蓄热式加热炉降低氮氧化物排放的研究与应用

赵 鑫，何志钢，高 月，班会强，张国臣

1 热轧1580产线加热炉蓄热式烧嘴简介

1.1 加热炉炉型

京唐公司1580产线有蓄热式加热炉3座，每座加热炉包括预热、一加、二加和均热段,均热段上加热采用平焰烧嘴，下加热采用侧向调焰烧嘴，其它供热段采用空气单蓄热的蓄热式烧嘴。

1.2 蓄热式烧嘴

蓄热式烧嘴使用在第二加热段上、下、第一加热段上、下以及预热段上、下的侧向供热，其中第二加热段下部烧嘴带点火烧嘴。空气、烟气换向阀和煤气换向阀均采用二通快速切断阀，阀门执行机构采用气动型式。 蓄热式燃烧技术的特点是，由于排烟温度较常规燃烧技术的排烟温度低很多，因此蓄热式燃烧技术的热效率大幅度提高，具有非常突出的节能效果。

蓄热式烧嘴燃烧原理如图所示，当A侧烧嘴燃烧时，空气阀和煤气阀打开，烟气阀关闭，烧嘴正常燃烧，B侧烧嘴的烟气阀打开，空气阀和煤气阀关闭；当B侧烧嘴燃烧时，空气阀和煤气阀打开，烟气阀关闭，烧嘴正常燃烧，A侧烧嘴的烟气阀打开，空气阀和煤气阀关闭；涡轮烧嘴开关，烧嘴冷却风阀始终处于打开状态，冷却烧嘴煤气管道。

2 加热炉产生氮氧化物的种类及生成原因

加热炉产生的烟气主要是一氧化氮和二氧化氮，并且以二氧化氮为主,它们是常见的大气污染物。

燃烧过程中形成的NOx分为三类。①热力型NOx。生成原因是空气中的氮原子和氧原子在高温炉膛内生成。②燃料型NOx。燃料中的氮元素受热分解后又与空气中的氧元素发生反应生成。③快速型NOx。第三类，在低温火焰中由于含碳自由基的存在还会生成NO，通常称为快速NOx。燃料中的碳和氢元素先和空气中的氮元素反应，再和氧元素反应生成。

2.1 热力型氮氧化物

热力型氮氧化物的反应式如下：

N2+O2→2NO

NO+O2→NO2

热力型氮氧化物的生成主要是由于空气中存在氮气，如果空气中存在过量的氧气，在高温条件下会反应生成氮氧化物。当温度＜1000℃时，NO分压很低，NO的生成量很少；当温度≥1000℃时，将会形成可观的NO。低温有利于NO2形成，在高温NO2分解为NO，温度≥1000℃时，NO2生成量比NO低得多。

2.2 燃料型氮氧化物

燃料NOx是指燃料中的氮受热分解和氧化生成NOx，其生成取决于燃料的氮含量。对于含氮量高的燃料，如果助燃空气中的氧含量高，就会生成更多的NOx；降低燃料性氮氧化物的方法是减少助燃空气量，这样使燃烧区域处于还原性气氛，就能减少NOx的生成量。

2.3 快速型氮氧化物。

蓄热式加热炉生成的快速型氮氧化物数量很少，因此主要降低燃料型NOx及热力型NOx的生成量。

3 NOx的控制方法

（1）降低过剩空气系数。空气过剩系数时实际空气量与理论空气量的比值。空气过剩系数高时实际供入的空气量比理论需要的空气量多，会增加NOx生成量，因此要减少供给的助燃空气量，使燃烧处于还原性气氛，减少高温空气中的氮和氧反应的机会。

（2）降低空气预热温度，可使火焰温度下降，减少NOx生成量。

（3）改变烧嘴结构，改变煤气和空气的混合方式，增加空气的旋流程度，加热炉烧嘴空气分为一次风和二次风，一次风为旋流，因此对烧嘴增大一次风阀门开度，减少二次风开度，从而使混合煤气在低温状态下燃烧，减少NOx 生成量。

（4）采用SNCR脱销装置去除烟气中的NOX,炉内SNCR工艺是利用还原剂氨水在850℃～1100℃将炉气中的NOX还原为N2。加热炉脱硝的原理是将20%的氨水在用除盐水稀释后使用专用的喷枪喷入热回收段，由于正常生产过程中热回收段的温度在850℃～1100℃之间，满足氨水去除的温度条件，因此，采用SNCR脱硝工艺可以有效降低NOx排放量，并满足环保排放要求。

