為6.5bar,8號氣控閥關(guān)閉,受4號氣控閥控制的角座閥同樣處于關(guān)閉狀態(tài),馬達氣路始終處于切斷狀態(tài),不會出現(xiàn)故障;(2)角座閥在空壓機工作后關(guān)閉,它與氣控閥均可切斷氣路,形成雙重保護,在其中任意原件損壞時,均不影響系統(tǒng)的安全;(3)快放閥無需任何控制,在進氣源切斷后立即動作,排出馬達腔內(nèi)剩余氣體,使推桿迅速收回;(4)發(fā)動機出現(xiàn)異常情況停機之后,在故障未排除前,無法強行起動發(fā)動機,從而避免人為因素造成的發(fā)動機損壞。
采用以上安全控制系統(tǒng)的防爆鏟運機已經(jīng)通過井下測試。期間,序號1和6減壓閥的閥芯因煤礦粉塵過大堵塞過一次;考慮到煤礦井下空氣質(zhì)量很差,我們在發(fā)動機空壓機進氣管路上增加過濾能力較強的濾芯并定期檢查更換,至此該系統(tǒng)能夠滿足防爆柴油機安全控制的所有要求。
王波(1986-),男,山西運城人,學士,助理工程師,研究方向:機械類,工程機械(礦山機械)。