1 、應(yīng)用低NOx燃燒技術(shù)的必要性

　　首鋼遷鋼2160mm熱軋加熱爐爐型結(jié)構(gòu)新穎簡(jiǎn)單、工程造價(jià)低、操作維護(hù)方便，為保證在特定爐寬中爐膛溫度均勻性，該爐型決定了其必須采用火焰長(zhǎng)度達(dá)到5.5m的燃燒裝置。目前國(guó)內(nèi)燒嘴廠生產(chǎn)制造的混合煤氣調(diào)焰燒嘴火焰最長(zhǎng)一般只達(dá)到5m左右，且火焰質(zhì)量欠佳，NOx排放大，滿足不了設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)多次考察和查閱資料、文獻(xiàn)，首鋼國(guó)際工程公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)低NOx燃燒技術(shù)可以解決此項(xiàng)難題。該技術(shù)依靠低NOx混合煤氣燃燒裝置，不僅可以輕易實(shí)現(xiàn)5.5m的高質(zhì)量長(zhǎng)火焰，而且依靠其特殊的燃燒機(jī)理可以有效降低NOx的排放水平，實(shí)現(xiàn)一舉多得的目的。經(jīng)過(guò)多次研討和技術(shù)方案對(duì)比后，技術(shù)團(tuán)隊(duì)決定在首鋼遷鋼2160㎜熱軋項(xiàng)目加熱爐上應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)提高加熱質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排之目的。

　　2、 低NOx燃燒技術(shù)介紹

　　低NOx燃燒技術(shù)利用低NOx混合煤氣燃燒裝置，采用二級(jí)燃燒機(jī)理，產(chǎn)生長(zhǎng)度長(zhǎng)、溫度均勻性好的火焰，同時(shí)破壞產(chǎn)生NOx條件，最大限度降低NOx的排放水平。

　　2.1 燃燒機(jī)理及低NOx排放的實(shí)現(xiàn)

　　2.1.1燃燒機(jī)理

　　低NOx燃燒技術(shù)采用二級(jí)燃燒機(jī)理，就是通過(guò)控制二次風(fēng)的供給，使燃料經(jīng)過(guò)一次缺氧燃燒和二次完全燃燒，延長(zhǎng)燃料燃燒過(guò)程，增長(zhǎng)火焰長(zhǎng)度，避免火焰產(chǎn)生局部高溫。低NOx混合煤氣燃燒裝置的一次助燃空氣和二次助燃空氣從前面兩個(gè)獨(dú)立支管進(jìn)入爐膛，二次助燃空氣在爐內(nèi)與煤氣邊混合邊燃燒，使得火焰長(zhǎng)度增長(zhǎng)；同時(shí)二次助燃空氣高速噴入爐內(nèi)時(shí)發(fā)生卷吸作用，一部分爐內(nèi)煙氣被卷吸到煤氣燃燒區(qū)域，這樣有效增長(zhǎng)了火焰長(zhǎng)度，同時(shí)提高沿爐寬方向爐氣溫度均勻性，提高加熱爐的加熱質(zhì)量。

　　2.1.2低NOx排放的實(shí)現(xiàn)

　　NOx的生成必須具備兩個(gè)條件，一是足夠高的溫度，二是燃燒區(qū)域O2的濃度。

　　低NOx混合煤氣燃燒裝置采用二級(jí)燃燒方式，一次風(fēng)在與煤氣在爐內(nèi)混合燃燒時(shí)，由于風(fēng)量在0～30％范圍調(diào)節(jié)，燃燒所需要的O2嚴(yán)重不足；同時(shí)一次風(fēng)旋轉(zhuǎn)包裹著煤氣高速噴入爐內(nèi)，卷吸一部分煙氣進(jìn)入一次燃燒區(qū)域，因此燃料在一級(jí)燃燒區(qū)域內(nèi)發(fā)生不完全燃燒，火焰中心溫度得到有效降低，一般低于傳統(tǒng)火焰中心溫度150℃左右，在此區(qū)域可以有效抑止NOx的生成。在沿火焰長(zhǎng)度方向上，二次風(fēng)與主火焰在一起前進(jìn)的同時(shí)發(fā)生卷吸作用，不斷給一次燃燒區(qū)域供給空氣，同時(shí)發(fā)生二次燃燒，這樣不僅保證燃料的完全燃燒，避免燃燒區(qū)域氧氣過(guò)剩，而且在延長(zhǎng)火焰長(zhǎng)度的同時(shí)使火焰的形狀發(fā)生改變，既實(shí)現(xiàn)了火焰溫度均勻控制，破壞了NOx的產(chǎn)生條件，增強(qiáng)了爐氣的擾動(dòng)，使?fàn)t內(nèi)溫度更加均勻。

