一種新型低NOx排放輻射管燒嘴開發及應用

孫志斌，李國杰，王林建

(寶鋼工程技術集團有限公司，上海 201900)

常見的氮氧化物(NOx)有一氧化氮(NO，無色)、二氧化氮(NO2，紅棕色)、一氧化二氮(N2O)、五氧化二氮(N2O5) 等[1]，工業生產中煙氣排放的氮氧化物(NOx)通常指的是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)，它們作為大氣污染物之一對環境危害極大：氮氧化物(NOx)既是形成酸雨的主要物質之一，也是形成大氣中光化學煙霧的重要物質和消耗臭氧(O3)的一個重要因子。

基于此，近些年我國下大力氣降低氮氧化物(NOx)排放，尤其是作為氮氧化物(NOx)排放大戶的鋼鐵行業(氮氧化物的生成主要是化石燃料燃燒產生)，國家五部委聯合發布《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》，意見提出：推動現有鋼鐵企業超低排放改造，其中軋鋼工業爐要求NOx排放濃度上限200 mg/m3(標準)(折算成O2濃度8%條件下)。

根據對國內某鋼鐵廠軋鋼加熱爐進行的調研來看，許多爐溫高、燃燒空間小，以及采用焦爐煤氣作為燃料的加熱爐，煙氣排放所產生的氮氧化物(NOx)濃度較高，無法滿足NOx排放濃度上限200 mg/m3(標準)的要求，亟需通過技術改造或設備革新降低NOx排放濃度。我們針對上述問題對NOx超低排放燒嘴進行了一系列的研究和探索，取得了較好的效果。

1 NOx生成機理

在高溫條件下生成的氮氧化物(NOx)主要是以一氧化氮(NO)的形式存在(一氧化氮濃度約占95%)，但由于一氧化氮(NO)在大氣中極易與空氣中的O2發生化學反應，生成二氧化氮(NO2)，因此在自然條件下的大氣中氮氧化物(NOx)普遍是以二氧化氮(NO2)的形式穩定的存在。如何降低高溫下生成的氮氧化物(NOx)成為本次研究的重點。

研究表明，軋鋼加熱爐的燒嘴在燃燒過程中氮氧化物(NOx)的生成途徑主要有三種：熱力型NOx、燃料型NOx、快速型NOx[2]。

1)熱力型NOx

熱力型NOx主要是由于燃燒時空氣中的N2在高溫下與空氣中的O2發生氧化反應生成，主要影響因素是燃燒溫度。圖1反映了熱力型NOx生成量與燃燒溫度之間的關系。從圖1中可以看出，在溫度低于1 300 ℃時，幾乎沒有熱力型NOx生成；隨著燃燒溫度升高到一定程度，NOx生成速率按指數增加。

圖1 熱力型NOx生成量與實際燃燒溫度的關系圖

在溫度足夠高時，熱力型NOx的生成量可占到NOx總量的30%[3]，因此降低熱力型NOx生成的主要措施就包括：降低燃燒溫度，或者降低局部高溫區的產生；降低高溫區內O2的濃度；以及縮短煙氣在高溫區內停留的時間。

2)快速型NOx

快速型NOx是指空氣中的N2與碳氫化合物燃料中的碳氫離子團(如CH)反應生成HCN，再進一步與O2作用以極快的速度生成NOx。快速NOx在燃燒過程中的生成量很小，可以忽略不計。

3)燃料型NOx

燃料型NOx是指燃料中的氮化合物(例如焦爐煤氣中的NH3和HCN)與空氣中的O2在燃燒中氧化反應生成NOx。燃料中氮化合物含量越高，產生的NOx量就越大；此外火焰燃燒溫度越高，NOx生成量也越高。表1是三種不同熱值的氣體燃料所產生的燃料型NOx生成量比較。

表1 三種不同熱值的氣體燃料所產生的燃料型NOx生成量比較

2 超低NOx排放輻射管燒嘴的開發

2.1 開發背景

通過對國內某鋼廠的硅鋼和冷軋退火爐進行調研，發現由于采用的燃料不同，會導致理論燃燒溫度的差異；而由于生產的工藝爐溫差別，根據上文NOx生成機理的介紹，上述因素都會對產生的NOx濃度產生影響。表2為不同爐溫和燃料下的理論燃燒溫度。

