加熱爐煙氣污染物減排技術(shù)改造

葉學(xué)良

（1.北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司，北京100043；2.北京市冶金三維仿真設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，北京100043）

隨著國家對(duì)鋼鐵行業(yè)提出可持續(xù)發(fā)展的要求，污染物排放方面提出更為嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，主要大氣污染得到有效治理，環(huán)境空氣質(zhì)量不斷好轉(zhuǎn)。2019 年4月生態(tài)環(huán)境部、發(fā)改委等部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，對(duì)加熱爐煙氣排放要求也有了明確的規(guī)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(shí)，一些非常規(guī)污染物逐漸引起關(guān)注，CO 就是其中之一。開展CO 治理，有效控制CO 排放，對(duì)持續(xù)改善大氣環(huán)境質(zhì)量非常重要。為此各地均制定了相關(guān)政策，開展鋼鐵行業(yè)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(shù)改造和改造后使用效果進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。

1 加熱爐改造前狀況

福建某中板廠現(xiàn)配置110 t/h（冷裝）雙蓄熱步進(jìn)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(tái)，采用全分散形式的數(shù)字化脈沖燃燒技術(shù)控制+比例調(diào)節(jié)的燃燒技術(shù)的蓄熱式燃燒控制系統(tǒng)，每個(gè)供熱段爐頂設(shè)置一支熱電偶采集爐溫信號(hào)作為燃燒控制依據(jù)。

加熱爐三通換向閥配置參數(shù)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(yán)重影響加熱爐煙氣污染物排放控制。具體表現(xiàn)如下：

（1）閥板與基座間采用橡膠材質(zhì)O 型圈軟密封，高溫情況下容易老化開裂，出現(xiàn)內(nèi)部密封不嚴(yán)，進(jìn)氣口與排煙口間短路，形成換向閥內(nèi)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(dú)拆裝，需整體更換閥芯；

（3）閥桿材質(zhì)為普碳鋼，易出現(xiàn)銹蝕，影響換向閥正常換向動(dòng)作。

加熱爐煤氣側(cè)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(guān)排放要求。

2 原因分析

從三通換向閥設(shè)備結(jié)構(gòu)特性和燃燒控制系統(tǒng)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(gè)。

2.1 換向閥內(nèi)漏

三通換向閥閥板與基座間采用橡膠質(zhì)O 型圈軟密封，O 型密封圈放置在基座內(nèi)，閥板在下限位時(shí)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(zhì)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(huì)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(jìn)氣口和排煙口間短路，形成三通換向閥內(nèi)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(zhì)采用普碳鋼，閥桿表面不可避免地會(huì)發(fā)生銹蝕，閥桿上下運(yùn)動(dòng)時(shí)容易發(fā)生卡澀，不能完全達(dá)到設(shè)計(jì)位置，造成三通換向閥內(nèi)部泄漏，而且會(huì)出現(xiàn)煤氣進(jìn)口未封閉，煤氣排煙口打開排煙，煤氣進(jìn)口的煤氣短路從排煙口被排出，造成煤氣排煙側(cè)CO 排放濃度升高。

三通換向閥氣缸為易損元器件，驅(qū)動(dòng)氣源通常采用壓縮空氣，當(dāng)壓縮空氣質(zhì)量不合格時(shí)，其中的雜質(zhì)會(huì)堵塞氣缸通道，損壞氣缸正常功能。更換氣缸時(shí)需將三通換向閥進(jìn)氣口和排煙口閥門切斷，吹掃置換閥內(nèi)煤氣后，才可以更換閥芯。其工序復(fù)雜且費(fèi)時(shí)，影響加熱爐正常生產(chǎn)。

2.2 不完全燃燒現(xiàn)象

燃燒控制系統(tǒng)對(duì)溫度的控制是通過爐頂設(shè)置的熱電偶采集爐內(nèi)溫度信號(hào)反饋到PLC，由PLC 對(duì)溫度測(cè)量值與設(shè)定值做比較，然后向段管調(diào)節(jié)閥發(fā)出調(diào)整指令，調(diào)節(jié)空氣、燃?xì)獾墓┤肓浚箿囟葴y(cè)量值無限趨近于溫度設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)溫度控制。

