高效低氮燃烧器在球团回转窑的应用

姚永江 蔡长明刘 勇

(1.日照钢铁球团，山东 日照 276800；2.襄阳中和机电技术有限公司(武汉)研发中心，湖北 武汉 430000)

0 引言

随着GB 28662-2012《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》的实施，氮氧化合物的排放限值将更加苛刻。“保护环境，达标排放”将成为球团企业所必须承担的社会责任和义务，但是由此环保的压力将直接导致制造成本增加。因此，加大技术创新，引进新技术，采用高效低氮燃烧器将会成为球团行业链回环生产工艺生产中达到环保降氮要求和降低成本的有效出路。

某厂钢铁球团两条链回环回转窑系统为60万t/a生产线，由于窑尾无脱硝装置，原燃烧器为煤气混烧型燃烧器，火焰形状发散不规整，粗短，调整直流风、旋流风对烧嘴火焰的调整和高温区间的拉伸变化不明显。窑中位置容易形成结圈且不易掉落，每次停机清理对窑内耐材造成剥蚀明显。火焰长短粗细不能在线方便调整。需要进行必要的技术改造，决定更换选用襄阳中和机电技术有限公司设计生产的SR2型高效低氮燃烧器。

1 燃烧器的高效和降氮原理

燃烧器通道排布从外至内，依次为轴流风通道、旋流风通道、转炉煤气通道、煤风通道、中心风通道，见图1。将转炉煤气通道布置在轴流风、旋流风以内，从而使火焰中心的燃料富集，燃烧主要集中在火焰中心区域，形成燃料密集型燃烧，在氧浓度较低的环境下低氮燃烧。

图1 高效低氮燃烧器头部示意

轴流风、旋流风出口截面积可调。不同的燃料特性、不同的燃料量，需要不同的助燃风量和混合速度，燃烧器可实现在助燃风量不变的情况下改变轴、旋流风出口速度，也可实现在出口速度不变的情况下改变轴旋流风风量，以达到燃料最佳燃烧速度和最高燃烧效率及最低一次风率，有利于降低热耗同时最大限度满足回转窑对火焰的温度分布要求。

燃烧器设计有中心风，中心风不但起到控制火焰内回流区的远近和大小及稳定火焰的作用，同时防止高温粉尘粘结在燃烧器头部堵塞燃烧器出口而影响火焰形状。

燃烧器头部设计拢焰罩，拢焰罩长度适当加长，使火焰一开始形成碗状效应，没有强涡流，火焰温度分布更加均匀平缓，避免高温峰值的形成，有利于降低热力型氮氧化物。

轴、旋流风波纹补偿器采用最新的棘轮调节装置，单手即可操作，可实现在线轻松调整，方便快捷。

在目前燃料型氮氧化物不可控情况下，为进一步稳定降低热力型NOx的生成需要采取如下主要措施：

1)降低燃烧温度，避免局部高温；

2)降低氧气浓度；

3)降低燃烧器出口部分燃烧中心的氧气浓度，加强局部还原气氛将已经生成的NOx再还原成N2。

如此则需要针对性地通过以下方式来实现降低热力型氮氧化物的方式实现降氮：

1)通过各通道内外出口的锥度和速度合理设计，延缓燃料与助燃风的混合，组织燃料与助燃风的混合燃烧均匀平和，不产生剧烈燃烧现象和过高的热力集中点，从而形成细长规则有刚度的火焰形状，控制燃烧温度在1 500 ℃以下，避免局部高温。

2)减小一次助燃风配比，采用12%～15%低比例的一次助燃风比例，有时生产使用时甚至会达到10%的低比例，使在火焰最大直径处的高温区处氧气浓度很低或处于微还原气氛，通过抑制NOx生成和再还原回N2的方式，有效降低热力型NOx的生成。

3)合理的较快速度的轴流风和旋流风的大推力推送以及中心风的回流外推作用，可有效缩短高温烟气在高温区内的停留时间，减少烟气中N2的参与氧化的机会，从而降低热力型NOx的生成。

4)为进一步降低窑头燃烧温度，可考虑增加使用链箅机辅烧，从而不影响产质量和低气耗情况下有效再降低部分氮氧化物生成。

2 改造过程

原燃烧器为煤、气混烧型燃烧器，当全烧转炉煤气时，火焰会短粗，不能在线调整火焰形状，烧成带短，在窑头不远的地方火焰会有很亮的高温点，容易结圈且不掉圈，影响回转窑的运转率和相应的电耗。有一部分转炉煤气在窑头难以完全燃烧，被抽风至回转窑尾部燃烧，致使窑尾温度偏高。结合现场实际情况和要求，进行了如下的相应改造：

1)转炉煤气热值降低以后，火焰温度会降低50～80 ℃，影响成品球团的强度指标，加装链箅机辅助烧嘴，提高预热二段烟室温度，增加入窑生球强度，减轻窑头烧成压力。链箅机辅助烧嘴为平焰气体燃烧器，安装于链箅机预热二段的靠近窑尾端的两面侧墙上，按四个辅烧配置，每个燃烧能力为400～600 m3/h，两两错开，交错向后排开安装，燃烧器燃烧火焰出口气流速度达20 m/s以上,有很高水平前送的硬度，能直接送至箅床中间，不使火焰直接下降至侧墙下部，造成温度不均匀，确保链箅机预热二段的温度场均匀且能有效提高入窑生球强度。另外设计窑头燃烧器时要加强窑头气体燃料与助燃风的混合，使火焰刚劲有力，细长规整，使球团在较长的烧成带内多停留焙烧也可有效提高成品球强度。从而保证在转炉煤气热值降低和回转窑热工状态稳定情况下仍能生产出与原来质量相当的球团成品。

