蓄熱式加熱爐降低氮氧化物排放的研究與應用

趙 鑫，何志鋼，高 月，班會強，張國臣

1 熱軋1580產線加熱爐蓄熱式燒嘴簡介

1.1 加熱爐爐型

京唐公司1580產線有蓄熱式加熱爐3座，每座加熱爐包括預熱、一加、二加和均熱段,均熱段上加熱采用平焰燒嘴，下加熱采用側向調焰燒嘴，其它供熱段采用空氣單蓄熱的蓄熱式燒嘴。

1.2 蓄熱式燒嘴

蓄熱式燒嘴使用在第二加熱段上、下、第一加熱段上、下以及預熱段上、下的側向供熱，其中第二加熱段下部燒嘴帶點火燒嘴。空氣、煙氣換向閥和煤氣換向閥均采用二通快速切斷閥，閥門執行機構采用氣動型式。 蓄熱式燃燒技術的特點是，由于排煙溫度較常規燃燒技術的排煙溫度低很多，因此蓄熱式燃燒技術的熱效率大幅度提高，具有非常突出的節能效果。

蓄熱式燒嘴燃燒原理如圖所示，當A側燒嘴燃燒時，空氣閥和煤氣閥打開，煙氣閥關閉，燒嘴正常燃燒，B側燒嘴的煙氣閥打開，空氣閥和煤氣閥關閉；當B側燒嘴燃燒時，空氣閥和煤氣閥打開，煙氣閥關閉，燒嘴正常燃燒，A側燒嘴的煙氣閥打開，空氣閥和煤氣閥關閉；渦輪燒嘴開關，燒嘴冷卻風閥始終處于打開狀態，冷卻燒嘴煤氣管道。

2 加熱爐產生氮氧化物的種類及生成原因

加熱爐產生的煙氣主要是一氧化氮和二氧化氮，并且以二氧化氮為主,它們是常見的大氣污染物。

燃燒過程中形成的NOx分為三類。①熱力型NOx。生成原因是空氣中的氮原子和氧原子在高溫爐膛內生成。②燃料型NOx。燃料中的氮元素受熱分解后又與空氣中的氧元素發生反應生成。③快速型NOx。第三類，在低溫火焰中由于含碳自由基的存在還會生成NO，通常稱為快速NOx。燃料中的碳和氫元素先和空氣中的氮元素反應，再和氧元素反應生成。

2.1 熱力型氮氧化物

熱力型氮氧化物的反應式如下：

N2+O2→2NO

NO+O2→NO2

熱力型氮氧化物的生成主要是由于空氣中存在氮氣，如果空氣中存在過量的氧氣，在高溫條件下會反應生成氮氧化物。當溫度＜1000℃時，NO分壓很低，NO的生成量很少；當溫度≥1000℃時，將會形成可觀的NO。低溫有利于NO2形成，在高溫NO2分解為NO，溫度≥1000℃時，NO2生成量比NO低得多。

2.2 燃料型氮氧化物

燃料NOx是指燃料中的氮受熱分解和氧化生成NOx，其生成取決于燃料的氮含量。對于含氮量高的燃料，如果助燃空氣中的氧含量高，就會生成更多的NOx；降低燃料性氮氧化物的方法是減少助燃空氣量，這樣使燃燒區域處于還原性氣氛，就能減少NOx的生成量。

2.3 快速型氮氧化物。

蓄熱式加熱爐生成的快速型氮氧化物數量很少，因此主要降低燃料型NOx及熱力型NOx的生成量。

3 NOx的控制方法

（1）降低過剩空氣系數。空氣過剩系數時實際空氣量與理論空氣量的比值。空氣過剩系數高時實際供入的空氣量比理論需要的空氣量多，會增加NOx生成量，因此要減少供給的助燃空氣量，使燃燒處于還原性氣氛，減少高溫空氣中的氮和氧反應的機會。

（2）降低空氣預熱溫度，可使火焰溫度下降，減少NOx生成量。

（3）改變燒嘴結構，改變煤氣和空氣的混合方式，增加空氣的旋流程度，加熱爐燒嘴空氣分為一次風和二次風，一次風為旋流，因此對燒嘴增大一次風閥門開度，減少二次風開度，從而使混合煤氣在低溫狀態下燃燒，減少NOx 生成量。

（4）采用SNCR脫銷裝置去除煙氣中的NOX,爐內SNCR工藝是利用還原劑氨水在850℃～1100℃將爐氣中的NOX還原為N2。加熱爐脫硝的原理是將20%的氨水在用除鹽水稀釋后使用專用的噴槍噴入熱回收段，由于正常生產過程中熱回收段的溫度在850℃～1100℃之間，滿足氨水去除的溫度條件，因此，采用SNCR脫硝工藝可以有效降低NOx排放量，并滿足環保排放要求。

