1  前言

高爐煉鐵能耗約占鋼鐵工業(yè)能耗的40%以上，因此煉鐵工序的節(jié)能降耗尤為重要。熱風(fēng)爐是高爐煉鐵的重要設(shè)備之一，通過熱風(fēng)爐供給高爐的熱量約占煉鐵生產(chǎn)能耗的30%，所消耗的煤氣約占高爐所產(chǎn)煤氣的50%以上。提高熱風(fēng)爐送風(fēng)溫度時最有效最經(jīng)濟的節(jié)能措施。

中國是世界鋼鐵生產(chǎn)的大國，年產(chǎn)量居世界第一位，2018年，中國生鐵累計產(chǎn)量為7.71億噸，而在冶煉一噸生鐵時就會產(chǎn)生3000m3左右的副產(chǎn)品——高爐煤氣，這其中有30%-40%的高爐煤氣作為加熱燃料被熱風(fēng)爐利用，現(xiàn)代熱風(fēng)爐要求達到1250℃以上的高風(fēng)溫，同時要降低CO、NO_X等污染物的排放，實現(xiàn)熱風(fēng)爐高風(fēng)溫、長壽命、低排放。

高爐煤氣的特點是可燃成分低，燃燒不穩(wěn)定，燃燒溫度低，煙氣量大，熱風(fēng)爐一般采用穩(wěn)定強化燃燒的措施，來獲取更高的拱頂溫度，近年來工程師發(fā)現(xiàn)過高的拱頂溫度將帶來燃燒過程中氮氧化物（NO_X）的大量生成，造成大氣環(huán)境的污染以及熱風(fēng)爐拱頂出現(xiàn)晶間應(yīng)力腐蝕，當(dāng)拱頂溫度≥1420℃，燒燒產(chǎn)物中NO_X的含量急劇升高，燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣在溫度降低到露點以下時冷凝成液態(tài)水，NO_X與冷凝水結(jié)合形成酸性腐蝕介質(zhì)，對熱風(fēng)爐爐殼鋼板產(chǎn)生晶間應(yīng)力腐蝕，因此現(xiàn)有的常規(guī)熱風(fēng)爐一般將拱頂溫度控制在1420℃以下，旨在降低NO_X的生成量，抑制爐殼晶間應(yīng)力腐蝕，但是因此缺限制了熱風(fēng)爐送風(fēng)溫度的進一步提高。因此設(shè)計開發(fā)出一種改變常規(guī)熱風(fēng)爐燃燒過程，進一步提高送風(fēng)溫度，同時降低低CO、NO_X等污染物的排放的高風(fēng)溫高效長壽熱風(fēng)爐，成為克服上述技術(shù)難題的必要條件。

2  熱風(fēng)爐NO_X形成機理與控制技術(shù)

氮氧化物(NO_x)是造成大氣污染的主要污染源之一。通常所說的NO_x有多種不同形式: N₂O、NO、NO₂、N₂O₃、N₂O₄和N₂O₅，其中NO和NO2是重要的大氣污染物，另外還有少量N₂O。氮氧化物的生成量和排放量與燃燒方式，特別是燃燒溫度和過量空氣系數(shù)等燃燒條件關(guān)系密切。

在燃燒過程中，產(chǎn)生NO_X分為以下三類：（1）在高溫燃燒時，空氣中的N₂和O₂在燃燒中形成的NO_X，稱為熱力型NO_X；（2）燃料中有機氮經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)而生成的NO_X，稱為燃料型NO_X；（3）快速型NO_x的生成機理是指燃料在過?？諝庀禂?shù)小于1的情況下，在火焰面內(nèi)急劇生成大量的NO_x。

熱力型NO_x的生成機理由Zeldovich于1964年提出，其生成是在高溫下由氧原子撞擊氮分子而發(fā)生下列鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的結(jié)果：

