在环形加热炉中应用无焰燃烧模式能有效降低NOx的生成

郑卫卫

摘要：本文介绍了目前环形加热二种控制方式，并详细阐述了我公司环形加热的改造工艺，改造后采用脉冲无焰烧嘴来控制氮氧化物生成，从而达到排放要求。

关键词：环形加热炉;氮氧化物;无焰烧嘴

1、引言

氮氧化物（NOX）是造成大气污染的主要污染源之一，NO会与血液中的血红蛋白结合，使血液输氧能力下降，造成缺氧;NO具有致癌作用，会对细胞分裂和遗传信息产生不良影响;在大气中，NO在02作用下会被缓慢氧化成N02，生成的N02进入人体呼吸系统，导致肺部和支气管疾病;N02是酸阿中硝酸和亚硝酸的前驱体，在紫外光照射下，N02会与大气中的碳氧化合物作用，生成光化学烟雾和臭氧;随着国家对环保的要求越来越严格，特别是沿海城市，京津冀地区，都在实行氮氧化物超低排放NOx排放<150mg/Nm3（基于8%基准）。

，如何降低我公司环形加热炉的氮氧化物的排放是我们一直思考的问题。

2、环形加热炉燃烧对比及改造方案

2018年12月份之前我公司Φ51米环形炉采用天然气+高炉煤气混合燃烧方式加热的，由于混合煤气的热值约2000Kcal/Nm3，氮氧化物排放一直<150mg/Nm3（基于8%基准），但由于外部原因高炉煤气停供，只能采用纯天然气作为燃料加热，我公司作为天津钢管集团的全资子公司，集团要求我公司燃气系统改造后氮氧化物排放<150mg/Nm3（基于8%基准），2018年7月份起我公司对环形炉燃气工艺系统如何改造，进行了多次考察学习及技术交流，经过多方技术论证我公司决定采用低氮脉冲无焰烧嘴模式。

目前国内环形加热炉基本都采用常规双交叉限幅的比例控制方式，这种控制方式最大缺点是其比例输出的范围不能适应炉子不同工况下对热量的悬殊需求，并且在较低比例输出时，烧嘴的火焰状态很差甚至失形（平焰烧嘴尤甚），造成炉内温度场的不均匀;在环形加热爐正常生产、待料保温时NOx排放>150mg/Nm3（基于8%基准）。

脉冲燃烧控制在国内环形加热炉没有广泛应用，但是脉冲燃烧控制系统有以下优点：

燃烧的最佳状态：脉冲机理是通过调整烧嘴开闭时间计算供热量，保证了烧嘴本体的定量输出，实现了燃烧充分以及温度、流量和压力场的最佳化，即保证每个烧嘴的最佳燃烧状态。

炉温的均匀性：烧嘴性能始终保证最佳化，在炉宽方向实现了稳定、均匀的分布，解决了传统比例燃烧在供热波动时所造成的炉宽方向温度场变化的问题。且在脉冲燃烧控制的过程中，炉内流体场和温度场在各个烧嘴燃烧产物的脉动冲击和搅动作用下，使炉温分布更加均匀化。

有利于降低 NOx 排放：对于传统的比例燃烧系统，在保温待轧等小流量情况下，空气和煤气的流量测量均不准确，因此无法保证正常的空燃比，且烧嘴也在不正常的状态下工作，会导致 NOx 排放升高。

无焰燃烧模式是利用上世纪末发现的较温和的燃烧现象而应用于烧嘴产品时出现的燃烧模式。烧嘴进行无焰燃烧模式时，不会出现明显的火焰，燃料与氧化剂的反应会弥散在整个炉内空间完成，称为无焰氧化。整个过程中燃烧噪音大幅降低，不存在明亮的火焰区，不存在局部高温区，反应温和。优点是燃烧空间温度非常均匀，不存在局部高温，不存在明显火焰区;燃料燃烧温和，噪音大幅减小，能大幅度降低NOx的生成。

3、环形加热炉改造后的燃烧模式及数据对比

我公司是中径51米环形加热炉，也目前国内外最大中径的环形加热炉，环形炉加热炉共分8个区。其中第八区正常不参与加热，在待料时才会投入; 1区为预热段、2区是加热段、3区是加热段、4区是加热段、5区是加热段、6区是均热段、7区是均热段。脉冲低氮烧嘴+脉冲无焰燃烧模式大规模应用到环形加热炉没有任何数据及经验可借鉴，经过多方技术交流以及烧嘴厂家的实验测试，我公司决定采用脉冲低氮烧嘴+脉冲无焰烧嘴燃烧控制模式，烧嘴具体分布如表1所示：

自2019年2月份环形加热炉改造投产以后，通过连续生产跟踪，本次改造后的燃烧系统有如下优点：1、脉冲控制对于各区温度控制精度±5℃，远高于之前比例双交叉温度精度;2、各区可比例双交叉和脉冲烧嘴自由切换，特别是2区、3区、4区配置无焰烧嘴+直焰烧嘴，更可自由切换;3、对比国内其余环形加热NOx的排放，我公司NOx的排放<150mg/Nm3（基于8%基准），刚开始试验中只投入2区或者2区3区无焰模式，氮氧化物有时会超150mg/Nm3，只有把无焰烧嘴全部投进去氮氧化物的控制都在<150mg/Nm3，甚至有的低到60mg/Nm3;      综合对比国内比例双交叉系统的环形加热炉，比例双交叉工况下，特别是待轧时，燃气流量小，空气流量大，含氧量会升高，产生氮氧化物多;在切换脉冲无焰时能较好的控制炉内含氧量，降低氮氧化物的生产。特别是待轧过程中脉冲无焰燃烧系统更体现出它的优越性。

4、结语

环形加热炉改造脉冲无焰烧嘴可以发现，投入无焰模式时，氮氧化物排放量均能达到排放标准，并且脉冲控制燃烧要优于双交叉比例限幅控制，在环形加热任何工况下采用脉冲无焰烧嘴都能控制氮氧化物生产，达到排放要求。

参考文献：

（1）毕玉森.电站锅炉 NOx排放现状预测及技术政策 [J]. 中国电力，1998，31（12）：59-62

（2）段菁春，钢铁行业氮氧化物控制技术及对策，环境污染与防治.2013 35（3）：100-110