趙亞紅 劉 江

（陜西龍門鋼鐵有限責任公司，陜西 韓城 715400）

關(guān)健詞：脫硝煙氣；內(nèi)置式直燃爐；煙氣加熱裝置；低碳節(jié)能

0 引言

目前國內(nèi)燒結(jié)機煙氣脫硝加熱裝置大部分使用外置式煤氣加熱爐，由于其燃燒介質(zhì)高爐煤氣熱值很低，點火和穩(wěn)燃都有一定困難，同時燃燒室周圍流經(jīng)的是200℃～300℃的低溫煙氣，整個燃燒過程一直處于放熱環(huán)境中，其高負壓和放熱環(huán)境下外置式加熱爐經(jīng)常滅火停爐導(dǎo)致脫硝環(huán)保指標超標，生產(chǎn)工藝中斷導(dǎo)致了開停機的各項不安全因素增加及產(chǎn)品產(chǎn)量的經(jīng)濟損失。該技術(shù)采用的煙氣加熱裝置內(nèi)置式直燃爐，在解決以上難點的同時還可以低碳燃燒。

1 應(yīng)用背景

目前燒結(jié)機煙氣脫硝超低排放采用的主要技術(shù)路線之一：GGH（Gas Gas Heater）+煙氣加熱裝置+SCR（Selective Catalytic Reduction），內(nèi)置式直燃爐屬于該技術(shù)路線中的煙氣加熱裝置，其技術(shù)難點在于確保在高負壓和放熱環(huán)境下，高爐煤氣的穩(wěn)定點火和穩(wěn)定燃燒，同時滿足企業(yè)低碳節(jié)能的環(huán)保及降本要求。

2 技術(shù)條件

煤氣加熱裝置節(jié)能技術(shù)改造后可以達到如下條件：1）脫硝入口煙溫高于280℃。2）燃燒器的選配靈活，可連續(xù)自動完成煤氣量和風(fēng)量的調(diào)節(jié)，滿足煙氣量在設(shè)計值30%～115%波動情況下的穩(wěn)定運行，自動吹掃，程序點火。3）燃燒器選型完全適應(yīng)煤氣波動狀況，煤氣熱值波動700kcal/Nm3～800kcal/Nm3，相對穩(wěn)定，氣體燃燒穩(wěn)定完全，燃燒效率高于98%。4）加熱能力可調(diào)節(jié)性大，助燃風(fēng)取自引風(fēng)機出口凈煙氣或空氣，管路上裝有調(diào)風(fēng)閥，供助燃風(fēng)調(diào)節(jié)，火焰長度、擴散角均能和煙道合理匹配，且配有自動點火和火檢，保證安全穩(wěn)定運行。5）火焰檢測系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，火檢探頭具有防堵灰設(shè)計，防止探頭處堵塞造成火檢失效。6）熱工及動力控制有遠程控制和現(xiàn)場控制，自動化程度高，能很好地滿足多種工況需要。7）滿足低碳、節(jié)能、環(huán)保的工藝要求，配套電機能效等級不低于二級。8）煤氣管路氣動關(guān)斷閥泄露等級須達到6級，按照GB/T 4213-2008標準執(zhí)行。9）選用低氮燃燒器，合理配風(fēng)，盡可能減少NOx的生成。燃燒器應(yīng)為高效、節(jié)能、環(huán)保的節(jié)能燃燒設(shè)備。其結(jié)構(gòu)緊湊，燃燒穩(wěn)定，調(diào)節(jié)比大，噪聲低，可內(nèi)設(shè)火焰檢測報警系統(tǒng)；火焰鋪展性好，燃燒完全，燃燒易于控制。燃燒器配套觀火孔。配置智能火焰檢測器，用以觀察檢測火焰燃燒情況。燃燒器外殼材質(zhì)采用優(yōu)質(zhì)碳鋼，燃燒噴頭及向火面采用耐高溫不銹鋼310S，滿足強度、溫度、耐腐蝕性及使用條件的需要。10）采用等離子自動點火系統(tǒng)。無須高熱值燃氣，由等離子點火器直接點燃高爐煤氣，該種點火方式安全、高效、可靠。

