引言
随着经济的发展，能源短缺问题在我国日益明显，因此实现绿色低碳、节能减排显得尤为重要，而钢铁行业的能耗量基本已达到各个行业中的“领军人物”。目前，新疆天山钢铁巴州有限公司轧钢厂加热炉目前使用的是高炉煤气CO，热值较低，生产运行必须保证钢坯持续热送，能够保持生产连续性，若钢坯低温冷送，需每小时待温15-20Min，且高炉煤气消耗量较大，燃烧产物氮氧化物超标，按照国家环保要求，改造低氮燃烧将是后续运行的关键。
1 存在的问题
通过对天山钢铁巴州有限公司轧钢厂蓄热步进式加热炉的使用燃料主要以高炉煤气CO为主，高炉煤气属于一种低热值的气体燃料，燃点在700℃左右，说明热值较低，按目前的生产节奏，每小时约85-90根钢坯的生产节奏(钢坯自身温度在300℃以上），能够保证持续生产，若低于300℃，将无法保证持续生产，必须提供待温时间，燃烧效率较低。
2 什么是低氮燃烧技术
低氮燃烧技术一直是应用最广泛、经济实用的措施。它是通过改变燃烧设备的燃烧条件来降低NOx的形成，具体来说，是通过调节燃烧温度、烟气中的氧的浓度、烟气在高温区的停留时间等方法来抑制NOx的生成或破坏已生成的NOx。低氮燃烧技术的方法很多，这里用通俗的文字介绍二种常用的方法。
（1）排烟再循环法
利用一部分温度较低的烟气返回燃烧区，含氧量较低，从而降低燃烧区的温度和氧浓度，从而抑制氮氧化物的生成，此法对温度型NOx比较有效，对燃烧型NOx基本上没有效果。
（2）二段燃烧法
该法是目前应用最广泛的分段燃烧技术，将燃料的燃烧过程分阶段来完成。第一阶段燃烧中，只将总燃烧空气量的70%—75%（理论空气量的80%）供入炉膛，使燃料在先在缺氧的富燃料条件下燃烧，由于富燃料缺，该区的燃料只能部分燃烧（含氧量不足），降低了燃烧区内的烘烘速度和温度水平，能抑制NOx的生成；第二阶段通过足量的空气，使剩余燃料燃尽，此段中氧气过量，但温度低，生成的NOx也较少。这种方法可使烟气中的NOx减少25%—50%。
3 低氮燃烧技术的基本原理
3.1 NOx的生成机理
窑炉内产生的NOx主要有三种形式,高温下N2与O2反应生成的热力型NOx、燃料中的固定氮生成的燃料型NOx、低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的瞬时型NOx.
热力型NOx:由于是燃烧反应的高温使得空气中的N2与O2直接反应而产生的,以煤为主要燃料的系统中,热力型NOx为辅。
一般燃烧过程中N2的含量变化不大,根据泽里多维奇机理,影响热力型NOx 生成量的主要因素有温度、氧含量、和反应时间。
热力型NOx产生过程是强的吸热反应,温度成为热力型NOx生成最显著影响因素。研究显示,温度在1500K以下时,NO生成速度很小,几乎不生成热力型NO,1800K以下时,NO生成量极少,大于1800K时,NO生成速度每100K约增加6-7倍。
温度在1500K以上时,NO2会快速分解为NO,在小于1500K时,NO将转变为NO2,一般废气中NO2占NOx的5-10%,排入大气中NO最终生成NO2,所以在计算环境影响量时,还是以NO2来计算。
燃料型NOx:由燃料中N反应而生成,以煤为主要燃料的系统中,燃料型NOx约占60%以上。
燃料型NOx主要在燃料燃烧初始阶段形成,主要是含氮有机化合物热解产生的中间产物N、CN、HCN等氧化生成NOx。燃料型NOx较热力型更易于生成。煤的氮含量约0.5-2.5%。
HCN遇氧后生成NCO,继续氧化则生成NO。如被还原则生成NH,最终生成N2。已经生成的NO,在还原气氛下也可被NH还原为N2。NH3在氧化气氛中会被依次氧化成NH2、NH,甚至被直接氧化成NO。在还原气氛中, NH3也可以将NO还原成N2。NH3可以是NO的生成源,也可以是NO的还原剂。
在实际生产中,燃烧过程大多数是在氧化气氛中进行的,由于反应和燃烧流场的复杂性,挥发份N不可能全部转化为NO,即使在强还原气氛中,也不可能全部转化为N2,取决于反应温度、氧含量、反应时间以及煤的特性。 影响燃料型NOx生成因素较多,与温度、氧含量、反应时间,及煤粉的物理和化学特性有关。
