镀锌退火炉降低NOx生成的技术研究

商存亮 常志禄 李龙飞 张学成

摘 要：本文以安钢1550热镀锌生产线中退火炉改造前后燃烧产物NOx排放指标数据为依据，系统分析了降低退火炉燃烧产物NOx排放指标的主要影响因素。通过对空燃比、风压、负压室压力等参数进行优化和实施烧嘴改造，镀锌机组退火炉燃烧产物NOx满足了超低排放指标。

关键词：退火炉;NOx;超低排放

Abstract： Based on the index data of combustion products NOx emissions before and after the annealing furnace transformation in the 1550 hot-dip galvanizing production line of Angang Group， this paper systematically analyzed the main influencing factors for reducing the NOx emission index of combustion products in the annealing furnace. By optimizing the parameters such as air-fuel ratio， wind pressure， negative pressure chamber pressure and implementing burner transformation， the NOx combustion product of the annealing furnace of the galvanizing unit meets the ultra-low emission index.

Keywords： annealing furnace;NOx;ultra-low emission

新时代，我国高度重视生态文明建设，持续加大环境保护力度。在钢铁行业全产业过剩、亏损以及供给侧结构性改革的大背景下，国家不断发布各种环保、能耗、质量、安全、技术等法律法规和产业政策，加快钢铁行业去产能，市场竞争加剧。当前，国内相当一部分镀锌生产线设备老化严重，工艺技术落后，造成环保排放不达标，因此对镀锌生产线退火炉的改造已经刻不容缓。改造目标是优化环保指标，减少NOx的排放。安钢1550镀锌生产线产品规格为（0.25～2.0） mm×（800～1 400） mm，产品定位是家电、建筑板。在该生产线中，退火炉燃烧产物NOx排放指标不能满足超低排放要求，本文分析了降低NOx排放指标的相关影响因素，提出了解决方案，以期降低退火炉燃烧产物NOx的排放量。

1 1550镀锌机组退火炉概述

热镀锌机组退火工艺采用美钢联法。美钢联法退火炉采用辐射管对带钢进行间接加热和均热，炉内采用H2含量5%的氮氢保护气体防止带钢氧化，加热段控制温度900～930 ℃。根据机组产量、产品品种、平面布置等因素，镀锌机组采用立式连续退火炉，炉子主要由预热段、加热段、均热段、缓冷段、快冷段、均衡段出口段及炉鼻子等炉段组成。加热、均热完全依靠辐射管，其间采用带自预热空气的W型煤气辐射管加热，每个煤气辐射管均设置一个预热器，将空气预热到450 ℃，充分利用烟气的余热，达到节能的目的。烧嘴采用先进可靠的自动控制系统，保证烧嘴只要工作就处于最佳的工作状态，保证精确的炉温控制;辐射管加热都采用ON/OFF炉温控制系统，实现脉冲燃烧。供热的辐射管（ON）都是满负荷，不供热的辐射管（OFF）都是零负荷，循环脉冲燃烧。ON/OFF脉冲控制炉温有利于提高炉温均匀性，延长辐射管寿命。

2 1550镀锌机组退火炉现状

2.1 燃料成分

退火炉燃料为焦炉煤气，焦炉煤气成分如表1所示。焦爐煤气的热值为17 287 kJ/m3。

2.2 退火炉排放指标

NOx是烟气排放三大有害物质（其他两种是SO2、颗粒物）之一。改造前，镀锌机组退火炉燃烧产物中，NOx排放指标保持在190～380 mg/m3，无法满足国家特别排放限值（300 mg/m3）要求，更不能满足超低排放指标（150 mg/m3）要求，导致生产受限。

3 NOx生成机理

NOx生成机理主要有燃料型、热力型及快速型[1]。焦炉煤气燃烧过程中产生的NOx 95%来自热力型。

3.1 热力型NOx

热力型NOx主要是空气中N2在高温火焰下，经过氧化生成的NOx。当燃烧温度大于1 526 ℃时，空气中的O2离解成原子状态O，与空气中N2发生一系列化学反应。有关反应如下：

