1 、應(yīng)用低NOx燃燒技術(shù)的必要性

　　首鋼遷鋼2160mm熱軋加熱爐爐型結(jié)構(gòu)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(nèi)燒嘴廠生產(chǎn)制造的混合煤氣調(diào)焰燒嘴火焰最長一般只達到5m左右，且火焰質(zhì)量欠佳，NOx排放大，滿足不了設(shè)計要求。經(jīng)過多次考察和查閱資料、文獻，首鋼國際工程公司技術(shù)團隊發(fā)現(xiàn)低NOx燃燒技術(shù)可以解決此項難題。該技術(shù)依靠低NOx混合煤氣燃燒裝置，不僅可以輕易實現(xiàn)5.5m的高質(zhì)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(xiàn)一舉多得的目的。經(jīng)過多次研討和技術(shù)方案對比后，技術(shù)團隊決定在首鋼遷鋼2160㎜熱軋項目加熱爐上應(yīng)用該項技術(shù)，以期實現(xiàn)提高加熱質(zhì)量和實現(xiàn)節(jié)能減排之目的。

　　2、 低NOx燃燒技術(shù)介紹

　　低NOx燃燒技術(shù)利用低NOx混合煤氣燃燒裝置，采用二級燃燒機理，產(chǎn)生長度長、溫度均勻性好的火焰，同時破壞產(chǎn)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(xiàn)

　　2.1.1燃燒機理

　　低NOx燃燒技術(shù)采用二級燃燒機理，就是通過控制二次風(fēng)的供給，使燃料經(jīng)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(chǎn)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(nèi)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(nèi)時發(fā)生卷吸作用，一部分爐內(nèi)煙氣被卷吸到煤氣燃燒區(qū)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(zhì)量。

　　2.1.2低NOx排放的實現(xiàn)

　　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(qū)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(fēng)在與煤氣在爐內(nèi)混合燃燒時，由于風(fēng)量在0～30％范圍調(diào)節(jié)，燃燒所需要的O2嚴(yán)重不足；同時一次風(fēng)旋轉(zhuǎn)包裹著煤氣高速噴入爐內(nèi)，卷吸一部分煙氣進入一次燃燒區(qū)域，因此燃料在一級燃燒區(qū)域內(nèi)發(fā)生不完全燃燒，火焰中心溫度得到有效降低，一般低于傳統(tǒng)火焰中心溫度150℃左右，在此區(qū)域可以有效抑止NOx的生成。在沿火焰長度方向上，二次風(fēng)與主火焰在一起前進的同時發(fā)生卷吸作用，不斷給一次燃燒區(qū)域供給空氣，同時發(fā)生二次燃燒，這樣不僅保證燃料的完全燃燒，避免燃燒區(qū)域氧氣過剩，而且在延長火焰長度的同時使火焰的形狀發(fā)生改變，既實現(xiàn)了火焰溫度均勻控制，破壞了NOx的產(chǎn)生條件，增強了爐氣的擾動，使?fàn)t內(nèi)溫度更加均勻。

　　2.2 低NOx混合煤氣燃燒裝置結(jié)構(gòu)

　　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?nèi)咄ㄟ^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(shè)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(gòu)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(shè)有壓力測量管b；二次助燃空氣噴管④端頭設(shè)有火焰觀測孔c。這種燃燒裝置結(jié)構(gòu)體積小，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)

　　低NOx混合煤氣燃燒裝置按兩級燃燒原理進行設(shè)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(fēng)約占3％～5％，一次風(fēng)約占20％～30％，二次風(fēng)約占80％～70％，通過調(diào)節(jié)調(diào)焰燒嘴火焰調(diào)節(jié)閥改變一次風(fēng)與二次風(fēng)比例來調(diào)節(jié)火焰長度。由于中心風(fēng)技術(shù)的應(yīng)用，燒嘴在低負(fù)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(chǎn)生量。此次步進加熱爐設(shè)計的側(cè)部供熱采用上面介紹的帶中心風(fēng)的低NOx調(diào)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(shù)如表1所示。

　　表1  低NOx混合煤氣燃燒裝置基本參數(shù)

　　3 低NOx混合煤氣燃燒裝置改進

　　在應(yīng)用過程中，技術(shù)團隊根據(jù)實際狀況，結(jié)合以往生產(chǎn)操作經(jīng)驗，為達到維修方便、安裝簡單、經(jīng)濟耐用等目的，對低NOx混合煤氣燃燒裝置的結(jié)構(gòu)進行改進和優(yōu)化，具體工作如下：

