王 超，岳 勇，甄 眾，鄒宗來(lái)，董云江，王賀建

（1.北京永博潔凈科技有限公司，北京100012；2.北京龍?jiān)次┑履茉纯萍加邢薰?，北?00071；3.天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津301500）

0 引言

2021 年國(guó)務(wù)院政府工作報(bào)告中指出，扎實(shí)做好碳達(dá)峰、碳中和各項(xiàng)工作，制定了2030 年前碳排放達(dá)峰行動(dòng)方案，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)。我國(guó)是世界第一鋼鐵大國(guó)，2020 年粗鋼產(chǎn)量達(dá)到10.65 億噸，占全球粗鋼總產(chǎn)量的56%。2020 年，鋼鐵產(chǎn)業(yè)CO2排放量占我國(guó)碳排放總量的16%左右，鋼鐵行業(yè)是我國(guó)碳減排的重點(diǎn)領(lǐng)域。而鋼鐵行業(yè)超低排放是我國(guó)當(dāng)前大氣污染治理的主戰(zhàn)場(chǎng)，其中燒結(jié)工序排放的SO2、NOx又占到鋼鐵工業(yè)60～80%，是各鋼鐵企業(yè)超低排放的重點(diǎn)治理環(huán)節(jié)。

目前我國(guó)鋼鐵行業(yè)成功實(shí)現(xiàn)了SCR 脫銷(xiāo)工藝在燒結(jié)煙氣凈化中的工程化應(yīng)用，NOx脫除率≥90%。但由于燒結(jié)煙氣有別于燃煤電廠(chǎng)煙氣，其本身溫度較低，難以達(dá)到SCR 的有效反應(yīng)溫度，因此SCR 工藝需對(duì)燒結(jié)煙氣進(jìn)行補(bǔ)燃、升溫，補(bǔ)燃所需的高爐煤氣單耗（噸燒結(jié)礦消耗煤氣）普遍在30～40 Nm3/t 左右，有的甚至高達(dá)50～60 Nm3/t，能源消耗較大。本文對(duì)SCR 脫銷(xiāo)補(bǔ)燃系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，對(duì)補(bǔ)燃系統(tǒng)節(jié)能降碳的路徑進(jìn)行了探索，并提出了低碳改造的措施。

1 SCR 工藝補(bǔ)燃系統(tǒng)低碳改造基本情況

1.1 補(bǔ)燃系統(tǒng)低碳改造前基本情況

天鋼聯(lián)合特鋼公司2 號(hào)230 m2平燒結(jié)機(jī)脫硝系統(tǒng)于2019 年1 月份投產(chǎn)，脫硝工藝采用中高溫SCR催化劑+回轉(zhuǎn)式GGH，SCR 煙氣加熱補(bǔ)燃系統(tǒng)采用外置式熱風(fēng)爐（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：熱風(fēng)爐），補(bǔ)燃燃料采用高爐煤氣。經(jīng)2 年的運(yùn)行發(fā)現(xiàn)存在以下主要問(wèn)題：

（1）安全隱患大：由于熱風(fēng)爐設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致熱風(fēng)煙道多次出現(xiàn)頂部硅酸鋁保溫磚坍塌，熱風(fēng)管道燒紅，存在極大的安全隱患（見(jiàn)圖1）；

圖1 熱風(fēng)管道受損情況

（2）檢修困難：在運(yùn)行的2 年多的時(shí)間里，多次對(duì)熱風(fēng)煙道、熱風(fēng)聯(lián)箱進(jìn)行修復(fù)，效果不甚理想；

（3） 煤氣耗量大：2 號(hào)燒結(jié)機(jī)SCR 煙氣加熱補(bǔ)燃系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)煤氣用量較大，約15 000～17 000 Nm3/h，煤氣單耗達(dá)到36.36 Nm3/t；

（4）制約產(chǎn)能：受煤氣管網(wǎng)壓力影響，經(jīng)常出現(xiàn)煤氣供應(yīng)不足、升溫困難等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)被迫退出一套脫硝系統(tǒng)進(jìn)行保溫，影響了燒結(jié)機(jī)的正常運(yùn)行；

