关于脱硝工程热风炉排烟温度设置及材料选择应用

刘华煊　崔瑞萍　伍雄斌

摘  要：低温SCR脱硝，采用热风炉补燃升溫，提高烟气温度，促进SCR脱硝反应进行。研究热风炉形式选择、热风炉排烟温度的高低，对烟气输送管道建设成本及脱硝系统运营成本的影响。了解钢材和保温材料性能，根据钢材的性能和保温材料性能，合理选择钢材和保温方式，合理选择热风炉及设定热风炉排烟温度。

关键词：烟气脱硝;补燃升温;保温;不锈钢

前言

2019年4月生态环保部等五部委联合发表《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》（环大气[2019]35号）中指出，推进实施钢铁行业超低排放是推动行业高质量发展、促进产业转型升级、助力打赢蓝天保卫战的重要举措。为贯彻落实《政府工作报告》《中共中央国务院关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》《国务院关于印发打赢蓝天保卫战三年行动计划的通知》等有关要求。

钢铁行业烧结机、加热炉、石灰窑等燃烧烟气产生NOx、SO2、颗粒物等污染物排放超标。研究钢铁行业烧结机、加热炉、石灰窑烟气脱硝，通常采用SCR脱硝，即烟气与氨气接触，在催化剂的作用下，达到脱除NOx目标。钢铁行业烟气温度通常为80～150℃，为提高脱硝效果，采用提升烟气温度，增设热风炉补燃升温，促使脱硝反应烟气温度达到催化剂较好的催化反应温度区间。

焦炉煤气/高炉煤气在热风炉中燃烧，产生的高温烟气，温度1000～1200℃，高温烟气输送与原烟气混合，降低输送烟温，对热风炉类型选择、输送管道材料选型、烟气温度设置、运行安全性、运行经济性进行分析。

1 技术讨论分析

热风炉利用企业富余的燃气（如高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气、转炉煤气、各种工业尾气等）提供补燃，燃烧产生的高温烟气掺到主烟管中，提升烟气温度，达到SCR脱硝催化剂所需要的适宜温度。热风炉有2种形式，一种为直燃式，另一种为外置式。

直燃式热风炉，燃气在烟道内设置的燃烧筒内直接燃烧，燃烧产生的高温烟气温度在1000～1200℃，助燃风机分一部分冷空气冷却燃烧筒，使燃烧筒周围烟气温度控制在燃烧筒设备材料耐受温度以内运行，但烟气温度仍然过高，而烟道材质通常为普通碳钢材质，其耐温～350℃，运行中依靠烟道内的低温烟气及时将热风炉高温烟气带走，以确保热风炉周边烟道壁板温度不高于板材的耐温，保证运行安全。直燃式热风炉对设计、安装及运行要求挺高，需要合理的设计热风炉的布置及监测、严格合理的安装热风炉，并严格执行操作规程运行，方能保证热风炉安全运行，否则容易烧穿烟道，造成安全事故。热风炉布置在扁平烟道处，混风均匀性差。

外置式热风炉，烟气在炉膛内燃烧，燃烧室采用耐高温材料砌筑，为燃料在其中充分的燃烧提供足够的空间，材质上充分考虑燃烧时的耐高温性能以及烟气腐蚀。燃烧室前布置补风环，从掺混风机引来的一部分空气/低温烟气进入补风环，沿炉壁平行进入热风炉，极大保护了热风炉耐火层的同时维持了燃烧室燃烧温度，使热风炉出口能达到所需目标温度的同时保证了最稳定的燃烧氛围。外置式热风炉，产生的高温烟气，选用合适的耐温材料，经主管道输送至烟道附近，再由多个分支管道输送进脱硝入口扁平的烟道内，分支管道均匀布置在烟道上，用以保证烟道各处热烟气分布均匀。热风分布管见图1，烟气热量模拟见图2。

根据以上各材料的用途和耐温条件，用于热风炉烟气输送，可将热风炉出口烟气温度调节为3个温度等级，分别为350℃、600℃、800℃。350℃采用Q235B或Q355B材料管道，600℃采用304或316L不锈钢材料管道，800℃采用310S不锈钢材料管道。

