一種降低蓄熱式加熱爐CO排放的方法

莫堅強，莫捷勇

（磐石建龍鋼鐵有限公司，吉林 磐石 132300）

1 引言

近年來，由于溫室效應導致全球溫度升高，人們對環境的保護越來越重視。2020 年 9 月 22日，國家主席習近平在第 75 屆聯合國大會一般性辯論上發表重要講話，承諾二氧化碳排放力爭于 2030 年前達到峰值，努力爭取 2060 年前實現碳中和。鋼鐵行業的二氧化碳排放在中國眾多行業中占據較大比例，二氧化碳排放量僅次于電力行業[1]。在整個鋼鐵生產流程中，軋鋼加熱爐的能耗約占到了整個軋鋼工序總能耗的60%～70%，因此加熱爐的減碳降碳勢在必行。

目前鋼鐵企業熱軋廠已廣泛采用了蓄熱式加熱爐，燃料為低熱值的高爐煤氣，其中可燃燒成分主要是 CO，體積含量為 21%～28%，發熱值為 700～900 kcal/m3。蓄熱式加熱爐的燒嘴是成對布置的，管道布置比較復雜，并且有一個顯著的特點：從煤氣換向閥至蓄熱室燒嘴之間的煤氣管道，兼有輸送煤氣和排放煙氣的雙重功能，所以又稱公共管道。在燃燒狀態時，煤氣通過一側（A）的換向閥進入公共管道，再進入一側（A）爐墻的蓄熱室，從蓄熱體吸熱后到爐內與空氣混合燃燒；燃燒完成后，高溫煙氣經過另一側（B）蓄熱體蓄熱降溫，從另一側的換向閥排煙管道排出。換向后，煤氣再從 B 側進入爐內燃燒，燃燒后的高溫煙氣又從 A 側蓄熱室，經蓄熱降溫后返回到該公共管道，經換向閥排入煙道。換向排煙開始時，上周期存于這節管道內的煤氣要先排到煙道中，煙氣再跟著這部分煤氣進入煙道連續排放。每次換向（60 s）不可避免地損失掉這節公共管道內存留的煤氣，損失的這部分煤氣稱作“管損”。根據加熱爐設計的公用管道大小和長度不一樣，“管損”的大小略有不同，但一般都有 3%～5% 的損失。由于煤氣中 CO 含量較高，這部分“管損”煤氣進入煙道中與煙氣混合排放，使煙氣中 CO 濃度升高，這是蓄熱式加熱爐 CO 排放濃度較高的主要原因之一。另外，由于換向閥關閉不嚴，不可避免存在泄漏，部分煤氣也隨煙氣直接排放，這是 CO 排放較高的原因之二。原因之三就是煤氣在爐膛內未完成燃燒，造成未燃盡的少量 CO 隨煙氣排放。

解決蓄熱式加熱爐煙氣中 CO 濃度偏高問題的方法，目前主要有針對“管損”采用的反吹法[2]，但是如果換向閥關閉不嚴，反吹效果仍不理想。因此許多軋鋼廠加熱爐雖然安裝了反吹系統，但由于效果不好又浪費電，運行費用高，所以停用。目前蓄熱式加熱爐急需一種從終端解決CO 排放的方法。

2 降低蓄熱式加熱爐CO排放的方法

蓄熱式加熱爐的排煙分空煙和煤煙兩種，一般空煙的 CO 濃度很低，煤煙的 CO 濃度較高，因此解決 CO 排放問題的關鍵是降低煤煙中的CO 濃度。為解決這一問題，將蓄熱式加熱爐的預熱段分離出來作為熱氧化爐，用來處理煙氣中的 CO，將煤煙引流到預熱段的蓄熱室中（不分煤氣蓄熱室和空氣蓄熱室），經蓄熱體進入預熱段的爐膛內燃燒，根據煙氣成分可以摻入少量空氣作為助燃劑。啟動時利用熱鋼坯或點火燒嘴點燃。煤煙煙氣通過預熱段一側（A 側）蓄熱體預熱升溫后，進入爐膛內進行熱氧化，CO 濃度顯著降低后，進入另一側（B 側）的蓄熱室蓄熱降溫后排放。換向后煙氣再從 B 側的蓄熱室進入，吸收 B 側蓄熱體的熱量升溫后，進入爐膛燃燒氧化，CO 濃度顯著降低后，再通過 A 側的蓄熱室蓄熱降溫后排放。如此循環往復，煙氣經過蓄熱后進行熱氧化，CO 處理效率能夠達到 95% 以上。

