降低連續退火爐氮氧化物排放的研究

孫 康，王道金，侯大偉，段曉溪，王立朋

（首鋼京唐公司，河北 唐山 063000）

近幾年來國家開展生態文明建設，對鋼鐵冶金行業提出了更高的要求，在鋼鐵行業產業過剩、供給側結構性改革的大背景下，國家不斷發布各種環保、能耗、質量、安全、技術等法律法規和產業政策，加快鋼鐵行業去產能，市場競爭加劇[1]。因此，加快推進退火爐超低排放，降低廢氣NOx排放刻不容緩。

京唐某條連退產線主要生產厚度為0.4～2.5 mm、寬度為1 000～2 080 mm 規格的以高端汽車板、高強鋼為主的產品。整個退火爐分為預熱段、加熱段、均熱段、緩冷段、閃冷段、時效段、終冷段。加熱段和均熱段采用W 型輻射管暗火加熱，采用ON/OFF 的脈沖控制模式。

1 退火爐NOx 的生成機理和研究背景

燃燒過程中，NOx生成的途徑有三個：一是燃料中原先含有的NOx熱分解，再和氧化合生成NOx，稱為燃料型NOx；二是空氣中N2和O2在高溫條件下發生化合作用生成NOx，稱為熱力型NOx；三是快速型NOx，它是通過燃料產生的CH 原子團撞擊空氣中的N2分子，生成CN 類化合物，最后氧化生成NOx[2]。目前退火爐降低NOx排放有多種途徑，其中包括了NH3脫硝SCR 選擇性氧化技術脫硝[3]；臭氧氧化煙氣，將煙氣中的低價態化合物氧化為高價態化合物，利用裝置尾部的兩級堿液洗滌裝置達到脫脫硫脫硝的目的[4]；還有應用純氧燃燒，煙氣再循環，燒嘴分級配風等先進技術脫硝。

2 退火爐的燃料

退火爐的燃料是精制焦爐煤氣，主要成分如表1 所示，焦爐煤氣的熱值為16 800～18 600 kJ/m3。

表1 焦爐煤氣成分 %

3 退火爐的排放現狀

退火爐的排放污染主要是NOx，SO2，顆粒物。京唐某條連退線排放按照廢氣中體積分數為8%的殘氧折算，退火爐NOx檢測值（質量濃度）為130～160mg/m3，不能滿足超低排放NOx低于150 mg/m3的要求。

4 退火爐NOx 排放的原因分析

連續退火爐的NOx主要排放類型包括燃料型和熱力型兩個方面。針對退火爐在線NOx檢測超標問題，從退火爐燃燒系統分析、燒嘴的NOx測試、燒嘴的煙氣回流、燃燒系統的氣密性以及助燃風壓力等方面來改善退火爐的NOx排放水平。

4.1 退火爐的燃燒系統

退火爐的燃燒系統關鍵要素為焦爐煤氣和助燃風，焦爐煤氣通過燒嘴在輻射管燃燒，經過廢氣換熱后排煙風機形成負壓收集，最終排放到大氣中。燒嘴的燃燒過程是利用助燃風將煙氣經過廢氣換熱器進行預熱和回流，并與焦爐煤氣通過燒嘴點火電極點火燃燒。燒嘴燃燒過程中焦爐煤氣中少量的NH3以及空氣中的N2在高溫下生成NOx，每個燒嘴燃燒狀態決定了整體的NOx排放水平。

4.2 燒嘴的NOx 測試

使用壓差儀和煙氣分析儀對燒嘴進行測試，校準不同功率的燒嘴煤氣和助燃風壓力，按照廢氣中殘氧百分比為3%～3.5%來調整燒嘴的空燃比，記錄每個燒嘴NOx、廢氣殘氧百分比、煙溫、煤氣壓差、空氣壓差等數據。退火爐在不同爐況下，共計45 個燒嘴NOx超標，將超標燒嘴的NOx量進行折算后檢測，發現其質量濃度在150～240 mg/m3之間。不合格燒嘴主要分布于爐區加熱段的出口位置，其原因為退火爐正常生產時，加熱段出口的爐況溫度相對較高，燒嘴燃燒時輻射管表面溫度升高，從而增加了NOx的生成量。

4.3 燒嘴的煙氣回流

退火爐采用具有廢氣預熱、煙氣回流功能的換熱器燒嘴，使用煙氣分析儀測量煙氣的回流量，助燃風中φ（O2）=21%，換熱器預熱助燃風后卷吸一定量廢氣參與再次燃燒，根據助燃風的φ（O2）推算煙氣的回流量，所有測量燒嘴的助燃風中的φ（O2）在17%～18.5%左右。當助燃風中的φ（O2）在18%～18.5%時，燒嘴的廢氣NOx的質量濃度高于150 mg/m3；當助燃風中φ（O2）低于18%時，燒嘴的廢氣中的NOx的質量濃度低于150 mg/m3。燒嘴的煙氣回流是在煙氣循環中把鍋爐煙氣循環到燃燒氣流里，由于溫度低的煙氣可降低火焰總體溫度，并且煙氣中的惰性氣體可以沖淡氮的濃度[2]，增加燒嘴的助燃風中煙氣回流量，從而降低燃燒過程中產生的NOx。

