馬鋼鏈篦機-回轉窯煙氣中NOx探討

卓鳳榮，黃世來，陳連發，段再基，趙 嵐（馬鞍山鋼鐵股份公司第三煉鐵總廠，安徽 馬鞍山 243000）

馬鋼鏈篦機-回轉窯煙氣中NOx探討

卓鳳榮，黃世來，陳連發，段再基，趙 嵐
（馬鞍山鋼鐵股份公司第三煉鐵總廠，安徽 馬鞍山 243000）

通過對氮氧化物產生機理的研究，以及結合馬鋼鏈篦機-回轉窯的生產實踐，明確了鏈篦機-回轉窯產生氮氧化物的原因，從而在生產操作上提出了一系列降低鏈篦機-回轉窯煙氣中氮氧化物排放濃度的有效措施。

鏈篦機-回轉窯；氮氧化物；探討

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.033

1　前言

為促進經濟與環境協調發展，國家相繼出臺了一系列環保法律法規，2012年10月1日實施了《鋼鐵燒結、球團工業大氣污染物排放標準》，其中規定鏈篦機-回轉窯大氣污染物排放標準，要求現有企業在2015年1月1日起排放的煙氣中氮氧化物濃度≤300mg/m3。

2　氮氧化物及其生成機理

氮氧化物包括一氧化二氮（N2O）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、三氧化二氮 （N2O3）、四氧化二氮（N2O4）和五氧化二氮（N2O5）等， 各種化合物具有不同程度的毒性，空氣污染物的氮氧化物用化學式NOx來表示，常指一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2），燃燒產生的氮氧化物90%～95%以一氧化氮（NO）為主。氮氧化物有三種生成方式，第一種是熱力型NOx，第二種是燃料型NOx，第三種是快速型NOx，鏈篦機-回轉窯煙氣的氮氧化物主要以熱力型NOx為主，熱力型NOx的生成機理是氮氣（N2）在高溫下氧化，反應式如下：

溫度、空氣過剩系數是影響熱力型NOx生成量的兩個因素，其中NOx生成量與溫度呈指數關系，改變空氣過剩系數實質是改變火焰溫度，煤氣燃燒時，當溫度低于1800K時，氮氧化物很少，但溫度高于1800K時，氮氧化物呈指數倍增長。

3　馬鋼鏈篦機-回轉窯生產實踐

2016年1月17日到2月19日馬鋼鏈篦機-回轉窯煙氣中氮氧化物濃度上升，平均濃度260mg/m3，按照規定，氮氧化物濃度不得持續4小時超300mg/m3，所以鏈篦機-回轉窯生產線經常因為氮氧化物偏高，導致減產，對鏈窯的產能以及系統的穩定性有重大影響。經調查，馬鋼鏈篦機-回轉窯生產線有以下原因造成煙氣氮氧化物濃度上升。

3.1回轉窯窯頭密封罩通洞漏風

2016年2月24日8：00到2月27日8：00停機定修期間，修補了窯頭密封罩頂部4平方的通洞。由此可知，在停機檢修前的生產過程中，窯頭密封罩有大量的冷風兌入到回轉窯內，2016年2月當地最低平均氣溫為1℃，低氣溫、密封罩通洞面積大兩個因素導致回轉窯焦爐煤氣用量大幅度上升，窯頭密封罩修補前，回轉窯焦爐煤氣流量達到14600m3/h；

根據公式P（動壓，Pa）=0.5*ρ（空氣密度，kg/m3）*v2（風速，m/s），計算出窯頭密封罩通洞處風速v=5.7m/s（取值1℃時的空氣密度為1.288kg/m3，窯頭壓力作為動壓）；從而得知每小時通入的冷風量Q=v*t*s=5.7*3600*4=82080m3；

在我廠的操作中，主要以預熱II段的溫度來調節回轉窯煤氣量，所以通洞兌入的82080m3冷風從1℃加熱到970℃需要的熱量Q1=cm△t= cρV△t =1030*82080*1.29*（970-1）=105GJ， 需 要6485m3的焦爐煤氣燃燒放熱，即窯頭密封罩通洞造成焦爐煤氣流量上升6485m3/h，總量達到14600m3/h。

3.2回轉燃燒器噴嘴開裂

我廠回轉窯燃燒器的工作原理：焦爐煤氣和高爐煤氣從燃氣管道按一定的擴散角旋流向外噴，由相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，與高速的軸流風相遇。軸流風束的插入進一步加強了氣體燃料與空氣的混合（包括二次風），并可調節火焰的放散程度，能按需要調節火焰的長短、粗細，達到需要的火焰形狀。如圖1所示：

