摘  要  闡述回轉(zhuǎn)窯氮氧化物產(chǎn)生機(jī)理，有針對(duì)性的在操作上采取措施，并采用新型低氮?dú)怏w燃燒器進(jìn)行技術(shù)改造，使氮氧化物排放濃度降低到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)以下。

關(guān)鍵詞  回轉(zhuǎn)窯  氮氧化物  燃燒溫度  改造  燃燒器

1  前言

氮氧化物是造成大氣污染的主要污染源之一，通常所說(shuō)氮氧化物主要包括NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等幾種。這些氮氧化物與空氣中的水結(jié)合最終會(huì)轉(zhuǎn)化成硝酸和硝酸鹽，硝酸是酸雨的成因之一；氮氧化物與其他污染物在一定條件下能產(chǎn)生光化學(xué)煙霧污染。由于以上危害，國(guó)家環(huán)保要求排放濃度在300mg/Nm3以下[1]。凌鋼為保證回轉(zhuǎn)窯NOx排放濃度達(dá)標(biāo)，在生產(chǎn)操作及工藝改進(jìn)上做了有針對(duì)性的改進(jìn)，取得了較好的效果。

2  研究氮氧化物生成機(jī)理，查找原因

燃燒過(guò)程中氮氧化物的生成有以下三種途徑：（1）燃料型氮氧化物，由燃料中的氮化物熱分解后氧化產(chǎn)生；（2）快速性氮氧化物，由空氣中的N2與燃料中碳?xì)潆x子團(tuán)反應(yīng)生成；（3）熱力型氮氧化物，由空氣中的N2在高溫下氧化而成[2]。研究表明，燃燒溫度對(duì)熱力型氮氧化物生成有決定性的作用，當(dāng)燃燒溫度低于1500℃時(shí)，氮氧化物的生成量很少，高于1500℃時(shí)，氮氧化物按指數(shù)規(guī)律迅速增加。凌鋼回轉(zhuǎn)窯使用焦?fàn)t煤氣作為燃料，其理論燃燒溫度在2000℃以上，該溫度下N2與O2反應(yīng)生成大量的NO。因此判斷凌鋼回轉(zhuǎn)窯氮氧化物主要是高溫?zé)崃π偷趸铩?/span>

3  操作調(diào)整，降低氮氧化物排放

熱力型氮氧化物的生成機(jī)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(fā)生反應(yīng)的結(jié)果，因此其主要影響因素是溫度和空氣過(guò)剩系數(shù)[3]。因此，在操作上采取了適當(dāng)降低焙燒溫度和一次助燃風(fēng)量的措施，逐漸將一次助燃風(fēng)量由7000/h降低到6200m3/h。調(diào)整后，NOx排放濃度略有降低，基本控制在240～290mg/Nm3，能夠滿足環(huán)保排放要求，但卻造成回轉(zhuǎn)窯整個(gè)系統(tǒng)溫度降低，預(yù)熱二段溫度由原1020℃左右逐漸降低到980℃左右。不但使生球干燥、預(yù)熱和焙燒效果變差，回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)礦產(chǎn)量降低、質(zhì)量變差，而且使回轉(zhuǎn)窯窯體耐材表面結(jié)圈加劇，耐火材料使用壽命降低，對(duì)回轉(zhuǎn)窯長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)不利影響。

4  采用低氮燃燒器技術(shù)改造

在采取降低焙燒溫度措施的同時(shí)，為徹底治理氮氧化物排放問(wèn)題，根據(jù)氮氧化物產(chǎn)生機(jī)理及焦?fàn)t煤氣理論燃燒溫度高的實(shí)際情況，為降低燃燒火焰溫度，減少熱力型氮氧化物產(chǎn)生量，又在回轉(zhuǎn)窯燃燒器燃料種類及結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行改進(jìn)，具體如下：

4.1  混燒部分高爐煤氣，降低火焰溫度

焦?fàn)t煤氣理論燃燒溫度可達(dá)2000℃以上，而高爐煤氣的理論燃燒溫度約為1450℃，當(dāng)混燒以上兩種煤氣時(shí)，理論燃燒溫度勢(shì)必降低，有利于熱力型氮氧化物的降低。因此，在對(duì)煤氣及各風(fēng)機(jī)能力進(jìn)行理論核算后，將燃燒器由單燒焦?fàn)t煤氣改為燒焦?fàn)t和高爐兩種煤氣，其中設(shè)計(jì)焦?fàn)t煤氣用量在8000~10000Nm3/h，高爐煤氣用量在8000~9000Nm3/h。

