低氮燃燒技術在首鋼球團的應用實踐

喬 俊 沈國良 劉金英 張 嬋

(北京首鋼股份有限公司，河北 遷安 064404)

0 引言

氮氧化物由于能夠產生酸雨、引起臭氧層破壞并帶來光化學煙霧和霧霾等惡劣天氣，一直是各類企業要重點控制的污染物之一。按照河北省唐山市環保部門的要求，自2019年起區域內鋼鐵企業執行河北省《鋼鐵工業大氣污染物超低排放標準》(DB13/2169-2018)，球團焙燒煙氣的氮氧化物排放限值為50 mg/m3。2021年4月5日，唐山市人民政府正式發布了唐政字[2021]30號《關于執行鋼鐵、火電行業大氣污染物排放特別要求》的通知，要求自2021年5月1日起，唐山地區現有長流程鋼鐵企業開始執行大氣污染物排放特別要求，其中規定的球團焙燒煙氣外排氮氧化物濃度限值進一步下調至30 mg/m3，球團生產的環保壓力越來越大。

某公司球團1#生產線采用鏈箅機-回轉窯-環冷機法生產氧化球團礦，設計能力120萬t/a，2018年10月份完成了全流程超低排放改造，其采用了“半干法脫硫除塵一體化技術+中低溫SCR脫硝技術”，外排煙氣的氮氧化物濃度設計限值為50 mg/m3。在中低溫SCR脫硝系統投入運行以后，氮氧化物外排濃度雖然達到了超低排放標準，但是在實際的生產過程中，還是存在有氨逃逸、對煙氣溫度要求較高、運行成本較高等缺點，尤其是從2020年下半年以來，系統初裝的脫硝催化劑使用壽命進入后期，脫硝效率下降明顯，外排氮氧化物濃度要控制在30 mg/m3以內的難度極大，生產期間經常發生由于外排數值瞬時超標而影響球團主線運行的情況。為了滿足球團生產穩定和環保達標排放的要求，從2020年5月份開始研究采用低氮燃燒技術對回轉窯主燃燒器進行升級改造，盡量減少球團焙燒煙氣中氮氧化物的生成量。

1 氮氧化物的形成機理

1.1 形成機理概述

氮氧化物是只由氮、氧兩種元素組成的化合物，常見的氮氧化物有一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、一氧化二氮(N2O)、五氧化二氮(N2O5)等，作為空氣污染物的氮氧化物常指NO和NO2。燃燒過程中排放的氮氧化物約95%是NO，剩余5%是NO2、N20和N203等化合物。燃料燃燒過程中所產生的氮氧化物總量與燃料燃燒方式、燃燒溫度、過量空氣系數及煙氣在爐內停留時間有關。氮氧化物按照其形成機理可分為熱力型、燃料型、快速型三種類型，其中快速型生成量極少，可以忽略不計。

1.2 熱力型

熱力型氮氧化物是指高溫下N2和O2反應生成的氮氧化物，影響熱力型氮氧化物生成的因素主要有溫度、氧濃度和停留時間。溫度越高，生成的熱力型氮氧化物量越多，當T<1 300 ℃時，氮氧化物的生成量很少，當T≥1 500 ℃時，T每增加100 ℃反應速率增大6～7倍，當溫度達到1750℃后氮氧化物幾乎是直線上升，當溫度達到1 900 ℃后氮氧化物以指數方次急劇上升。實驗研究還表明，過量空氣系數處于1.1～1.2范圍時，氮氧化物的生成量最大，偏離這個范圍后，氮氧化物的生成量會明顯減少。當N和O處于高溫區的時段越長，反應就越充分，生成的熱力型氮氧化物就越多。

1.3 燃料型

燃料型氮氧化物是指燃料中的含氮化合物在燃燒過程當中熱分解而又接著被氧化而生成的氮氧化物。在煤粉燃燒過程中，煤中的揮發分首先熱解而析出，進入揮發分中的N被稱為揮發分N，殘留在焦炭中的N被稱為焦炭N，揮發分中的N主要存在于焦油和碳氫化合物中，隨著溫度的升高然后被分解成HCN和NH3，然后HCN和NH3被氧化成NO。影響燃料型氮氧化物的生成因素主要有溫度、過量空氣系數、燃料性質、水分。當溫度處于700～800 ℃范圍時，燃料型氮氧化物的生成量達到最大，當溫度繼續升高，燃料型氮氧化物的變化量不大。

1.4 快速型

快速型氮氧化物是燃燒過程中空氣中的N和燃料中的含碳自由基如CH、 CH2、C2H、 C2等先在高溫下反應生成中間產物N, NCH, CN等，然后又瞬時與氧氣反應生成的氮氧化物。

2 回轉窯低氮燃燒器的設計原理

2.1 燃料情況

該公司球團生產過程中所使用的燃料有焦爐煤氣和煤粉兩種，其中焦爐煤氣的供氣壓力大于8 000 Pa，可供流量為1 000～8 000 Nm3/h，燃燒發熱值約為17.4 MJ/m3，煤粉則為煙煤和無煙煤按照一定比例混合后磨細制成，其主要的質量指標如表1，煤粉的最大可供量為4 t/h。

表1 煤粉的主要質量指標

2.2 低氮燃燒器的結構

回轉窯燃燒器在球團生產工藝中是非常關鍵的設備之一，也是氮氧化物生成的源頭設備，低氮燃燒器的設計原則是：使燃燒器內部或出口射流的空氣分級，控制燃料與助燃空氣的混合過程和速度，延緩燃燒時間，延長火焰行程，拉長燒成帶，降低火焰峰值溫度，從而減少熱力型氮氧化物的生成量。