瞬时型NOx:在燃烧反应的过程中空气中的N2与燃料过程中的部分中间产物反应而产生的,以煤为主要燃料的系统中,瞬时型NOx生成量很少。可以不作重点关注。
3.2 温度
温度的升高对燃料型NOx生成量有促进作用。在1200℃以下时,其随温度升高显著增加,温度在1200℃以上时,增速平缓。对于燃料型NOx,燃料中N越高、氧浓度越高、反应停留时间越长,NOx生成量越大,与温度相关性越差。
3.3 氧含量
氧含量的增加,可以形成或强化窑炉内燃烧的氧化气氛,增加氧的供给,促进燃料中N向NOx的转化。燃料型NOx随过剩空气系数的降低而降低,在a<1时,NOx生成量急剧降低。在氧含量不足时,氧被燃料中的可燃成分消耗尽,破坏了氮与氧反应的物质条件。在a>1.1时,热力型NOx含量下降,燃料型NOx仍上升。
4 现有低氮燃烧技术大致介绍
加热炉烟气中NOx的控制相对是一个非常复杂的问题,需要强调的是,降低NOx的排放必须是在保证加热炉正常生产的前提下进行。
2.1、加热炉烟气中NOx的产生主要来源于燃烧,根据其燃烧过程的特点和燃料的生命周期,目前所掌握的NOx控制方式主要有以下几类。
针对NOx主要来自燃料本身,对燃烧进行脱氮处理或者选择含N低的燃料、使用低N的替代燃料,以降低燃料型NOx的生成,不可避免地成为一种选项。在燃料来源具备条件的区域,部分轧钢厂采用此种方式也不失为一个办法。
低氮燃烧技术是通过改变燃烧条件来控制燃烧关键参数,以抑制NOx生成或破坏已生成的NOx为目的,从而减少NOx排放的技术。
其主要方式有:采用低NOx燃烧器、空气/燃料分级燃烧技术、改变燃料物化性能技术、改变生料易烧性等方面。
针对烟气的脱硝技术,主要是根据NOx具有的还原、氧化和吸附等特性开发出的一项技术。主要有比较成熟的SNCR和SCR法、湿法脱硝、生物脱硝等。
4.1低氮燃烧技术
低氮燃烧技术主要是对应NOx的两种生成机理,从降低燃烧温度、窑炉内温度来减少NOx生成,改变煤粉着火区域和燃烧区域的气氛来达到抑制NOx的生成或促进NOx向N2转变。
低氮燃烧技术只发生初期投资而没有运行费用,是一种较经济的控制NOx 的方法。通过采用炉内低NOx燃烧技术,能将NOx排放浓度降低20-30%。各种炉内低NOx燃烧技术均涉及窑炉燃烧的安全和效率问题,其存在一定局限性,多种技术组合使用后NOx生成降低率可以达到20-40%。
4.2分级燃烧技术
分级燃烧技术是将煤、燃烧空气及生料分别引入,以尽量减少NOx生成和尽可能将NOx还原成N2的技术。
空气分级燃烧技术是将燃烧所需的空气分级送入炉内,使燃烧在炉内分级分段燃烧。燃烧区域的氧浓度对各种类型的NOx生成都有很大影响。当过剩空气系数a<1时,燃烧区处于贫氧燃烧状态,抑制NOx生成有明显效果。分解炉内空气分级燃烧一般是将三次风分为两部分送入分解炉,主三次风占总三次风量的70-90%,燃尽风则占10-30%。炉内煤的燃烧分为三个区域,即热解区、贫氧区、富氧区。在贫氧区,煤在缺氧条件下燃烧,燃烧速度和燃烧温度降低,抑制了燃料型NOx的生成。同时,燃烧生成的CO和NOx进行还原反应,以及燃料中氮分解出的中间产物如NH、CN、HCN、NH x等相互作用,或与NOx还原分解,抑制NOx生成。在富氧区,保证煤燃烧充分。空气分级燃烧技术使用好的关键是:控制好贫氧区温度和主三次风量,不使煤不完全燃烧损失过分增大,避免因还原性气氛导致的结皮和结渣影响系统正常运行,要充分考虑炉容或者煤在炉内燃烧时间够不够。
5 结束语
随着经济的发展，能源短缺问题在我国日益明显，因此实现绿色低碳、节能减排尤为重要，为了能够保障环保绿色低碳的国家要求，改造低氮烧嘴将是必行之道。
参考文献
［1］鲁鹏飞，600MW机组烟煤锅炉低NOx低氮改造及效果分析（J），陕西电力，2013，41（2）：84/87
