降低套筒窑氮氧化物排放的研究与实践

穆冀里，陈俊锋，闫川川，宋曙光，刘文远

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200）

0 引言

某大型钢铁厂白灰窑现有5 座套筒窑，近年来套筒窑排放物中氮氧化物含量在200 mg/Nm3左右，距离目标（100 mg/Nm3）仍有较大差距，为了适应新的环保要求，降低环境污染，急需进行烟气排放达标改造。介绍针对套筒窑氮氧化物排放超标的具体情况，通过优化工艺、改造设备，以达到降低氮氧化物的目的实际案例。

1 烟气中NOx 生成机理

氮氧化物的生成途径主要有3 种，即快速型氮氧化物、燃料型氮氧化物、热力型氮氧化物，在石灰煅烧过程中所生成的NOx主要为热力型，主要成分为NO 和NO2。燃料型和快速型所占比重较少。

热力型氮氧化物是指空气中的氮气和氧气在高温条件下反应生成NOx，为热力型NOx[1]。当火焰温度达到1400 ℃及以上时，氮氧化物的含量会大幅增加[2]。氧气和燃料气混合得越快、越充分，燃烧速度越快，火焰温度就越高，而随着过量空气百分比的增加，氮氧化物的排放量会增加。

高温下氮与氧的总反应式[3]：

NOx折算值的计算公式：

折算值是根据氮氧化物实测值和氧含量实测值通过上述公式进行折算后的结果；其中N实为氮氧化物实际测量浓度，O实为尾气中氧气实际测量浓度。

2 影响NOx 折算值的主要因素

某大型钢铁厂根据NOx的生成机理及折算值的计算公式，结合生产中实际情况，归纳出以下降低NOx折算值主要途径。

2.1 温度控制

由于NOx的形成与烧成温度有很强的相关性，试验表明燃烧温度从1200 ℃起，特别是在1400 ℃后的形成明显上升，而套筒窑的火焰温度峰值在这个区间。因此，要降低NOx的生成，就必须控制好火焰温度。

上部燃烧室是欠氧燃烧，在助燃空气流量不变时增高煤气的流量，导致燃烧室温度由原来的（1280±30）℃降到（1200±30）℃，但仍在允许范围内。下部燃烧室在降低空气消耗的同时减少煤气供给量，燃烧室温度由原来的（1250±30）℃降到（1180±30）℃，但由于燃烧产物生成量的减少造成并流煅烧带的有效热能总量减少，其直接后果是循环气体的温度降低。循环气体的温度直接反映并流煅烧带的温度，此温度降低就意味着并流煅烧带的温度降低，石灰质量就不能得到保证。套筒窑工艺操作从根本上来说就是稳定循环气体温度。为了使流过并流煅烧带的烟气有足够的有效热能，可行的方法是在喷射器喷管的设计中提高喷管的压力比，使驱动空气获得更大的引射动量以强化高温气体在并流煅烧带中的循环，从而保证石灰质量。

2.2 空燃比操作

燃烧过程中，空气与燃气的比例和温度直接影响燃烧室的燃烧情况，空气不足会导致燃料燃烧不充分；如果空气过剩，根据NOx的折算值计算公式，则会导致NOx折算值急剧升高，所以合理控制空气与燃气比例是控制NOx折算值至关重要的一步。

找到NOx折算值与温度、空燃比之间的关系，确定合理的控制范围（图1）。通过线性回归，得到：

图1 氮氧化物等值线图

氮氧化物折算值=1265-0.555（温度）-1458（空燃比）+306（空燃比×空燃比）+0.534（温度×空燃比）。

根据方程，氮氧化物折算值与空燃比、温度正比、空燃比×空燃比及温度×空燃比有以上关系；按白灰的质量要求，温度不能过低，应取适当温度。综合考虑，空燃比取1.55～1.65，燃烧室温度取（1200±30）℃。

2.3 采用新型烧嘴

烧嘴主要影响火焰的形状及火焰的温度分布，一般情况下烧嘴采用多通道的结构形式，由于烧嘴气孔较少，且分布不合理，烧嘴燃烧过程中火焰呈现亮白色、亮红色，外焰温度较高，最高可达到1400～1500 ℃，会增加NOx的生成。

通过对烧嘴与助燃空气风道结构和断面大小的调整，优化烧嘴结构设计，可以有效避免外焰局部高温，降低NOx的形成概率（图2）。低氮烧嘴采用“多点小烧嘴”，使燃气和空气混合更充分，燃烧火焰分层明显的亮白色变为淡蓝色火焰，外焰温度降低。燃烧室内温度分布更加均匀，减少局部高温情况的出现。

图2 烧嘴

2.4 增加煤气排水器

某大型钢铁企业筒窑所使用的转炉煤气中含有大量水分，煤气水分大造成煤气热值不稳定、压力波动、烧嘴腐蚀、堵塞等问题，甚至造成套筒窑燃烧室单室脱火或灭火现象发生。灭火、烧嘴堵塞势必增加煤气用量，导致窑炉内局部温度升到，NOx也会上升。

针对以上情况采取的措施为：在煤气管道总管及每座套筒窑的煤气管道末端增加煤气排水器，保证进入燃烧室的煤气干燥，同时避免管道结构，改善烧嘴灭火的情况（图3）。

图3 煤气排水器

加装煤气排水器后对煤气进行取样化验，得到结果见表1。

表1 两组转炉煤气样品成分 %

经计算可得，煤气B 比煤气A 热值低68.14 kcal/Nm3（285.1 kJ/Nm3），即针对样品A 和样品B 而言，含有水分的样品比干燥后的样品单位体积热值低68.14 kcal/Nm3。

由以上计算结果可见，水分对煤气热值的影响比较明显，从而在窑炉内对NOx产生较大间接影响；通过加装煤气排水器，增加大煤气管道放水频率，可减少煤气含水量，降低对NOx产生的影响。

2.5 其他控制措施

除以上所提到的控制NOx的措施外，管道及窑体的密封、加料频率等均对尾气中的氧含量造成一定的影响。需要从出灰系统、煅烧系统、换热系统、上料系统进行全密封，以减少氧含量增高，从而降低NOx的折算值。

3 改善效果

改善前后氮氧化物对比如图4 所示，某大型钢铁厂套筒窑尾气排放中NOx折算值，改善前及改善后的对比，NOx折算值由最初的月均153 mg/Nm3，降低到月均64.77 mg/Nm3，符合现行环保要求（≤100 mg/Nm3）

图4 改善前后氮氧化物对比

4 结语

研究套筒窑NOx的生成机理和降低排放的技术手段，环保意义重大，同时也为国内套筒窑的尾气达标排放提供可行方案。此方案不需要对窑体进行大规模设备改造，相对于其他方案来说成本较低，简单有效，便于操作。