孫志斌，李國杰，王林建

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 201900)

常見的氮氧化物(NOx)有一氧化氮(NO，無色)、二氧化氮(NO2，紅棕色)、一氧化二氮(N2O)、五氧化二氮(N2O5) 等[1]，工業(yè)生產(chǎn)中煙氣排放的氮氧化物(NOx)通常指的是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)，它們作為大氣污染物之一對(duì)環(huán)境危害極大：氮氧化物(NOx)既是形成酸雨的主要物質(zhì)之一，也是形成大氣中光化學(xué)煙霧的重要物質(zhì)和消耗臭氧(O3)的一個(gè)重要因子。

基于此，近些年我國下大力氣降低氮氧化物(NOx)排放，尤其是作為氮氧化物(NOx)排放大戶的鋼鐵行業(yè)(氮氧化物的生成主要是化石燃料燃燒產(chǎn)生)，國家五部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，意見提出：推動(dòng)現(xiàn)有鋼鐵企業(yè)超低排放改造，其中軋鋼工業(yè)爐要求NOx排放濃度上限200 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))(折算成O2濃度8%條件下)。

根據(jù)對(duì)國內(nèi)某鋼鐵廠軋鋼加熱爐進(jìn)行的調(diào)研來看，許多爐溫高、燃燒空間小，以及采用焦?fàn)t煤氣作為燃料的加熱爐，煙氣排放所產(chǎn)生的氮氧化物(NOx)濃度較高，無法滿足NOx排放濃度上限200 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))的要求，亟需通過技術(shù)改造或設(shè)備革新降低NOx排放濃度。我們針對(duì)上述問題對(duì)NOx超低排放燒嘴進(jìn)行了一系列的研究和探索，取得了較好的效果。

1 NOx生成機(jī)理

在高溫條件下生成的氮氧化物(NOx)主要是以一氧化氮(NO)的形式存在(一氧化氮濃度約占95%)，但由于一氧化氮(NO)在大氣中極易與空氣中的O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成二氧化氮(NO2)，因此在自然條件下的大氣中氮氧化物(NOx)普遍是以二氧化氮(NO2)的形式穩(wěn)定的存在。如何降低高溫下生成的氮氧化物(NOx)成為本次研究的重點(diǎn)。

研究表明，軋鋼加熱爐的燒嘴在燃燒過程中氮氧化物(NOx)的生成途徑主要有三種：熱力型NOx、燃料型NOx、快速型NOx[2]。

1)熱力型NOx

熱力型NOx主要是由于燃燒時(shí)空氣中的N2在高溫下與空氣中的O2發(fā)生氧化反應(yīng)生成，主要影響因素是燃燒溫度。圖1反映了熱力型NOx生成量與燃燒溫度之間的關(guān)系。從圖1中可以看出，在溫度低于1 300 ℃時(shí)，幾乎沒有熱力型NOx生成；隨著燃燒溫度升高到一定程度，NOx生成速率按指數(shù)增加。

圖1 熱力型NOx生成量與實(shí)際燃燒溫度的關(guān)系圖

在溫度足夠高時(shí)，熱力型NOx的生成量可占到NOx總量的30%[3]，因此降低熱力型NOx生成的主要措施就包括：降低燃燒溫度，或者降低局部高溫區(qū)的產(chǎn)生；降低高溫區(qū)內(nèi)O2的濃度；以及縮短煙氣在高溫區(qū)內(nèi)停留的時(shí)間。

2)快速型NOx

快速型NOx是指空氣中的N2與碳?xì)浠衔锶剂现械奶細(xì)潆x子團(tuán)(如CH)反應(yīng)生成HCN，再進(jìn)一步與O2作用以極快的速度生成NOx?？焖貼Ox在燃燒過程中的生成量很小，可以忽略不計(jì)。

3)燃料型NOx

燃料型NOx是指燃料中的氮化合物(例如焦?fàn)t煤氣中的NH3和HCN)與空氣中的O2在燃燒中氧化反應(yīng)生成NOx。燃料中氮化合物含量越高，產(chǎn)生的NOx量就越大；此外火焰燃燒溫度越高，NOx生成量也越高。表1是三種不同熱值的氣體燃料所產(chǎn)生的燃料型NOx生成量比較。

