退火爐低氮燃燒技術研究與應用

王 濤

(上海梅山鋼鐵股份有限公司冷軋廠,江蘇 南京 210039)

目前鋼鐵企業帶鋼連續熱處理爐加熱段一般采用燃氣輻射管進行加熱,燃氣與助燃空氣在輻射管內燃燒,通過熱輻射對帶鋼進行加熱。燃氣在燃燒過程中產生的NOx對環境危害大,又很難處理,還能形成光化學煙霧和酸雨,因此必須抑制燃燒過程中NOx的生成。NOx鋼鐵企業排放指標限值為300 mg/m3,而部分地區(如江蘇省)實行超低排放標準為<200 mg/m3。

1 氮氧化物產生機理

NOx的產生主要有3種形式,具體如下:

(1)燃料型NOx:燃料中含氮有機物在燃燒中氧化而成,在600～800 ℃時就會產生燃料型NOx。

(2)快速型NOx:燃料揮發物中碳氫化合物和空氣中氮氣反應產生HCN和N,再進一步與氧氣作用以極快的速度產生NOx。

(3)熱力型NOx:燃料燃燒時,空氣中的氮在高溫下發生氧化反應,>1 400 ℃時,每增加100 K,反應速率增大6～7倍。對于W型輻射管,距離燒嘴噴口0～1 000 mm范圍是NOx生成的主要區域。在此區域輻射管內氣體燃燒溫度較高,并且分布較為集中。在空氣系數大于l的火焰(燃料稀薄的火焰)中,NOx的生成主要是在火焰帶的下游進行。NOx的生成速度可用式(1)計算,此式適用于空氣過剩的預混合火焰[1]:

(1)

式中:c[O2]、c[N2]、c[NO]分別為O2、N2、NOx的摩爾濃度,mol/cm3;T為絕對溫度,K;t為時間,s;R為通用氣體常數,J/(mol·K)。

由式(1)可知,NOx的生成速度受以下因素影響:

(1)O2濃度:NOx的生成速度在空氣系數等于1附近最大,遠離1時,生成速度急劇下降。

(2)火焰溫度:NOx的生成反應在燃燒溫度低于1 500 ℃時幾乎觀測不到;在溫度高于1 600 ℃時,這一反應才變得明顯,并且隨著溫度升高,反應速度按指數規律迅速增加。

(3)在高溫區停留時間:停留時間越長,NOx的生成量越多。

2 低氮燃燒技術

減少氮氧化物生成量的根本在于降低火焰燃燒峰值溫度和燃燒區氧含量,目前主要有以下4方面技術:

(1)助燃空氣預熱;

(2)分級燃燒;

(3)煙氣回流二次燃燒;

(4)無焰燒嘴。

2.1 助燃空氣預熱技術

用燃燒煙氣對助燃空氣進行預熱,縮短了混合燃燒的時間,且隨著預熱溫度的提高,輻射管表面溫度分布的不均勻性逐漸降低,有利于減少NOx。

傳統的輻射管煙氣余熱靠燒嘴自身簡單的單級式換熱器來預熱助燃空氣,然而,在這種情況下,由于受單個輻射管體積的限制,以及空氣壓力降和燃燒產物的影響,空氣預熱到400 ℃已經是極限值了,目前,進一步利用煙氣余熱方式主要有以下兩種:兩級換熱及蓄熱式燒嘴。

2.1.1 兩級換熱技術

一般的輻射管燒嘴在排煙側放置1個換熱器,將煙氣排放溫度降到650 ℃左右;兩級換熱式燒嘴在煙氣排放端再設置1個換熱器,可將煙氣排放溫度進一步降低到500 ℃以下,獲得更高的空氣預熱溫度。