表2 不同爐溫和燃料下的理論燃燒溫度

通過上述數據可以看出，采用焦爐煤氣作為燃料的硅鋼高溫爐，是對生成NOx濃度影響最大的機組，而從實際情況來看也的確如此：國內某鋼廠的硅鋼退火爐，采用W型輻射管燒嘴加熱，燃料采用焦爐煤氣，爐溫950～1 000 ℃，實測退火爐廢氣NOx排放范圍在360～500 mg/m3(標準)左右(折算成O2濃度8%條件下)。因此，開發一種針對硅鋼高溫退火爐使用的超低NOx排放的輻射管燒嘴，是十分有必要的。

2.2 燒嘴開發過程介紹

2.2.1 技術路線的確定

目前國內外采用降低NOx的方法主要有兩種：燃燒控制法和排放控制法。對于燃燒控制法，主要是在燒嘴燃燒的過程中采用空氣分級燃燒、煙氣回流再循環、低氧燃燒等方式，通過減少火焰局部高溫和與O2反應的濃度實現控制NOx生成；對于排放控制法，主要是指對煙氣中已產生的NOx采用吸附、化學反應等方式進行處理，最終在排放到環境前，將NOx處理完畢。

考慮現場實際情況和經濟性分析，首先排除了煙氣脫硝的方案；對于催化劑吸附的方案，我們對某日本催化吸附產品進行了多次實驗，但實驗結果并不理想，因此本次開發集中在燃燒控制法的技術路線。

在實際的開發過程中，以某鋼鐵廠980 ℃最高爐溫的硅鋼高溫退火爐為基礎，以該機組采用的Φ190 mm輻射管(見圖2)及焦爐煤氣燃料燒嘴為使用條件，研發出采用燃燒控制技術的一種超低NOx排放輻射管燒嘴，其核心結構包括兩方面：燒嘴噴頭及引射器，因此，在空氣分級燃燒技術的基礎上開發新型燒嘴噴頭，在煙氣回流技術基礎上開發引射器，以及通過燃燒調整的方式控制燒嘴的低氧燃燒，是本次研發的重點內容，下面逐一進行介紹。

圖2 輻射管、燒嘴及換熱器安裝示意圖

2.2.2 新燒嘴噴頭的開發

由于燃氣和助燃空氣兩種介質是在燒嘴噴頭進行混合，并通過點火電極或點火燒嘴引燃形成火焰，因此噴頭的結構，直接決定了燃燒的狀況，包括火焰長度、燃盡率和煙氣成分中NOx的生成濃度等。采用空氣分級燃燒技術的燒嘴噴頭，不僅可以有效的拉長火焰長度，改善輻射管表面的溫度均勻性，還可以有效減少火焰的高溫區，從而降低煙氣成分中NOx的生成濃度。

開發中，對三種較為常見的燒嘴噴頭的結構進行的比較見表3。

表3 三種燒嘴噴頭結構的比較

通過對三種噴頭的比較可以看出，2#和3#燒嘴噴頭均采用空氣分級燃燒的方式，可以實現降低NOx排放的目標。空氣的分級燃燒原理見圖3。之后針對燒嘴噴頭的一、二次風分配比例進行分組對比實驗，對比的原則是保證一次燃燒的空氣過剩系數小于1.0，利用二次燃燒的空氣將燃料完全燃燒。

圖3 空氣的分級燃燒原理圖

一次燃燒的空氣過剩系數小于1.0，可以讓燒嘴的一次燃燒區是在空氣不足的情況下進行的，因而降低了燃燒速度和燃燒溫度，可以有效抑制熱力型NOx的生成；此外，由于一次燃燒區燃料不完全燃燒，產生的一氧化碳(CO)還可以還原已經生成的氮氧化物，從而也可以有效抑制燃料型NOx的產生。

二次燃燒需要將一次燃燒沒有燒完的燃料與二次風繼續混合燃燒，此時二次燃燒區的空氣過剩，但燃料與二次風混合時間長，導致火焰溫度低，燃燒速度慢，因此NOx的生成量不大。

根據上述原則對不同一、二次風比例的實驗，確定火盤的一次風開孔數量、開孔大小、火盤與輻射管之間環縫的間隙等參數，最終確定了一種最優的燒嘴噴頭結構。

2.2.3 引射器的開發

根據在實驗室的情況來看，單獨采用分級燃燒技術的燒嘴，煙氣中生成的NOx排放指標在200～300 mg/m3(標準)(折算成O2濃度8%條件下)，無法保證應用到實際生產過程中指標達標，因此還需要配合煙氣回流再循環技術一起使用。

