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高效低碳熱風爐 綠色智慧安耐克
安耐克錐柱復合式頂燃熱風爐超低排放技術的應用
發布時間：
2020-06-12
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1 前言
高爐煉鐵能耗約占鋼鐵工業能耗的40%以上，因此煉鐵工序的節能降耗尤為重要。熱風爐是高爐煉鐵的重要設備之一，通過熱風爐供給高爐的熱量約占煉鐵生產能耗的30%，所消耗的煤氣約占高爐所產煤氣的50%以上。提高熱風爐送風溫度時最有效最經濟的節能措施。
中國是世界鋼鐵生產的大國，年產量居世界第一位，2018年，中國生鐵累計產量為7.71億噸，而在冶煉一噸生鐵時就會產生3000m3左右的副產品——高爐煤氣，這其中有30%-40%的高爐煤氣作為加熱燃料被熱風爐利用，現代熱風爐要求達到1250℃以上的高風溫，同時要降低CO、NOX等污染物的排放，實現熱風爐高風溫、長壽命、低排放。
高爐煤氣的特點是可燃成分低，燃燒不穩定，燃燒溫度低，煙氣量大，熱風爐一般采用穩定強化燃燒的措施，來獲取更高的拱頂溫度，近年來工程師發現過高的拱頂溫度將帶來燃燒過程中氮氧化物（NOX）的大量生成，造成大氣環境的污染以及熱風爐拱頂出現晶間應力腐蝕，當拱頂溫度≥1420℃，燒燒產物中NOX的含量急劇升高，燃燒產物中的水蒸氣在溫度降低到露點以下時冷凝成液態水，NOX與冷凝水結合形成酸性腐蝕介質，對熱風爐爐殼鋼板產生晶間應力腐蝕，因此現有的常規熱風爐一般將拱頂溫度控制在1420℃以下，旨在降低NOX的生成量，抑制爐殼晶間應力腐蝕，但是因此缺限制了熱風爐送風溫度的進一步提高。因此設計開發出一種改變常規熱風爐燃燒過程，進一步提高送風溫度，同時降低低CO、NOX等污染物的排放的高風溫高效長壽熱風爐，成為克服上述技術難題的必要條件。
2 熱風爐NOX形成機理與控制技術
氮氧化物(NOx)是造成大氣污染的主要污染源之一。通常所說的NOx有多種不同形式: N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和N2O5，其中NO和NO2是重要的大氣污染物，另外還有少量N2O。氮氧化物的生成量和排放量與燃燒方式，特別是燃燒溫度和過量空氣系數等燃燒條件關系密切。
在燃燒過程中，產生NOX分為以下三類：（1）在高溫燃燒時，空氣中的N2和O2在燃燒中形成的NOX，稱為熱力型NOX；（2）燃料中有機氮經過化學反應而生成的NOX，稱為燃料型NOX；（3）快速型NOx的生成機理是指燃料在過剩空氣系數小于1的情況下，在火焰面內急劇生成大量的NOx。
熱力型NOx的生成機理由Zeldovich于1964年提出，其生成是在高溫下由氧原子撞擊氮分子而發生下列鏈式反應的結果：
公式（1）
其中，第一式起主導控制作用，而該式的反應條件是溫度高于1500℃，所以NOx的生成與溫度有關見圖1。按照這一機理，空氣中的N2在高溫下氧化，是通過一組不分支的連鎖反應進行的，整個反應的速度，正比于氧原子的濃度，隨著溫度的上升，氧原子濃度增大，總的反應速度增大。由于總反應是吸熱反應，所以升溫有利于提高NOx的轉化率，同樣降溫會使熱力型NOx的形成受到明顯抑制。
圖1 NOX生成量與拱頂溫度之間關系
因此，熱力型NOx生成速度與燃燒溫度關系很大，故又稱為溫度型NOx。影響熱力型NOx生成量的主要因素是溫度、氧氣濃度和在高溫區停留時間，由此而得到控制熱力NOx生成量的方法概括為：降低燃燒溫度水平，避免局部高溫；降低氧氣濃度；燃燒在偏離理論空氣量的條件下進行，縮短在高溫區內的停留時間。
