取向硅鋼高溫環形退火爐用低NOx 天然氣燒嘴的試驗與數值模擬

潘書婷， 戴方欽， 郭 悅， 潘盧偉， 劉寶志， 李運城

（1. 武漢科技大學 高性能鋼鐵材料及其應用省部共建協同創新中心， 武漢430081；2. 威豐稀土電磁材料股份有限公司， 內蒙古 包頭014060； 3. 武漢山力板帶技術工程有限公司， 武漢430074）

取向硅鋼是制造變壓器（鐵芯）的重要材料［1］，高溫再結晶退火是取向硅鋼生產的重要工序，決定了取向硅鋼產品的質量和產量［2］.目前國內外取向硅鋼生產普遍采用環形高溫退火爐、罩式爐和隧道式高溫退火爐.取向硅鋼高溫再結晶退火溫度一般在1 523.15 K以上，爐溫通常高達1 573.15～1 623.15 K，高溫會導致熱力型NOx生成速度加快.2017 年的數據顯示，我國鋼鐵行業排放的NOx達到了172 萬t，約占總排放量的10%［3-4］；在近年來控制污染物排放的政策下，截至2020 年，我國鋼鐵行業NOx年排放量為111.4 萬t.此外，鋼鐵行業中有關NOx排放標準的制定也愈加嚴格［5］：要求煙氣中NOx濃度低于150 mg／m3.

燒嘴是環形高溫退火爐和隧道式高溫退火爐中燃料與空氣混合燃燒的裝置，也是影響硅鋼加熱質量以及NOx排放量的關鍵因素.對國內取向硅鋼高溫退火爐煙氣排放中NOx濃度進行調研后發現，某地區隧道式高溫退火爐排放的NOx濃度大于500 mg／m3，約為行業標準規定的3.3 倍.因此，開發用于取向硅鋼高溫退火爐的超低NOx天然氣燒嘴并探明NOx燃燒生成機理對冶金爐窯的節能減排至關重要.

國內外學者對于降低燒嘴在燃燒過程中的NOx排放進行了大量的研究［6-13］.本文中針對國內高溫硅鋼退火爐爐內溫度分布不均勻造成的硅鋼成材率低、煙氣中NOx濃度超標等問題，基于燃燒傳熱機理分析，確定了一種低NOx天然氣燒嘴的結構參數；采用CFD 數值模擬方法建立了燒嘴的流動、傳熱、傳質數學模型，并通過燃燒試驗驗證模型的準確性；研究了燒嘴多級空氣配比（一、二級風量之和與總風量之比）、空氣過量系數、空氣預熱溫度、煙氣再循環量等參數對NOx生成的影響.

1 燒嘴燃燒試驗平臺及天然氣燒嘴結構

1.1 燒嘴燃燒及測量試驗平臺

燒嘴燃燒試驗爐及試驗系統如圖1 所示.試驗爐長2.7 m，寬1.2 m，高1.2 m.燃燒試驗平臺由燒嘴設備、試驗爐爐體、氣路管道、流量測量系統、溫度測量系統、煙氣分析系統及爐溫控制系統等組成.

圖1 燃燒試驗系統Fig.1 Combustion test system

1.2 低NOx 天然氣燒嘴

本文中研究的低NOx天然氣燒嘴結構如圖2所示，燒嘴設計能力為100 kW.燒嘴采用空氣三級燃燒技術設計，其中一級進風口分兩排分布，每排沿圓周方向均勻分布4 個直徑為3 mm 的圓形進氣孔；二級進風口為6 個直徑4 mm 的圓形進氣孔，三級進風口為8 個直徑10 mm 的圓形進氣孔，均以燒嘴軸線為中心均勻分布.天然氣從燃料噴嘴噴出前，先與一級空氣混合，噴出后的天然氣和一級空氣的混合物在燃燒杯中與高速噴出的二級空氣混合，進行富燃料燃燒，形成的還原氣氛可以抑制NOx的生成；預混燃燒的煙氣混合物在燒嘴內與高速噴出的三級空氣混合，CO 等還原產物在較低溫度下進行充分的二次燃燒.試驗中通過空氣的多級加入實現還原氣氛下的富氧燃燒，通過控制火焰溫度和高溫區氧濃度抑制熱力型NOx的生成.