蓄熱式加熱爐排放的煤煙溫度一般較低（150 ℃ 左右），雖然煤煙中含有 CO 和 O2，但濃度都較低，兩者在低溫下不發生反應，需要加熱到 600 ℃ 左右才能反應[3]。利用加熱爐本身的蓄熱體作為熱氧化爐的換熱介質，同時利用熱裝鋼坯和點火燒嘴來加熱煙氣啟動運行，煙氣吸收熱鋼坯的熱量后達到燃燒反應著火的溫度，再將反應熱用于加熱鋼坯和蓄熱循環。

啟動方法之一：利用熱裝鋼坯的溫度（600～800 ℃）來加熱煙氣，使之達到著火溫度；

啟動方法之二：如果裝爐鋼坯是冷坯，可以臨時用點火燒嘴來引燃煤煙中的 CO。為此需要對加熱爐的管道進行改造，增加煙氣回流管道、循環風機、換向閥等設備，以實現煤煙順利回流進入預熱段的爐膛內。

隨著鋼鐵工業的技術進步，目前大部分的鋼鐵企業軋鋼廠都實現了熱送熱裝，而且熱裝溫度都比較高（600 ℃ 以上），為該方法的應用創造了條件。加熱爐設計是按冷裝設計的，熱裝時的加熱能力一般都有富余，尤其當熱裝條件較好時，富余量較大。因此在舊爐改造時，可以把爐尾的預熱段分出來，改造成蓄熱氧化爐用來處理煙氣中的 CO，這樣可以省去單獨建氧化爐的費用。當然，在新建加熱爐時，為了處理煙氣中的殘余 CO, 可以在預熱段之后再延長一段，作為煙氣再氧化的循環段。這種在末端治理煙氣中 CO排放的方法，還能利用煙氣中 CO 的燃燒熱來預熱鋼坯，同時實現降本增效、節能減排的目的。

3 數值模擬驗證

3.1 模型建立

為驗證該方法的可行性，以某鋼鐵廠的上、下加熱的蓄熱式推鋼式加熱爐為研究對象，采用Fluent 軟件對加熱爐進行數值模擬。該加熱上爐膛高度為 1 480 mm，下爐膛加熱段高度為 1 558 mm，均熱段高度為 1 758 mm。加熱爐采用對向排煙的方式，即當一側進行燃燒時，另一側切換為排煙狀態，燃燒/排煙模式每隔 60 s 切換一次。加熱爐加熱段預熱溫度為 950 ℃，均熱段預設溫度為 1 100 ℃。該加熱爐燃料采用高爐煤氣，通過近 12 個月對高爐煤氣和煤煙組分進行取樣分析，計算出高爐煤氣和煤煙各組分平均值如表1 所示。

表1 高爐煤氣和煙氣成分

通過現場檢測的加熱爐高爐煤氣和空氣流量，計算出原加熱爐和改造后加熱爐的加熱段和均熱段的高爐煤氣和空氣的質量流量如表2 所示。由于該方法需要在加熱段分出一部分作為煙氣處理段，因此加熱段的煤氣流量需要減少一部分，而相應的均熱段的煤氣流量需要增加一部分。本文選取加熱段前三個蓄熱箱作為氧氣處理入口，如圖1 所示，此時第四個蓄熱箱剛好為空氣入口，能夠提供充足的氧氣以和煙氣中的 CO反應。

圖1 加熱爐網格劃分圖

表2 助燃劑入口流量kg/s

通過獲取爐墻外側的溫度計算得到加熱爐爐墻散熱量。入口溫度通過 UDF 定義，讀取加熱爐出口處平均溫度，再通過蓄熱箱溫度效率計算出入口溫度，其中蓄熱箱溫度效率取 80%[4]。由于該加熱爐是推鋼式加熱爐，鋼坯之間的縫隙很小，因此鋼坯瞬態導熱模型可以簡化成一維瞬態導熱模型，通過 UDF 獲取爐氣和爐墻溫度計算出每一塊鋼坯表面的溫度，并將鋼坯表面溫度作為流場計算的邊界條件。加熱模型網格采用多面體網格劃分，在壁面增加 5 層邊界層網格，網格最低正交質量為 0.35，符合計算要求，最終網格劃分如圖1 所示。

