姚永江 蔡長(zhǎng)明劉 勇

(1.日照鋼鐵球團(tuán)，山東 日照 276800；2.襄陽中和機(jī)電技術(shù)有限公司(武漢)研發(fā)中心，湖北 武漢 430000)

0 引言

隨著GB 28662-2012《鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的實(shí)施，氮氧化合物的排放限值將更加苛刻?！氨Ｗo(hù)環(huán)境，達(dá)標(biāo)排放”將成為球團(tuán)企業(yè)所必須承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任和義務(wù)，但是由此環(huán)保的壓力將直接導(dǎo)致制造成本增加。因此，加大技術(shù)創(chuàng)新，引進(jìn)新技術(shù)，采用高效低氮燃燒器將會(huì)成為球團(tuán)行業(yè)鏈回環(huán)生產(chǎn)工藝生產(chǎn)中達(dá)到環(huán)保降氮要求和降低成本的有效出路。

某廠鋼鐵球團(tuán)兩條鏈回環(huán)回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)為60萬t/a生產(chǎn)線，由于窯尾無脫硝裝置，原燃燒器為煤氣混燒型燃燒器，火焰形狀發(fā)散不規(guī)整，粗短，調(diào)整直流風(fēng)、旋流風(fēng)對(duì)燒嘴火焰的調(diào)整和高溫區(qū)間的拉伸變化不明顯。窯中位置容易形成結(jié)圈且不易掉落，每次停機(jī)清理對(duì)窯內(nèi)耐材造成剝蝕明顯?；鹧骈L(zhǎng)短粗細(xì)不能在線方便調(diào)整。需要進(jìn)行必要的技術(shù)改造，決定更換選用襄陽中和機(jī)電技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的SR2型高效低氮燃燒器。

1 燃燒器的高效和降氮原理

燃燒器通道排布從外至內(nèi)，依次為軸流風(fēng)通道、旋流風(fēng)通道、轉(zhuǎn)爐煤氣通道、煤風(fēng)通道、中心風(fēng)通道，見圖1。將轉(zhuǎn)爐煤氣通道布置在軸流風(fēng)、旋流風(fēng)以內(nèi)，從而使火焰中心的燃料富集，燃燒主要集中在火焰中心區(qū)域，形成燃料密集型燃燒，在氧濃度較低的環(huán)境下低氮燃燒。

圖1 高效低氮燃燒器頭部示意

軸流風(fēng)、旋流風(fēng)出口截面積可調(diào)。不同的燃料特性、不同的燃料量，需要不同的助燃風(fēng)量和混合速度，燃燒器可實(shí)現(xiàn)在助燃風(fēng)量不變的情況下改變軸、旋流風(fēng)出口速度，也可實(shí)現(xiàn)在出口速度不變的情況下改變軸旋流風(fēng)風(fēng)量，以達(dá)到燃料最佳燃燒速度和最高燃燒效率及最低一次風(fēng)率，有利于降低熱耗同時(shí)最大限度滿足回轉(zhuǎn)窯對(duì)火焰的溫度分布要求。

燃燒器設(shè)計(jì)有中心風(fēng)，中心風(fēng)不但起到控制火焰內(nèi)回流區(qū)的遠(yuǎn)近和大小及穩(wěn)定火焰的作用，同時(shí)防止高溫粉塵粘結(jié)在燃燒器頭部堵塞燃燒器出口而影響火焰形狀。

燃燒器頭部設(shè)計(jì)攏焰罩，攏焰罩長(zhǎng)度適當(dāng)加長(zhǎng)，使火焰一開始形成碗狀效應(yīng)，沒有強(qiáng)渦流，火焰溫度分布更加均勻平緩，避免高溫峰值的形成，有利于降低熱力型氮氧化物。

軸、旋流風(fēng)波紋補(bǔ)償器采用最新的棘輪調(diào)節(jié)裝置，單手即可操作，可實(shí)現(xiàn)在線輕松調(diào)整，方便快捷。

