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        高效低氮燃燒器在球團回轉窯的應用

        2021-11-11

        高效低氮燃燒器在球團回轉窯的應用

         姚永江1 蔡長明2   2 

        (1.日照鋼鐵球團,山東 日照 276800;

        2.襄陽中和機電技術有限公司(武漢)研發中心,湖北 武漢 430000)

        摘要:     山東日照鋼鐵球團兩條鏈回環回轉窯系統為60t/a生產線,因窯尾無脫硝裝置,原燃燒器為煤氣混燒型燃燒器,火焰形狀發散不規整,調整直流風、旋流風對燒嘴火焰的調整和高溫區間的拉伸變化不明顯?,F改用襄陽中和機電技術有限公司設計生產SR2高效低氮燃燒器后,煤粉、煤氣燃燒速度快、燃盡率高,火焰形狀較好,長度適宜,降低噸球熱耗10%以上,在窯尾無脫硝裝置運行情況下,更換燃燒器后基準氧含量18%情況氮氧化物也能達到50mg/m3的排放標準。

        關鍵詞:  燃燒器; 高效低氮; 球團回轉窯系統; 煤氣混燒; 熱力型

        0 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?!氨Wo環境,達標排放”將成為球團企業所必須承擔的社會責任和義務,但是由此環保的壓力將直接導致制造成本增加。因此,加大技術創新,引進新技術,采用高效低氮燃燒器將會成為球團行業鏈回環生產工藝生產中達到環保降氮要求和降低成本的有效出路。

        山東日照鋼鐵球團兩條鏈回環回轉窯系統為60萬t/a生產線,因窯尾無脫硝裝置,原燃燒器為煤氣混燒型燃燒器,火焰形狀發散不規整,粗短,調整直流風、旋流風對燒嘴火焰的調整和高溫區間的拉伸變化不明顯。窯中位置容易形成結圈且不易掉落,每次停機清理對窯內耐材造成剝蝕明顯?;鹧骈L短粗細不能在線方便調整。需要進行必要的技術改造,決定更換選用襄陽中和機電技術有限公司設計生產的SR2型高效低氮燃燒器。


         

        如圖1,燃燒器通道排布從外至內,依次為軸流風通道、旋流風通道、轉爐煤氣通道、煤風通道、中心風通道。將轉爐煤氣通道布置在軸流風、旋流風以內,從而使火焰中心的燃料富集,燃燒主要集中在火焰中心區域,形成燃料密集型燃燒,在氧濃度較低的環境下低氮燃燒。

        軸流風、旋流風出口截面積可調。不同的燃料特性、不同的燃料量,需要不同的助燃風量和混合速度,燃燒器可實現在助燃風量不變的情況下改變軸、旋流風出口速度,也可實現在出口速度不變的情況下改變軸旋流風風量,以達到燃料最佳燃燒速度和最高燃燒效率及最低一次風率,有利于降低熱耗同時最大限度滿足回轉窯對火焰的溫度分布要求。

        燃燒器設計有中心風,中心風不但起到控制火焰內回流區的遠近和大小及穩定火焰的作用,同時防止高溫粉塵粘結在燃燒器頭部堵塞燃燒器出口而影響火焰形狀。

        燃燒器頭部設計攏焰罩,攏焰罩長度適當加長,使火焰一開始形成碗狀效應,沒有強渦流,火焰溫度分布更加均勻平緩,避免高溫峰值的形成,有利于降低熱力型氮氧化物。

        軸、旋流風波紋補償器采用最新的棘輪調節裝置,單手即可操作,可實現在線輕松調整,方便快捷。

        在目前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的生成需要采取如下主要措施[1]

        1) 降低燃燒溫度,避免局部高溫;

        2) 降低氧氣濃度;

        3) 降低燃燒器出口部分燃燒中心的氧氣濃度,加強局部還原氣氛將已經生成的NOx再還原成N2;

        這樣就需要針對性地通過以下方式來實現降低熱力型氮氧化物的方式實現降氮:

        1)通過各通道內外出口的錐度和速度合理設計,延緩燃料與助燃風的混合,組織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1500 ℃以下,避免局部高溫。

        2)減小一次助燃風配比,采用1215%低比例的一次助燃風比例,有時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。