　　(1) 由于現(xiàn)場使用的燃料為高、焦混合煤氣，煤氣成分復(fù)雜，經(jīng)常會出現(xiàn)噴口結(jié)焦、結(jié)垢等現(xiàn)象，嚴(yán)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(shù)團隊將中心風(fēng)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(shù)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(xiàn)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(jù)燃料及燃燒機理需要設(shè)計成不同形狀，如月牙形、圓型、長方形等。

　　4改進后的工業(yè)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(shù)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(jié)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(shè)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(cè)第2個燒嘴(改進型)和均熱下東側(cè)第2個燒嘴（原型），嘴前閥門開度大小按照步驟A設(shè)定。

　　(3) 各個供熱段空、煤氣流量設(shè)定值按照加熱爐烘爐細(xì)則設(shè)定。

　　(4) 萬一出現(xiàn)燒嘴燃燒不穩(wěn)定的情況，可以將中心空氣手動閥門關(guān)閉。

　　(5) 在確認(rèn)調(diào)焰燒嘴穩(wěn)定燃燒以后，開始進行試驗燒嘴嘴前閥門調(diào)節(jié)，觀察火焰長度、剛度以及外形的參數(shù)。

　　4.2試驗結(jié)果

　　通過試驗，可以得出如下試驗結(jié)果：

　　(1) 低NOx混合煤氣燃燒裝置實現(xiàn)了兩級燃燒技術(shù)，能夠有效降低燃燒產(chǎn)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(diào)節(jié)比性能。

　　(4) 在小流量燃燒狀態(tài)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(nèi)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(yīng)用低NOx燃燒技術(shù)，CO2 、SO2、NOX等燃燒污染物的排放量大大減少。特別是NOx含量，經(jīng)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(diào)節(jié)比性能，在小流量燃燒狀態(tài)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(fēng)技術(shù)，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(shù)，減少NOx生成，滿足環(huán)保要求。

　　通過現(xiàn)場反復(fù)測量數(shù)據(jù)，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(fēng)、二次風(fēng)開啟度有很大關(guān)系:一次風(fēng)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(fēng)一定要打開，確保與二次風(fēng)的比例關(guān)系(30%:70%),使混合煤氣充分燃燒；燒嘴前中心風(fēng)壓力要保持穩(wěn)定，一般保持在4000Kpa左右。圖3為火焰長度與助燃風(fēng)機壓力變化趨勢的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上側(cè)燒嘴火焰調(diào)節(jié)控制要點。

　　圖3 火焰長度與燒嘴嘴前壓力關(guān)系

　　通過試驗和對比表明，低NOx燃燒技術(shù)完全符合最初設(shè)計目的，實現(xiàn)了提高加熱質(zhì)量和降低NOx排放的雙重目的。

　　5  市場、經(jīng)濟和環(huán)境效益

　　5.1市場效益

　　通過低NOx燃燒技術(shù)的應(yīng)用使首鋼國際工程公司在寬體加熱爐燃燒系統(tǒng)和低NOx技術(shù)領(lǐng)域獲得了寶貴的經(jīng)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(yè)爐事業(yè)部在大型板坯加熱爐技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，同時也大大提升了其在同行業(yè)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(chǔ)。

　　5.2經(jīng)濟和環(huán)境效益

　　通過低NOx燃燒技術(shù)在遷鋼2160mm熱軋加熱爐上的成功應(yīng)用，使該爐子噸坯能耗大大降低，一年可以直接和間接創(chuàng)造經(jīng)濟效益550多萬元。環(huán)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(jīng)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(dāng)可觀。通過該項技術(shù)的應(yīng)用，首鋼國際工程公司在加熱爐節(jié)能減排領(lǐng)域有了新的成功實例，獲得了良好的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益，為首鋼加熱爐節(jié)能減排提供了新的模式。

　　6 技術(shù)研發(fā)團隊

　　首鋼國際工程公司積極汲取、消化國內(nèi)外先進技術(shù)，與科研院所和生產(chǎn)企業(yè)緊密合作，形成了獨有的研究、設(shè)計和生產(chǎn)操作技術(shù)優(yōu)勢。公司工業(yè)爐專業(yè)技術(shù)團隊將再接再厲充分利用多年來積累的技術(shù)成果，充分發(fā)揮與生產(chǎn)操作密切結(jié)合的優(yōu)越條件，將加熱爐低NOx燃燒技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展。