圖2 燒嘴結構圖Fig.2 Structure diagram of burner

1.3 天然氣成分

表1 天然氣成分（體積分數）Table 1 Natural gas composition table（volume fraction） %

2 數值模型及計算方法

燒嘴物理模型采用SolidWorks 建模，在ICEM中采用非結構網格進行網格劃分，總網格數量約為106 萬個，且通過5 套不同的網格數量驗證網格獨立性.湍流模型采用標準k-ε 湍流模型，輻射傳熱模型選用DO 輻射模型，燃燒模型采用組分運輸模型，壓力速度算法采用Coupled 算法.在熱力場和流動計算迭代收斂后，打開NOx污染物模型計算產生的NOx濃度.

對于天然氣等不含N2的燃料，根據生成機理的不同，可將燃燒過程中生成的NOx分為熱力型NOx和快速型NOx.熱力型NOx是由氮原子和氧原子在高溫下反應生成，其生成機理最早被蘇聯學者Zel′dovich 發現，在溫度低于1 500 K的環境下熱力型NOx的生成量較少.快速型NOx則是在熱力型NOx產生之前，通過氮原子與碳氫化合物之間復雜的鏈式反應生成的，由Fenimore［14］發現并命名，生成量相對熱力型NOx較少.

本文中計算熱力型NOx模型的控制方程是基于Zel′dovich 機理.表2 中列出了熱力型NOx生成的化學式及對應的反應速率，其中v+1，v+2，v+3是生成NO 的正向反應速率，v-1，v-2，v-3是對應的反向反應速率.

表2 熱力型NOx 生成的反應方程式Table 2 Reaction equation of thermal NOx formation

而在低溫和富燃料燃燒狀態下，仍有部分快速型NOx生成［15］.快速型NOx的生成需要考慮碳氫化合物及其燃燒的中間產物，生成的鏈式反應如下：

3 數值計算與結果分析

3.1 數學模型驗證

圖3 為兩種工況下爐膛中心線上試驗測量和數值計算的溫度對比圖.兩種工況下天然氣流速均為10 m3／h，天然氣與空氣溫度均為常溫.圖3（a）所示的工況A 的空氣過量系數為1.1，圖3（b）所示的工況B 的空氣過量系數為1.2.圖中L為燃燒室長度.由圖3（a）可知，數值計算的溫度與試驗測量的溫度在爐膛后半部分貼合較好.將數值模型的邊界條件更改為試驗所測邊界條件，在工況B 的條件下再次驗證.圖3（b）中顯示，數值計算的溫度與試驗測量的溫度貼合較好.在工況A 試驗條件下，爐膛煙氣出口處測量的NOx濃度 為 116 mg／m3， 數 值 計 算 的 NOx濃 度 為124 mg／m3，計算誤差為6.90%.而在工況B 試驗條件下，爐膛煙氣出口處測量的NOx濃度為245 mg／m3，數值計算的NOx濃度為266 mg／m3，計算誤差為8.57%.兩種工況下的溫度誤差均在10%以內.

圖3 兩種工況下爐膛中心線上的溫度對比Fig.3 Temperature comparison of furnace center line under two working conditions

3.2 多級空氣配比對燒嘴燃燒和NOx 生成的影響

本次數值模擬計算的燒嘴是等比例建模的低NOx天然氣燒嘴，通過調整一、二級進風口面積，改變一、二級風量之和與三級風量之比，探究多級空氣配比對NOx生成的影響.表3 列舉了六種不同的一、二級進風口面積的結構及對應的多級空氣配比，其中結構3 代表原始燒嘴結構，結構1 和2 代表減少進風口面積的結構，結構4 ～6 代表增大進風口面積的結構.

表3 一、二級進風口面積變化參數Table 3 Variation area parameters of the first and the secondary air inlet

圖4 顯示了不同結構燒嘴燃燒室出口處NOx濃度.圖中表明，將多級空氣配比從原結構的15.370 %增加至17.822%時，生成的NOx濃度從124 mg／m3降至53 mg／m3，而將多級空氣配比增加至18.742%時，生成的NOx濃度不再繼續降低，而是回升到95 mg／m3；將多級空氣配比從原結構的15.370%減少至13.367%時，生成的NOx濃度增至351 mg／m3.圖中也對多級空氣配比和生成的NOx濃度的關系進行了曲線擬合，結果顯示，最優的多級空氣配比在17.5%左右，增大或減少配比都會導致生成的NOx濃度升高.

