1 、應用低NOx燃燒技術的必要性

　　首鋼遷鋼2160mm熱軋加熱爐爐型結構新穎簡單、工程造價低、操作維護方便，為保證在特定爐寬中爐膛溫度均勻性，該爐型決定了其必須采用火焰長度達到5.5m的燃燒裝置。目前國內燒嘴廠生產制造的混合煤氣調焰燒嘴火焰最長一般只達到5m左右，且火焰質量欠佳，NOx排放大，滿足不了設計要求。經過多次考察和查閱資料、文獻，首鋼國際工程公司技術團隊發現低NOx燃燒技術可以解決此項難題。該技術依靠低NOx混合煤氣燃燒裝置，不僅可以輕易實現5.5m的高質量長火焰，而且依靠其特殊的燃燒機理可以有效降低NOx的排放水平，實現一舉多得的目的。經過多次研討和技術方案對比后，技術團隊決定在首鋼遷鋼2160㎜熱軋項目加熱爐上應用該項技術，以期實現提高加熱質量和實現節能減排之目的。

　　2、 低NOx燃燒技術介紹

　　低NOx燃燒技術利用低NOx混合煤氣燃燒裝置，采用二級燃燒機理，產生長度長、溫度均勻性好的火焰，同時破壞產生NOx條件，最大限度降低NOx的排放水平。

　　2.1 燃燒機理及低NOx排放的實現

　　2.1.1燃燒機理

　　低NOx燃燒技術采用二級燃燒機理，就是通過控制二次風的供給，使燃料經過一次缺氧燃燒和二次完全燃燒，延長燃料燃燒過程，增長火焰長度，避免火焰產生局部高溫。低NOx混合煤氣燃燒裝置的一次助燃空氣和二次助燃空氣從前面兩個獨立支管進入爐膛，二次助燃空氣在爐內與煤氣邊混合邊燃燒，使得火焰長度增長；同時二次助燃空氣高速噴入爐內時發生卷吸作用，一部分爐內煙氣被卷吸到煤氣燃燒區域，這樣有效增長了火焰長度，同時提高沿爐寬方向爐氣溫度均勻性，提高加熱爐的加熱質量。

　　2.1.2低NOx排放的實現

　　NOx的生成必須具備兩個條件，一是足夠高的溫度，二是燃燒區域O2的濃度。

　　低NOx混合煤氣燃燒裝置采用二級燃燒方式，一次風在與煤氣在爐內混合燃燒時，由于風量在0～30％范圍調節，燃燒所需要的O2嚴重不足；同時一次風旋轉包裹著煤氣高速噴入爐內，卷吸一部分煙氣進入一次燃燒區域，因此燃料在一級燃燒區域內發生不完全燃燒，火焰中心溫度得到有效降低，一般低于傳統火焰中心溫度150℃左右，在此區域可以有效抑止NOx的生成。在沿火焰長度方向上，二次風與主火焰在一起前進的同時發生卷吸作用，不斷給一次燃燒區域供給空氣，同時發生二次燃燒，這樣不僅保證燃料的完全燃燒，避免燃燒區域氧氣過剩，而且在延長火焰長度的同時使火焰的形狀發生改變，既實現了火焰溫度均勻控制，破壞了NOx的產生條件，增強了爐氣的擾動，使爐內溫度更加均勻。

　　2.2 低NOx混合煤氣燃燒裝置結構

　　低NOx混合煤氣燃燒裝置是由主噴嘴組合和二次空氣噴管組成。如圖1所示，主噴嘴組合包括中心空氣噴嘴①、一次空氣噴嘴②和燃料噴嘴③三部分，它們三者通過兩對同心法蘭A、B連接；一次空氣噴嘴②和燃料噴嘴③之間設有旋流片a，端頭安裝有由螺紋連接的耐熱鋼噴頭e；二次助燃空氣噴管與主噴管分離，置于主噴管旁；主噴嘴組合和二次空氣噴管④由法蘭板C與爐墻鋼板相連接；燒嘴磚與爐墻構成一體；一次空氣噴嘴②、燃料噴嘴③和二次助燃空氣噴管④設有壓力測量管b；二次助燃空氣噴管④端頭設有火焰觀測孔c。這種燃燒裝置結構體積小，結構簡單，功能性強，安裝方便，且使用壽命長。

