热风炉实现高风温低氮氧化物排放的技术要点

  魏前龙  葛利军                   刘世聚  符政学  刘力铭                 

（建龙集团山西建龙钢铁公司）   （河南省豫兴热风炉工程技术有限公司）  

摘  要 结合山西建龙1号高炉热风炉运行实践，剖析了豫兴顶燃式热风炉实现高风温低氮氧化物排放的技术要点。1号高炉自投入运行以来，3座热风炉在混风开度30%的情况下实现月均风温1250℃以上，氮氧化物排放30mg/m³左右。其技术要点：一是，采用悬链线拱顶结构和环形交错上喷混合燃烧器，优化热风炉烟气流场分布状态，降低热风炉拱顶温度与送风温度之间的差值；二是，采用孔孔互通均压均流格子砖，优化热风炉冷风流场分布状态，提高热风炉的换热效率；三是，采用低过剩空气系数的燃烧器技术（即环形交错上喷混合燃烧器），达到降低氮氧化物排放的目的。

关键词   高炉  顶燃式热风炉  风温   低氮氧化物

获取更高的热风炉送风温度，不仅是钢铁行业的现实需求，更是热风炉行业永恒不变的热点课题。与此同时，随着我国环保政策力度持续收紧，如何降低热风炉污染物排放成了热风炉行业新的研究方向。本文结合山西建龙1号高炉（1760m³）热风炉高风温、低氮氧化物排放的运行实践，阐述豫兴顶燃式热风炉的技术要点。

1运行实践

1号高炉配套的3座豫兴悬链线顶燃式热风炉，由河南省豫兴热风炉工程技术有限公司EPC总承包，于2019年12月18日建成投产。在使用单一高炉煤气条件下，设计送风风温不低于1250℃，拱顶温度不高于1350℃，单炉送风60min，采用“两烧一送”交错并联送风制度，设计氮氧化物排放低于50mg/m³，设计使用寿命20年。1号高炉热风炉主要设计参数见表1。

表1  山西建龙1号高炉热风炉基本设计参数

1号高炉热风炉投入运行以来，各项指标完全达到了设计要求(见表2)。在混风开度30%的条件下实现了月均送风温度1250℃左右，月均拱顶温度1320℃左右，月均氮氧化物排放30mg/m³左右。

表2  山西建龙1号高炉热风炉运行监测数据

说明：①以上数据均在混风阀开度30%的条件下取得。②以上数据经三步计算取得，第一步根据每座热风炉的实时数据计算出其日算术平均值，第二步根据每座热风炉数据的日算术平均值计算出热风炉当天的数据平均值，第三步根据热风炉当天的数据平均值计算出热风炉每月的数据平均值，即表中的数据。

2  实现高风温低氮氧化物排放的技术路径

2.1  高风温

山西建龙1号高炉热风炉使用的燃料为单一高炉煤气，其热值仅为3300kJ/m³左右，理论燃烧温度低于1320℃。在此条件下，要使热风炉送风温度达到1250℃以上，需要从以下两点进行优化：一是提高高炉煤气的理论燃烧温度，二是提高热风炉的换热效率。

换句话讲，提高风温的技术路径主要有两个 ^[1]：一个是提高热风炉的拱顶温度，另一个是提高热风炉内气流分布均匀程度。

（1）提高热风炉的拱顶温度。主要有两个方法：①对燃气和空气进行预热，提高高炉煤气理论燃烧温度。当空气和燃气温度均被加热到400℃时，比空气和燃气温度均为25℃时，理论燃烧温度能提高约200℃，达到1580℃。②降低过剩空气系数α。当α=1时，理论燃烧温度达到最大值；当α﹥1时，不同α时的理论燃烧温度与α=1时的基准理论燃烧温度相比较的降低值(▽t)逐步增大^[2]( 见表3)。

表3  α与▽t的关系

（2）提高热风炉内气流分布均匀程度。改善热风炉烟气流场和冷气流场分布状态，高温烟气流场（冷风流场）在蓄热室横断面上分布的均匀性，将直接影响蓄热室内的换热。研究表明，通过改善高温烟气（冷风流场）在蓄热室断面上分布的均匀性，可改善热风炉内的热交换，蓄热量增强，可将风温提高约30℃^[3]。