圖4 不同多級空氣配比下爐膛出口處的NOx 濃度Fig.4 NOx concentration at outlet of furnace with different multistage air ratios

圖5 顯示了六種結構的燒嘴燃燒局部溫度分布，圖中L 為燃燒室長度，H 為燃燒室高度.由圖可知，當多級空氣配比為13.367%時，燒嘴出口位置溫度最高，高溫區范圍也最大.而當多級空氣配比為17.822%時，燒嘴出口位置溫度最低，高溫區范圍最小.

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圖5 不同多級空氣配比下爐膛中心面上的溫度云圖（局部）Fig.5 Temperature cloud diagram of furnace central surface with different multistage air ratios（local）

更改多級空氣配比改變了燒嘴的燃燒溫度、高溫區范圍和燃燒區域的氧濃度.一、二級進風口面積增加20 %，且多級空氣配比為17.822 %，是有利于控制NOx生成的較優結構與合適的多級空氣配比.

3.3 空氣過量系數對燒嘴燃燒和NOx 生成的影響

在上一節討論中，選定了一、二級進風口面積增加20%的燒嘴為最優結構，故后續討論均建立在該結構的基礎上.本節中分析了天然氣流速為10 m3／h，空氣過量系數從0.7 增加到1.25，天然氣和助燃空氣的溫度均為室溫時燒嘴的燃燒情況.圖6 是天然氣流速為10 m3／h，空氣過量系數分別為1.0，1.1，1.2，1.25 時中心面上的溫度分布云圖.由圖6 可知，隨著空氣過量系數的增大，燒嘴出口溫度逐漸升高，但燃燒室整體溫度降低、溫度梯度增大.圖7 為空氣過量系數從0.7 增至1.25 時，在燃燒室出口處NOx和CO 的濃度變化圖.圖7 表明，減小空氣過量系數，NOx濃度也隨之降低.

圖6 不同空氣過量系數下爐膛中心面上的溫度云圖Fig.6 Temperature cloud diagram of furnace central surface under different air excess coefficients

但由于空氣量的減少，天然氣燃燒不完全，燃燒室出口處CO 濃度增加.當空氣過量系數小于1時，CO 濃度顯著增加， 從空氣過量系數為1 時的104 mg／m3增加到空氣過量系數為0.7 時的342 mg／m3；而空氣過量系數為1.1，1.2，1.25 時，出口處幾乎不存在CO.若想兼顧燃料利用率，即CO 含量低并控制污染物NOx的生成量，則空氣過量系數應為1.05（即圖7 中兩條曲線的交點），此時生成的CO 與NOx的濃度均為45 mg／m3.

圖7 不同空氣過量系數下爐膛出口處的NOx 和CO 濃度Fig.7 NOx and CO concentration at furnace outlet under different air excess coefficients

3.4 空氣預熱溫度對燒嘴燃燒和NOx 生成的影響

在工業生產中，常將煙氣余熱回收用來預熱助燃空氣，以提高爐窯熱效率，故需要研究空氣預熱溫度對燒嘴NOx生成的影響.在天然氣流速與空氣量不變、空氣過量系數為1.1 的情況下，將空氣預熱溫度分別設置成298.15，573.15，773.15，973.15 K 四種計算條件，探討空氣預熱溫度對燒嘴燃燒和NOx生成的影響.

圖8 是在天然氣流速為10 m3／h、空氣過量系數為1.1 時，不同空氣預熱溫度下燃燒室中心面上溫度分布云圖.由圖8 可知，增加空氣預熱溫度后，燃燒室整體溫度顯著上升，同一位置的溫度上升值約為120 K.圖9 給出了空氣預熱溫度與生成NOx濃度的函數擬合曲線.由圖可知，當預熱溫度分別為298.15，573.15，773.15，973.15 K 時，對應的NOx濃度分別為53，342，720，1 221 mg／m3；且增加空氣預熱溫度會顯著增加NOx濃度.