表1 三種不同熱值的氣體燃料所產(chǎn)生的燃料型NOx生成量比較

2 超低NOx排放輻射管燒嘴的開發(fā)

2.1 開發(fā)背景

通過對(duì)國內(nèi)某鋼廠的硅鋼和冷軋退火爐進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)由于采用的燃料不同，會(huì)導(dǎo)致理論燃燒溫度的差異；而由于生產(chǎn)的工藝爐溫差別，根據(jù)上文NOx生成機(jī)理的介紹，上述因素都會(huì)對(duì)產(chǎn)生的NOx濃度產(chǎn)生影響。表2為不同爐溫和燃料下的理論燃燒溫度。

表2 不同爐溫和燃料下的理論燃燒溫度

通過上述數(shù)據(jù)可以看出，采用焦?fàn)t煤氣作為燃料的硅鋼高溫爐，是對(duì)生成NOx濃度影響最大的機(jī)組，而從實(shí)際情況來看也的確如此：國內(nèi)某鋼廠的硅鋼退火爐，采用W型輻射管燒嘴加熱，燃料采用焦?fàn)t煤氣，爐溫950～1 000 ℃，實(shí)測(cè)退火爐廢氣NOx排放范圍在360～500 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))左右(折算成O2濃度8%條件下)。因此，開發(fā)一種針對(duì)硅鋼高溫退火爐使用的超低NOx排放的輻射管燒嘴，是十分有必要的。

2.2 燒嘴開發(fā)過程介紹

2.2.1 技術(shù)路線的確定

目前國內(nèi)外采用降低NOx的方法主要有兩種：燃燒控制法和排放控制法。對(duì)于燃燒控制法，主要是在燒嘴燃燒的過程中采用空氣分級(jí)燃燒、煙氣回流再循環(huán)、低氧燃燒等方式，通過減少火焰局部高溫和與O2反應(yīng)的濃度實(shí)現(xiàn)控制NOx生成；對(duì)于排放控制法，主要是指對(duì)煙氣中已產(chǎn)生的NOx采用吸附、化學(xué)反應(yīng)等方式進(jìn)行處理，最終在排放到環(huán)境前，將NOx處理完畢。

考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和經(jīng)濟(jì)性分析，首先排除了煙氣脫硝的方案；對(duì)于催化劑吸附的方案，我們對(duì)某日本催化吸附產(chǎn)品進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不理想，因此本次開發(fā)集中在燃燒控制法的技術(shù)路線。

在實(shí)際的開發(fā)過程中，以某鋼鐵廠980 ℃最高爐溫的硅鋼高溫退火爐為基礎(chǔ)，以該機(jī)組采用的Φ190 mm輻射管(見圖2)及焦?fàn)t煤氣燃料燒嘴為使用條件，研發(fā)出采用燃燒控制技術(shù)的一種超低NOx排放輻射管燒嘴，其核心結(jié)構(gòu)包括兩方面：燒嘴噴頭及引射器，因此，在空氣分級(jí)燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)新型燒嘴噴頭，在煙氣回流技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)引射器，以及通過燃燒調(diào)整的方式控制燒嘴的低氧燃燒，是本次研發(fā)的重點(diǎn)內(nèi)容，下面逐一進(jìn)行介紹。

圖2 輻射管、燒嘴及換熱器安裝示意圖

2.2.2 新燒嘴噴頭的開發(fā)

由于燃?xì)夂椭伎諝鈨煞N介質(zhì)是在燒嘴噴頭進(jìn)行混合，并通過點(diǎn)火電極或點(diǎn)火燒嘴引燃形成火焰，因此噴頭的結(jié)構(gòu)，直接決定了燃燒的狀況，包括火焰長度、燃盡率和煙氣成分中NOx的生成濃度等。采用空氣分級(jí)燃燒技術(shù)的燒嘴噴頭，不僅可以有效的拉長火焰長度，改善輻射管表面的溫度均勻性，還可以有效減少火焰的高溫區(qū)，從而降低煙氣成分中NOx的生成濃度。

