孫 康，王道金，侯大偉，段曉溪，王立朋

（首鋼京唐公司，河北 唐山 063000）

近幾年來國家開展生態(tài)文明建設(shè)，對鋼鐵冶金行業(yè)提出了更高的要求，在鋼鐵行業(yè)產(chǎn)業(yè)過剩、供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的大背景下，國家不斷發(fā)布各種環(huán)保、能耗、質(zhì)量、安全、技術(shù)等法律法規(guī)和產(chǎn)業(yè)政策，加快鋼鐵行業(yè)去產(chǎn)能，市場競爭加劇[1]。因此，加快推進退火爐超低排放，降低廢氣NOx排放刻不容緩。

京唐某條連退產(chǎn)線主要生產(chǎn)厚度為0.4～2.5 mm、寬度為1 000～2 080 mm 規(guī)格的以高端汽車板、高強鋼為主的產(chǎn)品。整個退火爐分為預(yù)熱段、加熱段、均熱段、緩冷段、閃冷段、時效段、終冷段。加熱段和均熱段采用W 型輻射管暗火加熱，采用ON/OFF 的脈沖控制模式。

1 退火爐NOx 的生成機理和研究背景

燃燒過程中，NOx生成的途徑有三個：一是燃料中原先含有的NOx熱分解，再和氧化合生成NOx，稱為燃料型NOx；二是空氣中N2和O2在高溫條件下發(fā)生化合作用生成NOx，稱為熱力型NOx；三是快速型NOx，它是通過燃料產(chǎn)生的CH 原子團撞擊空氣中的N2分子，生成CN 類化合物，最后氧化生成NOx[2]。目前退火爐降低NOx排放有多種途徑，其中包括了NH3脫硝SCR 選擇性氧化技術(shù)脫硝[3]；臭氧氧化煙氣，將煙氣中的低價態(tài)化合物氧化為高價態(tài)化合物，利用裝置尾部的兩級堿液洗滌裝置達到脫脫硫脫硝的目的[4]；還有應(yīng)用純氧燃燒，煙氣再循環(huán)，燒嘴分級配風(fēng)等先進技術(shù)脫硝。

2 退火爐的燃料

退火爐的燃料是精制焦?fàn)t煤氣，主要成分如表1 所示，焦?fàn)t煤氣的熱值為16 800～18 600 kJ/m3。

表1 焦?fàn)t煤氣成分 %

3 退火爐的排放現(xiàn)狀

退火爐的排放污染主要是NOx，SO2，顆粒物。京唐某條連退線排放按照廢氣中體積分?jǐn)?shù)為8%的殘氧折算，退火爐NOx檢測值（質(zhì)量濃度）為130～160mg/m3，不能滿足超低排放NOx低于150 mg/m3的要求。

4 退火爐NOx 排放的原因分析

連續(xù)退火爐的NOx主要排放類型包括燃料型和熱力型兩個方面。針對退火爐在線NOx檢測超標(biāo)問題，從退火爐燃燒系統(tǒng)分析、燒嘴的NOx測試、燒嘴的煙氣回流、燃燒系統(tǒng)的氣密性以及助燃風(fēng)壓力等方面來改善退火爐的NOx排放水平。

4.1 退火爐的燃燒系統(tǒng)

退火爐的燃燒系統(tǒng)關(guān)鍵要素為焦?fàn)t煤氣和助燃風(fēng)，焦?fàn)t煤氣通過燒嘴在輻射管燃燒，經(jīng)過廢氣換熱后排煙風(fēng)機形成負(fù)壓收集，最終排放到大氣中。燒嘴的燃燒過程是利用助燃風(fēng)將煙氣經(jīng)過廢氣換熱器進行預(yù)熱和回流，并與焦?fàn)t煤氣通過燒嘴點火電極點火燃燒。燒嘴燃燒過程中焦?fàn)t煤氣中少量的NH3以及空氣中的N2在高溫下生成NOx，每個燒嘴燃燒狀態(tài)決定了整體的NOx排放水平。