公式（1）

其中，第一式起主導(dǎo)控制作用，而該式的反應(yīng)條件是溫度高于1500℃，所以NO_x的生成與溫度有關(guān)見圖1。按照這一機理，空氣中的N₂在高溫下氧化，是通過一組不分支的連鎖反應(yīng)進行的，整個反應(yīng)的速度，正比于氧原子的濃度，隨著溫度的上升，氧原子濃度增大，總的反應(yīng)速度增大。由于總反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，所以升溫有利于提高NO_x的轉(zhuǎn)化率，同樣降溫會使熱力型NO_x的形成受到明顯抑制。

圖1  NO_X生成量與拱頂溫度之間關(guān)系

因此，熱力型NO_x生成速度與燃燒溫度關(guān)系很大，故又稱為溫度型NO_x。影響熱力型NO_x生成量的主要因素是溫度、氧氣濃度和在高溫區(qū)停留時間，由此而得到控制熱力NO_x生成量的方法概括為：降低燃燒溫度水平，避免局部高溫；降低氧氣濃度；燃燒在偏離理論空氣量的條件下進行，縮短在高溫區(qū)內(nèi)的停留時間。

3  低NO_x燃燒技術(shù)是降低熱風(fēng)爐熱力型NO_x排放的主要技術(shù)措施

NO_x的形成起決定作用的是燃燒區(qū)域的溫度和過量空氣系數(shù)，因此，通過控制燃燒區(qū)域的溫度和空氣量，已達到阻止NO_x的生成及降低其排放的目的，我們稱該技術(shù)為低氮燃燒技術(shù)。對低氮燃燒技術(shù)的要求是，在降低NO_x的同時，使熱風(fēng)爐燃燒穩(wěn)定，且煙氣含CO量不能超標(biāo)。為了控制燃燒過程中NO_x的生成量所采取的措施原則為：(1)降低過量空氣系數(shù)和氧氣濃度，使高爐煤氣在缺氧條件下燃燒；(2)降低燃燒溫度，防止產(chǎn)生局部高溫區(qū)；(3)縮短煙氣在高溫區(qū)的停留時間等。低NO_x燃燒技術(shù)主要包括：低過?？諝庀禂?shù)、低NO_x燃燒器、煙氣再循環(huán)。

4  錐柱復(fù)合型頂燃式熱風(fēng)爐低NO_x燃燒技術(shù)介紹

4.1  低過?？諝庀禂?shù)運行

熱力型NO_x的生成是一種緩慢的反應(yīng)過程，是由燃燒空氣中的N與反應(yīng)物如O和OH以及分子O反應(yīng)而成的。傳統(tǒng)頂燃式熱風(fēng)爐在實際操作中空氣過剩系數(shù)普遍＞1.1，錐柱復(fù)合式頂燃熱風(fēng)爐選取空氣過剩系數(shù)為1.03，使燃燒過程盡可能在接近理論空氣量的條件下進行,隨著煙氣中過量氧的減少,可以抑制NO_X的生成。這是一種最直接的降低NO_X排放的方法，一般可降低NO_X排放15%~20%。

4.2  開發(fā)頂燃熱風(fēng)爐用低NO_x燃燒器

4.2.1  燃燒器三維空間渦旋燃燒技術(shù)

燃燒器是工業(yè)爐等爐窯的關(guān)鍵性設(shè)備，它的性能對工業(yè)爐窯的產(chǎn)量、能耗、環(huán)保等經(jīng)濟指標(biāo)有很大的影響。低污染燃燒技術(shù)，特別是低NO_x燃燒技術(shù)是燃氣技術(shù)研究者的重要課題之一。合理組織燃燒，設(shè)計和改進燃燒器結(jié)構(gòu)，改善燃燒性能，提高燃燒設(shè)備熱效率減少環(huán)境污染問題是新型燃燒器設(shè)計的重點與難點。

在燃燒技術(shù)中，旋轉(zhuǎn)射流兼有旋轉(zhuǎn)穩(wěn)流運動，自由射流和穩(wěn)流的特點，因此它是強化燃燒和組織火焰形態(tài)的有效燃燒方法。針對NO_x排放問題，在合理的空燃比技術(shù)上采用三維旋流更是可以明顯減少NO_x的生成；三維渦旋燃燒器的一個顯著特點就是能夠產(chǎn)生回流區(qū)，使氣體回流，回流的強度和回流區(qū)大小是衡量旋流燃燒器的一個重要的特性指標(biāo)。回流區(qū)面積越大回流強度越強，位置越靠近火焰根部，燃燒狀況越好，爐膛溫度越均勻，越不容易產(chǎn)生局部高溫，從而降低了NO_x的生成量。

