山钢日钢高炉热风炉低氮排放实践

2020-09-04于学文

山东冶金 2020年4期

邓勇，于学文

（山东钢铁集团日照有限公司，山东日照276805）

山钢日照公司5 100 m3高炉配套4座顶燃式热风炉，2 座空气预热炉。高炉煤气和助燃空气分别通过板式换热器预热后，助燃空气再经空气预热炉预热。热风炉采用两烧两送，交叉并联送风制度，预热炉采用一烧一送制度。在单纯燃烧高炉煤气的工况下，热风平均温度达到1 250 ℃以上。热风炉废气中氮氧化物（NOx）含量长期控制在30 mg/Nm3以下，远远低于2019年国家环保要求热风炉废气中NOx浓度不高于200 mg/m3的国家标准，很好地实现了热风炉废气的超低氮排放。

1 NOx产生的原因

NOx在燃烧过程中的生成机理，可分为燃料型、热力型、快速型3 种。在热风炉燃烧过程中，作为燃料的是高炉煤气，NOx的产生基本只存在热力型一种，燃料型和快速型基本可以忽略不计。

热力型NOx生成机理是1964 年由原苏联学者捷里道维奇提出的。捷里道维奇机理认为，热力型NOx是由混合气体中的N2与O2反应生成的，温度是热力型NOx的主要影响因素，随着反应温度的升高，其反应速率按指数规律增加。降低热力型NOx的生成主要措施为：1）降低燃烧温度，避免局部高温；2）降低氧气浓度；3）缩短在高温区内的停留时间。

2 实现低氮排放的优化措施

山钢日照的热风炉设计加热风量8 000 Nm3/min，拱顶温度1 420 ℃，热风温度1 300 ℃，高炉煤气消耗量274 000 Nm3/h。预热炉加热助燃空气量60 000 Nm3/h，助燃空气预热后温度500 ℃，预热炉高炉煤气消耗量36 600 Nm3/h。

根据氮氧化物热力学研究的成果，结合热风炉实际工作状态，降低NOx的方法也是从上述的三个方面出发，主要包括设备优化、燃料优化和操作优化3个方面。

2.1 热风炉设备优化

热风炉设备优化措施主要是优化热风炉陶瓷燃烧器结构。在热风炉设计阶段，通过对比国内外顶燃式燃烧器的结构优缺点，最终采用螺旋混合陶瓷燃烧器设计。这种燃烧器结构的主要优点包括：

1）这种结构可以有效提高高炉煤气和助燃风在燃烧器内部的混匀效果，使高炉煤气和助燃风在燃烧器内充分混匀，避免出现局部氧浓度过高造成的热力型NOx生成。

2）由于燃料和助燃风充分混匀后燃烧，可以将燃烧生成的热量充分吸收，且不会形成局部的高温区，避免出现局部温度过高造成的热力型NOx生成。

2.2 燃料的优化措施

热风炉的燃料是高炉煤气，高炉煤气中可燃成分越高，高炉煤气的发热值就越高，燃烧过程中就会在火焰尖峰形成局部的高温区域。温度的升高就会造成热力型NOx的生成。但低热值的高炉煤气会导致热风温度低，无法满足高炉需要。助燃风预热炉可以预热热风炉烧炉时的助燃风温度，从而解决因高炉煤气热值低导致的热风温度低的矛盾。

为了避免高炉煤气热值过高，作为燃料的高炉煤气的煤气利用率≮49.5%。高炉煤气利用率是高炉生产过程中的主要经济技术指标之一，只有高炉稳定顺行时才可以实现这个指标。热风炉的低NOx排放是高炉炼铁的系统问题，不能仅仅依靠热风炉操作和设备设施优化。

2.3 热风炉烧炉的优化措施

热风炉既要满足高炉的高风温需要，还要实现废气中的低NOx排放。在热风炉烧炉过程中要避免热风炉拱顶温度过高，还要满足高炉热风温度＞1 250 ℃；因此要适当减少升温期时间，增加蓄热期和饱和期时间，满足高炉的高风温需要。具体热风炉操作过程的优化措施包括：1）在热风炉所有工作时间内，热风炉拱顶温度始终≯1 380 ℃。2）热风炉开始烧炉到拱顶温度达到1 330 ℃时为热风炉升温期。升温期内煤气流量控制在195～200 km3/h。3）热风炉拱顶温度在1 330～1 360 ℃时为热风炉蓄热期。蓄热期内煤气流量为155～180 km3/h，蓄热期热风炉废气温度＜350 ℃。4）热风炉拱顶温度在1 360～1 380℃时为热风炉饱和期。饱和期内热风炉废气温度350～430 ℃，煤气流量为125～140 km3/h。5）在热风炉烧炉过程中的任何时间段，废气中氧气浓度控制在0.5%±0.2%，助燃风风量根据废气中氧气浓度进行自动调节。

3 取得的效果

结合NOx热力学研究和高炉热风炉的实际工况，通过采取针对性的控制措施，在不采取脱硝措施下，长期控制在30 mg/Nm3以下，低于国家环保要求，实现了热风炉废气的超低氮排放。在保证热风温度持续达到1 250 ℃的前提下，实现了热风炉的清洁生产。具体废气中NOx含量见图1（数值取自日照市环保局监测数据）。