湍流模型選用 Standard K-ε模型，燃燒化學反應模型采用 EDC 模型，輻射模型選用 DO模型。 由于在實際生產過程中往往更關注煙氣中 NOx 的排放問題，而通過綜合評估可知 GRIMech 2.11 機理在 NOx 的預測方面是最精準的[5]，因此本文采用該反應機理作為湍流燃燒反應的機理。為加快計算收斂，求解方法采用Coupled 壓力速度耦合，為保證模擬精度，求解方程均采用二階迎風格式。

由于實際生產中加熱爐的運行狀態十分復雜，因此需要對加熱爐進行合理的簡化，在保證數值模擬的精度的基礎上，能大大減少計算時間。對蓄熱式推鋼加熱爐數值模擬過程基本假設：1）加熱爐內的燃燒和傳熱過程視為穩態過程；2）加熱爐內的氣體和燃燒火焰均視為灰體；3）加熱爐內只考慮燃燒化學反應，不考慮其他化學反應；4）將加熱爐內所有鋼坯視為無縫連接的整體；5）加熱爐爐門與外界大氣不進行吸風和溢風；6）加熱爐壁面與外界的換熱量為固定值。

3.2 結果分析

為驗證仿真結果的準確性，將模擬值和生成實際值進行對比（見表3），發現模擬值均在實際生產變動范圍內，說明數值模擬結果可靠。

表3 加熱段熱電偶測量值和模擬值比較K

原加熱爐和改造后的加熱爐溫度分布云圖如圖2 所示。由圖可以看出將前三個蓄熱箱作為煙氣處理段入口后，加熱段的火焰會向右偏移，這是由于煤煙的流量較大，導致煤煙進入加熱爐的入口速度達到了 80 m/s，而其它位置的入口速度僅為 20～40 m/s，因此使得加熱段的煤氣和空氣向煙氣處理段偏移。但偏移導致煙氣處理段內的煙氣和煤氣、空氣充分混合，提高了煙氣處理段的燃燒溫度，此時不需要鋼坯預熱溫度達到 600℃ 也能使煤煙中殘留的 CO 燃燒完全。采用該方法對煤煙進行處理后，煙氣處理段排出的煙氣中CO 濃度降低到了 6.4 ppm。

圖2 原加熱爐和改造后加熱爐溫度分布云圖

改造前后加熱爐入口溫度變化如圖3 所示，由圖可以看出改造后的加熱爐加熱段的入口溫度下降了 177.8 K，而均熱段溫度下降較小。這主要是由于改造后在加熱段增加了一段煙氣處理段，導致加熱段的煙氣量增加較多，煙氣出口溫度降低，而蓄熱式加熱爐是通過蓄熱體儲存煙氣余熱用來加熱入口空氣或煤氣，因此煙氣量的增加導致了加熱段的入口溫度降低。同時煙氣處理段的入口溫度為 1 092.4 K，而一般加熱爐煙氣溫度僅為 423 K。結合圖2 的溫度分布云圖也能看出煙氣入口速度導致加熱段的空氣和煤氣一部分和煙氣混合，導致煙氣溫度升高。

圖3 原加熱爐和改造后加熱爐各入口溫度對比圖

4 結論

（1）在加熱爐的加熱段增加一部分作為煙氣處理段后，由于煙氣量較大，煙氣處理段入口速度達到了 80 m/s，而其他入口速度為 20～40 m/s，導致加熱段的煤氣和空氣混入到煙氣處理段，煤煙中 CO 重復燃燒，煙氣中 CO 從 23 000 ppm 下降到 6.4 ppm。

（2）由于在加熱爐加熱段增加了煙氣處理段，導致加熱段的煙氣流量增加較多，使得加熱段的入口溫度下降了 177.8 K，而均熱段入口溫度變化較小，煤煙溫度從 423 K 經過蓄熱體加熱后入口溫度增加 1 092.4 K。

（3）相較于反吹法，采用本文所述的蓄熱氧化法，從終端降低煤煙煙氣中 CO 濃度效果更好。該法不僅能處理公共管道中的殘留煤氣，還能處理換向閥泄漏的煤氣和未完全燃燼的煤氣，解決三種來源的 CO 排放問題；同時還可以利用CO 的氧化熱加熱鋼坯，節約了能源。