4 蓄熱式加熱爐產生氮氧化物的主要環節

4.1 正常生產時氮氧化物超標

正常生產時，如果空氣過剩系數設定大或者空燃比高，助燃.空氣中的氧氣未完全燃燒，爐尾的殘氧大于4%的情況下，加熱時產生的氮氧化物會超過標準規定。

在加熱板坯過程中，當加熱爐的爐溫超過1000℃時，氮氧化物的生成量開始增加，如果此時爐氣未處于還原性氣氛，就會造成氮氧化物超標。

爐內鋼種的前后出鋼溫度差距大，當高溫板坯出完，加熱爐需要手動降溫時，由于空氣流量調節閥自動狀態下關小反應較慢，造成空燃比較大，氮氧化物在此時也容易超標。

4.2 保溫待軋時氮氧化物超標

軋機出現故障，加熱爐需要根據軋機處理故障的時間采取保溫待軋措施，同步減少煤氣和助燃空氣的供給量，如果此時煙道閘板出現異常，造成爐壓降低，會使均熱段的氧含量偏高，氮氧化物出現超標。

保溫待軋的時間長時，需要逐步關閉預熱段、一加熱段、二加熱段的燒嘴，由于存在空氣換向閥關不嚴的情況以及燒嘴冷卻風常開，造成爐氣中的氧含量偏高，氮氧化物超標。

4.3 檢修時氮氧化物超標

檢修前臨近出空時，加熱段的燒嘴全部關閉，爐氣中的氧含量增加，爐尾的殘氧量大于4%，氮氧化物的生成量增加，氮氧化物超過標準。

檢修開始后，在爐溫逐步降低的過程中，爐壓會發生波動，當爐壓較低時，均熱段吸入的空氣增加，氮氧化物生成量超標。

檢修開始裝鋼過程中，由于燒嘴時隨著板坯在步進梁上前進同步開啟，只要板坯沒有裝滿加熱爐就存在燒嘴沒有全開的情況，由于燒嘴中心冷卻風保持常開狀態，爐內的氧化性氣氛強，氮氧化物的生成量會超標。

5 蓄熱式加熱爐減少氮氧化物排放的方法

5.1 優化空燃比，保證爐膛內呈現還原性氣氛

加熱爐各段的空燃比是根據煤氣熱值儀顯示的數據乘以各段的空氣過剩系數得到，因此加熱爐在生產過程中要投入熱值儀參與控制，同時調整加熱爐各段的空氣過剩系數。

在生產的過程中，要關注熱值儀顯示的正確性，發現熱值儀數據過大或過小，及時聯系能源部進行確認，并且通知維檢單位檢查，確保熱值儀正常工作。

要合理設置各段的空氣過剩系數，使爐內呈還原性氣氛，空氣過剩系數的設置從均熱段到預熱段逐步加大。均熱段的空氣過剩系數控制在0.93～1.0之間，控制均熱段為弱還原性氣氛，一方面是減少由于爐門處關閉不嚴密吸入空氣產生氮氧化物，另一方面是減少高溫段由于空氣含量多導致的氮氧化物增加；二加熱段空氣過剩系數控制在0.97～1.03之間，基本保證空、煤氣完全燃燒，減少過剩的空氣量；一加熱段的空氣過剩系數控制在1.0～1.15之間，空氣量比煤氣量稍微偏多，這樣可以保證二加熱段沒有完全燃燒的煤氣在一加段燃燒，防止爐尾冒煙情況發生。

在正常生產過程中要保證爐尾的殘氧值小于4%，通過爐尾攝像頭觀察時要以爐尾偶有未完全燃燒煤氣。

5.2 合理控制加熱爐各段的加熱溫度

（1）控制加熱爐各段的爐溫在1300℃以內，對于生產極限規格耐候鋼和高強鋼等難軋鋼種，加熱爐的最高爐溫控制在1320℃以內。對于蓄熱式加熱爐一加熱段爐溫上限為1280℃，預熱段最高溫度為1200℃，盡可能減少高溫造成氮氧化物的生成量。

（2）如果前后鋼種出鋼溫度相差較大，需要升降溫操作，必須控制升、降溫速度不超過250℃/h，其中半小時的升、降溫速度必須小于150℃/h，減少升、降溫過程中由于空氣伴隨煤氣流量不及時造成氮氧化物波動。在降溫過程中，如果某一加熱段燒嘴全部關閉后氮氧化物的生成量大，可能是由于燒嘴的冷卻風或者是空氣閥關閉不嚴，造成進入爐內的空氣過多造成的，此時要這一加熱段要點燃一對燒嘴，將空氣和煤氣流量調節閥手動控制，盡量減少空氣的供應量，氮氧化物的生成量就會降低到正常值。