　　圖1. 低NOx混合煤氣燃燒裝置結構示意圖

　　①中心空氣噴嘴；②一次空氣噴嘴；③燃料噴嘴；④二次空氣噴管；⑤爐墻燒嘴噴口通道；a旋流片；b壓力測量管；c火焰觀測孔；d點火孔；e耐熱鋼噴頭；A、B同心法蘭；C法蘭板

　　2.3  低NOx混合煤氣燃燒裝置性能參數

　　低NOx混合煤氣燃燒裝置按兩級燃燒原理進行設計，是為延長燃燒過程，降低火焰溫度的高峰，以便減少NOx的生成量。其中心風約占3％～5％，一次風約占20％～30％，二次風約占80％～70％，通過調節調焰燒嘴火焰調節閥改變一次風與二次風比例來調節火焰長度。由于中心風技術的應用，燒嘴在低負荷工作時，即可以保證火焰長度和剛度，也可以得到最低的NOx產生量。此次步進加熱爐設計的側部供熱采用上面介紹的帶中心風的低NOx調焰燒嘴。這在爐寬加大的情況下有利于板坯在加熱過程中沿爐寬方向上的溫度均勻性。其性能參數如表1所示。

　　表1  低NOx混合煤氣燃燒裝置基本參數

　　3 低NOx混合煤氣燃燒裝置改進

　　在應用過程中，技術團隊根據實際狀況，結合以往生產操作經驗，為達到維修方便、安裝簡單、經濟耐用等目的，對低NOx混合煤氣燃燒裝置的結構進行改進和優化，具體工作如下：

　　(1) 由于現場使用的燃料為高、焦混合煤氣，煤氣成分復雜，經常會出現噴口結焦、結垢等現象，嚴重時會影響流通面積，影響火焰形狀，所以要定期對燒嘴噴口進行清理。為便于清理工作的進行，盡可能縮短維修時間，技術團隊將中心風噴管與燃料噴管的連接由原來的焊接改為法蘭連接，這樣在清理噴頭時只需將其拆下抽出即可，不需將燒嘴整體拆下。

　　(2) 另一方面，為便于燒嘴噴頭的清理與更換，技術團隊將煤氣噴頭與噴管的連接形式由原來的焊接改為螺紋連接，這樣一旦出現噴頭堵塞、燒損變形等狀況，只需將其拆下更換即可，不用整體更換燒嘴。這樣不但可以減少備件投資，也縮短了檢修時間。

　　(3) 燒嘴磚在燒嘴安裝時與爐墻一起澆注而成，其中燒嘴磚上二次空氣噴口可以根據燃料及燃燒機理需要設計成不同形狀，如月牙形、圓型、長方形等。

　　4改進后的工業熱試

　　為檢驗改進后低NOx混合煤氣燃燒裝置的實際使用性能，技術團隊決定在2號加熱爐均熱段下部第二個燒嘴和第二加熱段上部第二個燒嘴的位置安裝改進型低NOx混合煤氣燃燒裝置，進行實際工況的試驗。結合2號加熱爐實際烘爐進度情況進行了實際工況的運行試驗。

　　4.1 試驗方案

　　(1) 由于本次燒嘴試驗配合2#加熱爐烘爐同步進行，因此試驗燒嘴閥門的初始開度按如下設定：一次空氣: 開30°；二次空氣: 開90°；中心空氣: 開90°；混合煤氣: 開15°。