　　2.2 低NOx混合煤氣燃燒裝置結(jié)構(gòu)

　　低NOx混合煤氣燃燒裝置是由主噴嘴組合和二次空氣噴管組成。如圖1所示，主噴嘴組合包括中心空氣噴嘴①、一次空氣噴嘴②和燃料噴嘴③三部分，它們?nèi)咄ㄟ^(guò)兩對(duì)同心法蘭A、B連接；一次空氣噴嘴②和燃料噴嘴③之間設(shè)有旋流片a，端頭安裝有由螺紋連接的耐熱鋼噴頭e；二次助燃空氣噴管與主噴管分離，置于主噴管旁；主噴嘴組合和二次空氣噴管④由法蘭板C與爐墻鋼板相連接；燒嘴磚與爐墻構(gòu)成一體；一次空氣噴嘴②、燃料噴嘴③和二次助燃空氣噴管④設(shè)有壓力測(cè)量管b；二次助燃空氣噴管④端頭設(shè)有火焰觀測(cè)孔c。這種燃燒裝置結(jié)構(gòu)體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能性強(qiáng)，安裝方便，且使用壽命長(zhǎng)。

　　圖1. 低NOx混合煤氣燃燒裝置結(jié)構(gòu)示意圖

　?、僦行目諝鈬娮?；②一次空氣噴嘴；③燃料噴嘴；④二次空氣噴管；⑤爐墻燒嘴噴口通道；a旋流片；b壓力測(cè)量管；c火焰觀測(cè)孔；d點(diǎn)火孔；e耐熱鋼噴頭；A、B同心法蘭；C法蘭板

　　2.3  低NOx混合煤氣燃燒裝置性能參數(shù)

　　低NOx混合煤氣燃燒裝置按兩級(jí)燃燒原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，是為延長(zhǎng)燃燒過(guò)程，降低火焰溫度的高峰，以便減少NOx的生成量。其中心風(fēng)約占3％～5％，一次風(fēng)約占20％～30％，二次風(fēng)約占80％～70％，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)焰燒嘴火焰調(diào)節(jié)閥改變一次風(fēng)與二次風(fēng)比例來(lái)調(diào)節(jié)火焰長(zhǎng)度。由于中心風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用，燒嘴在低負(fù)荷工作時(shí)，即可以保證火焰長(zhǎng)度和剛度，也可以得到最低的NOx產(chǎn)生量。此次步進(jìn)加熱爐設(shè)計(jì)的側(cè)部供熱采用上面介紹的帶中心風(fēng)的低NOx調(diào)焰燒嘴。這在爐寬加大的情況下有利于板坯在加熱過(guò)程中沿爐寬方向上的溫度均勻性。其性能參數(shù)如表1所示。

　　表1  低NOx混合煤氣燃燒裝置基本參數(shù)

　　3 低NOx混合煤氣燃燒裝置改進(jìn)

　　在應(yīng)用過(guò)程中，技術(shù)團(tuán)隊(duì)根據(jù)實(shí)際狀況，結(jié)合以往生產(chǎn)操作經(jīng)驗(yàn)，為達(dá)到維修方便、安裝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)耐用等目的，對(duì)低NOx混合煤氣燃燒裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，具體工作如下：