根據燃料的類型，1#球團生產線的回轉窯低氮燃燒器采用了五通道結構如圖1；其頭部結構示意圖如圖2。

圖1 回轉窯低氮燃燒器現場圖片

圖2 回轉窯低氮燃燒器頭部結構圖

燃燒器通道排布從外至內，依次為直流風通道、旋流風通道、煤風通道、焦爐煤氣通道、焦爐煤氣通道。將焦爐煤氣通道和煤風通道全部都布置在直流風、旋流風以內，從而使火焰中心的燃料富集，燃燒過程主要集中在火焰的中心區域，進行燃料密集型燃燒，形成局部低氧濃度的環境。各通道內、外出口的錐度和速度經過合理設計，延緩燃料與助燃風的混合時間，并使燃燒均勻平和，不產生劇烈燃燒現象和過高的熱力集中點，控制火焰溫度，避免局部高溫，抑制N2和O2反應生成氮氧化物。

燃燒器頭部還設計有一個攏焰罩，它可以使火焰形成碗狀效應，沒有強渦流，火焰溫度分布更加均勻平緩，避免高溫峰值的形成，這也有利于降低燃燒過程中的熱力型氮氧化物。

直流風、旋流風出口截面積和風量均可調整。通過改變助燃風量、直流風和旋流風出口速度等不同的控制參數，對燃燒器噴射火焰的形態進行控制，達到燃料最佳燃燒速度、最高燃燒效率以及最低的一次風率，在滿足回轉窯對火焰溫度分布要求的基礎上(如圖3)，減少了窯內的高溫帶，降低熱力型氮氧化物的生成量。

圖3 回轉窯火焰溫度分布模擬圖

3 實際生產應用情況

3.1 現場使用和調整情況

2021年3月16日，該公司1#球團生產線的回轉窯低氮燃燒器完成了全部的設計、制作和安裝工作并開始投入使用。生產過程中，調整方向主要以形成細長火焰為主，在成品球抗壓合格的前提下，適當減少窯頭一次助燃風風量，增大直流風的截面積調整，減少旋流風的截面積，減小火焰旋流強度，形成均勻柔順的火焰形狀。

在實際操作過程中，低氮燃燒器表現出了火焰長度在線調節方便、工藝適應性強、燃燒火焰穩定等優點，生產穩定的情況下，回轉窯窯尾溫度、鏈箅機煙罩溫度、鏈箅機風箱溫度等主要的球團工藝參數和改造以前基本保持一致，為保證生產安全，將燃燒器的軸流風的風壓控制在8～12 kPa，旋流風的風壓控制在5～8 kPa，火焰噴射長度控制在15～20 m，回轉窯的窯況控制良好。

在降低氮氧化物的操作控制方面，同步采取了適當降低回轉窯系統溫度、降低煙氣氧氣濃度、提高窯內負壓、減少煙氣在高溫區的停留時間等控制措施。

3.2 應用效果

該公司球團1#生產線使用回轉窯低氮燃燒器前后的主要生產數據對比情況如表2。

表2 使用低氮燃燒器前后的主要生產數據

通過表2中的數據可以看出，使用低氮燃燒器以后的綜合效益非常明顯。球團礦平均日產量由3 770 t/d提高到了3 829 t/d，這主要得益于生產期間氮氧化物這一環保指標控制穩定以后，減少了球團生產的被動調整和大幅度波動；成品球團礦抗壓強度由3 276 N/球下降至2 632 N/球，主要原因是采用低氮燃燒器之后，回轉窯內的高溫帶減少，球團焙燒溫度對比降低，回轉窯窯頭球料溫下降了大約47 ℃，但是球團礦的質量還在控制標準范圍以內；鏈箅機的煙罩溫度控制以及鏈箅機預熱球抗壓強度基本和前期持平，變化不明顯；球團礦綜合燃料消耗由16.26 kgce/t降低至15.75 kgce/t，燃料利用效率得到提高；球團焙燒煙氣的氮氧化物濃度由169 mg/m3降低至92 mg/m3，降幅達到45.56%，減少氮氧化物生成量的效果顯著；SCR脫硝裝置的噴氨量由之前的平均296 kg/h下降至39 kg/h，并且其流程控制更加的平穩(如圖4)，凈化后煙氣的氮氧化物濃度由38 mg/m3降低至11 mg/m3，降幅達到71.05%，完全達到了唐山地區大氣污染物排放特別限值要求；氨逃逸數值由2.6 ppm降低至0.7 ppm，進一步減少了排向大氣中的污染物；球團礦氨水單耗由1.78 kg/t下降至0.46 kg/t，降低74.16%，單此一項每年就可以節約氨水消耗成本110余萬元。

圖4 低氮燃燒器使用前后SCR脫硝裝置噴氨量對比圖

4 結語

1)球團生產過程中產生的氮氧化物可分為熱力型、燃料型、快速型三種類型，熱力型氮氧化物是由N2和O2在高溫下反應生成，可以通過減少熱力型氮氧化物的生成量來降低球團焙燒煙氣中的氮氧化物濃度。2)回轉窯低氮燃燒器通過合理設計其通道結構，使燃燒器內部和出口射流的空氣分級，控制燃料與助燃空氣的混合過程和速度，延緩燃燒時間，延長火焰行程，拉長燒成帶，降低火焰峰值溫度，從而有效減少熱力型氮氧化物的生成量。

3)該公司球團1#生產線在使用回轉窯低氮燃燒器之后，鏈箅機預熱球強度保持基本不變，焙燒煙氣中的氮氧化物濃度降低了45.56%，外排煙氣中的氮氧化物濃度降低了71.05%，完全達到了唐山地區大氣污染物排放特別限值要求，取得了較好的經濟效益和社會效益。在當前越來越重視環保的形勢下，低氮燃燒技術在球團行業具有很好的推廣應用前景。