圖1　回轉窯燃燒器工作原理

目前燒嘴已使用了6年多，噴嘴頂部的耐材脫落，外殼開裂，軸流風很多不是從噴嘴外噴，而是從頂部開裂處噴出，助燃風壓力偏低，只有13KPa左右（正常16KPa），導致火焰放散、火焰變短，即焦爐煤氣與高爐煤氣在窯頭8m左右的位置集中燃燒，此處局部高溫。雖然球團的焙燒溫度一般在1200到1250℃，但焦爐煤氣和高爐煤氣的燃燒溫度能達到2000K左右，所以煙氣的氮氧化物主要產生部位是距離窯頭8m處的火焰前端。用紅外線測溫儀檢測回轉窯筒體溫度，回轉窯距離窯頭8m處的筒體溫度為最高點，達到270℃，證實了窯內局部高溫，為產生大量氮氧化物濃度創造了條件。

3.3產能受限

表1為首鋼球團廠二系列的鏈篦機-回轉窯熱平衡表，由于馬鋼鏈篦機-回轉窯的工況與它非常類似，可以通用熱平衡表。由熱平衡表得知，鏈篦機-回轉窯的熱量來源主要是煤氣燃燒和球團氧化放熱，其中球團氧化放熱占到總熱量收入的55.99%，球團氧化放熱量對系統溫度的影響是巨大的。我廠在2016年1月17日到2月19日期間，產能較低，平均生球量325t/h，比滿負荷生產時的生球量350t/h低25t/h，即干球量減少23t/h，導致球團氧化放熱減少8.4%，為了保證系統溫度的穩定，需要增加焦爐煤氣流量約1000 m3/h，另外焦爐煤氣火焰溫度2000K左右，增加回轉窯焦爐煤氣流量，回轉窯窯內高溫區域進一步擴大，煙氣中NOx濃度繼續上升。

4　鏈篦機-回轉窯煙氣NOx的控制措施

通過研究NOx的生成機理以及我廠生產的實際情況，針對回轉窯窯頭通洞、回轉窯燃燒器噴嘴開裂、產能受限的原因，采取以下措施：

（1）修補回轉窯窯頭密封罩；

表1　鏈篦機-回轉窯熱平衡表

（2）修復回轉窯燃燒器噴嘴；

（3）提高產能，達到滿負荷生產的理想狀態。

采取上述措施后，回轉窯煤氣流量由14600m3/h下降到7500m3/h，回轉窯筒體溫度最高點由270℃下降到250℃，且回轉窯筒體高溫區域面積減小，通過降低焦爐煤氣流量，減少火焰溫度以及高溫區域，鏈篦機-回轉窯煙氣中NOx由260 mg/m3下降到200 mg/m3，效果明顯。

5　思考

控制鏈篦機-回轉窯煙氣中的NOx濃度對于球團技術人員來說，是一項新命題，從馬鋼鏈篦機-回轉窯的生產實踐來看，控制煙氣中的NOx濃度，需要從熱力型NOx的生成機理出發，即降低回轉窯窯內火焰溫度以及減少回轉窯高溫區域，針對上述兩點可以進一步采取措施來控制煙氣中的NOx濃度：

（1）降低生球水分，減少能耗，減少煤氣流量；

（2）調好回轉窯火焰形狀，窯內溫度梯度合理；

（3）加大回轉窯二次風風量，減少窯內高溫區域；

（4）調整回轉窯燃燒器一次風空煤比，降低火焰溫度。

［1］傅菊英，姜濤，朱德慶.燒結球團學［M］.長沙：中南工業大學出版社，1996.

［2］姚治華，張玲，杜鵑.鋼鐵工業氮氧化物污染防治途徑研究［J］.環境科學與管理，2015（03）：71-74.

［3］馬曉茜，梁淑華.燃氣火焰中熱力型NOx的生成與控制［J］.環境導報，1997（02）：17-20.

［4］馮俊小，孫志武，張宇，張永明，楊金寶.鏈篦機-回轉窯系統的熱診斷與節能分析［J］.燒結球團，2007（06）：29-34.

圖1　

1　各部件情況如下

氣動馬達，活塞式氣動馬達，柴油機自帶。

空氣壓縮機，發動機自帶的活塞式壓縮機，進氣口接發動機空濾。

儲氣罐，容量80L，放散壓力設定為8bar。在空壓機停止工作的情況下，能夠儲存足夠體積和壓力的氣體，為發動機再次啟動提供氣源。

壓力匯管，作用是建立和穩定系統壓力，是系統所有控制閥的載體。容量為4-5L。

控制閥組，由四個先導式氣控閥組成，先導壓力分別檢測發動機殼體表面溫度、排氣口溫度、發動機冷卻水水溫、水洗箱水位，通常情況下瓦斯濃度檢測也應并入該處閥組。

氣動角座閥（序號2），雙向控制常閉式，許用壓力1.6MPa，開啟壓力設置在3bar。執行器為雙向彈簧復位式，分別檢測匯管壓力和空壓機輸出壓力，當空壓機一側壓力等于或大于匯管一側壓力時，執行器控制閥芯關閉。

調壓器（序號1、6）。本方案共使用兩套自力式調壓器。1號調壓器起穩定儲氣罐壓力作用，設定壓力為8bar；6號調壓器，壓力設定在3bar，作用是賦予系統匯管3bar的初始壓力，開啟角座閥。