　　(1) 由于現(xiàn)場(chǎng)使用的燃料為高、焦混合煤氣，煤氣成分復(fù)雜，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)噴口結(jié)焦、結(jié)垢等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響流通面積，影響火焰形狀，所以要定期對(duì)燒嘴噴口進(jìn)行清理。為便于清理工作的進(jìn)行，盡可能縮短維修時(shí)間，技術(shù)團(tuán)隊(duì)將中心風(fēng)噴管與燃料噴管的連接由原來(lái)的焊接改為法蘭連接，這樣在清理噴頭時(shí)只需將其拆下抽出即可，不需將燒嘴整體拆下。

　　(2) 另一方面，為便于燒嘴噴頭的清理與更換，技術(shù)團(tuán)隊(duì)將煤氣噴頭與噴管的連接形式由原來(lái)的焊接改為螺紋連接，這樣一旦出現(xiàn)噴頭堵塞、燒損變形等狀況，只需將其拆下更換即可，不用整體更換燒嘴。這樣不但可以減少備件投資，也縮短了檢修時(shí)間。

　　(3) 燒嘴磚在燒嘴安裝時(shí)與爐墻一起澆注而成，其中燒嘴磚上二次空氣噴口可以根據(jù)燃料及燃燒機(jī)理需要設(shè)計(jì)成不同形狀，如月牙形、圓型、長(zhǎng)方形等。

　　4改進(jìn)后的工業(yè)熱試

　　為檢驗(yàn)改進(jìn)后低NOx混合煤氣燃燒裝置的實(shí)際使用性能，技術(shù)團(tuán)隊(duì)決定在2號(hào)加熱爐均熱段下部第二個(gè)燒嘴和第二加熱段上部第二個(gè)燒嘴的位置安裝改進(jìn)型低NOx混合煤氣燃燒裝置，進(jìn)行實(shí)際工況的試驗(yàn)。結(jié)合2號(hào)加熱爐實(shí)際烘爐進(jìn)度情況進(jìn)行了實(shí)際工況的運(yùn)行試驗(yàn)。

　　4.1 試驗(yàn)方案

　　(1) 由于本次燒嘴試驗(yàn)配合2#加熱爐烘爐同步進(jìn)行，因此試驗(yàn)燒嘴閥門的初始開(kāi)度按如下設(shè)定：一次空氣: 開(kāi)30°；二次空氣: 開(kāi)90°；中心空氣: 開(kāi)90°；混合煤氣: 開(kāi)15°。

　　(2) 先開(kāi)均熱下西側(cè)第2個(gè)燒嘴(改進(jìn)型)和均熱下東側(cè)第2個(gè)燒嘴（原型），嘴前閥門開(kāi)度大小按照步驟A設(shè)定。

　　(3) 各個(gè)供熱段空、煤氣流量設(shè)定值按照加熱爐烘爐細(xì)則設(shè)定。

　　(4) 萬(wàn)一出現(xiàn)燒嘴燃燒不穩(wěn)定的情況，可以將中心空氣手動(dòng)閥門關(guān)閉。

　　(5) 在確認(rèn)調(diào)焰燒嘴穩(wěn)定燃燒以后，開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)燒嘴嘴前閥門調(diào)節(jié)，觀察火焰長(zhǎng)度、剛度以及外形的參數(shù)。

　　4.2試驗(yàn)結(jié)果

　　通過(guò)試驗(yàn)，可以得出如下試驗(yàn)結(jié)果：

　　(1) 低NOx混合煤氣燃燒裝置實(shí)現(xiàn)了兩級(jí)燃燒技術(shù)，能夠有效降低燃燒產(chǎn)物中NOx的含量。

　　(2) 低NOx混合煤氣燃燒裝置具有良好的火焰紊流度和剛度。

　　(3) 低NOx混合煤氣燃燒裝置具備大調(diào)節(jié)比性能。

　　(4) 在小流量燃燒狀態(tài)小火焰長(zhǎng)度長(zhǎng)、剛性好。在燒嘴前閥門開(kāi)度為15°時(shí)，火焰長(zhǎng)度達(dá)到4.6m；在嘴前煤氣閥門開(kāi)度為90°時(shí)，爐內(nèi)火焰長(zhǎng)度達(dá)到5.5m。