（5）燃燒不穩(wěn)定：受煤氣品質(zhì)波動(dòng)等因素影響，經(jīng)常出現(xiàn)滅火、點(diǎn)火困難等情況；

（6）啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)：受熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)影響，需先用高熱值氣體將熱風(fēng)爐本體加熱到800 ℃以上才能投入高爐煤氣，升溫速度慢。

1.2 補(bǔ)燃系統(tǒng)低碳改造方案及布置

2 號(hào)燒結(jié)機(jī)煙氣SCR 煙氣加熱補(bǔ)燃系統(tǒng)在保留原熱風(fēng)爐基礎(chǔ)上，增加一套等離子點(diǎn)火-內(nèi)置式直燃爐系統(tǒng)，與現(xiàn)有熱風(fēng)爐功能相同，熱風(fēng)爐與等離子點(diǎn)火-內(nèi)置式直燃爐互為備用。

等離子點(diǎn)火-內(nèi)置式直燃爐直接布置于熱風(fēng)爐層平臺(tái)上煙道兩側(cè)壁，呈對(duì)沖布置，并根據(jù)需要對(duì)煙道進(jìn)行少量調(diào)整及加固，具體布置如圖2 所示。

圖2 等離子點(diǎn)火-內(nèi)置式直燃爐布置圖

2 補(bǔ)燃系統(tǒng)低碳改造后的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

SCR 煙氣補(bǔ)燃加熱系統(tǒng)等離子點(diǎn)火-內(nèi)置式直燃爐改造后，經(jīng)2021 年4～6 月數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤氣單耗從36.36 Nm3/t 下降到27.21 Nm3/t，減少9.89 Nm3/t左右，節(jié)能比例達(dá)到20%以上。

2.1 低碳改造后的節(jié)能情況

表1 為2021 年4、5、6 三個(gè)月，等離子點(diǎn)火-內(nèi)置式直燃爐改造后的節(jié)能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。由表1 可以看出三個(gè)月的平均節(jié)能率為27.21%。

表1 等離子點(diǎn)火- 內(nèi)置式直燃爐改造后節(jié)能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（熱風(fēng)爐煤氣單耗為36.36 Nm3/t）

2.2 低碳改造后煤氣費(fèi)用節(jié)省情況

以2021 年4、5、6 三個(gè)月統(tǒng)計(jì)的平均數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)煤氣年節(jié)省費(fèi)用進(jìn)行測(cè)算。高爐煤氣單價(jià)按0.15 元/Nm3計(jì)，年可節(jié)省高爐煤氣費(fèi)用為：燒結(jié)礦平均月產(chǎn)能×12 個(gè)月×煤氣單耗節(jié)氣量×煤氣單價(jià)=279 455×12×9.89×0.15=4 976 000 元。

2.3 低碳改造后CO2 減排情況

低碳改造后：年節(jié)省的高爐煤氣量為279 455×12×9.89=33 165 719 Nm3；按每3.5 Nm3高爐煤氣發(fā)一度測(cè)算，年可多發(fā)電33 165 719/3.5=9 475 920 kWh；按目前全國(guó)燃煤電廠(chǎng)平均供電煤耗330 gce/kWh 計(jì)，年節(jié)約標(biāo)煤量為9 475 920×330/106=3 127 tce；按一噸標(biāo)煤排放2.66～2.72tCO2計(jì)（取平均值2.69 t），年減排CO2約為3 127×2.69=8 412 t。

2.4 低碳改造后其它效果

2.4.1 燒結(jié)煙氣中CO 消減情況

低碳改造后，針對(duì)CO 消減情況，連續(xù)進(jìn)行了5天測(cè)試，分析直燃爐前后CO 的變化情況，數(shù)據(jù)如表2 所示。由表2 可知，改造后煙氣中的CO 平均含量減少595 ppm，消減率達(dá)到10.5%。