5.3 加熱爐工況異常時氮氧化物的控制

出現事故停機、設備強化、慢節奏等非正常工況時，密切監控NOx排放濃度，如達到120mg/m3以上，根據不同的控制模式調整空燃比：均熱段、二加段、一加段手動控制時，空煤氣流量必須小于理論空燃比；自動控制時，空氣過剩系數按照下限控制，降低爐尾殘氧。氮氧化物仍然超出標準時，可適當增加煤氣用量。

空燃比投入自動控制，爐內殘氧3%以下，爐內降溫時，同步調節空氣、煤氣量，禁止加大空氣量降溫，檢查水封槽液位在320mm以上，確保水封槽密封性良好。加熱爐在保溫待軋過程中將爐壓設定值比正常生產時提高5Pa，減少裝、出鋼爐門口冷空氣吸入量。

煤氣熱值波動或熱值偏高時，加熱爐操作聯系能源部調整煤氣中的焦爐煤氣或高爐煤氣含量，從而使煤氣熱值恢復正常并且保持平穩。

5.4 檢修期間氮氧化物的控制

（1）加熱爐檢修前臨近出空時，板坯所在的燃燒段按照正常燒鋼控制,并通過減少過剩系數設定或者手動控制空、煤氣流量降低燃燒段的空燃比。

（2）如果某一段板坯如果已經出空，完全關閉該段燒嘴。如風壓較高，可逐步減小助燃風機入口閥開度，并且打開熱風放散閥和預熱段空氣調節閥，助燃空氣在低溫狀態下產生的氮氧化物量很小，因此降低爐溫可以有效減少氮氧化物生成量。

（3）檢修期間如氮氧化物較高，打開爐門檢查已關閉的燒嘴煤氣快切閥是否關嚴，可以通過檢查燒嘴是否向爐內漏火來判斷，未關嚴的關閉現場手閥，并聯系維檢人員處理快切閥嚴密性。如果存在某一爐次停爐時，無特殊情況必須保證煙閘全關，停助燃風機，如需處理設備，操作工關注排放情況，同時對該爐煙閘和人孔進行臨時密封，防止煙囪含氧量過高。

5.5 加強對燃燒系統設備的維護

（1）空氣系統的流量調節閥、壓差變速器反饋不準確，可能造成供應燒嘴燃燒的空氣量增多；燒嘴空氣快切閥出現匡量后在全關情況下會漏氣造成在換向過程中泄漏到爐內的空氣量增多；煙氣快切閥出現匡量后會造成燒嘴煙氣泄漏量大，進而出現蓄熱箱超溫同時燒嘴會自動轉變為冷卻吹掃模式，從而向爐內吹入大量空氣。因此要定期對各段空氣流量調節閥及相應的壓差變速器進行檢驗，保證其測量準確；通過在流量調節閥一定的情況下逐個開關空氣和煙氣手閥觀察段空氣或煙氣流量是否等比例變化的情況來判斷空氣或煙氣閥的閥板是否斷裂；定期檢查空氣和煙氣快切閥的閥頭匡量，并且記錄匡量閥的位置。對于上述檢查過程中發現的問題及時提交維檢人員處理。

1號～3號加熱爐先后修復了66個空氣快切閥和40個煙氣快切閥，并且完成了所有空氣流量調節閥和壓差變速器的檢驗，處理后在關閉燒嘴的情況下，爐尾殘氧值趨于穩定。

（2）加熱爐爐尾的殘氧儀對空燃比也非常重要，殘氧儀通過激光測量煙氣中的氧含量，因此殘氧儀的測量精度非常重要，當殘氧儀上的激光透過率低于10%時，殘氧儀測量就不準確，因此日常設備檢查中要檢查殘氧儀透過率，同時增加殘氧儀透過率低于10%后出現聲光報警，提醒操作和維檢人員及時對設備進行檢查。

（3）做好加熱爐爐壓檢測設備的檢查與維護。正常生產過程中，加熱爐爐壓保持微正壓控制，這樣減少了從裝、出鋼爐門處吸入冷空氣，降低煙氣中的氧含量，減少氮氧化物的生成量。由于加熱爐周圍環境溫度高，降低了壓力表的精度，同時由于爐氣中的煙塵量多，爐壓取壓管容易堵塞，造成爐壓檢測不準確。