關(guān)于燃氣流量核算的說明如下。按現(xiàn)有煙氣流量計將煙氣流量修正至同一基準；定期測量高爐煤氣熱值，將熱風(fēng)爐和內(nèi)置式直燃爐的高爐煤氣耗量修正至同一基準（一般按750kcal/Nm3）；原有加熱爐和內(nèi)置式直燃爐須參照同一個流量計進行對比，可采用原有燃氣母管流量計，特殊情況下可增設(shè)新流量計，以流量計差值作為考核依據(jù)，并根據(jù)煙氣流量及高爐煤氣熱值對高爐煤氣流量進行修正。

3 實際應(yīng)用及原理

目前國內(nèi)燒結(jié)機煙氣超低排放主要工藝技術(shù)路線：燒結(jié)機→機頭電除塵器→主抽風(fēng)機→脫硫反應(yīng)塔（濕法或半干法）→布袋除塵器→GGH（原煙氣段）→煙氣加熱裝置→SCR（脫硝催化劑）→GGH（凈煙氣段）→增壓風(fēng)機→煙囪排放。

內(nèi)置式直燃爐安裝在GGH原煙氣熱端出口煙道內(nèi)，2臺燃燒器在煙道兩側(cè)呈對沖布置。停機前可先進行煙道外部施工（包括高爐煤氣管道系統(tǒng)、助燃風(fēng)管道系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、樓梯平臺鋪設(shè)、電纜橋架鋪設(shè)等），煙道內(nèi)部需停機施工，系統(tǒng)投產(chǎn)后即可投用內(nèi)置式直燃爐加熱系統(tǒng)。原有外置式加熱爐系統(tǒng)可保留，2套加熱系統(tǒng)可切換運行[1]。

內(nèi)置式直燃爐加熱系統(tǒng)主要由煙氣系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3個部分組成。

煙氣系統(tǒng)主要由煙氣分流裝置、燃燒器（包括點火槍、燃料氣管道、助燃空氣管道）組成。煙氣經(jīng)導(dǎo)流裝置后，一部分煙氣流經(jīng)位于煙道兩側(cè)的燃燒器區(qū)域，對煙氣進行加熱的同時，也對燃燒器進行冷卻，之后與中間的煙氣在后端混合，使煙氣溫度達到脫硝催化劑反應(yīng)溫度要求，導(dǎo)流裝置經(jīng)過流場模擬，保證催化劑前煙氣溫度偏差小于±10℃。燃燒系統(tǒng)由燃燒器、助燃風(fēng)系統(tǒng)、燃氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)組成。煙道內(nèi)共設(shè)置2臺燃燒器，呈對沖布置，燃燒器采用低NOx設(shè)計，自身產(chǎn)生的NOx濃度低于50mg/Nm3。

助燃風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)需要可選用煙氣或空氣助燃，煙道負壓小于-3000Pa須采用助燃風(fēng)機，煙道負壓大于-3000Pa時不設(shè)助燃風(fēng)機。在煙氣氧量＞15%時采用煙氣助燃，在煙氣氧量＜15%或其他特殊工況下采用空氣助燃。

等離子點火器火焰溫度達到8000℃～10000℃，能夠在高負壓、低熱值條件下快速點火[2]。

內(nèi)置式直燃爐結(jié)構(gòu)及工藝流程如圖1所示，高爐煤氣燃料進氣管道進入燃燒器前一分為二，燃料氣管線上分別安裝壓力變送器、調(diào)節(jié)閥控制各自燃燒器煤氣流量、壓力，燃燒器由等離子點火器點火引燃，煙氣經(jīng)過導(dǎo)流板通過燃燒器點燃后燃燒，高溫煙氣通過助燃風(fēng)機進行助燃，原煙氣部分通過導(dǎo)流板冷卻煙道壁防止溫度過高，控制系統(tǒng)采用PLC（Programmable Logic Controller）控制，采用先進的比例積分調(diào)節(jié)式自控系統(tǒng)，主要包括點火控制系統(tǒng)（一鍵啟動）、煙溫自動調(diào)節(jié)、燃氣流量控制、助燃風(fēng)流量控制。同時設(shè)置完善的安全聯(lián)鎖保護系統(tǒng)，出現(xiàn)異常時發(fā)出報警信號，觸發(fā)安全聯(lián)鎖保護動作條件時自動熄火，保證系統(tǒng)安全可靠運行[3]。

