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        馬鋼鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯煙氣中NOx探討

        2016-08-22 09:42:53卓鳳榮黃世來陳連發(fā)段再基馬鞍山鋼鐵股份公司第三煉鐵總廠安徽馬鞍山243000
        山東工業(yè)技術(shù) 2016年16期
        關(guān)鍵詞:窯頭焦?fàn)t煤氣回轉(zhuǎn)窯

        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。

        [1]傅菊英,姜濤,朱德慶.燒結(jié)球團(tuán)學(xué)[M].長沙:中南工業(yè)大學(xué)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(xué)與管理,2015(03):71-74.

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        [4]馮俊小,孫志武,張宇,張永明,楊金寶.鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的熱診斷與節(jié)能分析[J].燒結(jié)球團(tuán),2007(06):29-34.

        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)。

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