圖2為錐柱復(fù)合式頂燃熱風(fēng)爐燃燒器的結(jié)構(gòu)圖。錐柱復(fù)合型的混合室設(shè)置有多層環(huán)狀的煤氣和空氣環(huán)道，每層環(huán)道上設(shè)置有多個噴口結(jié)構(gòu)，這種頂燃熱風(fēng)爐的特點不僅降低了拱頂高度，更主要的是把傳統(tǒng)頂燃爐燃燒器的平面旋流混合流場，改進為三維空間渦旋流場。采取“空煤氣空間（三維）旋流與平面(切圓)細流高速噴射”關(guān)鍵技術(shù)，煤氣噴口布置在混合室的錐臺部位。噴口分多層從錐面的不同徑向以一定旋轉(zhuǎn)角度高速噴出，再與圓柱部位的多環(huán)噴口助燃空氣噴出的高速細流旋轉(zhuǎn)混合，能夠有效強化高溫燃燒產(chǎn)物和未燃燒燃料在回流區(qū)的混合過程，并且形成穩(wěn)定的點火源和活化中心，燃燒火焰穩(wěn)定性好，節(jié)能、高效、低污染，燃燒器負荷調(diào)節(jié)比大，火焰動量可調(diào)節(jié)。產(chǎn)生的回流區(qū)可將熱量和活性中心傳給未燃混合氣體，從而建立一個穩(wěn)定的點火源，保持火焰穩(wěn)定燃燒，同時縮短了煙氣在高溫區(qū)停留時間，降低了NO_x的排放，安耐克錐柱復(fù)合式頂燃熱風(fēng)爐工業(yè)應(yīng)用實測值為35-76mg/m³，遠低于《鋼鐵工業(yè)大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)》150mg/m³的排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 錐柱復(fù)合式頂燃熱風(fēng)爐燃燒器的結(jié)構(gòu)圖

4.2.2  低NO_x燃燒器燃燒狀況的數(shù)值模擬

CFD流體仿真技術(shù)的應(yīng)用可有效的降低設(shè)計成本，它用數(shù)值計算方法直接求解流動仿真，發(fā)現(xiàn)各種流動現(xiàn)象，包括計算水動力學(xué)、計算空氣動力學(xué)、計算燃燒、計算傳熱學(xué)、計算化學(xué)反應(yīng)流動等研究方向。近幾年來，我們用仿真技術(shù)研究了熱風(fēng)爐拱頂空間煙氣流動及燃燒特性，對各類頂燃式熱風(fēng)爐進行過仿真研究。目前計算流體力學(xué)的計算機數(shù)值模擬方法已經(jīng)是項目開展前期設(shè)計的重要手段，用仿真的方法篩選出本項目中的最優(yōu)方案作為冷態(tài)實驗和工業(yè)應(yīng)用的依據(jù)。

利用CFD自帶的湍流流動模型、燃燒模型輻射換熱模型，對錐柱復(fù)合式頂燃熱風(fēng)爐進行數(shù)值模擬，獲得燃燒器內(nèi)流場、溫度場和濃度場分布。

4.2.3  低NO_x燃燒器溫度場與火焰狀態(tài)

圖3是錐柱復(fù)合式頂燃熱風(fēng)爐在理論燃燒溫度均為1380℃時燃燒室內(nèi)溫度場和火焰狀態(tài)的對比情況。通過Y=0、Z=1可以看出在格磚平面以上1米高度上煤氣達到全部燃燒。同時從圖中清晰看到整個燃燒室內(nèi)溫度分布均勻，幾乎沒有局部的高溫區(qū)。格子磚表面的溫度均勻度達到99%以上，格子磚上表面溫度分布均勻性性對熱風(fēng)爐而言非常重要，溫度均勻分布的煙氣能夠提高格子磚的傳熱效率和延長格子磚的壽命，格子磚的蓄熱能力也能得到充分利用。