圖1 內(nèi)置式直燃爐工藝原理圖

4 技術(shù)優(yōu)勢

4.1 節(jié)約高爐煤氣

燒結(jié)機煙氣中含有大量的CO，內(nèi)置式直燃爐在煙道中直接燃燒，能引燃燒結(jié)機煙氣中部分CO，引燃CO產(chǎn)生的熱量被煙氣吸收，這部分能量利用可節(jié)約高爐煤氣15%以上（見表1）。

表1 引燃煙氣中CO與節(jié)約高爐煤氣之間的關(guān)系

以某公司400m2燒結(jié)機煙氣脫硝加熱系統(tǒng)為例，煙氣量1750000Nm3/h、高爐煤氣熱值750kcal/Nm3、煙氣溫升為30℃時，通過實際測量直燃爐加熱前后的CO變化，計算出內(nèi)置式直燃爐比外置式加熱爐節(jié)約高爐煤氣18.6%（見表2）。

表2 400m2燒結(jié)機內(nèi)置式直燃爐節(jié)約高爐煤氣量計算表

采用100℃～150℃的高溫煙氣助燃，減少了加熱冷空氣助燃時所需要消耗的熱量，按照冷空氣溫度20℃、排煙溫度100℃、排煙過量空氣系數(shù)1.2計算。根據(jù)鍋爐性能試驗規(guī)程核算排煙損失=（0.5+3.45×1.2）×（100-20）/100=3.71%，采用煙氣助燃能夠節(jié)約高爐煤氣3.71%。

燃燒器布置在煙道內(nèi)，沒有長距離輸送過程中的管道散熱損失，同時燃燒器在煙道內(nèi)的散熱全部被燒結(jié)煙氣吸收，根據(jù)《TSG G0003-2010工業(yè)鍋爐能效測試與評價規(guī)則》，利用這部分能量可節(jié)約高爐煤氣用量 3% 左右。

綜上所述，內(nèi)置式直燃爐與外置式加熱爐相比，能夠節(jié)約高爐煤氣量20%以上。

4.2 比外置式加熱爐更加安全

外置式加熱爐一般是在煙道外建立一個絕熱爐膛，爐膛溫度控制在900℃～1000℃，需要采用高熱值氣體（如焦爐煤氣、乙炔、液化氣等）引燃或伴燒，目前存在以下安全隱患。

用外接高熱值氣體點火，需要增加一套高熱值氣體存儲和運輸系統(tǒng)，現(xiàn)場存在危險點。

高爐煤氣在狹小、密閉的空間內(nèi)燃燒，溫升能力有限，在啟動初期為提高升溫速度，燃氣量增加過快時會發(fā)生爆炸。

4.3 內(nèi)置式直燃爐可以有效的避免上述安全隱患

高爐煤氣用量約占燒結(jié)煙氣量的1%左右，高爐煤氣中CO的比例大約為25%，即高爐煤氣中的CO與燒結(jié)煙氣濃度占比為0.25%；燒結(jié)煙氣中CO含量最高時能達到10000mg/m3，即燒結(jié)煙氣中的CO與燒結(jié)煙氣濃度占比為1%；2項CO濃度總和與燒結(jié)煙氣比例約為1.25%，而CO的爆炸濃度范圍是12.5%～74%，因此內(nèi)置式直燃爐在煙道內(nèi)引發(fā)CO爆炸的可能性為零。

內(nèi)置式直燃爐采用等離子點火裝置，等離子體火焰中心溫度高達8000℃～10000℃，其熱量能夠瞬間點燃難以引燃的高爐煤氣，點火成功后30s后等離子自動退出，不需要外接高熱值氣體點火和長期伴燃，影響系統(tǒng)安全運行風(fēng)險和安全風(fēng)險點大大降低。