在目前燃料型氮氧化物不可控情況下，為進(jìn)一步穩(wěn)定降低熱力型NOx的生成需要采取如下主要措施：

1)降低燃燒溫度，避免局部高溫；

2)降低氧氣濃度；

3)降低燃燒器出口部分燃燒中心的氧氣濃度，加強(qiáng)局部還原氣氛將已經(jīng)生成的NOx再還原成N2。

如此則需要針對(duì)性地通過以下方式來實(shí)現(xiàn)降低熱力型氮氧化物的方式實(shí)現(xiàn)降氮：

1)通過各通道內(nèi)外出口的錐度和速度合理設(shè)計(jì)，延緩燃料與助燃風(fēng)的混合，組織燃料與助燃風(fēng)的混合燃燒均勻平和，不產(chǎn)生劇烈燃燒現(xiàn)象和過高的熱力集中點(diǎn)，從而形成細(xì)長(zhǎng)規(guī)則有剛度的火焰形狀，控制燃燒溫度在1 500 ℃以下，避免局部高溫。

2)減小一次助燃風(fēng)配比，采用12%～15%低比例的一次助燃風(fēng)比例，有時(shí)生產(chǎn)使用時(shí)甚至?xí)_(dá)到10%的低比例，使在火焰最大直徑處的高溫區(qū)處氧氣濃度很低或處于微還原氣氛，通過抑制NOx生成和再還原回N2的方式，有效降低熱力型NOx的生成。

3)合理的較快速度的軸流風(fēng)和旋流風(fēng)的大推力推送以及中心風(fēng)的回流外推作用，可有效縮短高溫?zé)煔庠诟邷貐^(qū)內(nèi)的停留時(shí)間，減少煙氣中N2的參與氧化的機(jī)會(huì)，從而降低熱力型NOx的生成。

4)為進(jìn)一步降低窯頭燃燒溫度，可考慮增加使用鏈箅機(jī)輔燒，從而不影響產(chǎn)質(zhì)量和低氣耗情況下有效再降低部分氮氧化物生成。

2 改造過程

原燃燒器為煤、氣混燒型燃燒器，當(dāng)全燒轉(zhuǎn)爐煤氣時(shí)，火焰會(huì)短粗，不能在線調(diào)整火焰形狀，燒成帶短，在窯頭不遠(yuǎn)的地方火焰會(huì)有很亮的高溫點(diǎn)，容易結(jié)圈且不掉圈，影響回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)轉(zhuǎn)率和相應(yīng)的電耗。有一部分轉(zhuǎn)爐煤氣在窯頭難以完全燃燒，被抽風(fēng)至回轉(zhuǎn)窯尾部燃燒，致使窯尾溫度偏高。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和要求，進(jìn)行了如下的相應(yīng)改造：

1)轉(zhuǎn)爐煤氣熱值降低以后，火焰溫度會(huì)降低50～80 ℃，影響成品球團(tuán)的強(qiáng)度指標(biāo)，加裝鏈箅機(jī)輔助燒嘴，提高預(yù)熱二段煙室溫度，增加入窯生球強(qiáng)度，減輕窯頭燒成壓力。鏈箅機(jī)輔助燒嘴為平焰氣體燃燒器，安裝于鏈箅機(jī)預(yù)熱二段的靠近窯尾端的兩面?zhèn)葔ι?，按四個(gè)輔燒配置，每個(gè)燃燒能力為400～600 m3/h，兩兩錯(cuò)開，交錯(cuò)向后排開安裝，燃燒器燃燒火焰出口氣流速度達(dá)20 m/s以上,有很高水平前送的硬度，能直接送至箅床中間，不使火焰直接下降至側(cè)墻下部，造成溫度不均勻，確保鏈箅機(jī)預(yù)熱二段的溫度場(chǎng)均勻且能有效提高入窯生球強(qiáng)度。另外設(shè)計(jì)窯頭燃燒器時(shí)要加強(qiáng)窯頭氣體燃料與助燃風(fēng)的混合，使火焰剛勁有力，細(xì)長(zhǎng)規(guī)整，使球團(tuán)在較長(zhǎng)的燒成帶內(nèi)多停留焙燒也可有效提高成品球強(qiáng)度。從而保證在轉(zhuǎn)爐煤氣熱值降低和回轉(zhuǎn)窯熱工狀態(tài)穩(wěn)定情況下仍能生產(chǎn)出與原來質(zhì)量相當(dāng)?shù)那驁F(tuán)成品。

