加熱爐煙氣污染物減排技術改造

葉學良

（1.北京首鋼國際工程技術有限公司，北京100043；2.北京市冶金三維仿真設計工程技術研究中心，北京100043）

隨著國家對鋼鐵行業提出可持續發展的要求，污染物排放方面提出更為嚴格的排放標準，主要大氣污染得到有效治理，環境空氣質量不斷好轉。2019 年4月生態環境部、發改委等部門聯合發布《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》，對加熱爐煙氣排放要求也有了明確的規定：顆粒物排放濃度為10 mg/m3，SO2排放濃度≤50 mg/m3，NOx排放濃度為200 mg/m3。

與此同時，一些非常規污染物逐漸引起關注，CO 就是其中之一。開展CO 治理，有效控制CO 排放，對持續改善大氣環境質量非常重要。為此各地均制定了相關政策，開展鋼鐵行業CO 排放治理工作。

本文就福建某中板廠3#加熱爐煙氣污染物減排技術改造和改造后使用效果進行簡要論述。

1 加熱爐改造前狀況

福建某中板廠現配置110 t/h（冷裝）雙蓄熱步進梁式加熱爐一座，加熱爐采用純高爐煤氣作為燃料，全爐配置小型雙氣缸切斷式三通換向閥76 臺，采用全分散形式的數字化脈沖燃燒技術控制+比例調節的燃燒技術的蓄熱式燃燒控制系統，每個供熱段爐頂設置一支熱電偶采集爐溫信號作為燃燒控制依據。

加熱爐三通換向閥配置參數見表1。

表1 三通換向閥配置

三通換向閥閥板與基座間密封性能差，故障率高，在線維修難度大，嚴重影響加熱爐煙氣污染物排放控制。具體表現如下：

（1）閥板與基座間采用橡膠材質O 型圈軟密封，高溫情況下容易老化開裂，出現內部密封不嚴，進氣口與排煙口間短路，形成換向閥內部泄漏；

（2）閥板和氣缸采用一體方式制作成為閥芯，氣缸無法單獨拆裝，需整體更換閥芯；

（3）閥桿材質為普碳鋼，易出現銹蝕，影響換向閥正常換向動作。

加熱爐煤氣側煙氣中CO 排放濃度范圍6 000～10 000 mg/m3，NOx排放濃度范圍220～260 mg/m3，超過相關排放要求。

2 原因分析

從三通換向閥設備結構特性和燃燒控制系統兩方面分析，影響加熱爐煙氣污染物排放濃度升高的因素有以下幾個。

2.1 換向閥內漏

三通換向閥閥板與基座間采用橡膠質O 型圈軟密封，O 型密封圈放置在基座內，閥板在下限位時閥板下表面與O 型密封圈緊緊貼合形成密封，如圖1所示。橡膠材質易老化，閥板頻繁擠壓加速O 型密封圈老化，較高的排煙溫度也會加速其老化。老化密封圈開裂失去密封性能，煤氣或空氣在進氣口和排煙口間短路，形成三通換向閥內部泄漏。

圖1 閥板與O 型圈密封示意圖

三通換向閥閥桿材質采用普碳鋼，閥桿表面不可避免地會發生銹蝕，閥桿上下運動時容易發生卡澀，不能完全達到設計位置，造成三通換向閥內部泄漏，而且會出現煤氣進口未封閉，煤氣排煙口打開排煙，煤氣進口的煤氣短路從排煙口被排出，造成煤氣排煙側CO 排放濃度升高。

三通換向閥氣缸為易損元器件，驅動氣源通常采用壓縮空氣，當壓縮空氣質量不合格時，其中的雜質會堵塞氣缸通道，損壞氣缸正常功能。更換氣缸時需將三通換向閥進氣口和排煙口閥門切斷，吹掃置換閥內煤氣后，才可以更換閥芯。其工序復雜且費時，影響加熱爐正常生產。

2.2 不完全燃燒現象

燃燒控制系統對溫度的控制是通過爐頂設置的熱電偶采集爐內溫度信號反饋到PLC，由PLC 對溫度測量值與設定值做比較，然后向段管調節閥發出調整指令，調節空氣、燃氣的供入量，使溫度測量值無限趨近于溫度設定值，實現溫度控制。

