焦炉加热制度与NOx排放相关性探讨

刘 陆，翟 利，崔井良，董少英

（唐钢美锦（唐山）煤化工有限公司，河北唐山 063700）

1 概述

唐钢美锦煤化工现有JNX3-70-1型7m焦炉两座，于2014年投产，其主要特征为蓄热室分格、贫煤气和空气下调、贫煤气和空气分段供入、双联火道废气循环的下调式焦炉。具有结构严密、合理、加热均匀、热工效率高、寿命长等优点。设计能力年产 150 万吨焦炭。投产以来一直使用焦炉煤气加热，焦炉烟道废气中NOx排放一直处于较高的水平。为了详细了解焦炉的运行状况及加热废气中污染物排放水平，以便从源头上对污染物进行综合治理,分别针对焦炉加热制度的空气过剩系数、交换时间和标准温度进行不同情况研究，有效控制炼焦烟气污染物NOx浓度，为后续脱硝工艺的稳定运行提供技术基础。

2 现有焦炉工艺问题分析

投产以来，一直使用回炉煤气加热，为保证焦炭成熟均匀，标准温度执行机侧1255℃，焦侧1305℃，空气过剩系数控制在1.30～1.40，机焦侧废气开闭器风门开度皆为52mm，交换时间为30min。

此时对焦炉烟气进行测量分析，1#焦炉烟道废气在O2含量8.14%时，NOx含量为759mg/m3。2#焦炉烟道废气在O2含量8.86%时，NOx含量为728mg/m3。两座焦炉NOx浓度排放平均值为744mg/m3。两座焦炉加热废气的NOx含量远远超过了500mg/m3。NOx含量高的主要原因是焦炉加热使用焦炉煤气。焦炉煤气和空气在高温燃烧条件反应生产NO，而焦炉烟气中NOx主要以NO的形式存在，最初排放的NOx中NO约占95%，NO2为5%左右。但是NO在大气中极易与空气中的氧发生反应，缓慢转化成NOx。研究证明，采用焦炉煤气加热时，燃烧过程产生NO的形成机理主要与焦炉立火道燃烧温度、空气过剩系数有关，焦炉立火道温度达到1300℃即可产生大量NO，而立火道温度越高、空气过剩系数越大，则NO生成浓度越高。

3 解决问题途径

降低焦炉加热废气中NOx含量有下面几个途径。

1）降低标准火道温度：由于采用焦炉煤气加热，这就决定了在使用同样标准温度的情况下，其加热废气中NOx含量会远高于使用高炉煤气加热的焦炉，主要原因在于焦炉煤气加热时的火力比较集中，充分的煤气燃烧导致立火道火焰温度较高，NO生产量较大。因此，在保证焦炭成熟的前提下，尽量控制较低的火道温度。由于有干熄焦系统，因此，焦炭在焦炉炼焦不能过火，可以略微生熟些，但是出焦时，也应符合环保要求。同时从炉温控制方面通过提高炉温三大系数（K均、K横、K炉头）在在0.95以上。特别是提高炉头温度，以此为基础降低标准温度，经过不过实践摸索，标准温度有投产时的机焦侧1255/1305℃调整至1240/1290℃。如表1所示。

表1 不同标准温度对应的烟气NOx浓度

通过表1可以看出，在降低标准温度的同时NOx浓度发生了明显的变化，降低标准温度，使立火道的温度降低，减少了NOx的产生，降低标准温度是降低NOx浓度的措施之一。

2）控制合适的空气过剩系数，控制烟道废气最低的O2含量。所以煤气加热尽量控制O2含量，不断优化空气过剩系数，合理调整废气开闭器风门开度。风门机侧由52mm调整至46mm，焦侧52mm调整至46mm，烟道吸力控制在：机侧185Pa，焦侧195Pa。同时对全炉燃烧情况进行跟踪，对煤气过剩火道适当进行更换小孔板、安插钢筋棍的形式降低煤气量，充分保证炉温均匀。调整后，焦炉空气过剩系数由1.30～1.40降至1.15～1.20使整体烟道系统氧含量由8.5%降至7%左右。如表2所示。

表2 不同风门对应得空气过剩系数

通过表2可以看出，在调节废气盘进风门开度的同时，烟气中O2含量和NOx浓度都相对降低，减少了NOx的产生，因此可以得出烟气O2含量与NOx浓度有所关联。

3）稳定焦炉交换过程，焦炉生产中，由于焦炉烟道气中NOx随焦炉液压交换机的操作周期性波动，往往在交换末期烟气中 NOx波峰瞬时值较大，如果长时间没有交换会造成NOx异常高。煤气交换设备是改变焦炉加热系统气体方向的设备和传动装置。每次交换要经历3个基本过程，即煤气关闭、空废气交换、煤气打开，而废气角轮作为加热系统的主要设备之一，它的运行是否良好，直接影响加热系统能否正常运行。为此通过改进废气角轮及防止废气链条弹跳进行改进。

（1） 对原有废气角轮轴承进行改型，更换适用于径向载荷较大的轴，具有调心性能。

（2）设计安装焦炉废气拉条交换过程角轮和链条跳齿的处理装置，该装置可防止废气拉条阻力过大造成角轮和链条跳齿，杜绝空气废气交换不到位的现象，保证废气系统的正常运行，保证焦炉正常加热。

4）降低焦炉串漏：焦炉串漏越多，废气中的NOx含量增加。主要原因是荒煤气中的NH3进入燃烧系统被氧化为NOx。可降低集气管压力控制值，减少炭化室系统与燃烧室系统压差。根据实践经验，集气管压力由开工投产时的160Pa调整至140Pa，当集压140Pa时即可保证炭化室底部微正压控制，其目的是防止空气由炉外进入炉内，减少焦炉炉体串漏，又可保证焦炭结焦末期焦炭成熟均匀。

5）修改焦炉交换时间，由于采用焦炉煤气加热的焦炉一般交换时间为30min。但是焦炉烟气中的NOx含量随焦炉换向加热周期性波动，烟气中 NOx的波峰和波谷差值较大，波峰瞬时值能够达到800mg/m3。为此由原来每30min交换改为每20min交换，在降低波峰值、提高波谷值的同时，两者的差值越来越小。调整后波峰瞬时值为680mg/m3，降低效果明显。

4 优化效果指标

在周转时间24h的情况下，通过降低标准温度，由原来的1255/1305℃降至1240/1290℃。优化废气盘风门开度控制在机侧46mm，焦侧46mm，分烟道吸力控制在机侧185Pa，焦侧195Pa，空气过剩系数控制在1.15～1.2，烟气氧含量控制在7%左右。交换时间由原来的30min调整至20min，集气管压力由160Pa调至140Pa后。并且稳定了焦炉交换过程，杜绝交换不到位的现象。调整后，焦炭成熟均匀，加热制度稳定，烟气NOx排放浓度降低，实现了降低焦炉烟气NOx的最大优化，构建了新型7m焦炉加热制度。

优化后，使焦炉烟气NOx浓度从根源得到有效控制，由之前的744mg/m3降至522mg/m3。实现了后续脱硝净化的烟气NOx浓度低于 100mg/m3的目标。为同行业实现7m焦炉烟气NOx污染物排放浓度的控制提供借鉴意义。

5 结束语

通过实施优化焦炉加热制度，反复调节废气盘进风门盖板开度，不断校正机焦侧吸力，降低标准温度，稳定焦炉系数。并且改进焦炉交换设备，保证了焦炉的正常交换过程。最终在保证焦炭成熟的情况下，实现了7m焦炉加热制度的最优化，降低了吨焦煤气消耗，符合焦炉精细化管理的生产理念。