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(jī)-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(jī)理的研究，以及結(jié)合馬鋼鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)實(shí)踐，明確了鏈篦機(jī)-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(jī)-回轉(zhuǎn)窯煙氣中氮氧化物排放濃度的有效措施。

鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯；氮氧化物；探討

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.033

1　前言

為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)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(shí)施了《鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，其中規(guī)定鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，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。

2　氮氧化物及其生成機(jī)理

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(xué)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(jī)-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(jī)理是氮?dú)猓∟2）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(gè)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(shí)質(zhì)是改變火焰溫度，煤氣燃燒時(shí)，當(dāng)溫度低于1800K時(shí)，氮氧化物很少，但溫度高于1800K時(shí)，氮氧化物呈指數(shù)倍增長。

3　馬鋼鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)實(shí)踐

2016年1月17日到2月19日馬鋼鏈篦機(jī)-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(shí)超300mg/m3，所以鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線經(jīng)常因?yàn)榈趸锲撸瑢?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(jī)-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(fēng)

2016年2月24日8：00到2月27日8：00停機(jī)定修期間，修補(bǔ)了窯頭密封罩頂部4平方的通洞。由此可知，在停機(jī)檢修前的生產(chǎn)過程中，窯頭密封罩有大量的冷風(fēng)兌入到回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，2016年2月當(dāng)?shù)刈畹推骄鶜鉁貫?℃，低氣溫、密封罩通洞面積大兩個(gè)因素導(dǎo)致回轉(zhuǎn)窯焦?fàn)t煤氣用量大幅度上升，窯頭密封罩修補(bǔ)前，回轉(zhuǎn)窯焦?fàn)t煤氣流量達(dá)到14600m3/h；

根據(jù)公式P（動(dòng)壓，Pa）=0.5*ρ（空氣密度，kg/m3）*v2（風(fēng)速，m/s），計(jì)算出窯頭密封罩通洞處風(fēng)速v=5.7m/s（取值1℃時(shí)的空氣密度為1.288kg/m3，窯頭壓力作為動(dòng)壓）；從而得知每小時(shí)通入的冷風(fēng)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(fēng)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?fàn)t煤氣燃燒放熱，即窯頭密封罩通洞造成焦?fàn)t煤氣流量上升6485m3/h，總量達(dá)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?fàn)t煤氣和高爐煤氣從燃?xì)夤艿腊匆欢ǖ臄U(kuò)散角旋流向外噴，由相鄰的旋流風(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，與高速的軸流風(fēng)相遇。軸流風(fēng)束的插入進(jìn)一步加強(qiáng)了氣體燃料與空氣的混合（包括二次風(fēng)），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(xì)，達(dá)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(fēng)很多不是從噴嘴外噴，而是從頂部開裂處噴出，助燃風(fēng)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?fàn)t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(tuán)的焙燒溫度一般在1200到1250℃，但焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣的燃燒溫度能達(dá)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(diǎn)，達(dá)到270℃，證實(shí)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(tuán)廠二系列的鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯熱平衡表，由于馬鋼鏈篦機(jī)-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(jī)-回轉(zhuǎn)窯的熱量來源主要是煤氣燃燒和球團(tuán)氧化放熱，其中球團(tuán)氧化放熱占到總熱量收入的55.99%，球團(tuán)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(fù)荷生產(chǎn)時(shí)的生球量350t/h低25t/h，即干球量減少23t/h，導(dǎo)致球團(tuán)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?fàn)t煤氣流量約1000 m3/h，另外焦?fàn)t煤氣火焰溫度2000K左右，增加回轉(zhuǎn)窯焦?fàn)t煤氣流量，回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)高溫區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，煙氣中NOx濃度繼續(xù)上升。

4　鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯煙氣NOx的控制措施

通過研究NOx的生成機(jī)理以及我廠生產(chǎn)的實(shí)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(bǔ)回轉(zhuǎn)窯窯頭密封罩；

表1　鏈篦機(jī)-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(dá)到滿負(fù)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(diǎn)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?fàn)t煤氣流量，減少火焰溫度以及高溫區(qū)域，鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯煙氣中NOx由260 mg/m3下降到200 mg/m3，效果明顯。

5　思考

控制鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯煙氣中的NOx濃度對于球團(tuán)技術(shù)人員來說，是一項(xiàng)新命題，從馬鋼鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)實(shí)踐來看，控制煙氣中的NOx濃度，需要從熱力型NOx的生成機(jī)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(diǎn)可以進(jìn)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(fēng)風(fēng)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(fēng)空煤比，降低火焰溫度。

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圖1　

1　各部件情況如下

氣動(dòng)馬達(dá)，活塞式氣動(dòng)馬達(dá)，柴油機(jī)自帶。

空氣壓縮機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)自帶的活塞式壓縮機(jī)，進(jìn)氣口接發(fā)動(dòng)機(jī)空濾。