表2 直燃爐前后CO 的變化情況

2.4.2 燒結(jié)煙氣中O2含量變化情況

低碳改造后，直燃爐前后煙氣中O2含量的變化情況如表3 所示。由表3 可知，因O2含量的消減率為1.40%，故NOx折算含量值消減約4%。

表3 直燃爐前后O2 含量的變化情況

3 低碳改造節(jié)能原理分析

通過(guò)改造前后的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，SCR 補(bǔ)燃系統(tǒng)由熱風(fēng)爐改為直燃爐后，在燃?xì)夂牧糠矫嬗泻艽蠼档?，主要原因如下?/p>

3.1 引燃燒結(jié)煙氣中的CO

燒結(jié)煙氣CO 的含量約為5 000 ppm（0.5%）到10 000 ppm（1%）左右，煙氣在煙道內(nèi)流經(jīng)直燃爐火焰的時(shí)候，有一部分CO 會(huì)被引燃，這部分CO 燃燒產(chǎn)生的熱量同樣會(huì)作用于煙氣的溫升，這就減少了高爐煤氣的用量。引燃煙氣中CO 的含量與節(jié)省高爐煤氣之間的關(guān)系如表4 所示，燃燒室在煙道中布置圖如圖3 所示。

圖3 燃燒室在煙道中布置圖

表4 引燃煙氣中CO 的含量與節(jié)省高爐煤氣之間的關(guān)系

在本項(xiàng)目中，煙氣溫升為40 ℃，燒結(jié)煙氣中CO的消減為595 ppm，因?yàn)橐紵煔庵蠧O 產(chǎn)生的節(jié)能比例為14%左右。

3.2 等離子點(diǎn)火-內(nèi)置式直燃爐具有更高的能源利用效率

等離子點(diǎn)火-內(nèi)置式直燃爐具有極高的能源利用效率，主要在以下幾方面：

（1）散熱損失。因直燃爐布置在煙道內(nèi)，基本無(wú)散熱，散熱熱損失減少約2%左右。

（2）排煙熱損失。因助燃風(fēng)絕大部分都是熱煙氣，排煙熱損失減少約4.6%左右。

（3）熱風(fēng)爐為保護(hù)聯(lián)箱、管道等，需要摻入冷風(fēng)，使熱風(fēng)爐煙氣溫度降至600 ℃左右，直燃爐不需摻混冷風(fēng)，這部分熱損失減少約4.2%左右。

由上述可見(jiàn)，因能源利用效率提高，產(chǎn)生的節(jié)能比例約為11%左右。

4 SCR 工藝直燃爐改造的難點(diǎn)

由上述分析數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)SCR 工藝補(bǔ)燃系統(tǒng)進(jìn)行直燃爐改造后，具有明顯的經(jīng)濟(jì)性和減碳效果，但每種技術(shù)都有其固有的困難。直燃爐改造的困難是：技術(shù)難度高，如果不能有效的處理好以下幾個(gè)方面的問(wèn)題，很容易造成耗能和污染性氣體增加的后果。

4.1 溫度場(chǎng)均勻性問(wèn)題

4.1.1 溫度場(chǎng)均勻性的重要性

SCR 補(bǔ)燃系統(tǒng)的主要目的是對(duì)燒結(jié)煙氣進(jìn)行加熱，使燒結(jié)煙氣溫度達(dá)到SCR 催化劑的反應(yīng)溫度區(qū)間，所以SCR 系統(tǒng)催化劑入口截面的溫度場(chǎng)均勻性就顯得尤為重要。如果溫度場(chǎng)不能均勻，溫度過(guò)高或過(guò)低的區(qū)域內(nèi)，因?yàn)榇呋瘎┗钚圆粔?，NOx和氨水就無(wú)法充分反應(yīng)。最直接的后果是：氨逃逸大；SCR 催化劑只有一部分得到有效利用；逃逸的氨與SO3發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)物沾附在GGH 上。