2)更換窯頭燃燒器為SR2型高效低氮的多通道煤、氣混燒燃燒器，火焰長(zhǎng)度可達(dá)：15～20 m，長(zhǎng)短粗細(xì)可通過本體上的調(diào)節(jié)閥門以及波紋補(bǔ)償器進(jìn)行在線調(diào)節(jié)在線調(diào)節(jié)方便，它可在線調(diào)節(jié)各風(fēng)道出口截面積，從而改變噴出速度，達(dá)到調(diào)節(jié)火焰形狀和強(qiáng)弱的目的。

3)更換原有窯頭燃燒器所配置的流量：333 m3/min，升壓：5 kPa的離心風(fēng)機(jī)為低風(fēng)量高風(fēng)壓的羅茨風(fēng)機(jī)，風(fēng)量為75.5 m3/min，風(fēng)壓為：19.6 kPa，少送入一次風(fēng)，有效節(jié)能降耗。

4)在窯頭燃燒器上增加一個(gè)煤粉通道，當(dāng)焙燒溫度偏低影響球團(tuán)抗壓強(qiáng)度質(zhì)量的時(shí)候，噴入適量煤粉，用以提高焙燒溫度。

更改前后的現(xiàn)場(chǎng)圖片對(duì)比見圖2。

圖2 更改前后的現(xiàn)場(chǎng)照片(左為更改前)

3 設(shè)計(jì)原理和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用調(diào)整

氮氧化物的生成途徑有三種：

1)熱力型NOx,指空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卵趸蒒Ox，一般占比20%～30%左右。熱力NOx的生成和溫度關(guān)系很大，在溫度足夠高時(shí)，熱力型NOx反應(yīng)速率按指數(shù)規(guī)律增加。當(dāng)T<1 500 ℃時(shí)NOx的生成量不大，而當(dāng)T>1 500 ℃時(shí)氮氧化物生成速度成倍增長(zhǎng)。

2)快速型NOx，指燃燒時(shí)空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)如CH等反應(yīng)生成NOx，一般占比5%左右；

3)燃料型NOx，指燃料中含氮化合物在燃燒過程中進(jìn)行熱分解，繼而進(jìn)一步氧化而生成NOx，在NOx生成中占比達(dá)：50%～70%。如果轉(zhuǎn)爐煤氣燃料中含有如NH3、HCN、吡啶、喹啉等含氮組分高但又難檢測(cè)的成分，由含氮組分燃燒容易生成大量的NOx，會(huì)出現(xiàn)氮氧化物濃度波動(dòng)且超標(biāo)情形。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，燃燒器調(diào)試后實(shí)際窯尾氮氧化物排放數(shù)值一般在45 mg/m3以下(18%基準(zhǔn)氧含量)，有時(shí)會(huì)有少量波動(dòng)，分析是因?yàn)槊簹馊剂现械暮M分高波動(dòng)以及燃燒器的特有多通道有效完全混合結(jié)構(gòu)造成的局部高溫導(dǎo)致一定量熱力型NOx的生成引起的數(shù)值增大波動(dòng)。

在針對(duì)性設(shè)計(jì)燃燒器的過程中為保證燃料的充分燃燒和低氮排放效果，把握的總設(shè)計(jì)原則是：使在燃燒器內(nèi)部或出口射流的空氣分級(jí)，控制燃料與助燃空氣的混合過程和速度，使燃燒推遲，延長(zhǎng)火焰行程，拉長(zhǎng)燒成帶，配上合理的較長(zhǎng)尺寸攏焰罩?jǐn)n焰效果降低火焰峰值溫度，從而減少熱力型NOx生成量。有效降低主燃燒區(qū)域的氧量水平，通過分級(jí)送入燃燒助燃空氣，煤粉或煤氣在缺氧條件下熱解燃燒，促使燃燒氮N2向分子氮的轉(zhuǎn)化。提高煙氣回流強(qiáng)度，設(shè)置一個(gè)大尺寸的穩(wěn)焰中心風(fēng)端蓋板，使回流區(qū)域中的氮氧化物在缺氧的還原氣氛下進(jìn)一步還原回氮?dú)獬煞?，后燃的煤氣燃料在再燃區(qū)持續(xù)燃燒，與主燃區(qū)生成煙氣及未燃盡碳?；旌希纬蛇€原性氣氛，此反應(yīng)區(qū)域?yàn)橐桩a(chǎn)生高溫的燃燒器出口部分區(qū)域，不影響球團(tuán)窯窯中氧化燒成帶的氧化氣氛，此區(qū)域生成熱力型氮氧化物比例高，此處的總的過量空氣系數(shù)小于1。燃料中的C、CO、烴以及部分還原性氮，將NOx還原成分子氮，如下式反應(yīng)，從而進(jìn)一步降低煙氣中的NOx濃度。