　　(5) 低NOx混合煤氣燃燒裝置火焰平、直、長(zhǎng)，爐寬方向上溫度均勻。

　　(6) 應(yīng)用低NOx燃燒技術(shù)，CO2 、SO2、NOX等燃燒污染物的排放量大大減少。特別是NOx含量，經(jīng)檢測(cè)煙氣成分中NOx含量為23PPm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一般燒嘴100PPm的含量。

　　通過(guò)試驗(yàn)觀察和初步檢測(cè)：低NOx混合煤氣燃燒裝置最大特點(diǎn)就是具有大調(diào)節(jié)比性能，在小流量燃燒狀態(tài)下火焰長(zhǎng)度長(zhǎng)、剛性好，可以滿足超寬板坯加熱爐的加熱要求。它采用特殊的供風(fēng)技術(shù)，以保證爐膛寬度方向上的溫度均勻。并且采用空氣、混合煤氣二次燃燒技術(shù)，減少NOx生成，滿足環(huán)保要求。

　　通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)，不斷分析摸索，得出火焰長(zhǎng)度和剛度與嘴前空、煤氣壓力以及一次風(fēng)、二次風(fēng)開(kāi)啟度有很大關(guān)系:一次風(fēng)的開(kāi)啟度與火焰長(zhǎng)度成反比；在烘爐或低溫(≤800℃)點(diǎn)火時(shí)一次風(fēng)一定要打開(kāi)，確保與二次風(fēng)的比例關(guān)系(30%:70%),使混合煤氣充分燃燒；燒嘴前中心風(fēng)壓力要保持穩(wěn)定，一般保持在4000Kpa左右。圖3為火焰長(zhǎng)度與助燃風(fēng)機(jī)壓力變化趨勢(shì)的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上側(cè)燒嘴火焰調(diào)節(jié)控制要點(diǎn)。

　　圖3 火焰長(zhǎng)度與燒嘴嘴前壓力關(guān)系

　　通過(guò)試驗(yàn)和對(duì)比表明，低NOx燃燒技術(shù)完全符合最初設(shè)計(jì)目的，實(shí)現(xiàn)了提高加熱質(zhì)量和降低NOx排放的雙重目的。

　　5  市場(chǎng)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益

　　5.1市場(chǎng)效益

　　通過(guò)低NOx燃燒技術(shù)的應(yīng)用使首鋼國(guó)際工程公司在寬體加熱爐燃燒系統(tǒng)和低NOx技術(shù)領(lǐng)域獲得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和成功的實(shí)例。實(shí)踐證明，該項(xiàng)目的成功實(shí)施為首鋼國(guó)際工程公司工業(yè)爐事業(yè)部在大型板坯加熱爐技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也大大提升了其在同行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力，為首鋼遷鋼1580mm熱軋加熱爐、首鋼京唐2250mm熱軋、首鋼京唐1580mm熱軋加熱爐等項(xiàng)目打下了基礎(chǔ)。

　　5.2經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益

　　通過(guò)低NOx燃燒技術(shù)在遷鋼2160mm熱軋加熱爐上的成功應(yīng)用，使該爐子噸坯能耗大大降低，一年可以直接和間接創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益550多萬(wàn)元。環(huán)境效益也特別明顯，CO2、SO2、NOx等燃燒污染物的排放量大大減少。特別是NOx含量，經(jīng)檢測(cè)煙氣成分中NOx含量為23ppm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一般燒嘴100ppm的含量，每年減少的NOx排放量相當(dāng)可觀。通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，首鋼國(guó)際工程公司在加熱爐節(jié)能減排領(lǐng)域有了新的成功實(shí)例，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益，為首鋼加熱爐節(jié)能減排提供了新的模式。

　　6 技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)

　　首鋼國(guó)際工程公司積極汲取、消化國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，與科研院所和生產(chǎn)企業(yè)緊密合作，形成了獨(dú)有的研究、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)操作技術(shù)優(yōu)勢(shì)。公司工業(yè)爐專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)將再接再厲充分利用多年來(lái)積累的技術(shù)成果，充分發(fā)揮與生產(chǎn)操作密切結(jié)合的優(yōu)越條件，將加熱爐低NOx燃燒技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展。