4.2  優(yōu)化燃燒器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

在確定混燒焦?fàn)t和高爐煤氣后，又對(duì)燃燒器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化（詳見(jiàn)圖1和圖2）。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，由原四通道改為五通道，具有以下特點(diǎn):

(1) 降低氮氧化物生成量。針對(duì)性的設(shè)計(jì)五通道氣、氣混燒燃燒器，不但可滿足工藝焙燒溫度，而且煤氣和一次助燃風(fēng)及二次助燃風(fēng)混合良好，攏煙罩形成的碗狀效應(yīng)收攏火焰，使煤氣燃燒火焰狀態(tài)穩(wěn)定、形狀規(guī)整，不產(chǎn)生高溫峰值和局部高溫，火焰溫度分度均勻合理，從而減少熱力型氮氧化物的生成量。

（2）煤氣燃盡率高，節(jié)能降耗。攏煙罩形成的碗狀效應(yīng)收攏火焰，以及旋流風(fēng)通過(guò)旋流鈍體形成內(nèi)回流，使煤氣和熱空氣得到良好的混合，再通過(guò)調(diào)節(jié)軸流風(fēng)和旋流風(fēng)比例，以及出口速度匹配，可實(shí)現(xiàn)較高的燃盡率，提高窯的熱力強(qiáng)度，降低熱耗。

（3）減緩結(jié)圈?；鹧娌粧吒G襯，不舔料，物料受熱均勻，延長(zhǎng)窯內(nèi)結(jié)圈周期。即使產(chǎn)生結(jié)圈，也可通過(guò)調(diào)節(jié)火焰高溫區(qū)長(zhǎng)短以及采用冷熱交替法緩解或解決結(jié)圈帶來(lái)的工藝影響。

（4）在線調(diào)節(jié)靈活，工藝適應(yīng)性強(qiáng)。不但可調(diào)節(jié)各助燃風(fēng)通道的風(fēng)量匹配比例，而且還可通過(guò)波紋補(bǔ)償器調(diào)節(jié)軸流風(fēng)和旋流風(fēng)出口截面積，進(jìn)而得到不同的氣流流場(chǎng)，使火焰調(diào)節(jié)更加明顯，范圍更寬。

以上方案通過(guò)華中科技大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室仿真計(jì)算分析及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，能夠達(dá)到在保證球團(tuán)礦產(chǎn)質(zhì)量的前提下，氮氧化物排放濃度降低至排放標(biāo)準(zhǔn)300mg/Nm3以下。

5  改造效果及效益

2018年9月中旬進(jìn)行了技術(shù)改造，新型低氮燃燒器順利上線試用，燃燒器火焰燃燒狀態(tài)明顯改善，由改造前的發(fā)散、飄逸變?yōu)榉€(wěn)定、形狀規(guī)整，焙燒溫度恢復(fù)到正常水平，球團(tuán)礦產(chǎn)量提高，氮氧化物排放濃度顯著降低，具體詳見(jiàn)表1。  

改造后，氮氧化物濃度降低，已不再是產(chǎn)量的制約性因素。球團(tuán)礦產(chǎn)量有較大提升空間，按日增產(chǎn)459噸計(jì)算，年降低球團(tuán)礦固定費(fèi)用約500萬(wàn)元，減緩回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈、延長(zhǎng)耐火材料使用壽命，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，氮氧化物排放濃度降低，減少對(duì)大氣的污染，具有顯著的環(huán)保效益。

6  結(jié)語(yǔ)

凌鋼回轉(zhuǎn)窯采用高焦混合煤氣及新型氣體低氮燃燒器，降低氮氧化物排放濃度，攻克了回轉(zhuǎn)窯氮氧化物排放超標(biāo)制約生產(chǎn)的難題，是國(guó)內(nèi)200萬(wàn)噸回轉(zhuǎn)窯低氮生產(chǎn)技術(shù)的一次重大創(chuàng)新，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

7  參考文獻(xiàn)

[1]GB28662-2012，《鋼鐵燒結(jié)球團(tuán)工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》.中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2012

[2]吳碧君，《燃燒過(guò)程中氮氧化物的生產(chǎn)機(jī)理》，電力環(huán)境保護(hù)，2003年.第19卷，第4期

[3]姜涌等，《熱力型NOx的抑制》，電站系統(tǒng)工程，2005年.第21卷第2期