燒結機脫硝煙氣加熱裝置低碳節能技術

趙亞紅 劉 江

（陜西龍門鋼鐵有限責任公司，陜西 韓城 715400）

關健詞：脫硝煙氣；內置式直燃爐；煙氣加熱裝置；低碳節能

0 引言

目前國內燒結機煙氣脫硝加熱裝置大部分使用外置式煤氣加熱爐，由于其燃燒介質高爐煤氣熱值很低，點火和穩燃都有一定困難，同時燃燒室周圍流經的是200℃～300℃的低溫煙氣，整個燃燒過程一直處于放熱環境中，其高負壓和放熱環境下外置式加熱爐經常滅火停爐導致脫硝環保指標超標，生產工藝中斷導致了開停機的各項不安全因素增加及產品產量的經濟損失。該技術采用的煙氣加熱裝置內置式直燃爐，在解決以上難點的同時還可以低碳燃燒。

1 應用背景

目前燒結機煙氣脫硝超低排放采用的主要技術路線之一：GGH（Gas Gas Heater）+煙氣加熱裝置+SCR（Selective Catalytic Reduction），內置式直燃爐屬于該技術路線中的煙氣加熱裝置，其技術難點在于確保在高負壓和放熱環境下，高爐煤氣的穩定點火和穩定燃燒，同時滿足企業低碳節能的環保及降本要求。

2 技術條件

煤氣加熱裝置節能技術改造后可以達到如下條件：1）脫硝入口煙溫高于280℃。2）燃燒器的選配靈活，可連續自動完成煤氣量和風量的調節，滿足煙氣量在設計值30%～115%波動情況下的穩定運行，自動吹掃，程序點火。3）燃燒器選型完全適應煤氣波動狀況，煤氣熱值波動700kcal/Nm3～800kcal/Nm3，相對穩定，氣體燃燒穩定完全，燃燒效率高于98%。4）加熱能力可調節性大，助燃風取自引風機出口凈煙氣或空氣，管路上裝有調風閥，供助燃風調節，火焰長度、擴散角均能和煙道合理匹配，且配有自動點火和火檢，保證安全穩定運行。5）火焰檢測系統穩定可靠，火檢探頭具有防堵灰設計，防止探頭處堵塞造成火檢失效。6）熱工及動力控制有遠程控制和現場控制，自動化程度高，能很好地滿足多種工況需要。7）滿足低碳、節能、環保的工藝要求，配套電機能效等級不低于二級。8）煤氣管路氣動關斷閥泄露等級須達到6級，按照GB/T 4213-2008標準執行。9）選用低氮燃燒器，合理配風，盡可能減少NOx的生成。燃燒器應為高效、節能、環保的節能燃燒設備。其結構緊湊，燃燒穩定，調節比大，噪聲低，可內設火焰檢測報警系統；火焰鋪展性好，燃燒完全，燃燒易于控制。燃燒器配套觀火孔。配置智能火焰檢測器，用以觀察檢測火焰燃燒情況。燃燒器外殼材質采用優質碳鋼，燃燒噴頭及向火面采用耐高溫不銹鋼310S，滿足強度、溫度、耐腐蝕性及使用條件的需要。10）采用等離子自動點火系統。無須高熱值燃氣，由等離子點火器直接點燃高爐煤氣，該種點火方式安全、高效、可靠。

關于燃氣流量核算的說明如下。按現有煙氣流量計將煙氣流量修正至同一基準；定期測量高爐煤氣熱值，將熱風爐和內置式直燃爐的高爐煤氣耗量修正至同一基準（一般按750kcal/Nm3）；原有加熱爐和內置式直燃爐須參照同一個流量計進行對比，可采用原有燃氣母管流量計，特殊情況下可增設新流量計，以流量計差值作為考核依據，并根據煙氣流量及高爐煤氣熱值對高爐煤氣流量進行修正。

3 實際應用及原理

目前國內燒結機煙氣超低排放主要工藝技術路線：燒結機→機頭電除塵器→主抽風機→脫硫反應塔（濕法或半干法）→布袋除塵器→GGH（原煙氣段）→煙氣加熱裝置→SCR（脫硝催化劑）→GGH（凈煙氣段）→增壓風機→煙囪排放。

