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        低氮煤氣燃燒器在球團回轉窯低氮達標排放技改中的應用

        2021-08-26

        低氮煤氣燃燒器在球團回轉窯

        低氮達標排放技改中的應用

        馬曉勇1   孟祥龍1   吳敬2   蔡長明2

        1.凌源鋼鐵股份有限公司第二煉鐵廠,遼寧 凌源122504;

        2.襄陽中和機電有限公司,湖北 襄陽441000

        摘要:某公司球團回轉窯原用單燒焦爐煤氣的四通道氣體燃燒器,在生產過程中因氮氧化物濃度排放數值偏高,不能達標排放,故只能以減產來保證達標排放。根據氮氧化物生成機理分析,通過降低高溫集中區域的溫度,減少熱力型的氮氧化物的生成比例,采取有效措施,有針對性地設計和使用新型低氮燃燒器后,回轉窯生產的球團礦產質量穩定提高,氮氧化物排放濃度明顯降低,成功實現產量高產和氮氧化物達標排放的目標,以此取得顯著的經濟效益和環保效益。

        關鍵詞:回轉窯;氮氧化物;高溫集中;達標排放;氣體燃燒器

        中圖分類號:TF325.1     文獻標識碼:B    文章編號:1671-8550(2021)04-0000-00

        引言

        隨著GB 28662-2012《鋼鐵燒結、球團工業大氣污染物排放標準》的實施,氮氧化合物的排放限值將更加苛刻,國家環保要求NOx排放濃度在300 mg/Nm3以下[1]?!氨Wo環境,達標排放”成為球團企業必須承擔的社會責任和義務。環保的壓力加大直接導致制造脫硝設備運行的成本增加,因此,加大技術創新力度,引進新技術,采用有效降氮措施成為球團行業鏈箅機-回轉窯-環冷機生產工藝中達到環保降氮要求和降低成本的有效出路。

        某公司第二煉鐵廠回轉窯為年產200萬t的鏈箅機-回轉窯-環冷機工藝生產線,原窯頭燃燒器配置的是單燒焦爐煤氣的四通道氣體燃燒器,在生產過程中,為保證國家環保要求NOx排放濃度在300 mg/Nm3以下的達標排放要求,雖然經過多次熱態工況包括對燃燒器的火焰狀況調整,仍很難保證回轉窯生產時NOx排放濃度值低于排放標準300 mg/Nm3,球團窯只能日減產約400 t運行,此時NOx排放濃度基本控制在240~290 mg/Nm3。在這種情況下公司因氮氧化物排放達標要求被動減產導致出現一定量的產能需求缺口,只能被迫大量外購球團,增加了采購成本,成為生產經營的一大難題,迫切需要解決。

        這種依靠降低產能保證氮氧化物排放達標的生產狀況嚴重制約球團回轉窯的正常球團生產,降低回轉窯的運轉效益,因此需要優化改進,找到一些降氮措施,力求在保證回轉窯球團正常生產出滿足市場需求的高質量;在無需外購球團填補需求缺口的高產量情況下,煙氣中的氮氧化物含量數值也可以達到排放標準以下。

        1  氮氧化物的生成機理

        NOx的生成途徑主要有三種,具體情況如下:

        1)熱力型NOx:指空氣中的氮氣在高溫條件下氧化而生成的NOx。溫度對空氣中的氮轉化為NOx的數量有著非常顯著的影響(見圖1)。煙氣溫度越低,NOx的生成量越少;同時煙氣在高溫區域停留的時間越短,則NOx的生成量越少。

        2)燃料型NOx:指在燃燒過程中,燃料中的含氮化合物經過熱分解和氧化而生成的NOx。

        3)快速型NOx:指燃料中的碳氫化合物在燃燒時,由于燃料相對集中,燃料中的碳氫化合物高溫分解成的碳氫離子團如CH自由基等與空氣中的氮氣反應生成HCN和N,然后以非??斓乃俣扰c氧氣作用而生成NOx。 通常情況下,快速型NOx所占總的NOx的比例不到5%,故一般不予詳細研究[2]。

        圖1  3種類型NOx隨溫度的分布圖

        從圖1可以表明,燃燒溫度對熱力型氮氧化物生成有決定性的作用,當燃燒溫度低于1 500 ℃時,氮氧化物的生成量很少;高于1 500 ℃時,氮氧化物生成量按指數規律迅速增加[3]。