1-3號加熱爐對爐壓的壓力表安裝存放箱，在箱子內部加裝隔熱棉，并且重新布置在遠離爐墻和通風的位置，降低壓力表周圍的溫度；制作專用工具定期疏通取壓管，保證取壓管暢通；定期打開爐壓取壓孔，通過現場判斷取壓孔微管冒火情況檢查爐壓設定值是否合適；設置爐兩側的爐壓報警程序，當加熱爐兩側的爐壓值偏差大于5Pa時，發出聲光報警，操作人員及時聯系維檢人員檢查爐壓設備出現的問題。

（4）維檢單位要做到每月對熱值儀用標氣進行標定，熱值儀偏差不能超出要求，如果偏差超出標氣的范圍，立即對熱值儀檢查處理。

5.6 利用脫銷裝置降低煙氣中氮氧化物

2021年12月份，1580產線投入脫銷系統，將20%的氨水用除鹽水稀釋后通過安裝在加熱爐熱回收段的噴槍噴入爐內，從而使煙氣中的氮氧化物大幅度下降，在正常生產過程中氮氧化物可以達到70mg/m3。在生產過程中通過以下措施最大限度的實現脫銷裝置的性能：

（1）實現脫硝系統自動控制。脫銷系統中氨水泵和除鹽水泵采用變頻控制，在啟用脫硝系統后，操作工設定需要達到的氮氧化物排放量后氨水泵和除鹽水泵自動調整轉速，從而自動調整噴氨量，最終達到設定的排放量。這樣一方面減少操作工的工作量，另一方面做到了控制的準確性，并且減少了氨水的使用量。

（2）備用的氨水泵和除鹽水泵起到了保障作用。每座加熱爐需要一臺氨水泵和除鹽水泵，在使用過程中，如果水泵出現問題，就可能導致其對應加熱爐的氮氧化物無法控制，因此需要安裝備用的氨水泵。在脫硝系統中，備用的氨水泵和除鹽水泵和正常使用的氨水泵以及除鹽水泵是并聯關系，當某一臺泵出現問題后，直接從操作畫面上直接點擊水泵切換，現場就自動啟泵并且開、關現場電磁閥，實現水泵的自動切換，保證加熱爐脫銷效果。

（3）完善的報警信息。脫銷系統的水泵、流量和液位出現異常后都會發出報警信息，操作工可以及時發現出現的異常情況。同時編寫程序顯示煙囪中氮氧化物的實時生成量和小時累積量，當實時生成量或小時累計量超過報警值時產生聲光報警信號，便于操作人員及時修改脫硝系統中氮氧化物的設定值。

5.7 定期對煙氣檢測設備進行檢測

加熱爐生產穩定、工藝參數正常情況下出現氮氧化物超標或指標變化趨勢異常可能是煙氣檢測設備存在檢測不準確的情況，因此每天對煙氣檢測設備進行自動標定，每周對煙氣檢測設備進行手動標定，手動標定是檢查煙氣檢測設備對標氣檢測的準確性，通過經常性的標定保證煙氣中氮氧化物檢測數值的準確性。

除了對煙氣檢測設備的檢查，加熱爐工藝人員還采購了便攜式的煙氣檢測儀，不定期在同一時間段檢測爐氣中的氮氧化物，并且和煙氣檢測設備的氮氧化物產生量進行對比，當兩者之間差距超過10mg/m3時，就需要對兩種檢測設備進行檢查，知道檢測值在10mg/m3范圍內。

6 改善效果

從2021年1月份開始，首鋼京唐公司1580作業區加熱爐通過上述措施加強對氮氧化物的控制，使氮氧化物的生成量大大降低，在不起用脫硝系統的情況下從最初的160mg/m3降低到110mg/m3，低于了國家規定的最低排放標準（≤150mg/m3）要求量的80%標準；在采用脫硝系統后氮氧化物的生成量為70mg/m3，低于唐山排放限值（≤150mg/m3）要求量的80%標準，減少了對環境的污染。

7 結語

（1）控制NOx重點還是控制空氣供給量；爐內氣氛以弱還原為主，通過調整一次風比例控制燃料燃燒速度；同時要合理控制各加熱段的溫度，減少因為爐溫高導致的NOx生成量大。

（2）燒嘴空氣量供入不均勻，決定了單個燒嘴的燃燒完全程度不一致，空氣供入量大的燒嘴產生NOx量大。所以需要維護燒嘴換向閥，保證燒嘴換向閥不漏風；需要保證各段流量調節閥測量準確。

（3）做好加熱爐檢測儀表熱值儀、殘氧儀、爐壓檢測的檢查與維護，保持加熱爐爐況穩定，可以減少氮氧化物的生成。

（4）脫銷設備最大限度的實現自動控制，提高氮氧化物控制的精準性。