內置式直燃爐安裝在GGH原煙氣熱端出口煙道內，2臺燃燒器在煙道兩側呈對沖布置。停機前可先進行煙道外部施工（包括高爐煤氣管道系統、助燃風管道系統、控制系統、樓梯平臺鋪設、電纜橋架鋪設等），煙道內部需停機施工，系統投產后即可投用內置式直燃爐加熱系統。原有外置式加熱爐系統可保留，2套加熱系統可切換運行[1]。

內置式直燃爐加熱系統主要由煙氣系統、燃燒系統和控制系統3個部分組成。

煙氣系統主要由煙氣分流裝置、燃燒器（包括點火槍、燃料氣管道、助燃空氣管道）組成。煙氣經導流裝置后，一部分煙氣流經位于煙道兩側的燃燒器區域，對煙氣進行加熱的同時，也對燃燒器進行冷卻，之后與中間的煙氣在后端混合，使煙氣溫度達到脫硝催化劑反應溫度要求，導流裝置經過流場模擬，保證催化劑前煙氣溫度偏差小于±10℃。燃燒系統由燃燒器、助燃風系統、燃氣系統、點火系統及輔助系統組成。煙道內共設置2臺燃燒器，呈對沖布置，燃燒器采用低NOx設計，自身產生的NOx濃度低于50mg/Nm3。

助燃風系統根據需要可選用煙氣或空氣助燃，煙道負壓小于-3000Pa須采用助燃風機，煙道負壓大于-3000Pa時不設助燃風機。在煙氣氧量＞15%時采用煙氣助燃，在煙氣氧量＜15%或其他特殊工況下采用空氣助燃。

等離子點火器火焰溫度達到8000℃～10000℃，能夠在高負壓、低熱值條件下快速點火[2]。

內置式直燃爐結構及工藝流程如圖1所示，高爐煤氣燃料進氣管道進入燃燒器前一分為二，燃料氣管線上分別安裝壓力變送器、調節閥控制各自燃燒器煤氣流量、壓力，燃燒器由等離子點火器點火引燃，煙氣經過導流板通過燃燒器點燃后燃燒，高溫煙氣通過助燃風機進行助燃，原煙氣部分通過導流板冷卻煙道壁防止溫度過高，控制系統采用PLC（Programmable Logic Controller）控制，采用先進的比例積分調節式自控系統，主要包括點火控制系統（一鍵啟動）、煙溫自動調節、燃氣流量控制、助燃風流量控制。同時設置完善的安全聯鎖保護系統，出現異常時發出報警信號，觸發安全聯鎖保護動作條件時自動熄火，保證系統安全可靠運行[3]。

圖1 內置式直燃爐工藝原理圖

4 技術優勢

4.1 節約高爐煤氣

燒結機煙氣中含有大量的CO，內置式直燃爐在煙道中直接燃燒，能引燃燒結機煙氣中部分CO，引燃CO產生的熱量被煙氣吸收，這部分能量利用可節約高爐煤氣15%以上（見表1）。

表1 引燃煙氣中CO與節約高爐煤氣之間的關系

以某公司400m2燒結機煙氣脫硝加熱系統為例，煙氣量1750000Nm3/h、高爐煤氣熱值750kcal/Nm3、煙氣溫升為30℃時，通過實際測量直燃爐加熱前后的CO變化，計算出內置式直燃爐比外置式加熱爐節約高爐煤氣18.6%（見表2）。

表2 400m2燒結機內置式直燃爐節約高爐煤氣量計算表

采用100℃～150℃的高溫煙氣助燃，減少了加熱冷空氣助燃時所需要消耗的熱量，按照冷空氣溫度20℃、排煙溫度100℃、排煙過量空氣系數1.2計算。根據鍋爐性能試驗規程核算排煙損失=（0.5+3.45×1.2）×（100-20）/100=3.71%，采用煙氣助燃能夠節約高爐煤氣3.71%。

燃燒器布置在煙道內，沒有長距離輸送過程中的管道散熱損失，同時燃燒器在煙道內的散熱全部被燒結煙氣吸收，根據《TSG G0003-2010工業鍋爐能效測試與評價規則》，利用這部分能量可節約高爐煤氣用量 3% 左右。

綜上所述，內置式直燃爐與外置式加熱爐相比，能夠節約高爐煤氣量20%以上。

4.2 比外置式加熱爐更加安全

外置式加熱爐一般是在煙道外建立一個絕熱爐膛，爐膛溫度控制在900℃～1000℃，需要采用高熱值氣體（如焦爐煤氣、乙炔、液化氣等）引燃或伴燒，目前存在以下安全隱患。

