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)

摘要: 介紹了球團煙氣中氮氧化物的形成機理，通過采用低氮燃燒技術(shù)對回轉(zhuǎn)窯燃燒器進行改造，減少了燃燒過程中熱力型氮氧化物的生成量。低氮燃燒器在某公司球團 1#生產(chǎn)線應(yīng)用以后，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% ，取得了較好的綜合效益。

關(guān)鍵詞: 球團; 氮氧化物; 燃燒器

0 引言

氮氧化物由于能夠產(chǎn)生酸雨、引起臭氧層破壞并帶來光化學(xué)煙霧和霧霾等惡劣天氣，一直是各類企業(yè)要重點控制的污染物之一。按照河北省唐山市環(huán)保部門的要求，自 2019 年起區(qū)域內(nèi)鋼鐵企業(yè)執(zhí)行河北省 《鋼鐵工業(yè)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(fā)布了唐政字 ［2021］ 30 號《關(guān)于執(zhí)行鋼鐵、火電行業(yè)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(qū)現(xiàn)有長流程鋼鐵企業(yè)開始執(zhí)行大氣污染物排放特別要求，其中規(guī)定的球團焙燒煙氣外排氮氧化物濃度限值進一步下調(diào)至 30 mg /m³，球團生產(chǎn)的環(huán)保壓力越來越大。

某公司球團 1#生產(chǎn)線采用鏈箅機 － 回轉(zhuǎn)窯－ 環(huán)冷機法生產(chǎn)氧化球團礦，設(shè)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(shù) + 中低溫 SCR 脫硝技術(shù)”，外排煙氣的氮氧化物濃度設(shè)計限值為 50 mg /m³。在中低溫 SCR 脫硝系統(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)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(nèi)的難度極大，生產(chǎn)期間經(jīng)常發(fā)生由于外排數(shù)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(chǎn)穩(wěn)定和環(huán)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(shù)對回轉(zhuǎn)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、N₂O 和 N₂O₃ 等化合物。燃料燃燒過程中所產(chǎn)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(shù)及煙氣在爐內(nèi)停留時間有關(guān)。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(yīng)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(dāng) T ＜1 300 ℃ 時，氮氧化物的生成量很少，當(dāng) T≥1 500 ℃時，T 每增加 100 ℃ 反應(yīng)速率增大 6 ～ 7 倍，當(dāng)溫度達到 1750℃ 后氮氧化物幾乎是直線上升，當(dāng)溫度達到 1 900 ℃后氮氧化物以指數(shù)方次急劇上升。實驗研究還表明，過量空氣系數(shù)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(dāng) N 和 O 處于高溫區(qū)的時段越長，反應(yīng)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(dāng)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(fā)分首先熱解而析出，進入揮發(fā)分中的 N 被稱為揮發(fā)分 N，殘留在焦炭中的 N 被稱為焦炭 N，揮發(fā)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(shù)、燃料性質(zhì)、水分。當(dāng)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(dāng)溫度繼續(xù)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(yīng)生成中間產(chǎn)物 N，NCH，CN 等，然后又瞬時與氧氣反應(yīng)生成的氮氧化物。

2 回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒器的設(shè)計原理

2. 1 燃料情況

該公司球團生產(chǎn)過程中所使用的燃料有焦?fàn)t煤氣和煤粉兩種，其中焦?fàn)t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(fā)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(zhì)量指標如表 1，煤粉的最大可供量為 4 t / h。

2. 2 低氮燃燒器的結(jié)構(gòu)

回轉(zhuǎn)窯燃燒器在球團生產(chǎn)工藝中是非常關(guān)鍵的設(shè)備之一，也是氮氧化物生成的源頭設(shè)備，低氮燃燒器的設(shè)計原則是: 使燃燒器內(nèi)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(jù)燃料的類型，1 #球團生產(chǎn)線的回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒器采用了五通道結(jié)構(gòu)如圖 1; 其頭部結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2。