        3)合理的較快速度的軸流風和旋流風的大推力推送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。

        4)為進一步降低窯頭燃燒溫度,可考慮增加使用鏈箅機輔燒,從而不影響產質量和低氣耗情況下有效再降低部分氮氧化物生成。

        2 改造過程

        原燃燒器為煤、氣混燒型燃燒器,當全燒轉爐煤氣時,火焰會短粗,不能在線調整火焰形狀,燒成帶短,在窯頭不遠的地方火焰會有很亮的高溫點,容易結圈且不掉圈,影響回轉窯的運轉率和相應的電耗。有一部分轉爐煤氣在窯頭難以完全燃燒,被抽風至回轉窯尾部燃燒,致使窯尾溫度偏高。

        結合現場實際情況和要求,進行了如下的相應改造:

        1)轉護煤氣熱值降低以后,火焰溫度會降低5080度,影響成品球團的強度指標,加裝鏈箅機輔助燒嘴,提高預熱二段煙室溫度,增加入窯生球強度,減輕窯頭燒成壓力。鏈箅機輔助燒嘴為平焰氣體燃燒器,安裝于鏈箅機預熱二段的靠近窯尾端的兩面側墻上,按四個輔燒配置,每個燃燒能力為400600m3/h,兩兩錯開交錯向后排開安裝,燃燒器燃燒火焰出口氣流速度達20 m/s以上,有很高水平前送的硬度,能直接送至箅床中間,不使火焰直接下降至側墻下部,造成溫度不均勻,確保鏈箅機預熱二段的溫度場均勻且能有效提高入窯生球強度。另外設計窯頭燃燒器時要加強窯頭氣體燃料與助燃風的混合,使火焰剛勁有力,細長規整,使球團在較長的燒成帶內多停留焙燒也可有效提高成品球強度。從而保證在轉爐煤氣熱值降低和回轉窯熱工狀態穩定情況下仍能生產出與原來質量相當的球團成品。

        2)更換窯頭燃燒器為SR2型高效低氮的多通道煤、氣混燒燃燒器,火焰長度可達:1520m,長短粗細可通過本體上的調節閥門以及波紋補償器進行在線調節在線調節方便,它可在線調節各風道出口截面積,從而改變噴出速度,達到調節火焰形狀和強弱的目的。

        3)更換原有窯頭燃燒器所配置的流量:333 m3/min,升壓:5kPa的離心風機為低風量高風壓的羅茨風機,風量為75.5m3/min,風壓為:19.6KPa,少送入一次風,有效節能降耗。

        4)在窯頭燃燒器上增加一個煤粉通道,當焙燒溫度偏低影響球團抗壓強度質量的時候,噴入適量煤粉,用以提高焙燒溫度。

        2為更改前后的現場照片:

            

        2  更改前后的現場照片(左為更改前)

        3 設計原理和現場應用調整

        氮氧化物的生成途徑有如下三種[2]

        1)熱力型NOx,指空氣中的氮氣在高溫下氧化而生成NOx,一般占比2030%左右。熱力NOx的生成和溫度關系很大,在溫度足夠高時,熱力型NOx反應速率按指數規律增加。當T1500℃時NOx的生成量不大,而當T1500℃時氮氧化物生成速度成倍增長。

        2)快速型NOx,指燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團如CH等反應生成NOx,一般占比5%左右;

        3)燃料型NOx,指燃料中含氮化合物在燃燒過程中進行熱分解,繼而進一步氧化而生成NOx,在NOx生成中占比達:5070%。如果轉爐煤氣燃料中含有如NH3、HCN、吡啶、喹啉等含氮組分高但又難檢測的成分,由含氮組分燃燒容易生成大量的NOx,會出現氮氧化物濃度波動且超標情形。

        根據現場情況,燃燒器調試后實際窯尾氮氧化物排放數值一般在45 mg/m3以下(18%基準氧含量),有時會有少量波動,分析是因為煤氣燃料中的含氮組分高波動以及燃燒器的特有多通道有效完全混合結構造成的局部高溫導致一定量熱力型NOx的生成引起的數值增大波動。