3 低NOx燃燒技術是降低熱風爐熱力型NOx排放的主要技術措施
NOx的形成起決定作用的是燃燒區域的溫度和過量空氣系數，因此，通過控制燃燒區域的溫度和空氣量，已達到阻止NOx的生成及降低其排放的目的，我們稱該技術為低氮燃燒技術。對低氮燃燒技術的要求是，在降低NOx的同時，使熱風爐燃燒穩定，且煙氣含CO量不能超標。為了控制燃燒過程中NOx的生成量所采取的措施原則為：(1)降低過量空氣系數和氧氣濃度，使高爐煤氣在缺氧條件下燃燒；(2)降低燃燒溫度，防止產生局部高溫區；(3)縮短煙氣在高溫區的停留時間等。低NOx燃燒技術主要包括：低過剩空氣系數、低NOx燃燒器、煙氣再循環。
4 錐柱復合型頂燃式熱風爐低NOx燃燒技術介紹
4.1 低過剩空氣系數運行
熱力型NOx的生成是一種緩慢的反應過程，是由燃燒空氣中的N與反應物如O和OH以及分子O反應而成的。傳統頂燃式熱風爐在實際操作中空氣過剩系數普遍＞1.1，錐柱復合式頂燃熱風爐選取空氣過剩系數為1.03，使燃燒過程盡可能在接近理論空氣量的條件下進行,隨著煙氣中過量氧的減少,可以抑制NOX的生成。這是一種最直接的降低NOX排放的方法，一般可降低NOX排放15%~20%。
4.2 開發頂燃熱風爐用低NOx燃燒器
4.2.1 燃燒器三維空間渦旋燃燒技術
燃燒器是工業爐等爐窯的關鍵性設備，它的性能對工業爐窯的產量、能耗、環保等經濟指標有很大的影響。低污染燃燒技術，特別是低NOx燃燒技術是燃氣技術研究者的重要課題之一。合理組織燃燒，設計和改進燃燒器結構，改善燃燒性能，提高燃燒設備熱效率減少環境污染問題是新型燃燒器設計的重點與難點。
在燃燒技術中，旋轉射流兼有旋轉穩流運動，自由射流和穩流的特點，因此它是強化燃燒和組織火焰形態的有效燃燒方法。針對NOx排放問題，在合理的空燃比技術上采用三維旋流更是可以明顯減少NOx的生成；三維渦旋燃燒器的一個顯著特點就是能夠產生回流區，使氣體回流，回流的強度和回流區大小是衡量旋流燃燒器的一個重要的特性指標。回流區面積越大回流強度越強，位置越靠近火焰根部，燃燒狀況越好，爐膛溫度越均勻，越不容易產生局部高溫，從而降低了NOx的生成量。
圖2為錐柱復合式頂燃熱風爐燃燒器的結構圖。錐柱復合型的混合室設置有多層環狀的煤氣和空氣環道，每層環道上設置有多個噴口結構，這種頂燃熱風爐的特點不僅降低了拱頂高度，更主要的是把傳統頂燃爐燃燒器的平面旋流混合流場，改進為三維空間渦旋流場。采取“空煤氣空間（三維）旋流與平面(切圓)細流高速噴射”關鍵技術，煤氣噴口布置在混合室的錐臺部位。噴口分多層從錐面的不同徑向以一定旋轉角度高速噴出，再與圓柱部位的多環噴口助燃空氣噴出的高速細流旋轉混合，能夠有效強化高溫燃燒產物和未燃燒燃料在回流區的混合過程，并且形成穩定的點火源和活化中心，燃燒火焰穩定性好，節能、高效、低污染，燃燒器負荷調節比大，火焰動量可調節。產生的回流區可將熱量和活性中心傳給未燃混合氣體，從而建立一個穩定的點火源，保持火焰穩定燃燒，同時縮短了煙氣在高溫區停留時間，降低了NOx的排放，安耐克錐柱復合式頂燃熱風爐工業應用實測值為35-76mg/m3，遠低于《鋼鐵工業大氣污染物超低排放標準》150mg/m3的排放標準。
圖2 錐柱復合式頂燃熱風爐燃燒器的結構圖
4.2.2 低NOx燃燒器燃燒狀況的數值模擬
