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安耐克锥柱复合式顶燃热风炉超低排放技术的应用

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【摘要】:
高炉炼铁能耗约占钢铁工业能耗的40%以上,因此炼铁工序的节能降耗尤为重要。热风炉是高炉炼铁的重要设备之一,通过热风炉供给高炉的热量约占炼铁生产能耗的30%,所消耗的煤气约占高炉所产煤气的50%以上。提高热风炉送风温度时最有效最经济的节能措施。

1  前言

高炉炼铁能耗约占钢铁工业能耗的40%以上,因此炼铁工序的节能降耗尤为重要。热风炉是高炉炼铁的重要设备之一,通过热风炉供给高炉的热量约占炼铁生产能耗的30%,所消耗的煤气约占高炉所产煤气的50%以上。提高热风炉送风温度时最有效最经济的节能措施。

中国是世界钢铁生产的大国,年产量居世界第一位,2018年,中国生铁累计产量为7.71亿吨,而在冶炼一吨生铁时就会产生3000m³左右的副产品——高炉煤气,这其中有30%-40%的高炉煤气作为加热燃料被热风炉利用,现代热风炉要求达到1250℃以上的高风温,同时要降低CO、NOX等污染物的排放,实现热风炉高风温、长寿命、低排放。

高炉煤气的特点是可燃成分低,燃烧不稳定,燃烧温度低,烟气量大,热风炉一般采用稳定强化燃烧的措施,来获取更高的拱顶温度,近年来工程师发现过高的拱顶温度将带来燃烧过程中氮氧化物(NOX)的大量生成,造成大气环境的污染以及热风炉拱顶出现晶间应力腐蚀,当拱顶温度≥1420℃,烧烧产物中NOX的含量急剧升高,燃烧产物中的水蒸气在温度降低到露点以下时冷凝成液态水,NOX与冷凝水结合形成酸性腐蚀介质,对热风炉炉壳钢板产生晶间应力腐蚀,因此现有的常规热风炉一般将拱顶温度控制在1420℃以下,旨在降低NOX的生成量,抑制炉壳晶间应力腐蚀,但是因此缺限制了热风炉送风温度的进一步提高。因此设计开发出一种改变常规热风炉燃烧过程,进一步提高送风温度,同时降低低CO、NOX等污染物的排放的高风温高效长寿热风炉,成为克服上述技术难题的必要条件。

2  热风炉NOX形成机理与控制技术

氮氧化物(NOx)是造成大气污染的主要污染源之一。通常所说的NOx有多种不同形式: N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和N2O5,其中NO和NO2是重要的大气污染物,另外还有少量N2O。氮氧化物的生成量和排放量与燃烧方式,特别是燃烧温度和过量空气系数等燃烧条件关系密切。

在燃烧过程中,产生NOX分为以下三类:(1)在高温燃烧时,空气中的N2和O2在燃烧中形成的NOX,称为热力型NOX;(2)燃料中有机氮经过化学反应而生成的NOX,称为燃料型NOX;(3)快速型NOx的生成机理是指燃料在过剩空气系数小于1的情况下,在火焰面内急剧生成大量的NOx

热力型NOx的生成机理由Zeldovich于1964年提出,其生成是在高温下由氧原子撞击氮分子而发生下列链式反应的结果:

公式(1)

其中,第一式起主导控制作用,而该式的反应条件是温度高于1500℃,所以NOx的生成与温度有关见图1。按照这一机理,空气中的N2在高温下氧化,是通过一组不分支的连锁反应进行的,整个反应的速度,正比于氧原子的浓度,随着温度的上升,氧原子浓度增大,总的反应速度增大。由于总反应是吸热反应,所以升温有利于提高NOx的转化率,同样降温会使热力型NOx的形成受到明显抑制。

图1  NOX生成量与拱顶温度之间关系

因此,热力型NOx生成速度与燃烧温度关系很大,故又称为温度型NOx。影响热力型NOx生成量的主要因素是温度、氧气浓度和在高温区停留时间,由此而得到控制热力NOx生成量的方法概括为:降低燃烧温度水平,避免局部高温;降低氧气浓度;燃烧在偏离理论空气量的条件下进行,缩短在高温区内的停留时间。