对于燃烧火焰来说，火焰偏下部温度较高，而热力型NOx往往产生于该区域。影响热力型NOx生成的主要影响因素有温度、氧浓度及停留时间。

3.2 快速型NOx

当碳氢化合物燃料过浓燃烧时，反应区附近会快速生成NOx，即快速型NOx。其间，燃料中的碳氢化合物在高温条件下易分解，产生的分解物CH自由基暴露在空气中，与空气中N2发生反应，生成HCN和N，并且在极短的时间内被氧化成NOx。

3.3 燃料型NOx

燃料型NOx由燃料中氮化合物在燃烧中氧化而成。燃料中含有多种有机化合物，其在高温下裂解，产生HCN、CN等，在一定条件下被氧化成NOx。

4 控制NOx排放的措施

4.1 调整空燃比

可燃混合气中空气质量与燃料质量之比为空燃比（[AF]）。

已知当前安钢1550镀锌机组退火炉所用燃料为焦炉煤气，从煤气测量节流装置（仪表清单）中得知，其基本成分如表1所示。根据理论计算公式，其20 ℃时的低位热值约为16.43 MJ/m3。同时，根据式（4）计算可得，其理论空燃比为4.29。

随着过剩空气（即空燃配比）的变化，NOx的生成有着巨大差异。将空气实际过剩系数稳定在一定范围内，可以有效减少NOx的排放，其主要由燃烧时的实际空燃比决定，最终经过测试，空气过剩系数取1.12，效果最好。

4.2 调整风机压力

随着生产负荷的不断变化，需要的炉温不同，煤气用量不用。当负荷增大时，煤气用量增加，烟气量增加，辐射管充满度高，辐射管壁传热效率高并且均匀;当负荷降低时，煤气用量减少，在相同辐射管壁的情况下，容易造成辐射管壁温度不均匀[2]。为适应过氧燃烧工艺，要动态调整空燃比，即提高助燃风机压力，由原来的15 kPa提高至19.5 kPa，烟气中存在过剩的氧量，由于过氧燃烧，烟气量增加，可提高辐射管内烟气充满度和辐射管壁温度的均匀性，同时烟气流量增加，加快了烟气流动速度，拉长火焰，缩小辐射管长度方向的温差，降低NOx的生成量。

4.3 改造烧嘴内部结构，增加烟气回流量

采用烟气回流，主要是将燃烧后的烟气重新加入助燃空气中，从而降低火焰温度，抑制氮氧化合物生成;辐射管烧嘴的烟气回流主要利用助燃空气的压力，从特殊设计的锥形口处引射烟气与助燃空气混合，从而实现烟气再循环，降低燃烧火焰高温区的氧气体积分数和火焰温度，保证完全燃烧的同时有效地抑制NOx的形成[3]。1550镀锌机组退火炉加热、均热段当前使用的烧嘴本身采用烟气回流技术，但烟气回流量很小（约为15%），不能有效降低NOx的生成。经过对影射口的改造，同时提高助燃风机的压力，烟气回流量增加至25%左右。经过数据测量，NOx大幅降低。

5 结论

经过对退火炉控制参数的优化及烧嘴改造，NOx排放量大幅降低，已由原来的380 mg/m3降低至134 mg/m3，降低率达64.73%，满足了超低排放标准。

参考文献：

[1]仝通通.焦炉烟气外循环对NOx生成影响的研究[D].马鞍山：安徽工业大学，2018.

[2]何选明，陈康，潘叶，等.焦炉煤气低NOx燃烧技术研究进展[J].燃料与化工，2013（1）：6-10

[3]蒋扬虎，丁翠娇，郑兆平.燃烧NOx生成机理及抑制方法[J].武钢技术，2000（6）：17-20.