2)更换窑头燃烧器为SR2型高效低氮的多通道煤、气混烧燃烧器，火焰长度可达：15～20 m，长短粗细可通过本体上的调节阀门以及波纹补偿器进行在线调节在线调节方便，它可在线调节各风道出口截面积，从而改变喷出速度，达到调节火焰形状和强弱的目的。

3)更换原有窑头燃烧器所配置的流量：333 m3/min，升压：5 kPa的离心风机为低风量高风压的罗茨风机，风量为75.5 m3/min，风压为：19.6 kPa，少送入一次风，有效节能降耗。

4)在窑头燃烧器上增加一个煤粉通道，当焙烧温度偏低影响球团抗压强度质量的时候，喷入适量煤粉，用以提高焙烧温度。

更改前后的现场图片对比见图2。

图2 更改前后的现场照片(左为更改前)

3 设计原理和现场应用调整

氮氧化物的生成途径有三种：

1)热力型NOx,指空气中的氮气在高温下氧化而生成NOx，一般占比20%～30%左右。热力NOx的生成和温度关系很大，在温度足够高时，热力型NOx反应速率按指数规律增加。当T<1 500 ℃时NOx的生成量不大，而当T>1 500 ℃时氮氧化物生成速度成倍增长。

2)快速型NOx，指燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如CH等反应生成NOx，一般占比5%左右；

3)燃料型NOx，指燃料中含氮化合物在燃烧过程中进行热分解，继而进一步氧化而生成NOx，在NOx生成中占比达：50%～70%。如果转炉煤气燃料中含有如NH3、HCN、吡啶、喹啉等含氮组分高但又难检测的成分，由含氮组分燃烧容易生成大量的NOx，会出现氮氧化物浓度波动且超标情形。

根据现场情况，燃烧器调试后实际窑尾氮氧化物排放数值一般在45 mg/m3以下(18%基准氧含量)，有时会有少量波动，分析是因为煤气燃料中的含氮组分高波动以及燃烧器的特有多通道有效完全混合结构造成的局部高温导致一定量热力型NOx的生成引起的数值增大波动。

在针对性设计燃烧器的过程中为保证燃料的充分燃烧和低氮排放效果，把握的总设计原则是：使在燃烧器内部或出口射流的空气分级，控制燃料与助燃空气的混合过程和速度，使燃烧推迟，延长火焰行程，拉长烧成带，配上合理的较长尺寸拢焰罩拢焰效果降低火焰峰值温度，从而减少热力型NOx生成量。有效降低主燃烧区域的氧量水平，通过分级送入燃烧助燃空气，煤粉或煤气在缺氧条件下热解燃烧，促使燃烧氮N2向分子氮的转化。提高烟气回流强度，设置一个大尺寸的稳焰中心风端盖板，使回流区域中的氮氧化物在缺氧的还原气氛下进一步还原回氮气成分，后燃的煤气燃料在再燃区持续燃烧，与主燃区生成烟气及未燃尽碳粒混合，形成还原性气氛，此反应区域为易产生高温的燃烧器出口部分区域，不影响球团窑窑中氧化烧成带的氧化气氛，此区域生成热力型氮氧化物比例高，此处的总的过量空气系数小于1。燃料中的C、CO、烃以及部分还原性氮，将NOx还原成分子氮，如下式反应，从而进一步降低烟气中的NOx浓度。

(1)

(2)

SR2型高效低氮燃烧器自2019年12月以来分别投入两条球团回转窑生产线使用后，调整方向上主要以形成细长火焰为主，在成品球质量保证情况下，一次助燃风机通过放风处理，尽可能少用窑头的一次助燃风机的风量，增大轴流风的截面积调整，减少旋流风的截面积，减小火焰旋流强度，形成均匀细长柔顺的火焰形状。在实际使用过程中，轴流风的风压保证在：8～12 kPa，旋流风的风压保证在：5～8 kPa，中心风的风压保证在：4～6 kPa。

4 应用效果

现场使用的转炉煤气的低位热值为：1 300～1 400 kcal/m3，接点压力为：4～10 kPa。

使用新的高效低氮燃烧器后，燃烧器火焰形状规整细长，在线调整方便灵活，窑内气氛通透，热工状态易于控制，球团产质量均达到更换前良好状态，吨球热耗比原来有效降低15%～20%，窑尾烟气中的氮氧化物排放也一直稳定在达标排放的<50 mg/m3的标准(基准氧含量18%),见表1。

表1 回转窑生产数据统计

高效低氮燃烧器火焰形状和煅烧温度适合球团窑的煅烧工况，结合合适的生球球团配料工艺和稳定的窑系统操作，成品球团的质量如成球强度和亚铁含量转鼓指数指标均达标，所以备用煤粉通道一直没有使用即可满足球团窑的正常生产。通过将近几个月的生产实践证明，SR2高效低氮燃烧器在年产60万t球团回转窑生产线上的应用是成功的，在节能降耗和低氮氧化物排放方面均获得满意的效果。

5 结语

在球团行业链回环生产工艺生产中，球团回转窑上使用的多通道燃烧器可以响应环保低氮排放要求，选用高效低氮型燃烧器，根据NOx的热力型和瞬时型生成机理[1]，通过降低在高温区的停留时间、降低峰值火焰温度、通过稀释降低绝热火焰温度、降低燃烧强度、增强火焰的冷却、控制或延迟燃料和空气混合、利用富燃料火焰区域、减少烟气在高温区的停留时间、降低燃烧区域氧浓度、降低整体氧浓度、形成富燃料的初始火焰区域。这些措施，在设计时加以针对性，在生产过程中根据需要合理控制，可以实现低氮排放，而且节能降耗。