用外接高熱值氣體點火，需要增加一套高熱值氣體存儲和運輸系統，現場存在危險點。

高爐煤氣在狹小、密閉的空間內燃燒，溫升能力有限，在啟動初期為提高升溫速度，燃氣量增加過快時會發生爆炸。

4.3 內置式直燃爐可以有效的避免上述安全隱患

高爐煤氣用量約占燒結煙氣量的1%左右，高爐煤氣中CO的比例大約為25%，即高爐煤氣中的CO與燒結煙氣濃度占比為0.25%；燒結煙氣中CO含量最高時能達到10000mg/m3，即燒結煙氣中的CO與燒結煙氣濃度占比為1%；2項CO濃度總和與燒結煙氣比例約為1.25%，而CO的爆炸濃度范圍是12.5%～74%，因此內置式直燃爐在煙道內引發CO爆炸的可能性為零。

內置式直燃爐采用等離子點火裝置，等離子體火焰中心溫度高達8000℃～10000℃，其熱量能夠瞬間點燃難以引燃的高爐煤氣，點火成功后30s后等離子自動退出，不需要外接高熱值氣體點火和長期伴燃，影響系統安全運行風險和安全風險點大大降低。

控制系統中采用完善的安全聯鎖保護措施，如火檢喪失、增壓風機停止、GGH停止、燃氣壓力超低、煙溫過高等信號出現時，安全聯鎖保護立即動作，自動切斷燃氣供應，徹底杜絕了爆燃的可能性。

4.4 運行穩定可靠

溫升控制采用自動調節方式，保證脫硝前煙氣溫度穩定達到要求，降低人力操作成本，同時能夠最大限度節約高爐煤氣用量。對燃料適應范圍廣，高爐煤氣熱值高于700kcal/Nm3、高爐煤氣管道壓力高于3kPa，即可保證穩定著火和溫升要求。設備連續運行周期長、故障率低、維護量小，利用整套機組停機檢修時間進行檢查和維護即可，不會出現外置式加熱爐因爐膛和熱風道耐火材料脫落而被迫停機檢修。

4.5 低碳環保

CO排放是環保部門重點監測的一項環保指標，內置式直燃爐在煙道內燃燒，其火焰能夠引燃燒結煙氣中部分CO，在現場實際測量CO燒失量500mg/m3～1000mg/m3，能夠降低排入大氣的CO污染，是保證CO達標排放的一項措施。

內置式直燃爐火焰在煙道內燃燒，能夠消耗燒結煙氣中部分氧量O2，O2燒失量0.5%左右，按照國家環保政策要求對粉塵、SO2、NOx進行16%氧量修正時，能夠減少企業排污費用。

以外置式煙氣加熱爐高爐煤氣耗量40萬Nm3/天為例，采用內置式直燃爐后節氣率高于20%，即節約高爐煤氣量8萬Nm3/天，按照年運行330d計節約高爐煤氣量2640萬Nm3/a，節約出來的高爐煤氣可用于燃氣發電機組鍋爐，燃氣發電機組每年可多發電8800000kW·h，折算節約標煤量2728t/a，二氧化碳減排量6820 t/a，該技術應用可為國家碳達峰、碳中做出巨大貢獻。

4.6 內置式直燃爐與外置式加熱爐的性能對比

內置式直燃爐通過改變安裝位置及結構（如圖2，圖3），成功實現了對煤氣的安全高效利用，其在使用安全、穩定運行、能效率等方面全面超越了外置式加熱爐，各項性能對比見表3。

圖2 內置式直燃爐外觀、體積及安裝位置

圖3 外置式加熱爐外觀、體積及安裝位置

表3 內置式直燃爐與外置式加熱爐綜合性能對比

5 結語

燒結機脫硝煙氣加熱裝置低碳節能新技術的研究與應用，是火焰燃燒細化專業領域一次成功的技術進步，其內部流場結構的優化減少了煙氣阻力，減少風機做功，解決了密閉空間內燃燒可能出現爆炸的隱患，加熱位置的改變減少了爐體等的熱量損失，對廢煙氣中CO的燃燒利用是該節能技術的核心。在鋼鐵等高耗能行業中，以較少的投資改造收回投資成本，為企業節能降本、創收創效，減少了污染物的排放，為國家碳達峰、碳中做出巨大貢獻，在全國鋼鐵行業煙氣治理領域具有重大推廣意義。