        在針對性設計燃燒器的過程中為保證燃料的充分燃燒和低氮排放效果,把握的總設計原則是:使在燃燒器內部或出口射流的空氣分級,控制燃料與助燃空氣的混合過程和速度,使燃燒推遲,延長火焰行程,拉長燒成帶,配合合理的較長尺寸攏焰罩攏焰效果降低火焰峰值溫度,從而減少熱力型NOx生成量。有效降低主燃燒區域的氧量水平,通過分級送入燃燒助燃空氣,煤粉或煤氣在缺氧條件下熱解燃燒,促使燃燒氮N2向分子氮的轉化。提高煙氣回流強度,設置一個大尺寸的穩焰中心風端蓋板,使回流區域中的氮氧化物在缺氧的還原氣氛下進一步還原回氮氣成分,后燃的煤氣燃料在再燃區持續燃燒,與主燃區生成煙氣及未燃盡碳?;旌?,形成還原性氣氛,此反應區域為易產生高溫的燃燒器出口部分區域,不影響球團窯窯中氧化燒成帶的氧化氣氛,此區域生成熱力型氮氧化物比例高,此處的總的過量空氣系數小于1。燃料中的C、CO、烴以及部分還原性氮,將NOx還原成分子氮,如下式反應:

            (1)

            (2)

        從而進一步降低煙氣中的NOx濃度。[3]

        SR2型高效低氮燃燒器自2019年12月以來分別投入兩條球團回轉窯生產線使用后,調整方向上主要以形成細長火焰為主,在成品球質量保證情況下,一次助燃風機通過放風處理,盡可能少用窯頭的一次助燃風機的風量,增大軸流風的截面積調整,減少旋流風的截面積,減小火焰旋流強度,形成均勻細長柔順的火焰形狀。在實際使用過程中,軸流風的風壓保證在:812kPa,旋流風的風壓保證在:58kPa,中心風的風壓保證在:46kPa。

         4 應用效果

        現場使用的轉爐煤氣的低位熱值為:1300~1400KCal/m3,接點壓力為:4~10kPa。

        使用新的高效低氮燃燒器后,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,球團產質量均達到更換前良好狀態,噸球熱耗比原用的有效降低1520%,窯尾煙氣中的氮氧化物排放也一直穩定在達標排放的<50mg/m3的標準(基準氧含量18%),如下表:

         

        回轉生產數據統計   


        2019年日

        平均數據

        2020年日

        平均數據

        增減比例/%

        窯產量噸 /(t·d-1

        1720

        1780

        +3.4

        預熱二段溫度/?C

        870

        920

        +5.7

        窯結圈周期/月

        1.5

        34

        +200

        氮氧化物(18%基準氧含量)

        60

        30

        50

         

        高效低氮燃燒器火焰形狀和煅燒溫度適合球團窯的煅燒工況,結合合適的生球球團配料工藝和穩定的窯系統操作,成品球團的質量如成球強度和亞鐵含量轉鼓指數指標均達標,所以備用煤粉通道一直沒有使用即可滿足球團窯的正常生產。通過將近幾個月的生產實踐證明,襄陽中和機電研發的SR2高效低氮燃燒器在年產60萬t球團回轉窯生產線上的應用是成功的,在節能降耗和低氮氧化物排放方面均獲得滿意的效果。

        5 

        在球團行業鏈回環生產工藝生產中球團回轉窯上使用的多通道燃燒器可以響應環保低氮排放要求,選用高效低氮型燃燒器,根據NOx的熱力型和瞬時型生成機理,通過降低在高溫區的停留時間、降低峰值火焰溫度、通過稀釋降低絕熱火焰溫度、降低燃燒強度、增強火焰的冷卻、控制或延遲燃料和空氣混合、利用富燃料火焰區域、減少煙氣在高溫區的停留時間、降低燃燒區域氧濃度、降低整體氧濃度、形成富燃料的初始火焰區域。這些措施,在設計時加以針對性,在生產過程中根據需要合理控制,可以實現低氮排放,而且節能降耗。

        參考文獻

        [1]張坤悅,高曉麗,齊硯勇. 低NOx燃燒器的研究發展與趨勢[J].中國建材,2014,23 (5):22-24.

        [2]張銳.低NOx燃燒技術與典型低NOx燃燒器的結構[J].山西科技,2014(6):72-75.

        [3]齊硯勇. 低NOx燃燒器的研究發展與趨勢

              

         


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