開發(fā)中，對(duì)三種較為常見的燒嘴噴頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行的比較見表3。

表3 三種燒嘴噴頭結(jié)構(gòu)的比較

通過對(duì)三種噴頭的比較可以看出，2#和3#燒嘴噴頭均采用空氣分級(jí)燃燒的方式，可以實(shí)現(xiàn)降低NOx排放的目標(biāo)。空氣的分級(jí)燃燒原理見圖3。之后針對(duì)燒嘴噴頭的一、二次風(fēng)分配比例進(jìn)行分組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)比的原則是保證一次燃燒的空氣過剩系數(shù)小于1.0，利用二次燃燒的空氣將燃料完全燃燒。

圖3 空氣的分級(jí)燃燒原理圖

一次燃燒的空氣過剩系數(shù)小于1.0，可以讓燒嘴的一次燃燒區(qū)是在空氣不足的情況下進(jìn)行的，因而降低了燃燒速度和燃燒溫度，可以有效抑制熱力型NOx的生成；此外，由于一次燃燒區(qū)燃料不完全燃燒，產(chǎn)生的一氧化碳(CO)還可以還原已經(jīng)生成的氮氧化物，從而也可以有效抑制燃料型NOx的產(chǎn)生。

二次燃燒需要將一次燃燒沒有燒完的燃料與二次風(fēng)繼續(xù)混合燃燒，此時(shí)二次燃燒區(qū)的空氣過剩，但燃料與二次風(fēng)混合時(shí)間長，導(dǎo)致火焰溫度低，燃燒速度慢，因此NOx的生成量不大。

根據(jù)上述原則對(duì)不同一、二次風(fēng)比例的實(shí)驗(yàn)，確定火盤的一次風(fēng)開孔數(shù)量、開孔大小、火盤與輻射管之間環(huán)縫的間隙等參數(shù)，最終確定了一種最優(yōu)的燒嘴噴頭結(jié)構(gòu)。

2.2.3 引射器的開發(fā)

根據(jù)在實(shí)驗(yàn)室的情況來看，單獨(dú)采用分級(jí)燃燒技術(shù)的燒嘴，煙氣中生成的NOx排放指標(biāo)在200～300 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))(折算成O2濃度8%條件下)，無法保證應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)過程中指標(biāo)達(dá)標(biāo)，因此還需要配合煙氣回流再循環(huán)技術(shù)一起使用。

所謂煙氣回流再循環(huán)技術(shù)，就是將一部分燃燒產(chǎn)生的煙氣，通過引射等方式回流到助燃空氣中，使這部分煙氣隨著空氣再次進(jìn)行循環(huán)，這樣不僅可以降低助燃空氣中O2的濃度，還可以降低火焰燃燒溫度，從而有效地降低NOx的生成量。

引射器作為煙氣回流再循環(huán)技術(shù)的核心設(shè)備，其原理就是利用射流的紊動(dòng)擴(kuò)散作用，使不同壓力的兩股流體相互混合[4]。圖4為引射器結(jié)構(gòu)原理圖，高壓引射流體以較高得的速度從噴嘴噴入到引射器，由于射流的卷吸作用，高壓引射流體將周圍的被引射流體一起卷入引射器，在收縮段和混合段，兩種氣體進(jìn)行強(qiáng)制混合，混合氣體壓力升高；混合氣體進(jìn)入擴(kuò)散段時(shí)，流速隨著截面積增加而逐漸降低，同時(shí)混合氣體壓力進(jìn)一步升高。

圖4 引射器結(jié)構(gòu)原理圖

本次開發(fā)超低NOx排放燒嘴采用引射器，就是利用了引射器能夠通過助燃空氣的引射作用將一部分煙氣引射回流，與空氣混合后繼續(xù)參與燃燒；此外，引射器不借助機(jī)械外力的壓縮作用就可以提高引射流體的出口壓力、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、無運(yùn)動(dòng)部件、密封性好，也是選擇引射器作為燒嘴輔助部件的原因。