以上三种设想，结合沧州双膛窑脱硝工程热风炉管道布置，分析管道选型，建设成本。

一定量的烟气，补燃升温40℃，所需要吸收的热量是一定的。控制热风炉出口管道烟气温度，是由热风炉掺混的空气量多少决定，进而影响热风炉出口烟气量、管道大小、焦炉煤气耗量、催化剂耗量、反应器截面大小等。故高温烟气温度越高，混合的空气量越少，反应器选型小，燃烧的煤气量越少，热风炉越节能。

高温烟气，采用310S不锈钢管道+硅酸铝岩棉输送烟气，亦可以采用耐高温内保温材料+普通碳钢材料制作。

根据以上材料性能，均能满足热风炉出口烟气温度要求，控制烟气温度800℃，材质耐温安全，材料使用寿命能够延长，且留有一定的安全裕量，故控制烟温800℃以内为宜。

2 经济分析

热风炉出口高温烟气，设定温度不同，对设备选型均有影响，根据温度不同，探讨各种设定条件的建设成本，如下：

由以上对比看出，烟气温度变化，影响反应器选型、催化剂量大小、管道建设成本、保温成本等，其中最主要影响催化剂量变化， 造成建设成本变化，温度越高，建设成本偏低， 每3年需更换一次催化剂，应尽可能提高烟气温度，可降低建设成本。

设定800℃排烟温度，选用310S不锈钢+硅酸铝岩棉、碳钢+陶瓷纤维板+浇注料两种设定条件建设成本对比，如下：

由以上对比看出，310S不锈钢+硅酸铝岩棉、碳钢+陶瓷纤维板+浇注料两种方式，建设成本有略微差异，相差较小。

根据热风炉出口烟气温度变化，研究温度变化与煤气耗量、电耗量、运行成本的关系曲线：

由烟温变化引起煤气耗量、风机功率、年运行成本变化曲线可知，最主要是煤气耗量造成的成本变化最大，热风炉出口烟气温度越高，消耗的煤气耗量急剧下降，煤气运行成本越低。

综合考虑建设成本和运营成本分析，烟气温度越高，建设成本和运行成本均降低，运营成本显著下降，提高温度越高，节能效果越明显。

3 工程应用

我司沧州2个项目，烟气输送管道烟气温度均控制在800℃以内，分别采用两种方案实施，碳钢+陶瓷纤维板+浇注料，310S不锈钢管道+硅酸铝岩棉保温。

轧钢厂热风输送管道采用碳钢管内衬陶瓷纤维板和浇注料。施工过程，管道内布置Z型304锚钩错列方阵布置，隔热层铺设陶瓷纤维板并锚固，工作层焊接龟甲网，再涂抹陶粒轻质保温浇注料，最后将工作层涂抹莫来石质耐火保温浇注料。双膛窑热风输送管道采用310S不锈钢钢管，外裹硅酸铝岩棉保温。

热风炉出口烟气温度均控制在800℃以内，轧钢厂脱硝工程热风管道过1年多运行，项目运行良好，现场检修观察，浇注料完整无裂痕。双膛窑输送管道轻盈，支架设置较方便，经过半年运行，一切正常。

结语

综合技术、安全运行、经济性能、工程应用效果，热风炉采用外置式，布置地面或空场地，采用高温烟气输送，烟气温度越高越好，受材料耐温限制，烟气温度控制800℃为宜，管道采用碳钢管道+陶瓷纤维板+浇注料或310S不锈钢管+硅酸铝岩棉保温均可，工程建设成本低，长期运行成本低，且运行成本远小于建设成本，使用效果较好，能够保证机组正常运行。

参考文献：

[1]李世柳 《石油化工常用钢材性能》 1997-03-014.

[2]生态环保部等五部委 《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》 2019年4月.

第一作者简介：刘华煊，男，江西九江人，工程师，从事节能环保工程的设计工作.