圖3 Y=0 燃燒器縱截面溫度分布

   圖4 Z=1格子磚平面溫度分布

4.2.4  低NO_x燃燒器濃度場、速度場分布

圖5是錐柱復(fù)合式頂燃熱風(fēng)爐燃燒器CO濃度分布，工況下煤氣與空氣混合后燃燒比較充分，高濃度的CO主要分布在喉口以上部位，而格子磚表面的CO濃度接近于0，煤氣得到完全燃燒。圖6在高速三維渦旋混合氣流的作用下，燃氣射流與空氣流的摻混和卷吸作用增強，在燃燒區(qū)域內(nèi)形成了一個明顯的回流區(qū)，中心回流區(qū)直接卷吸下部已經(jīng)開始燃燒的高溫?zé)煔饣亓髦粱旌蠚饬鞯母浚〝U口區(qū)），提高了燃燒火焰的穩(wěn)定性和速度，減少混合氣體在高溫點火區(qū)和穩(wěn)焰區(qū)的停留時間，讓溫度較低的煙氣和熾熱的燃燒產(chǎn)物盡快混合，達到降低NO_x污染物排放，提高燃燒效率。

圖5 Y=0 燃燒器縱截面CO濃度場分布

  圖6 Y=0 燃燒器縱截面速度場分布

5  提高熱風(fēng)爐的溫度效率

在許多現(xiàn)役熱風(fēng)爐上燃燒末期最高的拱頂溫度與送風(fēng)溫度之間的差值(溫度效率)存在著很大的差距：在傳統(tǒng)的以大孔徑格子磚為蓄熱體的熱風(fēng)爐上這一溫度差達到150～180℃，錐柱復(fù)合型頂燃式熱風(fēng)爐保證拱頂溫度＜1400℃情況下，通過強化蓄熱面積，將傳統(tǒng)的拱頂溫度與送風(fēng)溫度之間的差值減小到80℃～100℃，在同樣拱頂溫度的條件下，可以提高50～80℃的風(fēng)溫。

加大熱風(fēng)爐的燃燒率，改進爐篦子的材質(zhì)，采用新型結(jié)構(gòu)的篦子，將熱風(fēng)爐燃燒末期的最高廢氣溫度提高到≥400～450℃；利用較高溫度的熱風(fēng)爐廢氣，通過換熱器將煤氣和助燃空氣預(yù)熱到≥200～230℃。

因此，我們的熱風(fēng)爐設(shè)計的基本技術(shù)路線是：縮小拱頂溫度與送風(fēng)溫度差值，實現(xiàn)以100%的高爐煤氣作為熱風(fēng)爐燃料，雙預(yù)熱煤氣和助燃空氣，獲得≥1250℃的送風(fēng)溫度。

6  結(jié)論

1）當(dāng)熱風(fēng)爐拱頂溫度≥1420℃，燒燒產(chǎn)物中NO_X的含量急劇升高，對熱風(fēng)爐爐殼鋼板產(chǎn)生晶間應(yīng)力腐蝕，現(xiàn)代熱風(fēng)爐拱頂溫度應(yīng)控制在1400℃以下，保證熱風(fēng)爐鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命。

2）通過對NO_x生成機理的討論,高爐煤氣燃燒時主要產(chǎn)生的NO_x為熱力型NO_x,低NO_x燃燒技術(shù)是降低熱風(fēng)爐熱力型NO_x排放的主要技術(shù)措施，低NO_x燃燒技術(shù)主要包括：低過?？諝庀禂?shù)、低NO_x燃燒器、煙氣再循環(huán)。

3）采用多層燃燒器的布置,把燃燒器組設(shè)計成錐柱復(fù)合型結(jié)構(gòu),實現(xiàn)三維渦旋強力混合燃燒,在實現(xiàn)同等風(fēng)溫的條件下，可減少CO的消耗，并降低NO_x的生成,使熱風(fēng)爐NO_x排放達標(biāo),不僅解決了CO的污染,而又沒有產(chǎn)生新的污染氣體,使之成為一種環(huán)保型高溫送風(fēng)裝備。