4.2 燒嘴的NOx 測試

使用壓差儀和煙氣分析儀對燒嘴進行測試，校準(zhǔn)不同功率的燒嘴煤氣和助燃風(fēng)壓力，按照廢氣中殘氧百分比為3%～3.5%來調(diào)整燒嘴的空燃比，記錄每個燒嘴NOx、廢氣殘氧百分比、煙溫、煤氣壓差、空氣壓差等數(shù)據(jù)。退火爐在不同爐況下，共計45 個燒嘴NOx超標(biāo)，將超標(biāo)燒嘴的NOx量進行折算后檢測，發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量濃度在150～240 mg/m3之間。不合格燒嘴主要分布于爐區(qū)加熱段的出口位置，其原因為退火爐正常生產(chǎn)時，加熱段出口的爐況溫度相對較高，燒嘴燃燒時輻射管表面溫度升高，從而增加了NOx的生成量。

4.3 燒嘴的煙氣回流

退火爐采用具有廢氣預(yù)熱、煙氣回流功能的換熱器燒嘴，使用煙氣分析儀測量煙氣的回流量，助燃風(fēng)中φ（O2）=21%，換熱器預(yù)熱助燃風(fēng)后卷吸一定量廢氣參與再次燃燒，根據(jù)助燃風(fēng)的φ（O2）推算煙氣的回流量，所有測量燒嘴的助燃風(fēng)中的φ（O2）在17%～18.5%左右。當(dāng)助燃風(fēng)中的φ（O2）在18%～18.5%時，燒嘴的廢氣NOx的質(zhì)量濃度高于150 mg/m3；當(dāng)助燃風(fēng)中φ（O2）低于18%時，燒嘴的廢氣中的NOx的質(zhì)量濃度低于150 mg/m3。燒嘴的煙氣回流是在煙氣循環(huán)中把鍋爐煙氣循環(huán)到燃燒氣流里，由于溫度低的煙氣可降低火焰總體溫度，并且煙氣中的惰性氣體可以沖淡氮的濃度[2]，增加燒嘴的助燃風(fēng)中煙氣回流量，從而降低燃燒過程中產(chǎn)生的NOx。

4.4 燃燒系統(tǒng)的氣密性

退火爐在線廢氣中的殘氧（體積分?jǐn)?shù)）檢測數(shù)據(jù)在8%～12.5%之間，NOx折算值按照廢氣中殘氧（體積分?jǐn)?shù)）8%計算。燃燒廢氣的收集與排放都依賴于負(fù)壓系統(tǒng)，系統(tǒng)氣密性好壞直接影響到燒嘴燃燒過程中焦?fàn)t煤氣和助燃風(fēng)的混合以及火焰的長度。因此，燃燒系統(tǒng)的氣密性對NOx的產(chǎn)生也至關(guān)重要，利用檢修機會對超標(biāo)燒嘴的膨脹節(jié)和廢氣管道進行檢查，重新對膨脹節(jié)緊固和管道焊口漏點進行密封處理。在不同功率下進行氣密性的驗證測試，使用煙氣分析測量煙氣管道中廢氣中殘氧百分比數(shù)據(jù)，使集氣室和燒嘴端的廢氣中殘氧百分比相接近，排煙風(fēng)機后相對集氣室的殘氧量（體積分?jǐn)?shù)）增加2%～3%左右，此外還需要進一步排查，以保證廢氣系統(tǒng)的氣密性。

4.5 風(fēng)機的壓力調(diào)整

爐區(qū)的燒嘴燃燒屬于富氧燃燒的過程，助燃風(fēng)和焦?fàn)t煤氣的壓力決定了燒嘴在燃燒過程的混合狀態(tài)，低NOx燃燒技術(shù)的實質(zhì)是降低最高燃燒溫度、控制燃燒區(qū)燃料濃度以及氧濃度[5]。通過降低助燃風(fēng)的壓力，可以降低最高燃燒溫度以及控制氧濃度；通過試驗降低助燃風(fēng)壓力1 000 Pa，爐區(qū)穩(wěn)定生產(chǎn)過程中NOx量有所降低。