燒嘴設計時均按額定負荷選擇氣體流速，計算燒嘴噴口尺寸。當燒嘴負荷降低到額定負荷的60%以下后，燒嘴出口氣體流速大大降低，火焰形狀和火焰剛性將發生變化，影響燃燒質量。

2.3 不利影響

煤氣三通換向閥內泄漏以及燒嘴負荷降低到60%以下均會造成燃氣燃燒不完全，影響燃燒質量，導致爐內局部區域氧化性氣氛濃度較高，CO 和NOx排放濃度升高。

3 加熱爐改造

基于上述分析，本次改造方向為更換密封性能良好的三通換向閥設備和改進燃燒控制系統確保燒嘴負荷處于設計負荷60%～100%范圍。

新換三通換向閥閥板與基座間密封采用錐面密封，閥板與基座為同種特種材料，具有自動補償功能，確保密封性能，杜絕內泄漏。氣缸與閥桿采用螺紋連接，連接部位位于閥體外部，可單獨在線更換。

經供熱能力校核，對預熱段和加熱段煤氣換向閥規格做出調整，三通換向閥配置參數見表2。

表2 三通換向閥配置

燃燒控制系統改進是在原系統基礎上增加“間拔燃燒控制技術”。間拔燃燒控制時，燒嘴只有開關兩種狀態，一種是高負荷（60%～100%）狀態，燒嘴處于最佳燃燒狀態；另一種是無負荷（0～60%）狀態，燒嘴處于關閉狀態，不工作。根據加熱爐熱負荷變化調整相應燒嘴的通斷狀態，使燒嘴始終處于高負荷狀態，保持火焰形狀和火焰剛性，提升燃燒質量。

在爐頂每組燃燒單元（上下兩個煤氣燒嘴和兩個空氣燒嘴）中間位置設置一支熱電偶，以熱電偶采集的溫度作為燒嘴通斷的控制依據。

4 加熱爐改造后效果

2019 年10 月加熱爐煙氣污染物減排技術改造完成后，中板廠對加熱爐排放煙氣中的CO 和NOx濃度進行驗收檢測。

驗收工況：熱裝率94%，產量178 t/h，加熱爐空燃比為0.75 和0.9 兩種情況。

檢測位置：空煙煙囪檢測孔、煤煙煙囪檢測孔。

檢測儀器：明華電子MH3200 型紫外煙氣分析儀、明華電子YQ3000-D 型大流量煙塵（氣）測試儀（見圖2、圖3）。

圖2 MH3200 型紫外煙氣分析儀實物照片

圖3 YQ3000-D 型大流量煙塵（氣）測試儀實物照片

驗收依據：《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》環大氣（2019）35 號。

計算方法：兩種空燃比，分別對每個檢測位置采集6 次數據，計算平均值，共采集24 個數據，計算出4 個平均值。檢測數據見表3。

表3 加熱爐煙囪煙氣檢測數據

驗收結論：在兩種空燃比下，空煙煙囪CO 排放濃度分別為214 mg/m3和19 mg/m3，煤煙煙囪CO 排放濃度分別為3 631 mg/m3和3 319 mg/m3，均達到CO 排放濃度平均值≤4 500 mg/m3的設計要求；空煙煙囪NOx排放濃度分別為104 mg/m3和104 mg/m3，煤煙煙囪NOx排放濃度分別為90 mg/m3和106 mg/m3，均達到NOx排放濃度平均值≤200 mg/m3的超低排放要求。

5 結語

通過對中板廠3#加熱爐三通換向閥設備結構和煙氣中CO、NOx排放濃度超標進行分析，在三通換向閥關鍵結構上做出針對性改造，避免因換向閥內漏造成煤氣側排煙CO 排放濃度升高。同時，通過間拔燃燒控制將燒嘴負荷控制在高負荷區，煤氣在加熱爐內完全燃燒，保持最佳火焰形狀和火焰剛度，減少煤氣不完全燃燒對CO、NOx排放濃度的影響。

改造后煙氣中CO 排放濃度平均值≤4 500 mg/m3，NOx排放濃度平均值≤200 mg/m3，滿足地方和國家現行超低排放標準。在不增加設備設施的情況下，可通過加強三通換向閥密封性，強化完全燃燒來達到煙氣污染物減排目的，滿足加熱爐廢氣排放環保要求，為同類加熱爐改造提供參考。