3  低NOx燃烧技术是降低热风炉热力型NOx排放的主要技术措施

NOx的形成起决定作用的是燃烧区域的温度和过量空气系数,因此,通过控制燃烧区域的温度和空气量,已达到阻止NOx的生成及降低其排放的目的,我们称该技术为低氮燃烧技术。对低氮燃烧技术的要求是,在降低NOx的同时,使热风炉燃烧稳定,且烟气含CO量不能超标。为了控制燃烧过程中NOx的生成量所采取的措施原则为:(1)降低过量空气系数和氧气浓度,使高炉煤气在缺氧条件下燃烧;(2)降低燃烧温度,防止产生局部高温区;(3)缩短烟气在高温区的停留时间等。低NOx燃烧技术主要包括:低过剩空气系数、低NOx燃烧器、烟气再循环。

4  锥柱复合型顶燃式热风炉低NOx燃烧技术介绍

4.1  低过剩空气系数运行

热力型NOx的生成是一种缓慢的反应过程,是由燃烧空气中的N与反应物如O和OH以及分子O反应而成的。传统顶燃式热风炉在实际操作中空气过剩系数普遍>1.1,锥柱复合式顶燃热风炉选取空气过剩系数为1.03,使燃烧过程尽可能在接近理论空气量的条件下进行,随着烟气中过量氧的减少,可以抑制NOX的生成。这是一种最直接的降低NOX排放的方法,一般可降低NOX排放15%~20%。

4.2  开发顶燃热风炉用低NOx燃烧器

4.2.1  燃烧器三维空间涡旋燃烧技术

燃烧器是工业炉等炉窑的关键性设备,它的性能对工业炉窑的产量、能耗、环保等经济指标有很大的影响。低污染燃烧技术,特别是低NOx燃烧技术是燃气技术研究者的重要课题之一。合理组织燃烧,设计和改进燃烧器结构,改善燃烧性能,提高燃烧设备热效率减少环境污染问题是新型燃烧器设计的重点与难点。

在燃烧技术中,旋转射流兼有旋转稳流运动,自由射流和稳流的特点,因此它是强化燃烧和组织火焰形态的有效燃烧方法。针对NOx排放问题,在合理的空燃比技术上采用三维旋流更是可以明显减少NOx的生成;三维涡旋燃烧器的一个显著特点就是能够产生回流区,使气体回流,回流的强度和回流区大小是衡量旋流燃烧器的一个重要的特性指标。回流区面积越大回流强度越强,位置越靠近火焰根部,燃烧状况越好,炉膛温度越均匀,越不容易产生局部高温,从而降低了NOx的生成量。

图2为锥柱复合式顶燃热风炉燃烧器的结构图。锥柱复合型的混合室设置有多层环状的煤气和空气环道,每层环道上设置有多个喷口结构,这种顶燃热风炉的特点不仅降低了拱顶高度,更主要的是把传统顶燃炉燃烧器的平面旋流混合流场,改进为三维空间涡旋流场。采取“空煤气空间(三维)旋流与平面(切圆)细流高速喷射”关键技术,煤气喷口布置在混合室的锥台部位。喷口分多层从锥面的不同径向以一定旋转角度高速喷出,再与圆柱部位的多环喷口助燃空气喷出的高速细流旋转混合,能够有效强化高温燃烧产物和未燃烧燃料在回流区的混合过程,并且形成稳定的点火源和活化中心,燃烧火焰稳定性好,节能、高效、低污染,燃烧器负荷调节比大,火焰动量可调节。产生的回流区可将热量和活性中心传给未燃混合气体,从而建立一个稳定的点火源,保持火焰稳定燃烧,同时缩短了烟气在高温区停留时间,降低了NOx的排放,安耐克锥柱复合式顶燃热风炉工业应用实测值为35-76mg/m3,远低于《钢铁工业大气污染物超低排放标准》150mg/m3的排放标准。

 
   


 

图2 锥柱复合式顶燃热风炉燃烧器的结构图

4.2.2  低NOx燃烧器燃烧状况的数值模拟

CFD流体仿真技术的应用可有效的降低设计成本,它用数值计算方法直接求解流动仿真,发现各种流动现象,包括计算水动力学、计算空气动力学、计算燃烧、计算传热学、计算化学反应流动等研究方向。近几年来,我们用仿真技术研究了热风炉拱顶空间烟气流动及燃烧特性,对各类顶燃式热风炉进行过仿真研究。目前计算流体力学的计算机数值模拟方法已经是项目开展前期设计的重要手段,用仿真的方法筛选出本项目中的最优方案作为冷态实验和工业应用的依据。