所謂煙氣回流再循環技術，就是將一部分燃燒產生的煙氣，通過引射等方式回流到助燃空氣中，使這部分煙氣隨著空氣再次進行循環，這樣不僅可以降低助燃空氣中O2的濃度，還可以降低火焰燃燒溫度，從而有效地降低NOx的生成量。

引射器作為煙氣回流再循環技術的核心設備，其原理就是利用射流的紊動擴散作用，使不同壓力的兩股流體相互混合[4]。圖4為引射器結構原理圖，高壓引射流體以較高得的速度從噴嘴噴入到引射器，由于射流的卷吸作用，高壓引射流體將周圍的被引射流體一起卷入引射器，在收縮段和混合段，兩種氣體進行強制混合，混合氣體壓力升高；混合氣體進入擴散段時，流速隨著截面積增加而逐漸降低，同時混合氣體壓力進一步升高。

圖4 引射器結構原理圖

本次開發超低NOx排放燒嘴采用引射器，就是利用了引射器能夠通過助燃空氣的引射作用將一部分煙氣引射回流，與空氣混合后繼續參與燃燒；此外，引射器不借助機械外力的壓縮作用就可以提高引射流體的出口壓力、結構簡單可靠、無運動部件、密封性好，也是選擇引射器作為燒嘴輔助部件的原因。

如何確定引射器的結構尺寸，是設計引射器的核心，從圖4中可以看出，除了引射器不同功能段本身的長度尺寸(L1～L4)和直徑尺寸(D1～D3)之外，噴嘴的噴口直徑(D4)、噴嘴與引射器之間的間距(L0)也是兩個重要的尺寸。在實際的引射器開發過程中，對引射器的結構尺寸進行了分組實驗，使其具有較高的引射比，同時保證引射器的阻力損失在系統可接受的范圍內。

2.3 實驗情況介紹

在分別確定了燒嘴噴頭結構和引射器的結構后，需要對該超低NOx排放的輻射管燒嘴進行整體熱態實驗，表4為熱態實驗的基本條件，圖5為開發的超低NOx排放的輻射管燒嘴結構示意圖及實物照片。

圖5 新型輻射管燒嘴和引射器的結構示意圖及實物照片

表4 燒嘴熱態實驗的基本條件

通過對新型超低NOx排放的輻射管燒嘴在爐溫500～980 ℃下的熱態實驗，獲得了該燒嘴的空氣、燃氣P-V性能曲線(即燒嘴在不同壓力P條件下對應的不同流量V值)，為后續投入實際生產時燒嘴的在線燃燒調整提供依據；此外，還獲得了該燒嘴在不同爐溫下NOx生成濃度的變化情況(見圖6)。

圖6 燒嘴在不同爐溫下NOx生成濃度的變化曲線

從實驗結果可以看出，在達到最高爐溫的情況下，煙氣中NOx的排放濃度只有120 mg/m3(標準)(折算成O2濃度8%條件下)，遠低于200 mg/m3(標準)的目標值。

同時，根據在輻射管表面敷設的熱電偶檢測結果，輻射管表面的溫度差小于40 ℃，這也有利于輻射管壽命的延長。輻射管表面溫度曲線見圖7。

圖7 不同爐溫下輻射管表面溫度曲線

3 新型輻射管燒嘴的應用及效果

將該新型超低NOx排放的輻射管燒嘴應用在國內某鋼廠的硅鋼退火爐上，更換了全部的輻射管燒嘴和點火燒嘴，并增加了引射器，只保留了原機組的空氣換熱器和輻射管換熱器。在機組正式投產前，按區域分別對燒嘴進行冷態空氣壓力調整和熱態燃氣壓力調整，保證同一區的燒嘴負荷相同；然后再通過燃氣閥門調整將每個燒嘴的煙氣成分中O2調整到2%～4%范圍內，確保燒嘴在低氧燃燒條件下工作。

最終，在最高爐溫980 ℃條件下，檢測該機組廢氣煙囪上NOx濃度為45×10-6，O2含量9.57%，折算成國家標準8%的O2含量下為105 mg/m3(標準)，該新型超低NOx排放的輻射管燒嘴的開發和應用取得了良好的效果。

4 結 論

伴隨國家最新環保要求的落地實施，鋼鐵企業軋鋼加熱爐對于降低NOx排放的需求也會日益增加，本次開發的這種超低NOx排放輻射管燒嘴應用取得了成功，但如何使用和推廣好新型燒嘴和超低NOx排放技術，成為今后的重要課題。