氣控閥（序號4、8），4號為常閉式，先導氣壓為匯管壓力，氣壓大于6bar時開啟；8號為常開式，先導氣壓同樣為匯管壓力，高于6bar時關閉。

充氣拉桿開關（序號5），由兩部分組成，充氣氣缸和一個氣控閥。氣缸安裝于駕駛室操縱面板上，通過駕駛員撥動氣缸前端拉桿，使氣缸充氣，所建立的壓力可以打開與其相連的氣控閥，使氣罐與匯管前端的調壓器接通。

快放閥（序號9），無氣流通過時氣動馬達一側處于排空狀態。

節流閥（序號10），調節閥口流量，改變匯管的充氣時間。

停機開關（序號11），急停按鈕，按下后釋放匯管壓力，需要手動旋啟。

氣動蝶閥（序號12），先導常閉式，許用壓力1.6MPa，執行器檢測匯管壓力，開啟壓力設置在3bar。

過濾器（序號13），由于使用環境惡劣，避免灰塵和水蒸氣對氣路原件造成損壞。

氣罐與匯管壓力表安裝于駕駛室面板上，方便駕駛員讀取。

2　操作流程為

（1）駕駛員拉起充氣開關（序號5），氣罐中的壓縮空氣流經調壓器（序號6）后壓力降至3bar充入系統壓力匯管。至壓力穩定在3bar后，常閉式氣動角座閥（序號2）和氣動蝶閥（序號12）開啟，儲氣罐與起動開關接通；（2）按下起動開關（序號3），壓縮空氣通過開關后分流出2路：一路經過單向閥（序號7）以8bar壓力充入系統壓力匯管；另一路流經常開式氣控閥（序號8）后進入快放閥（序號9）和過濾器后進入氣動馬達，馬達帶動發動機運轉，完成起動；（3）按下起動開關的同時，由儲氣罐進入匯管的氣流將使匯管壓力上升。當壓力上升至6bar時，自匯管取壓的8號氣控閥將關閉，切斷馬達進氣氣路。當壓力升至6.5bar時，4號氣控閥打開，空壓機與角座閥執行器接通，此時在空壓機提供的8bar壓力大于匯管一側6.5bar壓力，并有彈簧復位，角座閥閥芯關閉，切斷儲氣罐與馬達、匯管的氣路。節流閥（序號10）可調節此過程時間；（4）馬達進氣源被8號氣控閥切斷后，由于彈簧復位作用馬達推桿氣室氣體迅速由快放閥排出，使推桿迅速收回，完成起動過程。如非再次啟動，與快放閥連接的馬達氣室處于排空狀態，馬達活塞桿也始終在收回狀態；（5）停機時，按下停機開關（序號11），釋放匯管中的氣體，系統壓力迅速降低，發動機停機；充氣拉桿（序號5）氣缸因為泄壓帶動面板上的拉桿回彈，與其相連的氣控閥關閉，切斷儲氣罐與匯管的連接；重新開機時，駕駛員需旋啟停機開關并再次拉動充氣拉桿給匯管充氣。

3　發動機的安全保護功能

當發動機運轉一段時間后，可能出現：發動機過熱、排氣溫度過高、水洗箱水位過低或水溫過高等現象。此時，連通系統壓力匯管的控制閥將開啟，使系統壓力迅速下降，充氣拉桿開關將關閉，切斷6號調壓器的進氣；當降至3bar以下時，常閉式角座閥和氣動蝶閥關閉，阻斷發動機進氣道，發動機自然停機。在起動條件未恢復之前，控制閥組一直泄氣，角座閥也始終關閉，此時起動開關接通與否均不起作用。當條件恢復時，控制閥組自動關閉，系統壓力才能重新建立。

4　該方案優點

（1）氣控閥和角座閥都有自動切斷作用，駕駛員按動起動按鈕后，無需考慮起動時間，不需要松開該按鈕馬達即可自動收回，可通過節流閥進行調節該過程時間，方便操作。另外，如駕駛員在發動機工作時出現誤操作，再次按下起動按鈕，此時匯管中壓力仍為6.5bar，8號氣控閥關閉，受4號氣控閥控制的角座閥同樣處于關閉狀態，馬達氣路始終處于切斷狀態，不會出現故障；（2）角座閥在空壓機工作后關閉，它與氣控閥均可切斷氣路，形成雙重保護，在其中任意原件損壞時，均不影響系統的安全；（3）快放閥無需任何控制，在進氣源切斷后立即動作，排出馬達腔內剩余氣體，使推桿迅速收回；（4）發動機出現異常情況停機之后，在故障未排除前，無法強行起動發動機，從而避免人為因素造成的發動機損壞。

5　結論

采用以上安全控制系統的防爆鏟運機已經通過井下測試。期間，序號1和6減壓閥的閥芯因煤礦粉塵過大堵塞過一次；考慮到煤礦井下空氣質量很差，我們在發動機空壓機進氣管路上增加過濾能力較強的濾芯并定期檢查更換，至此該系統能夠滿足防爆柴油機安全控制的所有要求。

王波（1986-），男，山西運城人，學士，助理工程師，研究方向：機械類，工程機械（礦山機械）。