(1)

(2)

SR2型高效低氮燃燒器自2019年12月以來分別投入兩條球團(tuán)回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線使用后，調(diào)整方向上主要以形成細(xì)長(zhǎng)火焰為主，在成品球質(zhì)量保證情況下，一次助燃風(fēng)機(jī)通過放風(fēng)處理，盡可能少用窯頭的一次助燃風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，增大軸流風(fēng)的截面積調(diào)整，減少旋流風(fēng)的截面積，減小火焰旋流強(qiáng)度，形成均勻細(xì)長(zhǎng)柔順的火焰形狀。在實(shí)際使用過程中，軸流風(fēng)的風(fēng)壓保證在：8～12 kPa，旋流風(fēng)的風(fēng)壓保證在：5～8 kPa，中心風(fēng)的風(fēng)壓保證在：4～6 kPa。

4 應(yīng)用效果

現(xiàn)場(chǎng)使用的轉(zhuǎn)爐煤氣的低位熱值為：1 300～1 400 kcal/m3，接點(diǎn)壓力為：4～10 kPa。

使用新的高效低氮燃燒器后，燃燒器火焰形狀規(guī)整細(xì)長(zhǎng)，在線調(diào)整方便靈活，窯內(nèi)氣氛通透，熱工狀態(tài)易于控制，球團(tuán)產(chǎn)質(zhì)量均達(dá)到更換前良好狀態(tài)，噸球熱耗比原來有效降低15%～20%，窯尾煙氣中的氮氧化物排放也一直穩(wěn)定在達(dá)標(biāo)排放的<50 mg/m3的標(biāo)準(zhǔn)(基準(zhǔn)氧含量18%),見表1。

表1 回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

高效低氮燃燒器火焰形狀和煅燒溫度適合球團(tuán)窯的煅燒工況，結(jié)合合適的生球球團(tuán)配料工藝和穩(wěn)定的窯系統(tǒng)操作，成品球團(tuán)的質(zhì)量如成球強(qiáng)度和亞鐵含量轉(zhuǎn)鼓指數(shù)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，所以備用煤粉通道一直沒有使用即可滿足球團(tuán)窯的正常生產(chǎn)。通過將近幾個(gè)月的生產(chǎn)實(shí)踐證明，SR2高效低氮燃燒器在年產(chǎn)60萬t球團(tuán)回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線上的應(yīng)用是成功的，在節(jié)能降耗和低氮氧化物排放方面均獲得滿意的效果。

5 結(jié)語

在球團(tuán)行業(yè)鏈回環(huán)生產(chǎn)工藝生產(chǎn)中，球團(tuán)回轉(zhuǎn)窯上使用的多通道燃燒器可以響應(yīng)環(huán)保低氮排放要求，選用高效低氮型燃燒器，根據(jù)NOx的熱力型和瞬時(shí)型生成機(jī)理[1]，通過降低在高溫區(qū)的停留時(shí)間、降低峰值火焰溫度、通過稀釋降低絕熱火焰溫度、降低燃燒強(qiáng)度、增強(qiáng)火焰的冷卻、控制或延遲燃料和空氣混合、利用富燃料火焰區(qū)域、減少煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間、降低燃燒區(qū)域氧濃度、降低整體氧濃度、形成富燃料的初始火焰區(qū)域。這些措施，在設(shè)計(jì)時(shí)加以針對(duì)性，在生產(chǎn)過程中根據(jù)需要合理控制，可以實(shí)現(xiàn)低氮排放，而且節(jié)能降耗。