利用CFD自带的湍流流动模型、燃烧模型辐射换热模型,对锥柱复合式顶燃热风炉进行数值模拟,获得燃烧器内流场、温度场和浓度场分布。

4.2.3  低NOx燃烧器温度场与火焰状态

图3是锥柱复合式顶燃热风炉在理论燃烧温度均为1380℃时燃烧室内温度场和火焰状态的对比情况。通过Y=0、Z=1可以看出在格砖平面以上1米高度上煤气达到全部燃烧。同时从图中清晰看到整个燃烧室内温度分布均匀,几乎没有局部的高温区。格子砖表面的温度均匀度达到99%以上,格子砖上表面温度分布均匀性性对热风炉而言非常重要,温度均匀分布的烟气能够提高格子砖的传热效率和延长格子砖的寿命,格子砖的蓄热能力也能得到充分利用。

 

 

图3 Y=0 燃烧器纵截面温度分布

 

       
   
     
 


 

   图4 Z=1格子砖平面温度分布

4.2.4  低NOx燃烧器浓度场、速度场分布

图5是锥柱复合式顶燃热风炉燃烧器CO浓度分布,工况下煤气与空气混合后燃烧比较充分,高浓度的CO主要分布在喉口以上部位,而格子砖表面的CO浓度接近于0,煤气得到完全燃烧。图6在高速三维涡旋混合气流的作用下,燃气射流与空气流的掺混和卷吸作用增强,在燃烧区域内形成了一个明显的回流区,中心回流区直接卷吸下部已经开始燃烧的高温烟气回流至混合气流的根部(扩口区),提高了燃烧火焰的稳定性和速度,减少混合气体在高温点火区和稳焰区的停留时间,让温度较低的烟气和炽热的燃烧产物尽快混合,达到降低NOx污染物排放,提高燃烧效率。

 
   

图5 Y=0 燃烧器纵截面CO浓度场分布


  图6 Y=0 燃烧器纵截面速度场分布

5  提高热风炉的温度效率

在许多现役热风炉上燃烧末期最高的拱顶温度与送风温度之间的差值(温度效率)存在着很大的差距:在传统的以大孔径格子砖为蓄热体的热风炉上这一温度差达到150~180℃,锥柱复合型顶燃式热风炉保证拱顶温度<1400℃情况下,通过强化蓄热面积,将传统的拱顶温度与送风温度之间的差值减小到80℃~100℃,在同样拱顶温度的条件下,可以提高50~80℃的风温。

加大热风炉的燃烧率,改进炉篦子的材质,采用新型结构的篦子,将热风炉燃烧末期的最高废气温度提高到≥400~450℃;利用较高温度的热风炉废气,通过换热器将煤气和助燃空气预热到≥200~230℃。

因此,我们的热风炉设计的基本技术路线是:缩小拱顶温度与送风温度差值,实现以100%的高炉煤气作为热风炉燃料,双预热煤气和助燃空气,获得≥1250℃的送风温度。

6  结论

1)当热风炉拱顶温度≥1420℃,烧烧产物中NOX的含量急剧升高,对热风炉炉壳钢板产生晶间应力腐蚀,现代热风炉拱顶温度应控制在1400℃以下,保证热风炉钢结构的使用寿命。

2)通过对NOx生成机理的讨论,高炉煤气燃烧时主要产生的NOx为热力型NOx,低NOx燃烧技术是降低热风炉热力型NOx排放的主要技术措施,低NOx燃烧技术主要包括:低过剩空气系数、低NOx燃烧器、烟气再循环。

3)采用多层燃烧器的布置,把燃烧器组设计成锥柱复合型结构,实现三维涡旋强力混合燃烧,在实现同等风温的条件下,可减少CO的消耗,并降低NOx的生成,使热风炉NOx排放达标,不仅解决了CO的污染,而又没有产生新的污染气体,使之成为一种环保型高温送风装备。