4.1.2 保證溫度場(chǎng)均勻的措施

保證煙氣溫度場(chǎng)均勻最有效的措施是保持熱源的均勻。因熱風(fēng)爐和直燃爐熱源的形式和分布不同，造成各自達(dá)到煙氣溫度場(chǎng)均勻路徑的不同。

熱風(fēng)爐是通過(guò)多點(diǎn)熱源來(lái)保證熱源的均勻。熱風(fēng)爐一般通過(guò)煙道內(nèi)的分散管，將熱風(fēng)爐過(guò)來(lái)的熱煙氣（600 ℃左右）平均分配到SCR 煙道斷面上（一般分36 個(gè)點(diǎn)送入），因熱源點(diǎn)多且均布，技術(shù)上煙氣溫度可以非常容易加熱均勻（一般可以滿(mǎn)足溫度偏差±10 ℃的要求）。

直燃爐是通過(guò)增加熱源的覆蓋面積來(lái)保證熱源的均勻。直燃爐提供的熱量是由火焰直接帶入，燃燒器一般只能布置幾臺(tái)，不可能多到十幾臺(tái)甚至幾十臺(tái)，通過(guò)增加熱源點(diǎn)數(shù)量的方案不可行。要在有限的幾個(gè)熱源點(diǎn)上，將熱源調(diào)整均勻，只能擴(kuò)大單個(gè)熱源的覆蓋面積。這就需要直燃爐火焰保持一定的寬度和長(zhǎng)度，讓直燃爐火焰盡可能充滿(mǎn)其所在的煙道斷面，這樣才能使直燃爐的熱源保持均勻，從而保證整個(gè)煙道溫度場(chǎng)的均勻性，

實(shí)踐表明，增加直燃爐的火焰的長(zhǎng)度和寬度，能夠有效解決直燃爐溫度場(chǎng)均勻性的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)煙道網(wǎng)格法實(shí)際測(cè)量，改造后溫度場(chǎng)的偏差可以控制在±10 ℃以?xún)?nèi)。

4.2 導(dǎo)流阻力問(wèn)題

從理論上來(lái)說(shuō)，如果可以容忍阻力足夠大，煙道內(nèi)的溫度場(chǎng)能夠調(diào)整的無(wú)限接近于均勻，但是阻力過(guò)大會(huì)增加風(fēng)機(jī)的電耗，其關(guān)系如下：

式中：P 為風(fēng)機(jī)軸功率，kW；Q 為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/h；p為風(fēng)機(jī)全壓，Pa；η0 為風(fēng)機(jī)的內(nèi)效率，一般取0.75～0.85，小風(fēng)機(jī)取低值，大風(fēng)機(jī)取高值；η1 為風(fēng)機(jī)的機(jī)械效率，風(fēng)機(jī)與電機(jī)直聯(lián)取1，采用聯(lián)軸器聯(lián)接取0.95～0.98，采用三角皮帶聯(lián)接取0.9～0.95，采用平皮帶傳動(dòng)取0.85。

以300 m2左右燒結(jié)機(jī)為例，煙氣量取常規(guī)標(biāo)方流量120×104Nm3/h，工方流量173×104m3/h（溫度120 ℃），如果增加500 Pa 阻力，克服這些阻力增加引風(fēng)機(jī)的電耗為：173×104×500/（3 600×1 000×0.85×0.95）=298 kW。電費(fèi)按0.5 元/kWh 計(jì)算，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)按8 000 h 計(jì)算，年增加電費(fèi)約119 萬(wàn)元。

熱風(fēng)爐分散管的系統(tǒng)阻力一般在200～300 Pa左右，一般可以認(rèn)為，直燃爐導(dǎo)流的阻力控制在200 Pa 以下是合理的。

4.3 CO 的燒失問(wèn)題

熱風(fēng)爐的熱煙氣進(jìn)入SCR 煙道的溫度在600℃左右，但經(jīng)實(shí)測(cè)，并不能有效的引燃燒結(jié)煙氣中的CO，這主要是因?yàn)橐糃O 的反應(yīng)時(shí)間與溫度的高低有直接關(guān)系，理論分析計(jì)算的結(jié)果如圖4所示。