        2  煙氣氮氧化物濃度偏高原因分析

        該公司第二煉鐵廠回轉窯窯頭采用氣體燃燒器,運行后的窯尾煙氣經脫硫處理,沒有脫硝設備運行。原來使用的燃燒器為四通通焦爐煤氣燃燒器,其端面結構見圖2,自攏焰罩一側從外到內的通道排布為:軸流風、旋流風、焦爐煤氣、中心風和點火氣,焦爐煤氣按一定的擴散角經旋流器旋流向外噴出,由外鄰的經旋流器螺旋擾動的旋流風傳給相當高的動量和動量矩,以高速度螺旋前進,并繼續向外徑向擴散,與高速射出的軸流風束相遇。軸流風束的插入進一步增強了氣體燃料與空氣的混合(包括周圍的二次風),可根據風量的大小和軸流風旋流風的出口截面積的大小調節來控制火焰的發散程度,能按實際生產熱工需要調節火焰的長短、粗細,達到需要的火焰形狀。但是焦爐煤氣中的高比例氫氣的燃燒特性決定了這種結構的燃燒方式易產生高溫集中情況,很容易造成火焰區域的局部溫度達到1 500 ℃以上,這樣就比較容易產生較高比例的熱力型的氮氧化物。

           

        圖2  原用燃燒器端面結構

        考慮到熱力型氮氧化物的生成機理,其生成是在高溫下由氧原子撞擊氮分子而發生反應的結果,尤其是在溫度達1 500 ℃以上燃燒情況,因此這種燃燒情形產生熱力型氮氧化物的主要影響因素是溫度和空氣過剩系數[3],在操作上采取了適當降低焙燒溫度和一次助燃風量的措施,逐漸將一次助燃風量由7 000 m3/h降低到6 200 m3/h。調整后,NOx排放濃度略有降低,基本控制在240~290 mg/Nm3,基本能夠滿足環保排放要求,但卻造成回轉窯整個熱態工況系統溫度降低,預熱二段溫度由原1 020 ℃左右逐漸降低到980 ℃左右,這樣就使入窯生球的干燥、預熱和焙燒效果變差,入窯生球強度差,破碎入窯的球團粉料量增大,使得在生產過程中回轉窯結圈頻次加劇,進一步影響了回轉窯的球團的生產質量。同時加劇的回轉窯窯體耐材表面結圈使得耐火材料使用壽命降低,對回轉窯長期穩定運行帶來許多不利影響。

        為保證回轉窯生產時使用焦爐煤氣為燃料時NOx排放濃度值達標,球團回轉窯經多次熱態工況包括對燃燒器的火焰狀況調整摸索,最終也很難做到達產(達產運行產量6 000 t/d)運行,只能每日產量減產約400 t運行,此時NOx排放濃度基本可控制在240~290 mg/Nm3,在這種情況下導致出現一定量的產能需求缺口該公司只能被迫大量外購球團,成為生產經營的一大難題。

        從以上的運行和調整后的結果看,如果能在燃燒過程中采取措施有效降低熱力型氮氧化物生成量,應當能夠大幅降低煙氣中的氮氧化物的濃度值,并且還能有效保證回轉窯球團生產的產質量達標要求。所以計劃在窯頭使用的燃燒器上采取降氮技術措施,通過燃燒器的結構優化和參數精準設計,以及增加低熱值煤氣用量的方式,以偏重于細長火焰形狀的方式從降低高溫集中區域溫度方向減少熱力型的氮氧化物的生成比例,決定采用針對性設計的低氮型燃燒器。

        3  低氮燃燒器的低氮技術措施

        基于以上分析和技改方向,該公司與其合作公司通過校企合作與華中科技大學進行了模擬仿真實驗(見圖3、圖4),焦爐煤氣理論燃燒溫度可達2000 ℃以上,而高爐煤氣的理論燃燒溫度約為1450 ℃,當混燒以上兩種煤氣時,理論燃燒溫度可大幅降低,有利于降低熱力型氮氧化物的生成。因此,在對煤氣及各風機能力進行理論核算后,將燃燒器由單燒焦爐煤氣改為燒焦爐和高爐兩種煤氣,其中設計焦爐煤氣用量在8 000≈10 000 Nm3/h,高爐煤氣用量在8 000≈9 000 Nm3/h。

        圖3 各助燃風比例變化時的火焰熱場工況            圖4軸向切面氮氧化物(總的和熱力型)分布

        在煤氣成分一定,燃料型氮氧化物不可控情況下,為進一步穩定降低熱力型NOx的生成需要在設計低氮燃燒器時采取以下主要措施[4]:

        1)摻入一定量的低熱值煤氣形成分級燃燒效果,降低燃燒溫度,避免局部高溫。

        2)通過優化設計保證細長火焰形狀,不形成高溫集中現象,延緩煤氣與助燃風的混合劇烈程度,降低高溫區域的氧氣濃度,適量減少助燃風的用量。

         

        3)穩焰和煙氣回流的結構設計,降低燃燒中心區域的氧氣濃度,加強火焰內焰中心區域的還原氣氛將已經生成的NOx再還原成N2。

        由此根據需要針對性地通過以下方式對多通道燃燒器優化設計來實現降氮:

