在環形加熱爐中應用無焰燃燒模式能有效降低NOx的生成

鄭衛衛

摘要：本文介紹了目前環形加熱二種控制方式，并詳細闡述了我公司環形加熱的改造工藝，改造后采用脈沖無焰燒嘴來控制氮氧化物生成，從而達到排放要求。

關鍵詞：環形加熱爐;氮氧化物;無焰燒嘴

1、引言

氮氧化物（NOX）是造成大氣污染的主要污染源之一，NO會與血液中的血紅蛋白結合，使血液輸氧能力下降，造成缺氧;NO具有致癌作用，會對細胞分裂和遺傳信息產生不良影響;在大氣中，NO在02作用下會被緩慢氧化成N02，生成的N02進入人體呼吸系統，導致肺部和支氣管疾病;N02是酸阿中硝酸和亞硝酸的前驅體，在紫外光照射下，N02會與大氣中的碳氧化合物作用，生成光化學煙霧和臭氧;隨著國家對環保的要求越來越嚴格，特別是沿海城市，京津冀地區，都在實行氮氧化物超低排放NOx排放<150mg/Nm3（基于8%基準）。

，如何降低我公司環形加熱爐的氮氧化物的排放是我們一直思考的問題。

2、環形加熱爐燃燒對比及改造方案

2018年12月份之前我公司Φ51米環形爐采用天然氣+高爐煤氣混合燃燒方式加熱的，由于混合煤氣的熱值約2000Kcal/Nm3，氮氧化物排放一直<150mg/Nm3（基于8%基準），但由于外部原因高爐煤氣停供，只能采用純天然氣作為燃料加熱，我公司作為天津鋼管集團的全資子公司，集團要求我公司燃氣系統改造后氮氧化物排放<150mg/Nm3（基于8%基準），2018年7月份起我公司對環形爐燃氣工藝系統如何改造，進行了多次考察學習及技術交流，經過多方技術論證我公司決定采用低氮脈沖無焰燒嘴模式。

目前國內環形加熱爐基本都采用常規雙交叉限幅的比例控制方式，這種控制方式最大缺點是其比例輸出的范圍不能適應爐子不同工況下對熱量的懸殊需求，并且在較低比例輸出時，燒嘴的火焰狀態很差甚至失形（平焰燒嘴尤甚），造成爐內溫度場的不均勻;在環形加熱爐正常生產、待料保溫時NOx排放>150mg/Nm3（基于8%基準）。

脈沖燃燒控制在國內環形加熱爐沒有廣泛應用，但是脈沖燃燒控制系統有以下優點：

燃燒的最佳狀態：脈沖機理是通過調整燒嘴開閉時間計算供熱量，保證了燒嘴本體的定量輸出，實現了燃燒充分以及溫度、流量和壓力場的最佳化，即保證每個燒嘴的最佳燃燒狀態。

爐溫的均勻性：燒嘴性能始終保證最佳化，在爐寬方向實現了穩定、均勻的分布，解決了傳統比例燃燒在供熱波動時所造成的爐寬方向溫度場變化的問題。且在脈沖燃燒控制的過程中，爐內流體場和溫度場在各個燒嘴燃燒產物的脈動沖擊和攪動作用下，使爐溫分布更加均勻化。

有利于降低 NOx 排放：對于傳統的比例燃燒系統，在保溫待軋等小流量情況下，空氣和煤氣的流量測量均不準確，因此無法保證正常的空燃比，且燒嘴也在不正常的狀態下工作，會導致 NOx 排放升高。

無焰燃燒模式是利用上世紀末發現的較溫和的燃燒現象而應用于燒嘴產品時出現的燃燒模式。燒嘴進行無焰燃燒模式時，不會出現明顯的火焰，燃料與氧化劑的反應會彌散在整個爐內空間完成，稱為無焰氧化。整個過程中燃燒噪音大幅降低，不存在明亮的火焰區，不存在局部高溫區，反應溫和。優點是燃燒空間溫度非常均勻，不存在局部高溫，不存在明顯火焰區;燃料燃燒溫和，噪音大幅減小，能大幅度降低NOx的生成。

3、環形加熱爐改造后的燃燒模式及數據對比

我公司是中徑51米環形加熱爐，也目前國內外最大中徑的環形加熱爐，環形爐加熱爐共分8個區。其中第八區正常不參與加熱，在待料時才會投入; 1區為預熱段、2區是加熱段、3區是加熱段、4區是加熱段、5區是加熱段、6區是均熱段、7區是均熱段。脈沖低氮燒嘴+脈沖無焰燃燒模式大規模應用到環形加熱爐沒有任何數據及經驗可借鑒，經過多方技術交流以及燒嘴廠家的實驗測試，我公司決定采用脈沖低氮燒嘴+脈沖無焰燒嘴燃燒控制模式，燒嘴具體分布如表1所示：

自2019年2月份環形加熱爐改造投產以后，通過連續生產跟蹤，本次改造后的燃燒系統有如下優點：1、脈沖控制對于各區溫度控制精度±5℃，遠高于之前比例雙交叉溫度精度;2、各區可比例雙交叉和脈沖燒嘴自由切換，特別是2區、3區、4區配置無焰燒嘴+直焰燒嘴，更可自由切換;3、對比國內其余環形加熱NOx的排放，我公司NOx的排放<150mg/Nm3（基于8%基準），剛開始試驗中只投入2區或者2區3區無焰模式，氮氧化物有時會超150mg/Nm3，只有把無焰燒嘴全部投進去氮氧化物的控制都在<150mg/Nm3，甚至有的低到60mg/Nm3;? ? ? 綜合對比國內比例雙交叉系統的環形加熱爐，比例雙交叉工況下，特別是待軋時，燃氣流量小，空氣流量大，含氧量會升高，產生氮氧化物多;在切換脈沖無焰時能較好的控制爐內含氧量，降低氮氧化物的生產。特別是待軋過程中脈沖無焰燃燒系統更體現出它的優越性。

4、結語

環形加熱爐改造脈沖無焰燒嘴可以發現，投入無焰模式時，氮氧化物排放量均能達到排放標準，并且脈沖控制燃燒要優于雙交叉比例限幅控制，在環形加熱任何工況下采用脈沖無焰燒嘴都能控制氮氧化物生產，達到排放要求。

參考文獻：

（1）畢玉森.電站鍋爐 NOx排放現狀預測及技術政策 [J]. 中國電力，1998，31（12）：59-62

（2）段菁春，鋼鐵行業氮氧化物控制技術及對策，環境污染與防治.2013 35（3）：100-110