圖4 引燃CO 的反應(yīng)時(shí)間與溫度的關(guān)系

從圖4 中可以看出，對(duì)于CO 為4 000 ppm，溫度為900 K（627 ℃）的情況，消除CO 需要10 s 的時(shí)間，目前煙道中煙氣的流速普遍在10～15 m/s，也就是說(shuō)要消除4 000 ppm 的CO，需要煙氣在627 ℃的環(huán)境中行進(jìn)最少100 米才有可能，這顯然是做不到的，這就是為什么熱風(fēng)爐不能引燃CO 的原因。

當(dāng)溫度達(dá)到800 ℃（1 073 K）以上后，對(duì)于CO為4 000 ppm 煙氣，消除CO 的反應(yīng)時(shí)間下降到10-2秒以下，按10 m/s 的風(fēng)速，煙氣只需要在800 ℃以上的溫度區(qū)域內(nèi)行進(jìn)0.1 米，甚至更短的距離就可以消除CO。而在煙道內(nèi)具有800 ℃以上溫度的區(qū)域必定是火焰，只有火焰的高溫才能消減燒結(jié)煙氣中的CO。

所以，想要盡可能消減燒結(jié)煙氣中的CO，也需要火焰盡可能充滿(mǎn)煙道截面，也就是需要煙道內(nèi)的火焰盡量寬和長(zhǎng)，而無(wú)火焰或短火焰都很難消減燒結(jié)煙氣中的CO。

4.4 高爐煤氣不完全燃燒問(wèn)題

熱風(fēng)爐火焰穩(wěn)定的機(jī)理是保持爐膛內(nèi)的溫度在800 ℃以上，這樣進(jìn)入爐膛的高爐煤氣可以穩(wěn)定的燃燒，但直燃爐的燃燒環(huán)境和熱風(fēng)爐完全不一樣，為保證溫度場(chǎng)、消除CO，直燃爐的火焰需要裸露在燒結(jié)煙氣中，火焰四周都是在放熱，所以簡(jiǎn)單地將熱風(fēng)爐的燃燒器插到煙道上作為直燃爐燃燒器，會(huì)產(chǎn)生頻繁滅火、燃燒不完全等問(wèn)題，必須對(duì)燃燒器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良，形成適應(yīng)直燃爐的火焰。

此次改造，對(duì)傳統(tǒng)熱風(fēng)爐燃燒器的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了升級(jí)改進(jìn)，在保證煙道中長(zhǎng)火焰的同時(shí)，不滅火而且充分燃燒。

5 結(jié)語(yǔ)

SCR 直燃爐可以節(jié)能這個(gè)命題已經(jīng)深入人心，但是之前都是理論計(jì)算的數(shù)據(jù)和結(jié)果，本次改造第一次以實(shí)際數(shù)據(jù)證明了直燃爐的節(jié)能效果，我們可以得出結(jié)論，直燃爐相對(duì)于熱風(fēng)爐可以節(jié)能20%以上是真實(shí)的、可信的，是能夠大幅度減排CO2的。

但直燃爐是一個(gè)新生的事物，在改造中面臨一系列的技術(shù)難題，溫度場(chǎng)均勻性問(wèn)題、導(dǎo)流板阻力問(wèn)題、燒結(jié)煙氣CO 燒失問(wèn)題、高爐煤氣的燃盡問(wèn)題等，如果這些問(wèn)題得不到有效解決，極有可能不節(jié)能反而耗能，甚至產(chǎn)生其它嚴(yán)重問(wèn)題，因此在直燃爐的改造中務(wù)必要小心處理這些技術(shù)難題。經(jīng)過(guò)直燃爐改造的實(shí)踐，我們認(rèn)為解決上述技術(shù)難題的核心，在于直燃爐的火焰有一定的剛性和長(zhǎng)度，在煙道斷面上有盡可能大的覆蓋面積，不能簡(jiǎn)單地將熱風(fēng)爐的燃燒器插到煙道上作為直燃爐燃燒器。