儲氣罐，容量80L，放散壓力設(shè)定為8bar。在空壓機(jī)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(dòng)機(jī)再次啟動(dòng)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(gè)先導(dǎo)式氣控閥組成，先導(dǎo)壓力分別檢測發(fā)動(dòng)機(jī)殼體表面溫度、排氣口溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)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(jī)輸出壓力，當(dāng)空壓機(jī)一側(cè)壓力等于或大于匯管一側(cè)壓力時(shí)，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(shí)開啟；8號為常開式，先導(dǎo)氣壓同樣為匯管壓力，高于6bar時(shí)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(gè)氣控閥。氣缸安裝于駕駛室操縱面板上，通過駕駛員撥動(dòng)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(shí)氣動(dòng)馬達(dá)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(shí)間。

停機(jī)開關(guān)（序號11），急停按鈕，按下后釋放匯管壓力，需要手動(dòng)旋啟。

氣動(dòng)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。

2　操作流程為

（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(dòng)角座閥（序號2）和氣動(dòng)蝶閥（序號12）開啟，儲氣罐與起動(dòng)開關(guān)接通；（2）按下起動(dòng)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(jìn)入快放閥（序號9）和過濾器后進(jìn)入氣動(dòng)馬達(dá)，馬達(dá)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，完成起動(dòng)；（3）按下起動(dòng)開關(guān)的同時(shí)，由儲氣罐進(jìn)入?yún)R管的氣流將使匯管壓力上升。當(dāng)壓力上升至6bar時(shí)，自匯管取壓的8號氣控閥將關(guān)閉，切斷馬達(dá)進(jìn)氣氣路。當(dāng)壓力升至6.5bar時(shí)，4號氣控閥打開，空壓機(jī)與角座閥執(zhí)行器接通，此時(shí)在空壓機(jī)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(dá)、匯管的氣路。節(jié)流閥（序號10）可調(diào)節(jié)此過程時(shí)間；（4）馬達(dá)進(jìn)氣源被8號氣控閥切斷后，由于彈簧復(fù)位作用馬達(dá)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(dòng)過程。如非再次啟動(dòng)，與快放閥連接的馬達(dá)氣室處于排空狀態(tài)，馬達(dá)活塞桿也始終在收回狀態(tài)；（5）停機(jī)時(shí)，按下停機(jī)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(dòng)機(jī)停機(jī)；充氣拉桿（序號5）氣缸因?yàn)樾箟簬?dòng)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(jī)時(shí)，駕駛員需旋啟停機(jī)開關(guān)并再次拉動(dòng)充氣拉桿給匯管充氣。

3　發(fā)動(dòng)機(jī)的安全保護(hù)功能

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，可能出現(xiàn)：發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，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(jìn)氣；當(dāng)降至3bar以下時(shí)，常閉式角座閥和氣動(dòng)蝶閥關(guān)閉，阻斷發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道，發(fā)動(dòng)機(jī)自然停機(jī)。在起動(dòng)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(shí)起動(dòng)開關(guān)接通與否均不起作用。當(dāng)條件恢復(fù)時(shí)，控制閥組自動(dòng)關(guān)閉，系統(tǒng)壓力才能重新建立。

4　該方案優(yōu)點(diǎn)

（1）氣控閥和角座閥都有自動(dòng)切斷作用，駕駛員按動(dòng)起動(dòng)按鈕后，無需考慮起動(dòng)時(shí)間，不需要松開該按鈕馬達(dá)即可自動(dòng)收回，可通過節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)該過程時(shí)間，方便操作。另外，如駕駛員在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)出現(xiàn)誤操作，再次按下起動(dòng)按鈕，此時(shí)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(dá)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(jī)工作后關(guān)閉，它與氣控閥均可切斷氣路，形成雙重保護(hù)，在其中任意原件損壞時(shí)，均不影響系統(tǒng)的安全；（3）快放閥無需任何控制，在進(jìn)氣源切斷后立即動(dòng)作，排出馬達(dá)腔內(nèi)剩余氣體，使推桿迅速收回；（4）發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)異常情況停機(jī)之后，在故障未排除前，無法強(qiáng)行起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，從而避免人為因素造成的發(fā)動(dòng)機(jī)損壞。

5　結(jié)論

采用以上安全控制系統(tǒng)的防爆鏟運(yùn)機(jī)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(dòng)機(jī)空壓機(jī)進(jìn)氣管路上增加過濾能力較強(qiáng)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(jī)安全控制的所有要求。

王波（1986-），男，山西運(yùn)城人，學(xué)士，助理工程師，研究方向：機(jī)械類，工程機(jī)械（礦山機(jī)械）。