燒嘴設(shè)計(jì)時(shí)均按額定負(fù)荷選擇氣體流速，計(jì)算燒嘴噴口尺寸。當(dāng)燒嘴負(fù)荷降低到額定負(fù)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(fā)生變化，影響燃燒質(zhì)量。

2.3 不利影響

煤氣三通換向閥內(nèi)泄漏以及燒嘴負(fù)荷降低到60%以下均會(huì)造成燃?xì)馊紵煌耆绊懭紵|(zhì)量，導(dǎo)致爐內(nèi)局部區(qū)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?yàn)楦鼡Q密封性能良好的三通換向閥設(shè)備和改進(jìn)燃燒控制系統(tǒng)確保燒嘴負(fù)荷處于設(shè)計(jì)負(fù)荷60%～100%范圍。

新?lián)Q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(dòng)補(bǔ)償功能，確保密封性能，杜絕內(nèi)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(dú)在線更換。

經(jīng)供熱能力校核，對(duì)預(yù)熱段和加熱段煤氣換向閥規(guī)格做出調(diào)整，三通換向閥配置參數(shù)見表2。

表2 三通換向閥配置

燃燒控制系統(tǒng)改進(jìn)是在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加“間拔燃燒控制技術(shù)”。間拔燃燒控制時(shí)，燒嘴只有開關(guān)兩種狀態(tài)，一種是高負(fù)荷（60%～100%）狀態(tài)，燒嘴處于最佳燃燒狀態(tài)；另一種是無負(fù)荷（0～60%）狀態(tài)，燒嘴處于關(guān)閉狀態(tài)，不工作。根據(jù)加熱爐熱負(fù)荷變化調(diào)整相應(yīng)燒嘴的通斷狀態(tài)，使燒嘴始終處于高負(fù)荷狀態(tài)，保持火焰形狀和火焰剛性，提升燃燒質(zhì)量。

在爐頂每組燃燒單元（上下兩個(gè)煤氣燒嘴和兩個(gè)空氣燒嘴）中間位置設(shè)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(jù)。

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(shù)改造完成后，中板廠對(duì)加熱爐排放煙氣中的CO 和NOx濃度進(jìn)行驗(yàn)收檢測(cè)。

驗(yàn)收工況：熱裝率94%，產(chǎn)量178 t/h，加熱爐空燃比為0.75 和0.9 兩種情況。

檢測(cè)位置：空煙煙囪檢測(cè)孔、煤煙煙囪檢測(cè)孔。

檢測(cè)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(cè)試儀（見圖2、圖3）。

圖2 MH3200 型紫外煙氣分析儀實(shí)物照片

圖3 YQ3000-D 型大流量煙塵（氣）測(cè)試儀實(shí)物照片

驗(yàn)收依據(jù)：《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》環(huán)大氣（2019）35 號(hào)。

計(jì)算方法：兩種空燃比，分別對(duì)每個(gè)檢測(cè)位置采集6 次數(shù)據(jù)，計(jì)算平均值，共采集24 個(gè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出4 個(gè)平均值。檢測(cè)數(shù)據(jù)見表3。

表3 加熱爐煙囪煙氣檢測(cè)數(shù)據(jù)

驗(yàn)收結(jié)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(dá)到CO 排放濃度平均值≤4 500 mg/m3的設(shè)計(jì)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(dá)到NOx排放濃度平均值≤200 mg/m3的超低排放要求。

5 結(jié)語

通過對(duì)中板廠3#加熱爐三通換向閥設(shè)備結(jié)構(gòu)和煙氣中CO、NOx排放濃度超標(biāo)進(jìn)行分析，在三通換向閥關(guān)鍵結(jié)構(gòu)上做出針對(duì)性改造，避免因換向閥內(nèi)漏造成煤氣側(cè)排煙CO 排放濃度升高。同時(shí)，通過間拔燃燒控制將燒嘴負(fù)荷控制在高負(fù)荷區(qū)，煤氣在加熱爐內(nèi)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(duì)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(xiàn)行超低排放標(biāo)準(zhǔn)。在不增加設(shè)備設(shè)施的情況下，可通過加強(qiáng)三通換向閥密封性，強(qiáng)化完全燃燒來達(dá)到煙氣污染物減排目的，滿足加熱爐廢氣排放環(huán)保要求，為同類加熱爐改造提供參考。