燃燒器通道排布從外至內(nèi)，依次為直流風(fēng)通道、旋流風(fēng)通道、煤風(fēng)通道、焦?fàn)t煤氣通道、 焦?fàn)t煤氣通道。將焦?fàn)t煤氣通道和煤風(fēng)通道全部都布置在直流風(fēng)、旋流風(fēng)以內(nèi)，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(qū)域，進行燃料密集型燃燒，形成局部低氧濃度的環(huán)境。各通道內(nèi)、外出口的錐度和速度經(jīng)過合理設(shè)計，延緩燃料與助燃風(fēng)的混合時間，并使燃燒均勻平和，不產(chǎn)生劇烈燃燒現(xiàn)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(yīng)生成氮氧化物。燃燒器頭部還設(shè)計有一個攏焰罩，它可以使火焰形成碗狀效應(yīng)，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(fēng)、旋流風(fēng)出口截面積和風(fēng)量均可調(diào)整。通過改變助燃風(fēng)量、直流風(fēng)和旋流風(fēng)出口速度等不同的控制參數(shù)，對燃燒器噴射火焰的形態(tài)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(fēng)率，在滿足回轉(zhuǎn)窯對火焰溫度分布要求的基礎(chǔ)上 ( 如圖 3) ，減少了窯內(nèi)的高溫帶，降低熱力型氮氧化物的生成量。

3  實際生產(chǎn)應(yīng)用情況

3. 1 現(xiàn)場使用和調(diào)整情況

2021 年 3 月 16 日，該公司 1#球團生產(chǎn)線的回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒器完成了全部的設(shè)計、制作和安裝工作并開始投入使用。生產(chǎn)過程中，調(diào)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(dāng)減少窯頭一次助燃風(fēng)風(fēng)量，增大直流風(fēng)的截面積調(diào)整，減少旋流風(fēng)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(xiàn)出了火焰長度在線調(diào)節(jié)方便、工藝適應(yīng)性強、燃燒火焰穩(wěn)定等優(yōu)點，生產(chǎn)穩(wěn)定的情況下，回轉(zhuǎn)窯窯尾溫度、鏈箅機煙罩溫度、鏈箅機風(fēng)箱溫度等主要的球團工藝參數(shù)和改造以前基本保持一致，為保證生產(chǎn)安全，將燃燒器的軸流風(fēng)的風(fēng)壓控制在 8 ～ 12 kPa，旋流風(fēng)的風(fēng)壓控制在 5 ～ 8kPa，火焰噴射長度控制在 15 ～ 20 m，回轉(zhuǎn)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(dāng)降低回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)溫度、降低煙氣氧氣濃度、提高窯內(nèi)負壓、減少煙氣在高溫區(qū)的停留時間等控制措施。

3. 2 應(yīng)用效果

該公司球團 1 #生產(chǎn)線使用回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒器前后的主要生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比情況如表 2。

通過表 2 中的數(shù)據(jù)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(chǎn)量由 3 770 t / d 提高到了 3 829 t / d，這主要得益于生產(chǎn)期間氮氧化物這一環(huán)保指標控制穩(wěn)定以后，減少了球團生產(chǎn)的被動調(diào)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(zhuǎn)窯內(nèi)的高溫帶減少，球團焙燒溫度對比降低，回轉(zhuǎn)窯窯頭球料溫下降了大約 47 ℃，但是球團礦的質(zhì)量還在控制標準范圍以內(nèi); 鏈箅機的煙罩溫度控制以及鏈箅機預(yù)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(wěn)( 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(qū)大氣污染物排放特別限值要求; 氨逃逸數(shù)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(jié)約氨水消耗成本 110 余萬元。

4 結(jié)語

1) 球團生產(chǎn)過程中產(chǎn)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(yīng)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(zhuǎn)窯低氮燃燒器通過合理設(shè)計其通道結(jié)構(gòu)，使燃燒器內(nèi)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(chǎn)線在使用回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒器之后，鏈箅機預(yù)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(qū)大氣污染物排放特別限值要求，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。在當(dāng)前越來越重視環(huán)保的形勢下，低氮燃燒技術(shù)在球團行業(yè)具有很好的推廣應(yīng)用前景。