4.6 爐區(qū)工藝參數(shù)與NOx 的關(guān)系

利用廢氣在線檢測的數(shù)據(jù)，對于NOx超標(biāo)時退火爐生產(chǎn)出的不同帶鋼規(guī)格參數(shù)進行統(tǒng)計對比，爐區(qū)生產(chǎn)寬度≤1 400 mm 帶鋼不合格率占比74%，說明退火爐生產(chǎn)窄規(guī)格帶鋼產(chǎn)生的NOx相對寬規(guī)格帶鋼要高。當(dāng)爐區(qū)穩(wěn)定生產(chǎn)消耗煤氣流量相同時，選取厚度為1.2 mm，寬度分別為1 200 mm、1 400 mm、1 600 mm 的帶鋼，對退火溫度為780 ℃和800 ℃的退火爐NOx排放數(shù)據(jù)進行對比分析，具體結(jié)果如圖1所示。熱傳遞的三種方式為對流、傳導(dǎo)和輻射，退火爐的熱傳遞主要是熱輻射為主，熱輻射持續(xù)燃燒傳遞輻射熱量到帶鋼，當(dāng)焦?fàn)t煤氣成分固定時，燃料型NOx基本穩(wěn)定，輻射管內(nèi)NOx生成于溫度高于1 500 ℃的高溫區(qū)，在主要燃燒區(qū)內(nèi)NOx大量產(chǎn)生，每次經(jīng)過彎頭后方的再循環(huán)區(qū)域時，由于混合程度較強，燃燒較劇烈，也會有一定量的NOx生成，最終通過燒嘴在輻射管出口前達到穩(wěn)定[6]。爐區(qū)的煤氣消耗量相同時，燃燒過程產(chǎn)生的輻射量是相同的，窄規(guī)格的帶鋼表面輻射系數(shù)明顯低于寬規(guī)格帶鋼，帶鋼加熱到相同的溫度，生產(chǎn)窄帶鋼的輻射管表面溫度高于寬帶鋼，燃燒過程中產(chǎn)生NOx增加。實際生產(chǎn)過程中，窄規(guī)格帶鋼輻射管的表面檢測溫度明顯高于寬規(guī)格帶鋼生產(chǎn)時的輻射管表面溫度，可達到設(shè)定高溫保護極限950 ℃。燒嘴燃燒過程中產(chǎn)生的NOx，隨著帶鋼寬度的增加而減小，隨著帶鋼溫度的升高而增加。

圖1 不同退火溫度下帶鋼寬度與ρ（NOx）的關(guān)系圖

5 煙氣回流量對NOx 影響的實踐

用相同功率的燒嘴進行實驗，修改換熱器回流口尺寸，燒嘴換熱器的回流口直徑為32 mm，在此基礎(chǔ)上，將回流口直徑加工為30 mm、29 mm，相同功率的燒嘴減小回流口尺寸后，煙氣百分比增加，NOx質(zhì)量濃度明顯降低，具體數(shù)據(jù)如下頁圖2 所示。減小回流口直徑后，煙氣回流中φ（O2）為16.0%～16.5%左右，煙氣回流量由原來的15%增加到20%左右，同時回流的煙氣中w（NOx）提高到20×10-6左右，抑制了燃燒過程中NOx的轉(zhuǎn)化。

圖2 不同換熱器回流口尺寸與ρ（NOx）的對比圖

6 結(jié)論

1）在連續(xù)退火爐加熱段出口位置，隨著爐區(qū)溫度的升高，燒嘴燃燒產(chǎn)生的NOx增加；燒嘴燃燒過程中產(chǎn)生的NOx量，隨著帶鋼寬度的增加而減小，隨著帶鋼溫度的升高而增加。

2）通過降低助燃風(fēng)的的壓力和改善燃燒系統(tǒng)的氣密性，增加煙氣回流量，可以減少NOx的生成量，煙氣回流量由15%增加到20%左右，回流的煙氣中w（NOx）提高到20×10-6，可以抑制燃燒過程中NOx的轉(zhuǎn)化。