2.2低氮氧化物排放

高炉煤气燃烧时产生的氮氧化物，不仅是大气污染物的主要成分，而且会造成热风炉炉壳焊缝晶间腐蚀。因此，降低热风炉的氮氧化物排放不仅有利于环境保护，还能有效保护热风炉炉壳的结构稳定。

热风炉产生的氮氧化物主要是温度热力型NO^[4]。热风炉在工作时发生的化学反应如下：

2CO+O₂⇋2CO₂                       (1)

 N₂+O₂⇋2NO               (2)

 2NO+O₂⇋2NO₂                        (3)

温度是影响温度热力型NO产生的关键，当温度高于1500℃时，NO生成反应便得十分明显，随着温度得升高，反应速度按阿雷尼乌斯定律按指数规律迅速增加^[5]。

根据质量作用定律和吕·查德里原理：温度升高会使分子运动速度增大，单位时间内分子间碰撞次数成倍增加；更重要的是温度升高会提高活化分子百分数，增加单位体积内反应物活化分子的数目，使反应速度大大地增加。随着温度的上升，NO呈指数关系上升。

    根据多年来的监测，得到了热风炉拱顶温度与NO排放量之间的关系(见表4)。

表4 热风炉拱顶温度与NO_X排放量关系表

除燃烧温度外，过剩空气系数也会影响NO的产生。在热风炉燃烧阶段，为了使高炉煤气中的CO充分燃烧，必须使用过量的O₂,也就是我们说的过剩空气系数α。当α=1时，如式(1)所示，O₂刚好用完；当α=n时，式(2)中各化合物系数关系如式(4)所示

2CO+nO₂=2CO₂+(n-1)O₂                   (4)

此时，剩余(n-1)个 O₂分子，式3-5的平衡常数K_e=[N₂][O₂]/[NO]²，在温度一定的情况下是一定值， O₂的浓度增加，平衡向生成物方向移动，此时NO生成量增加。

根据上述分析，可以得到，降低热风炉氮氧化物排放的主要技术路径有：一是降低热风炉拱顶温度。但因为较高热风炉拱顶温度是提高热风炉送风风温的基本前提，因此不能为了降低氮氧化物排放而单纯的降低热风炉的拱顶温度，要在这两者之间找到一个平衡，就必须要降低热风炉拱顶温度与送风风温之间的差值，即要提高热风炉的换热效率，优化热风炉内部的烟气流场分布状态。二是降低过剩空气系数α。

3豫兴顶燃式热风炉的技术要点

根据上述技术路径， 1号高炉豫兴顶燃式热风炉，除了采用全方位消除热应力的结构设计，并对热风炉进行一般尺寸和强度计算外，还需要对热风炉内部烟气流场分布状态和燃烧器结构进行重点优化。鉴于此，采用本身就具有优良烟气流场分布特性的悬链线拱顶结构^[6] ，搭配了环形交错上喷混合燃烧器和孔孔互通均压均流格子砖，通过多次模拟计算，优化热风炉内部烟气流场分布状态，以达到提高风温的目的；同时,通过对燃烧器空气喷口和煤气喷口的排列方式进行进一步优化，使得煤气和空气能够进行更加充分的混合，从而有效降低过剩空气系数，达到减少氮氧化物生成的目的。

（1）独特的悬链线拱顶结构。原鞍山钢铁学院以鞍钢九高炉热风炉为模拟对象，就内燃式热风炉的拱顶形状对蓄热室横断面上气流分布的影响作过模型实验^[6]，结果表明，在相同风量情况下，悬链线拱顶热风炉蓄热室横断面上气流分布均匀程度壁半球形拱顶好。豫兴顶燃式悬链线热风炉，对原有的悬链线拱顶进行了进一步优化，将悬链线拱顶高度与直径之间的比值设定为1.15以上，并通过与安装在拱顶基脚部位的环形交错上喷混合燃烧器共同作用，进一步改善了燃烧室的烟气流场分布状态^[7]（如图1所示）。从图1可看出，高温烟气在燃烧室中心位置形成涡流，而局部涡流会形成局部高温区，因此，这种烟气流场分布状态使得燃烧室中心，成为真正的高温区域（见图1燃烧室温度分布截面3），从而使得燃烧室高温区结构对称，温度区间分明，热效率高，拱顶和燃烧室底部（即蓄热室上部）温差小；从图1还可看出，燃烧室底部（即蓄热室上部）的高温烟气流速分布均匀，提高了热风炉的换热效率，进一步减小了拱顶温度与送风温度之间的差值^[8]，从而有效提高了热风炉送风温度。