4.4 燃燒系統的氣密性

退火爐在線廢氣中的殘氧（體積分數）檢測數據在8%～12.5%之間，NOx折算值按照廢氣中殘氧（體積分數）8%計算。燃燒廢氣的收集與排放都依賴于負壓系統，系統氣密性好壞直接影響到燒嘴燃燒過程中焦爐煤氣和助燃風的混合以及火焰的長度。因此，燃燒系統的氣密性對NOx的產生也至關重要，利用檢修機會對超標燒嘴的膨脹節和廢氣管道進行檢查，重新對膨脹節緊固和管道焊口漏點進行密封處理。在不同功率下進行氣密性的驗證測試，使用煙氣分析測量煙氣管道中廢氣中殘氧百分比數據，使集氣室和燒嘴端的廢氣中殘氧百分比相接近，排煙風機后相對集氣室的殘氧量（體積分數）增加2%～3%左右，此外還需要進一步排查，以保證廢氣系統的氣密性。

4.5 風機的壓力調整

爐區的燒嘴燃燒屬于富氧燃燒的過程，助燃風和焦爐煤氣的壓力決定了燒嘴在燃燒過程的混合狀態，低NOx燃燒技術的實質是降低最高燃燒溫度、控制燃燒區燃料濃度以及氧濃度[5]。通過降低助燃風的壓力，可以降低最高燃燒溫度以及控制氧濃度；通過試驗降低助燃風壓力1 000 Pa，爐區穩定生產過程中NOx量有所降低。

4.6 爐區工藝參數與NOx 的關系

利用廢氣在線檢測的數據，對于NOx超標時退火爐生產出的不同帶鋼規格參數進行統計對比，爐區生產寬度≤1 400 mm 帶鋼不合格率占比74%，說明退火爐生產窄規格帶鋼產生的NOx相對寬規格帶鋼要高。當爐區穩定生產消耗煤氣流量相同時，選取厚度為1.2 mm，寬度分別為1 200 mm、1 400 mm、1 600 mm 的帶鋼，對退火溫度為780 ℃和800 ℃的退火爐NOx排放數據進行對比分析，具體結果如圖1所示。熱傳遞的三種方式為對流、傳導和輻射，退火爐的熱傳遞主要是熱輻射為主，熱輻射持續燃燒傳遞輻射熱量到帶鋼，當焦爐煤氣成分固定時，燃料型NOx基本穩定，輻射管內NOx生成于溫度高于1 500 ℃的高溫區，在主要燃燒區內NOx大量產生，每次經過彎頭后方的再循環區域時，由于混合程度較強，燃燒較劇烈，也會有一定量的NOx生成，最終通過燒嘴在輻射管出口前達到穩定[6]。爐區的煤氣消耗量相同時，燃燒過程產生的輻射量是相同的，窄規格的帶鋼表面輻射系數明顯低于寬規格帶鋼，帶鋼加熱到相同的溫度，生產窄帶鋼的輻射管表面溫度高于寬帶鋼，燃燒過程中產生NOx增加。實際生產過程中，窄規格帶鋼輻射管的表面檢測溫度明顯高于寬規格帶鋼生產時的輻射管表面溫度，可達到設定高溫保護極限950 ℃。燒嘴燃燒過程中產生的NOx，隨著帶鋼寬度的增加而減小，隨著帶鋼溫度的升高而增加。

圖1 不同退火溫度下帶鋼寬度與ρ（NOx）的關系圖

5 煙氣回流量對NOx 影響的實踐

用相同功率的燒嘴進行實驗，修改換熱器回流口尺寸，燒嘴換熱器的回流口直徑為32 mm，在此基礎上，將回流口直徑加工為30 mm、29 mm，相同功率的燒嘴減小回流口尺寸后，煙氣百分比增加，NOx質量濃度明顯降低，具體數據如下頁圖2 所示。減小回流口直徑后，煙氣回流中φ（O2）為16.0%～16.5%左右，煙氣回流量由原來的15%增加到20%左右，同時回流的煙氣中w（NOx）提高到20×10-6左右，抑制了燃燒過程中NOx的轉化。

圖2 不同換熱器回流口尺寸與ρ（NOx）的對比圖

6 結論

1）在連續退火爐加熱段出口位置，隨著爐區溫度的升高，燒嘴燃燒產生的NOx增加；燒嘴燃燒過程中產生的NOx量，隨著帶鋼寬度的增加而減小，隨著帶鋼溫度的升高而增加。

2）通過降低助燃風的的壓力和改善燃燒系統的氣密性，增加煙氣回流量，可以減少NOx的生成量，煙氣回流量由15%增加到20%左右，回流的煙氣中w（NOx）提高到20×10-6，可以抑制燃燒過程中NOx的轉化。