CFD流體仿真技術的應用可有效的降低設計成本，它用數值計算方法直接求解流動仿真，發現各種流動現象，包括計算水動力學、計算空氣動力學、計算燃燒、計算傳熱學、計算化學反應流動等研究方向。近幾年來，我們用仿真技術研究了熱風爐拱頂空間煙氣流動及燃燒特性，對各類頂燃式熱風爐進行過仿真研究。目前計算流體力學的計算機數值模擬方法已經是項目開展前期設計的重要手段，用仿真的方法篩選出本項目中的最優方案作為冷態實驗和工業應用的依據。
利用CFD自帶的湍流流動模型、燃燒模型輻射換熱模型，對錐柱復合式頂燃熱風爐進行數值模擬，獲得燃燒器內流場、溫度場和濃度場分布。
4.2.3 低NOx燃燒器溫度場與火焰狀態
圖3是錐柱復合式頂燃熱風爐在理論燃燒溫度均為1380℃時燃燒室內溫度場和火焰狀態的對比情況。通過Y=0、Z=1可以看出在格磚平面以上1米高度上煤氣達到全部燃燒。同時從圖中清晰看到整個燃燒室內溫度分布均勻，幾乎沒有局部的高溫區。格子磚表面的溫度均勻度達到99%以上，格子磚上表面溫度分布均勻性性對熱風爐而言非常重要，溫度均勻分布的煙氣能夠提高格子磚的傳熱效率和延長格子磚的壽命，格子磚的蓄熱能力也能得到充分利用。
圖3 Y=0 燃燒器縱截面溫度分布
圖4 Z=1格子磚平面溫度分布
4.2.4 低NOx燃燒器濃度場、速度場分布
圖5是錐柱復合式頂燃熱風爐燃燒器CO濃度分布，工況下煤氣與空氣混合后燃燒比較充分，高濃度的CO主要分布在喉口以上部位，而格子磚表面的CO濃度接近于0，煤氣得到完全燃燒。圖6在高速三維渦旋混合氣流的作用下，燃氣射流與空氣流的摻混和卷吸作用增強，在燃燒區域內形成了一個明顯的回流區，中心回流區直接卷吸下部已經開始燃燒的高溫煙氣回流至混合氣流的根部（擴口區），提高了燃燒火焰的穩定性和速度，減少混合氣體在高溫點火區和穩焰區的停留時間，讓溫度較低的煙氣和熾熱的燃燒產物盡快混合，達到降低NOx污染物排放，提高燃燒效率。
圖5 Y=0 燃燒器縱截面CO濃度場分布
圖6 Y=0 燃燒器縱截面速度場分布
5 提高熱風爐的溫度效率
在許多現役熱風爐上燃燒末期最高的拱頂溫度與送風溫度之間的差值(溫度效率)存在著很大的差距：在傳統的以大孔徑格子磚為蓄熱體的熱風爐上這一溫度差達到150～180℃，錐柱復合型頂燃式熱風爐保證拱頂溫度＜1400℃情況下，通過強化蓄熱面積，將傳統的拱頂溫度與送風溫度之間的差值減小到80℃～100℃，在同樣拱頂溫度的條件下，可以提高50～80℃的風溫。
加大熱風爐的燃燒率，改進爐篦子的材質，采用新型結構的篦子，將熱風爐燃燒末期的最高廢氣溫度提高到≥400～450℃；利用較高溫度的熱風爐廢氣，通過換熱器將煤氣和助燃空氣預熱到≥200～230℃。
因此，我們的熱風爐設計的基本技術路線是：縮小拱頂溫度與送風溫度差值，實現以100%的高爐煤氣作為熱風爐燃料，雙預熱煤氣和助燃空氣，獲得≥1250℃的送風溫度。
6 結論
1）當熱風爐拱頂溫度≥1420℃，燒燒產物中NOX的含量急劇升高，對熱風爐爐殼鋼板產生晶間應力腐蝕，現代熱風爐拱頂溫度應控制在1400℃以下，保證熱風爐鋼結構的使用壽命。
2）通過對NOx生成機理的討論,高爐煤氣燃燒時主要產生的NOx為熱力型NOx,低NOx燃燒技術是降低熱風爐熱力型NOx排放的主要技術措施，低NOx燃燒技術主要包括：低過剩空氣系數、低NOx燃燒器、煙氣再循環。
3）采用多層燃燒器的布置,把燃燒器組設計成錐柱復合型結構,實現三維渦旋強力混合燃燒,在實現同等風溫的條件下，可減少CO的消耗，并降低NOx的生成,使熱風爐NOx排放達標,不僅解決了CO的污染,而又沒有產生新的污染氣體,使之成為一種環保型高溫送風裝備。