（2）孔孔互通均压均流格子砖（见图2）。优化了传统热风炉蓄热室格子砖形状，解决了普通格子砖格孔错台、错位影响气流通过的弊端。以19孔格子砖为例，19孔格子砖底部设计有深15mm的联接18格孔的联通凹槽，当气流通过格砖的19个孔径时，由于流体的阻力和压力的作用，联通的18个凹槽区域能够调节气流，使其均匀分布，对于整个蓄热室，就形成了互联互通的均压均流状态，优化了蓄热室烟气流场和冷风流场分布状态，提高了热风炉换热效率^[8],降低了热风炉拱顶温度与送风温度之间的差值。

图2  孔孔互通均压均流格子砖

（3）环形交错上喷混合燃烧器[如图3(a)所示]。经过不断试验，将燃烧器煤气喷嘴与空气喷嘴的间距尽量靠近,将燃烧器每组喷嘴间间隔设定为燃烧器喷嘴直径的n倍，这样的结构，能够使煤气和空气以独特的涡旋搅扰方式进行充分混合，使得高炉煤气在过剩空气系数α=1.02-1.05即可实现充分燃烧。同时，因为α值小使得燃烧器喷嘴处火焰形态为短焰燃烧，而燃烧室内混合燃烧的火焰运行距离长，从而使环形燃烧器具备了长短焰混合燃烧的低氮氧化物燃烧器排放特征，进一步降低了燃烧器的氮氧化合物排放[如图3(b)所示]。其次，在热风炉燃烧室内，因为对冲上喷的气流和悬链线拱顶的特殊结构，使相当量的下降气流加入到上升气流中，淡化了高温区燃气和空气浓度[如图1(b)所示，燃烧室中心截面3的高温区域颜色较淡，燃气浓度较低]，降低了上升气流温度，拉长了火焰，使高向加热更加均匀，利用了废气循环技术，进一步降低了氮氧化物排放。

1号高炉热风炉，通过将高炉煤气和助燃空气加热到200℃，并采用低过剩空气系数的燃烧器，以提高高炉煤气理论燃烧温度，最终达到提高热风炉送风温度的目的。

4结语

山西建龙1号高炉豫兴顶燃式悬链线热风炉近1年运行实践表明,除了采用全方位消除热应力的结构设计外，采用具有独特的悬链线拱顶结构、孔孔互通均压均流格子砖和环形交错上喷混合燃烧器，可以实现热风炉高送风温度、低氮氧化物排放的目的。3座热风炉在混风开度30%的情况下，实现月均风温1250℃以上，氮氧化物排放30mg/m³左右。

5参考文献

 [1] 段润心，段中坚，提高高炉风温的根本途径，高风温长寿热风炉研讨会论文集  2005，7-16

 [2]任建兴，邓万里，梁松彬，李芳芹.过剩空气系数对多种燃气燃烧温度影响的分析[].节能  2011(1):21-24

[3]段润心，段中坚，热风炉内冷风的流动状况及均匀配气技术，炼铁  1992，19-23

 [4]郭冬芳，王小平.高炉煤气锅炉燃烧中氮氧化物污染物的控制[J].江西能源  2007,33-36

[5]刘勇，吴国忠，NO_X生成机理，油气田地面工程第26卷第4期  2007，32-33

 [6]项钟庸,郭庆第，蓄热式热风炉，冶金工业出版社  1998，210

[7]胡日君，程树森.考贝式热风炉拱顶空间烟气分布的数值模拟,北京科技大学学报  2006，338-342

[8]于  帆，张欣欣，张炳哲，焦吉成，苏秀梅.顶燃式热风炉燃烧室烧嘴角度的优化设计［C］//中国机械工程学会工业炉分会.第七届全国工业炉学术年会. 兰州：中国机械工程学会工业炉分会，2006：68-71.

联系人：刘世聚

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修回日期：2020-12-14