控制系統(tǒng)中采用完善的安全聯(lián)鎖保護措施，如火檢喪失、增壓風(fēng)機停止、GGH停止、燃氣壓力超低、煙溫過高等信號出現(xiàn)時，安全聯(lián)鎖保護立即動作，自動切斷燃氣供應(yīng)，徹底杜絕了爆燃的可能性。

4.4 運行穩(wěn)定可靠

溫升控制采用自動調(diào)節(jié)方式，保證脫硝前煙氣溫度穩(wěn)定達到要求，降低人力操作成本，同時能夠最大限度節(jié)約高爐煤氣用量。對燃料適應(yīng)范圍廣，高爐煤氣熱值高于700kcal/Nm3、高爐煤氣管道壓力高于3kPa，即可保證穩(wěn)定著火和溫升要求。設(shè)備連續(xù)運行周期長、故障率低、維護量小，利用整套機組停機檢修時間進行檢查和維護即可，不會出現(xiàn)外置式加熱爐因爐膛和熱風(fēng)道耐火材料脫落而被迫停機檢修。

4.5 低碳環(huán)保

CO排放是環(huán)保部門重點監(jiān)測的一項環(huán)保指標，內(nèi)置式直燃爐在煙道內(nèi)燃燒，其火焰能夠引燃燒結(jié)煙氣中部分CO，在現(xiàn)場實際測量CO燒失量500mg/m3～1000mg/m3，能夠降低排入大氣的CO污染，是保證CO達標排放的一項措施。

內(nèi)置式直燃爐火焰在煙道內(nèi)燃燒，能夠消耗燒結(jié)煙氣中部分氧量O2，O2燒失量0.5%左右，按照國家環(huán)保政策要求對粉塵、SO2、NOx進行16%氧量修正時，能夠減少企業(yè)排污費用。

以外置式煙氣加熱爐高爐煤氣耗量40萬Nm3/天為例，采用內(nèi)置式直燃爐后節(jié)氣率高于20%，即節(jié)約高爐煤氣量8萬Nm3/天，按照年運行330d計節(jié)約高爐煤氣量2640萬Nm3/a，節(jié)約出來的高爐煤氣可用于燃氣發(fā)電機組鍋爐，燃氣發(fā)電機組每年可多發(fā)電8800000kW·h，折算節(jié)約標煤量2728t/a，二氧化碳減排量6820 t/a，該技術(shù)應(yīng)用可為國家碳達峰、碳中做出巨大貢獻。

4.6 內(nèi)置式直燃爐與外置式加熱爐的性能對比

內(nèi)置式直燃爐通過改變安裝位置及結(jié)構(gòu)（如圖2，圖3），成功實現(xiàn)了對煤氣的安全高效利用，其在使用安全、穩(wěn)定運行、能效率等方面全面超越了外置式加熱爐，各項性能對比見表3。

圖2 內(nèi)置式直燃爐外觀、體積及安裝位置

圖3 外置式加熱爐外觀、體積及安裝位置

表3 內(nèi)置式直燃爐與外置式加熱爐綜合性能對比

5 結(jié)語

燒結(jié)機脫硝煙氣加熱裝置低碳節(jié)能新技術(shù)的研究與應(yīng)用，是火焰燃燒細化專業(yè)領(lǐng)域一次成功的技術(shù)進步，其內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)的優(yōu)化減少了煙氣阻力，減少風(fēng)機做功，解決了密閉空間內(nèi)燃燒可能出現(xiàn)爆炸的隱患，加熱位置的改變減少了爐體等的熱量損失，對廢煙氣中CO的燃燒利用是該節(jié)能技術(shù)的核心。在鋼鐵等高耗能行業(yè)中，以較少的投資改造收回投資成本，為企業(yè)節(jié)能降本、創(chuàng)收創(chuàng)效，減少了污染物的排放，為國家碳達峰、碳中做出巨大貢獻，在全國鋼鐵行業(yè)煙氣治理領(lǐng)域具有重大推廣意義。