如何確定引射器的結(jié)構(gòu)尺寸，是設(shè)計(jì)引射器的核心，從圖4中可以看出，除了引射器不同功能段本身的長度尺寸(L1～L4)和直徑尺寸(D1～D3)之外，噴嘴的噴口直徑(D4)、噴嘴與引射器之間的間距(L0)也是兩個(gè)重要的尺寸。在實(shí)際的引射器開發(fā)過程中，對(duì)引射器的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了分組實(shí)驗(yàn)，使其具有較高的引射比，同時(shí)保證引射器的阻力損失在系統(tǒng)可接受的范圍內(nèi)。

2.3 實(shí)驗(yàn)情況介紹

在分別確定了燒嘴噴頭結(jié)構(gòu)和引射器的結(jié)構(gòu)后，需要對(duì)該超低NOx排放的輻射管燒嘴進(jìn)行整體熱態(tài)實(shí)驗(yàn)，表4為熱態(tài)實(shí)驗(yàn)的基本條件，圖5為開發(fā)的超低NOx排放的輻射管燒嘴結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物照片。

圖5 新型輻射管燒嘴和引射器的結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物照片

表4 燒嘴熱態(tài)實(shí)驗(yàn)的基本條件

通過對(duì)新型超低NOx排放的輻射管燒嘴在爐溫500～980 ℃下的熱態(tài)實(shí)驗(yàn)，獲得了該燒嘴的空氣、燃?xì)釶-V性能曲線(即燒嘴在不同壓力P條件下對(duì)應(yīng)的不同流量V值)，為后續(xù)投入實(shí)際生產(chǎn)時(shí)燒嘴的在線燃燒調(diào)整提供依據(jù)；此外，還獲得了該燒嘴在不同爐溫下NOx生成濃度的變化情況(見圖6)。

圖6 燒嘴在不同爐溫下NOx生成濃度的變化曲線

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在達(dá)到最高爐溫的情況下，煙氣中NOx的排放濃度只有120 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))(折算成O2濃度8%條件下)，遠(yuǎn)低于200 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))的目標(biāo)值。

同時(shí)，根據(jù)在輻射管表面敷設(shè)的熱電偶檢測(cè)結(jié)果，輻射管表面的溫度差小于40 ℃，這也有利于輻射管壽命的延長。輻射管表面溫度曲線見圖7。

圖7 不同爐溫下輻射管表面溫度曲線

3 新型輻射管燒嘴的應(yīng)用及效果

將該新型超低NOx排放的輻射管燒嘴應(yīng)用在國內(nèi)某鋼廠的硅鋼退火爐上，更換了全部的輻射管燒嘴和點(diǎn)火燒嘴，并增加了引射器，只保留了原機(jī)組的空氣換熱器和輻射管換熱器。在機(jī)組正式投產(chǎn)前，按區(qū)域分別對(duì)燒嘴進(jìn)行冷態(tài)空氣壓力調(diào)整和熱態(tài)燃?xì)鈮毫φ{(diào)整，保證同一區(qū)的燒嘴負(fù)荷相同；然后再通過燃?xì)忾y門調(diào)整將每個(gè)燒嘴的煙氣成分中O2調(diào)整到2%～4%范圍內(nèi)，確保燒嘴在低氧燃燒條件下工作。

最終，在最高爐溫980 ℃條件下，檢測(cè)該機(jī)組廢氣煙囪上NOx濃度為45×10-6，O2含量9.57%，折算成國家標(biāo)準(zhǔn)8%的O2含量下為105 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))，該新型超低NOx排放的輻射管燒嘴的開發(fā)和應(yīng)用取得了良好的效果。

4 結(jié) 論

伴隨國家最新環(huán)保要求的落地實(shí)施，鋼鐵企業(yè)軋鋼加熱爐對(duì)于降低NOx排放的需求也會(huì)日益增加，本次開發(fā)的這種超低NOx排放輻射管燒嘴應(yīng)用取得了成功，但如何使用和推廣好新型燒嘴和超低NOx排放技術(shù)，成為今后的重要課題。