圖8 不同工況下爐膛中心面上的溫度云圖Fig.8 Temperature cloud diagram of furnace central surface under different working conditions

圖9 不同空氣預熱溫度下的爐膛出口處NOx 濃度Fig.9 NOx concentration at furnace exit at different air preheating temperatures

分析認為，當空氣預熱溫度升高時，燃燒的最高溫度和燃燒室整體溫度都隨之升高，而過高的溫度對NOx的生成具有促進作用.

3.5 煙氣再循環量對燒嘴燃燒和NOx 生成的影響

圖9 表明，采用優化燒嘴工藝結構的方法并不能保證空氣預熱溫度為723.15 K 時的低NOx排放要求.為了實現燒嘴低NOx排放的目標，研究中采用煙氣再循環的方法，將煙氣與天然氣按照一定比例混合后再燃燒，觀察煙氣再循環量對燒嘴燃燒和NOx生成的影響.

為保證煙氣與天然氣混合后天然氣的燃燒量不變，需根據煙氣與天然氣混合的比例來增大天然氣管道直徑，重新建立物理模型進行數值計算.圖10 中列舉了天然氣流速為10 m3／h，空氣過量系數為1.1，空氣預熱溫度為723.15 K，煙氣再循環量與天然氣流量比分別為0 ∶100，5 ∶95，15 ∶85，25 ∶75，35 ∶65，45 ∶55（此時煙氣再循環率分別為0，5%，15%，25%，35%，45%）時，爐膛中心截面的溫度分布云圖.由圖可知，隨著煙氣再循環量的升高，爐膛燃燒最高溫度從1 986 K下降到1 732 K，高溫區面積不斷縮小，溫度均勻性提升.

圖10 六種煙氣再循環率下的爐膛溫度云圖Fig.10 Furnace temperature cloud diagram at six flue gas recirculation rates

圖11 顯示了煙氣再循環量與天然氣流量比從0 ∶100 到50 ∶50時，爐膛出口處NOx濃度隨煙氣再循環率的變化，并對煙氣再循環率與生成的NOx濃度的關系進行了函數擬合.由圖可知：隨著煙氣再循環率的增加，出口處NOx的濃度下降；但繼續增加煙氣再循環率，NOx濃度下降幅度放緩.當煙氣再循環量與天然氣流量比達到50 ∶50時，爐膛出口處NOx濃度為62 mg／m3（此時煙氣再循環率為50%）.分析認為，隨著煙氣再循環量的增加，煙氣中惰性氣體的吸熱量也逐漸增大，這是爐膛溫度整體降低的主要原因；并且隨著煙氣再循環量的增加，高溫區的氧濃度降低，這都有利于減少NOx的生成.

圖11 七種煙氣再循環率下爐膛出口處的NOx 濃度Fig.11 NOx concentration at the furnace outlet under seven flue gas recirculation rates

4 結 論

（1）確定了一種低NOx天然氣燒嘴的結構參數并建立數值模型，搭建燃燒試驗平臺進行熱態試驗，驗證了數值模型的準確性.

（2）該天然氣燒嘴的最佳多級空氣配比為17.822%.在該多級空氣配比下，煙氣中NOx濃度可降低至53 mg／m3.

（3）隨著空氣過量系數的增大，煙氣中NOx濃度也會增大；但一味降低空氣過量系數會導致較高濃度的CO 生成.空氣過量系數為1.05 時，NOx及CO 生成量均較低，均為45 mg／m3.

（4）NOx濃度隨空氣預熱溫度的升高而不斷增大. 當空氣預熱溫度從298.15 K 升高至973.15 K 時， 煙 氣 中 NOx濃 度 增 加 到1 221 mg／m3；但提高空氣預熱溫度一定程度上也提升了爐膛溫度的均勻性.

（5）當采用高溫空氣燃燒時，需要采用煙氣再循環的方法降低煙氣中NOx的濃度.隨著煙氣再循環量的升高，生成的NOx濃度逐漸降低.當空氣預熱溫度為723.15 K，煙氣再循環量與天然氣流量比達到50 ∶50 時，爐膛出口處NOx濃度可以降至62 mg／m3.