寶鋼股份冷軋廠C312機組輻射管采用二級空氣預熱,一級空氣預熱器為套管式,空氣最終預熱溫度接近600 ℃,如圖1所示。

圖1 C312機組輻射管二級空氣預熱系統

寶鋼股份冷軋廠C308機組于2013年改造,輻射管采用二級空氣預熱,一級空氣預熱器為盤管式,空氣最終預熱溫度接近700 ℃,如圖2所示。

圖2 C308機組輻射管二級空氣預熱系統

2.1.2 蓄熱式燒嘴技術

蓄熱式輻射管工作原理:1個蓄熱燒嘴單元由2個燒嘴、2個蓄熱體、氣體切換閥和相關控制系統組成,燒嘴和蓄熱體成對出現。當燒嘴A工作時,所產生的大量高溫煙氣經由燒嘴B排出,與蓄熱體換熱后,可將排煙溫度降低到200 ℃以下,這主要取決于蓄熱體的蓄熱容量和蓄熱速率。一定的時間間隔后,切換閥使燃燒空氣通過燒嘴B的蓄熱體,空氣將立刻被預熱到煙氣溫度的80%～90%以上。燒嘴B啟動的同時,燒嘴A停止工作,而轉換為排煙和蓄熱裝置。通過這種交替運行方式,實現所謂“極限余熱回收”和燃燒空氣的高溫預熱。同時,余熱回收方式也從以往的集中式改進為分散式回收方式,溫度控制更易實現,如圖3所示。

圖3 蓄熱式燒嘴系統

蓄熱式燒嘴高溫空氣燃燒火焰的峰值溫度降低,溫度場分布均勻以及采用低過剩空氣系數燃燒降低了燃燒氣氛的含氧量,熱力型NOx的形成受到抑制。

2.2 分級燃燒技術

熱力型NOx的生成很大程度上取決于燃燒溫度。燃燒溫度在當量比為1的情況下達到最高,在貧燃或者富燃的情況下進行燃燒,燃燒溫度會下降很多。運用該原理開發出了分級燃燒技術,包括空氣分級以及燃料分級。這兩種方法最終將會使整個系統的過量空氣系數保持一個定值,為目前普遍采用的低氮燃燒控制技術[2]。

(1)空氣分級燃燒:第一級是富燃料燃燒,在第二級加入過量空氣,為貧燃料燃燒,兩級之間加入空氣冷卻以保證燃燒溫度不至于太高。

(2)燃料分級燃燒:與空氣分級燃燒正好相反,第一級為燃料稀相燃燒,而在第二級加入燃料使得當量比達到要求的數值。

分級燃燒技術可有效降低燃燒溫度水平,消除火焰局部高溫熾熱區,避免了高溫區集中使得NOx濃度減少。

2.3 煙氣回流二次燃燒技術

燃燒溫度的降低可以通過在火焰區域加入煙氣來實現,加入的煙氣吸熱從而降低了燃燒溫度。通過將煙氣的燃燒產物加入到燃燒區域內,不僅降低了燃燒溫度,減少了NOx生成,同時加入的煙氣降低了氧氣的分壓,這將減弱氧氣與氮氣生成熱力型NOx的過程,從而減少NOx的生成。P型輻射管就是采用的煙氣回流二次燃燒技術,如圖4所示。

圖4 雙P輻射管燃燒系統

某鋼鐵企業硅鋼SACL機組通過燒嘴改造,加大煙氣回流量,降低火焰極值溫度,煙氣中NOx含量由之前的200 mg/m3降低到80 mg/m3。

2.4 無焰燒嘴技術

無焰燒嘴又稱全預混式燒嘴,實際助燃空氣量大于或等于理論空氣量,即空氣消耗系數≥1,在工作時,燃氣與空氣預先在燒嘴內部均勻混合,然后再通入燃燒室內進行燃燒。燃燒火焰短而且燃燒充分,無明顯火焰鋒面。由于燃燒速度很快,火焰短而透明,無明顯輪廓,所以叫無焰燃燒,如圖5所示。

圖5 無焰燒嘴

在傳統有焰燃燒模式下,化學反應集中在一個比較狹小的火焰面進行,造成溫度分布不均勻,火焰鋒面溫度高,必然導致熱力型NOx的大量生成,有焰燃燒中,若將火焰拉長可以使熱量分散,有利于降低氮氧化物。而無焰燃燒,火焰小而分散,近似看不見火焰,無明顯鋒面,燃燒區域溫度分布均勻,污染排放低,無焰燒嘴可實現氮氧化物低于60 mg/m3。

3 結論

隨著退火爐輻射管燒嘴技術的不斷進步,高效環保將是下一代輻射管燒嘴的重點發展方向。在低氮燃燒技術方面,目前行業成熟應用的主要有助燃空氣預熱技術及分級燃燒技術。而新一代蓄熱式無焰燒嘴將蓄熱式燒嘴與無焰燒嘴技術有效結合,較常規輻射管燒嘴熱效率提升12%左右,同時排放煙氣中氮氧化物低于60 mg/m3。