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热风炉低氮排放的控制措施分析
信息来源:世界金属导报2019-09-24B01      时间:2019-10-10 13:20:08


近年来,钢铁企业对热风炉风温要求不断提高,但过高的风温也会给热风炉带来节能降耗、材料耐受度、污染物排放等问题的困扰。研究显示,当热风炉拱顶温度超过1420℃时,氮氧化物(NOx)生成量将迅速增加,高温区炉壳也将受到晶间应力腐蚀的破坏,影响热风炉炉壳寿命。既要维持高的热风温度又要保证低NOx排放,是摆在所有炼铁厂面前的严峻课题。

1热力型NOx反应机理

原苏联学者捷里道维奇于1946年提出热力型NOx生成机理,后被学术界广泛接受和应用。该理论认为,混合气体中的N2与O2反应生成热力型NOx可以通过以下连锁反应原理来描述:

M O2→M 2O

N2 O→NO N

N O2→NO O

N OH→NO H

依据化学反应机理,NOx生成速率的表达式如下:

d[NO]/dt=3×1014[N2][O2]1/2exp(-54200/RT)

式中:[NO]、[N2]、[O2]分别代表NOx、N2、O2的浓度,mol/m3;t是反应某时刻,s;R代表通用气体常数,8.31441J/(K·mol);T代表热力学温度,K。

由上述理论公式可知,温度是热力型NOx的主要影响因素,与热力型NOx的生成速率几乎呈指数函数关系。随着温度每升高100℃,反应速度要增加7-8倍。热力型NOx的生成速率与反应环境中的氮浓度、氧浓度的平方根成正比。氧原子与氮气反应的活化能比氧原子与可燃成分反应所需的活化能要高得多,故热力型NOx生成反应要比可燃物的燃烧反应困难的多,NOx的生成实际上是在主燃烧区之后靠近火焰前端的高温区域(燃料中可燃物基本燃尽的区域)进行的。因此,可通过以下方法控制热力型NOx的产生:降低燃烧反应温度、降低高温区的氧浓度、缩短气体在高温燃尽区的滞留时间。

2热风炉内热力型NOx反应分析

高炉热风炉是一种间歇式蓄热换热器,运行过程主要包括燃烧、送风、换炉三个状态。单座热风炉运行状态为燃烧→换炉→送风→换炉→燃烧的循环工作过程。不同运行状态下,炉内的运行工况差别较大,影响热力型NOx反应速率的主要因素也不同。热风炉烟囱排放烟气主要来自于热风炉燃烧过程中排放的烟气,还有少量来自换炉期间通过废气阀排放的废气。

燃烧期是高炉煤气燃烧释放出热量并储存到蓄热体中的过程。燃烧过程燃烧中心区温度最高,热力型NOx的

产生主要是在高温区域火焰前锋(燃尽区)进行的,因此热力型NOx反应的环境气体组分接近于烟气成分。根据热力型NOx生成速率的理论公式,求出NOx的反应速率与温度和过氧量对应的关系曲线(图1)。可以看出,过氧量α增加时,热力型NOx的反应速率加快;当温度<1400℃时,NOx生成速率较慢;当温度>1400℃时,热力型NOx的生成速率急速增加;温度每升高100℃,反应速度要增加7-9倍。热力型NOx主要在高温区大量产生,拱顶温度只是炉内温度水平的一个侧面反映,因此单纯追求较低的拱顶温度实际意义并不大,重点是采取有效措施降低燃烧中心区温度,均衡炉内燃烧温度场。

送风转燃烧换炉期间会通过废气阀向烟囱排放废气,虽然此期间炉内温度并不高,但是在换炉期间炉内的N2和氧O2浓度都较高,且在高温区有足够的接触时间,热力型NOx产量较大,浓度极易超标。由于标准规定95%以上时段小时均值排放浓度满足要求即可,所以控制好送风转燃烧换炉废气排放时间也可以满足标准要求。

综上,主要通过以下措施抑制热风炉热力型NOx的产生:1) 降低燃烧期中心区温度,减少炉内局部高温区;2)缩短燃尽烟气在高温区的滞留时间;3)降低高温区过氧量。

3 热风炉NOx排放控制技术

近年来,山冶设计高度重视热风炉低氮排放的源头治理,通过改善炉内燃烧工况来控制热力型NOx的产生。

1)燃烧器结构的优化改进。通过数值模拟计算分析炉内气体的温度场和速度场分布,针对性优化燃烧器出口的旋角、孔口数以及喷口截面积。改进后的陶瓷燃烧器使喷出的煤气和空气形成涡旋气流并向下旋转混合,使气体各组分混合的更充分,既能实现完全燃烧又能实现内部温度场均布;同时高速旋转气流能及时将燃烧中心区的热量快速的传递给蓄热体及周围气体,缩小了局部高温区的范围,从而减少燃尽烟气在高温区的停留时间。

2)合理的蓄热室设计。摒弃单纯提高单位体积加热面积、片面使用小孔径格子砖的理论。以送风温度和单炉送风时间两个指标为计算依据,确定单位鼓风加热面积和单位鼓风砖重两个热风炉设计参数。格子砖的选取应该满足热量吸收与储存能力相适应的原则。根据送风流量确定合理的蓄热室高径比设置,使孔内流速满足湍流流动。确保格子砖孔径、热风炉砖重、加热面积匹配合理,从而减少燃烧热量在燃烧室的积聚,确保了较低的拱顶温度获得更高的热风温度。

3)自主研发的智能燃烧控制系统。通过程序计算,空燃比自动寻优,严格控制空气流量,基于燃烧器的均燃技术既可防止燃烧不充分问题,又可更精准控制烟气中的过氧量。燃尽区烟气中的氧浓度越低,NOx生成速率就越慢。

4)废气回收技术。以往技术直接将含有高浓度NOx的换炉废气排放到烟囱中,极易引起烟气中NOx短时间超标。废气回收技术可将送风期的废气进行利用,通入即将换炉的热风炉内,充当热风炉均压气体,能够有效降低NOx的排放。

通过以上技术的综合应用,可以合理控制NOx反应的温度、时间和氧浓度等主要参数,这既能保证高风温的要求,又能有效地控制污染物低于国家超低排放的标准,保证热风炉高效安全稳定的运行。

山冶设计总包的日照精品基地5100m3高炉配套热风炉按照上述理念进行设计,项目正式投产后,现场运行实测数据显示:平均热风温度为1240℃,拱顶温度为1320-1350℃,NOx含量控制在50mg/Nm3以下,比超低排放标准的200mg/Nm3降低75%以上。既节省了环保设备的投资,又为企业减轻了环保税负。目前热风炉系统运行良好,各项参数满足设计指标。 (刘红军 林桂柯)

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