　　(2) 先開均熱下西側第2個燒嘴(改進型)和均熱下東側第2個燒嘴（原型），嘴前閥門開度大小按照步驟A設定。

　　(3) 各個供熱段空、煤氣流量設定值按照加熱爐烘爐細則設定。

　　(4) 萬一出現燒嘴燃燒不穩定的情況，可以將中心空氣手動閥門關閉。

　　(5) 在確認調焰燒嘴穩定燃燒以后，開始進行試驗燒嘴嘴前閥門調節，觀察火焰長度、剛度以及外形的參數。

　　4.2試驗結果

　　通過試驗，可以得出如下試驗結果：

　　(1) 低NOx混合煤氣燃燒裝置實現了兩級燃燒技術，能夠有效降低燃燒產物中NOx的含量。

　　(2) 低NOx混合煤氣燃燒裝置具有良好的火焰紊流度和剛度。

　　(3) 低NOx混合煤氣燃燒裝置具備大調節比性能。

　　(4) 在小流量燃燒狀態小火焰長度長、剛性好。在燒嘴前閥門開度為15°時，火焰長度達到4.6m；在嘴前煤氣閥門開度為90°時，爐內火焰長度達到5.5m。

　　(5) 低NOx混合煤氣燃燒裝置火焰平、直、長，爐寬方向上溫度均勻。

　　(6) 應用低NOx燃燒技術，CO2 、SO2、NOX等燃燒污染物的排放量大大減少。特別是NOx含量，經檢測煙氣成分中NOx含量為23PPm，遠遠低于一般燒嘴100PPm的含量。

　　通過試驗觀察和初步檢測：低NOx混合煤氣燃燒裝置最大特點就是具有大調節比性能，在小流量燃燒狀態下火焰長度長、剛性好，可以滿足超寬板坯加熱爐的加熱要求。它采用特殊的供風技術，以保證爐膛寬度方向上的溫度均勻。并且采用空氣、混合煤氣二次燃燒技術，減少NOx生成，滿足環保要求。

　　通過現場反復測量數據，不斷分析摸索，得出火焰長度和剛度與嘴前空、煤氣壓力以及一次風、二次風開啟度有很大關系:一次風的開啟度與火焰長度成反比；在烘爐或低溫(≤800℃)點火時一次風一定要打開，確保與二次風的比例關系(30%:70%),使混合煤氣充分燃燒；燒嘴前中心風壓力要保持穩定，一般保持在4000Kpa左右。圖3為火焰長度與助燃風機壓力變化趨勢的關系。在此基礎上側燒嘴火焰調節控制要點。

　　圖3 火焰長度與燒嘴嘴前壓力關系

　　通過試驗和對比表明，低NOx燃燒技術完全符合最初設計目的，實現了提高加熱質量和降低NOx排放的雙重目的。

　　5  市場、經濟和環境效益

　　5.1市場效益

　　通過低NOx燃燒技術的應用使首鋼國際工程公司在寬體加熱爐燃燒系統和低NOx技術領域獲得了寶貴的經驗和成功的實例。實踐證明，該項目的成功實施為首鋼國際工程公司工業爐事業部在大型板坯加熱爐技術領域的發展奠定了基礎，同時也大大提升了其在同行業中的競爭力，為首鋼遷鋼1580mm熱軋加熱爐、首鋼京唐2250mm熱軋、首鋼京唐1580mm熱軋加熱爐等項目打下了基礎。

　　5.2經濟和環境效益

　　通過低NOx燃燒技術在遷鋼2160mm熱軋加熱爐上的成功應用，使該爐子噸坯能耗大大降低，一年可以直接和間接創造經濟效益550多萬元。環境效益也特別明顯，CO2、SO2、NOx等燃燒污染物的排放量大大減少。特別是NOx含量，經檢測煙氣成分中NOx含量為23ppm，遠遠低于一般燒嘴100ppm的含量，每年減少的NOx排放量相當可觀。通過該項技術的應用，首鋼國際工程公司在加熱爐節能減排領域有了新的成功實例，獲得了良好的經濟效益、環境效益和社會效益，為首鋼加熱爐節能減排提供了新的模式。

　　6 技術研發團隊

　　首鋼國際工程公司積極汲取、消化國內外先進技術，與科研院所和生產企業緊密合作，形成了獨有的研究、設計和生產操作技術優勢。公司工業爐專業技術團隊將再接再厲充分利用多年來積累的技術成果，充分發揮與生產操作密切結合的優越條件，將加熱爐低NOx燃燒技術不斷創新發展。