        1)在保證熱能和焙燒溫度需求和球團成品質量情況下,增加摻燒低熱值煤氣如高爐煤氣的用量可以有效降低熱力型氮氧化物的產生。

        2)通過各通道內外出口的錐度和速度合理設計,延緩氣體燃料尤其是焦爐煤氣燃料與助燃風的混合,組織氣體燃料與助燃風的混合燃燒均勻平和,不產生劇烈燃燒現象和過高的熱力集中點,從而形成細長規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。

        3)減小窯頭一次助燃風配比,采用12≈15%低比例的一次助燃風比例,在實際生產使用時甚至會達到10%的低比例,使在火焰最大直徑處的高溫區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。

        4)合理的較快速度的軸流風和旋流風的大推力推送,中心風端蓋板的鈍體效應,以及中心風的回流外推作用,可有效縮短高溫煙氣在高溫區內的停留時間,減少煙氣中N2的參與氧化的機會,從而降低熱力型NOx的生成。

        襄陽中和機電在確定混燒焦爐煤氣和高爐煤氣后,對燃燒器結構進行變更優化(詳見圖5、圖6)。由原四通道氣體燃燒器改為五通道氣氣混燒燃燒器,不但可滿足工藝焙燒溫度,而且焦爐煤氣、高爐煤氣與一次助燃風和二次助燃風混合良好,攏煙罩形成的碗狀效應收攏火焰,使煤氣燃燒火焰狀態穩定,形狀規整,火焰不產生過高的峰值溫度和局部高溫,溫度分布均勻合理。從設計改進措施上力求減少熱力型氮氧化物的生成比例。

        圖5  原四通道氣體燃燒器火焰中各種氣流流動示意圖

        圖6  優化后的五通道氣體燃燒器火焰中各種氣流流動示意圖

        優化后的燃燒器工作原理:燃料焦爐煤氣和高爐煤氣分別從各自的通道行進至頭部端口部,按一定的擴散角經旋流器旋流向外噴出,由外鄰的旋流風傳給相當高的動量和動量矩,以高速度螺旋前進,并繼續徑向擴散,與高速射出的軸流風束相遇。軸流風束的插入進一步保證了燃料與引射進入的助燃空氣的按需混合,能按實際生產熱態工況需要調節火焰的長短、粗細,達到需要的火焰形狀。其中心部分的中心風除起穩流的作用外,還能使中心部分的燃料及CO燃燒提供適量的氧氣,使燃燒更為充分;中心風的回流外推作用,可有效縮短高溫煙氣在高溫區內的停留時間,減少煙氣中N2的參與氧化的機會,有效降低熱力型的氮氧化物的生成。優化技改后頭部實物圖見圖7:

        圖7  技改后頭部實物圖

        4  取得優化效果及效益

        4.1  優化效果

        使用新的低氮燃燒器后,燃燒器火焰形狀規整細長,在線調整方便靈活,窯內氣氛通透,熱工狀態易于控制,燃燒器火焰燃燒狀態明顯改善,由改造前的發散、飄短變為穩定,形狀規整,焙燒溫度恢復到正常水平,預熱二段溫度穩定達到1 020 ℃,入窯生球強度有效提高,入窯破碎率小,窯內粉料少,結圈情況也比以前大幅改善,回轉窯生產的球團礦產量提高,氮氧化物排放濃度顯著降低,不會因超標限產和降產運行,成功實現達標排放,具體結果詳見表1。  


         表1  燃燒器改造前后指標對比表


        球團礦日產量/(t·d-1)

        預熱二段溫度/℃

        NOx排放濃度/(mg·Nm-3)

        投用前

        5 991

        980

        240~290

        投用后

        6 319

        1 020

        140~200

        對比

        +328

        +40

        -90

        4.2  效益

        改造后,排放煙氣中的氮氧化物濃度降低,已不再是產量的制約性因素。球團礦產量有較大提升空間,按目前日增產328 t計算,年降低球團礦固定費用約300萬元,同時還可降低煤氣和電等能源消耗,減緩回轉窯結圈、延長耐火材料使用壽命,具有顯著的經濟效益。同時,氮氧化物排放濃度降低,減少對大氣的污染,具有顯著的環保效益。

        5  結語

        在球團行業鏈箅機-回轉窯-環冷機生產工藝中,球團回轉窯上使用的多通道低氮燃燒器可以響應環保低氮排放要求,通過采用高爐和焦爐煤氣兩種氣體燃料混燒的新型低氮氣體燃燒器,根據NOx的熱力型和瞬時型生成機理[4],利用有效降氮的技術措施改進于燃燒器上,可以有效降低窯尾煙氣中的氮氧化物排放濃度,攻克了回轉窯氮氧化物排放因為超標制約生產的難題,是國內年產200萬t回轉窯低氮生產技術的一次重大創新,具有顯著的經濟效益和環保效益。



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