降低套筒窯氮氧化物排放的研究與實踐

穆冀里，陳俊鋒，閆川川，宋曙光，劉文遠

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063200）

0 引言

某大型鋼鐵廠白灰窯現有5 座套筒窯，近年來套筒窯排放物中氮氧化物含量在200 mg/Nm3左右，距離目標（100 mg/Nm3）仍有較大差距，為了適應新的環保要求，降低環境污染，急需進行煙氣排放達標改造。介紹針對套筒窯氮氧化物排放超標的具體情況，通過優化工藝、改造設備，以達到降低氮氧化物的目的實際案例。

1 煙氣中NOx 生成機理

氮氧化物的生成途徑主要有3 種，即快速型氮氧化物、燃料型氮氧化物、熱力型氮氧化物，在石灰煅燒過程中所生成的NOx主要為熱力型，主要成分為NO 和NO2。燃料型和快速型所占比重較少。

熱力型氮氧化物是指空氣中的氮氣和氧氣在高溫條件下反應生成NOx，為熱力型NOx[1]。當火焰溫度達到1400 ℃及以上時，氮氧化物的含量會大幅增加[2]。氧氣和燃料氣混合得越快、越充分，燃燒速度越快，火焰溫度就越高，而隨著過量空氣百分比的增加，氮氧化物的排放量會增加。

高溫下氮與氧的總反應式[3]：

NOx折算值的計算公式：

折算值是根據氮氧化物實測值和氧含量實測值通過上述公式進行折算后的結果；其中N實為氮氧化物實際測量濃度，O實為尾氣中氧氣實際測量濃度。

2 影響NOx 折算值的主要因素

某大型鋼鐵廠根據NOx的生成機理及折算值的計算公式，結合生產中實際情況，歸納出以下降低NOx折算值主要途徑。

2.1 溫度控制

由于NOx的形成與燒成溫度有很強的相關性，試驗表明燃燒溫度從1200 ℃起，特別是在1400 ℃后的形成明顯上升，而套筒窯的火焰溫度峰值在這個區間。因此，要降低NOx的生成，就必須控制好火焰溫度。

上部燃燒室是欠氧燃燒，在助燃空氣流量不變時增高煤氣的流量，導致燃燒室溫度由原來的（1280±30）℃降到（1200±30）℃，但仍在允許范圍內。下部燃燒室在降低空氣消耗的同時減少煤氣供給量，燃燒室溫度由原來的（1250±30）℃降到（1180±30）℃，但由于燃燒產物生成量的減少造成并流煅燒帶的有效熱能總量減少，其直接后果是循環氣體的溫度降低。循環氣體的溫度直接反映并流煅燒帶的溫度，此溫度降低就意味著并流煅燒帶的溫度降低，石灰質量就不能得到保證。套筒窯工藝操作從根本上來說就是穩定循環氣體溫度。為了使流過并流煅燒帶的煙氣有足夠的有效熱能，可行的方法是在噴射器噴管的設計中提高噴管的壓力比，使驅動空氣獲得更大的引射動量以強化高溫氣體在并流煅燒帶中的循環，從而保證石灰質量。

2.2 空燃比操作

燃燒過程中，空氣與燃氣的比例和溫度直接影響燃燒室的燃燒情況，空氣不足會導致燃料燃燒不充分；如果空氣過剩，根據NOx的折算值計算公式，則會導致NOx折算值急劇升高，所以合理控制空氣與燃氣比例是控制NOx折算值至關重要的一步。

找到NOx折算值與溫度、空燃比之間的關系，確定合理的控制范圍（圖1）。通過線性回歸，得到：

圖1 氮氧化物等值線圖

氮氧化物折算值=1265-0.555（溫度）-1458（空燃比）+306（空燃比×空燃比）+0.534（溫度×空燃比）。

根據方程，氮氧化物折算值與空燃比、溫度正比、空燃比×空燃比及溫度×空燃比有以上關系；按白灰的質量要求，溫度不能過低，應取適當溫度。綜合考慮，空燃比取1.55～1.65，燃燒室溫度取（1200±30）℃。

2.3 采用新型燒嘴

燒嘴主要影響火焰的形狀及火焰的溫度分布，一般情況下燒嘴采用多通道的結構形式，由于燒嘴氣孔較少，且分布不合理，燒嘴燃燒過程中火焰呈現亮白色、亮紅色，外焰溫度較高，最高可達到1400～1500 ℃，會增加NOx的生成。

通過對燒嘴與助燃空氣風道結構和斷面大小的調整，優化燒嘴結構設計，可以有效避免外焰局部高溫，降低NOx的形成概率（圖2）。低氮燒嘴采用“多點小燒嘴”，使燃氣和空氣混合更充分，燃燒火焰分層明顯的亮白色變為淡藍色火焰，外焰溫度降低。燃燒室內溫度分布更加均勻，減少局部高溫情況的出現。

圖2 燒嘴

2.4 增加煤氣排水器

某大型鋼鐵企業筒窯所使用的轉爐煤氣中含有大量水分，煤氣水分大造成煤氣熱值不穩定、壓力波動、燒嘴腐蝕、堵塞等問題，甚至造成套筒窯燃燒室單室脫火或滅火現象發生。滅火、燒嘴堵塞勢必增加煤氣用量，導致窯爐內局部溫度升到，NOx也會上升。

針對以上情況采取的措施為：在煤氣管道總管及每座套筒窯的煤氣管道末端增加煤氣排水器，保證進入燃燒室的煤氣干燥，同時避免管道結構，改善燒嘴滅火的情況（圖3）。

圖3 煤氣排水器

加裝煤氣排水器后對煤氣進行取樣化驗，得到結果見表1。

表1 兩組轉爐煤氣樣品成分 %

經計算可得，煤氣B 比煤氣A 熱值低68.14 kcal/Nm3（285.1 kJ/Nm3），即針對樣品A 和樣品B 而言，含有水分的樣品比干燥后的樣品單位體積熱值低68.14 kcal/Nm3。

由以上計算結果可見，水分對煤氣熱值的影響比較明顯，從而在窯爐內對NOx產生較大間接影響；通過加裝煤氣排水器，增加大煤氣管道放水頻率，可減少煤氣含水量，降低對NOx產生的影響。

2.5 其他控制措施

除以上所提到的控制NOx的措施外，管道及窯體的密封、加料頻率等均對尾氣中的氧含量造成一定的影響。需要從出灰系統、煅燒系統、換熱系統、上料系統進行全密封，以減少氧含量增高，從而降低NOx的折算值。

3 改善效果

改善前后氮氧化物對比如圖4 所示，某大型鋼鐵廠套筒窯尾氣排放中NOx折算值，改善前及改善后的對比，NOx折算值由最初的月均153 mg/Nm3，降低到月均64.77 mg/Nm3，符合現行環保要求（≤100 mg/Nm3）

圖4 改善前后氮氧化物對比

4 結語

研究套筒窯NOx的生成機理和降低排放的技術手段，環保意義重大，同時也為國內套筒窯的尾氣達標排放提供可行方案。此方案不需要對窯體進行大規模設備改造，相對于其他方案來說成本較低，簡單有效，便于操作。