4 蓄热式加热炉产生氮氧化物的主要环节

4.1 正常生产时氮氧化物超标

正常生产时，如果空气过剩系数设定大或者空燃比高，助燃.空气中的氧气未完全燃烧，炉尾的残氧大于4%的情况下，加热时产生的氮氧化物会超过标准规定。

在加热板坯过程中，当加热炉的炉温超过1000℃时，氮氧化物的生成量开始增加，如果此时炉气未处于还原性气氛，就会造成氮氧化物超标。

炉内钢种的前后出钢温度差距大，当高温板坯出完，加热炉需要手动降温时，由于空气流量调节阀自动状态下关小反应较慢，造成空燃比较大，氮氧化物在此时也容易超标。

4.2 保温待轧时氮氧化物超标

轧机出现故障，加热炉需要根据轧机处理故障的时间采取保温待轧措施，同步减少煤气和助燃空气的供给量，如果此时烟道闸板出现异常，造成炉压降低，会使均热段的氧含量偏高，氮氧化物出现超标。

保温待轧的时间长时，需要逐步关闭预热段、一加热段、二加热段的烧嘴，由于存在空气换向阀关不严的情况以及烧嘴冷却风常开，造成炉气中的氧含量偏高，氮氧化物超标。

4.3 检修时氮氧化物超标

检修前临近出空时，加热段的烧嘴全部关闭，炉气中的氧含量增加，炉尾的残氧量大于4%，氮氧化物的生成量增加，氮氧化物超过标准。

检修开始后，在炉温逐步降低的过程中，炉压会发生波动，当炉压较低时，均热段吸入的空气增加，氮氧化物生成量超标。

检修开始装钢过程中，由于烧嘴时随着板坯在步进梁上前进同步开启，只要板坯没有装满加热炉就存在烧嘴没有全开的情况，由于烧嘴中心冷却风保持常开状态，炉内的氧化性气氛强，氮氧化物的生成量会超标。

5 蓄热式加热炉减少氮氧化物排放的方法

5.1 优化空燃比，保证炉膛内呈现还原性气氛

加热炉各段的空燃比是根据煤气热值仪显示的数据乘以各段的空气过剩系数得到，因此加热炉在生产过程中要投入热值仪参与控制，同时调整加热炉各段的空气过剩系数。

在生产的过程中，要关注热值仪显示的正确性，发现热值仪数据过大或过小，及时联系能源部进行确认，并且通知维检单位检查，确保热值仪正常工作。

要合理设置各段的空气过剩系数，使炉内呈还原性气氛，空气过剩系数的设置从均热段到预热段逐步加大。均热段的空气过剩系数控制在0.93～1.0之间，控制均热段为弱还原性气氛，一方面是减少由于炉门处关闭不严密吸入空气产生氮氧化物，另一方面是减少高温段由于空气含量多导致的氮氧化物增加；二加热段空气过剩系数控制在0.97～1.03之间，基本保证空、煤气完全燃烧，减少过剩的空气量；一加热段的空气过剩系数控制在1.0～1.15之间，空气量比煤气量稍微偏多，这样可以保证二加热段没有完全燃烧的煤气在一加段燃烧，防止炉尾冒烟情况发生。

在正常生产过程中要保证炉尾的残氧值小于4%，通过炉尾摄像头观察时要以炉尾偶有未完全燃烧煤气。

5.2 合理控制加热炉各段的加热温度

（1）控制加热炉各段的炉温在1300℃以内，对于生产极限规格耐候钢和高强钢等难轧钢种，加热炉的最高炉温控制在1320℃以内。对于蓄热式加热炉一加热段炉温上限为1280℃，预热段最高温度为1200℃，尽可能减少高温造成氮氧化物的生成量。

（2）如果前后钢种出钢温度相差较大，需要升降温操作，必须控制升、降温速度不超过250℃/h，其中半小时的升、降温速度必须小于150℃/h，减少升、降温过程中由于空气伴随煤气流量不及时造成氮氧化物波动。在降温过程中，如果某一加热段烧嘴全部关闭后氮氧化物的生成量大，可能是由于烧嘴的冷却风或者是空气阀关闭不严，造成进入炉内的空气过多造成的，此时要这一加热段要点燃一对烧嘴，将空气和煤气流量调节阀手动控制，尽量减少空气的供应量，氮氧化物的生成量就会降低到正常值。

5.3 加热炉工况异常时氮氧化物的控制

出现事故停机、设备强化、慢节奏等非正常工况时，密切监控NOx排放浓度，如达到120mg/m3以上，根据不同的控制模式调整空燃比：均热段、二加段、一加段手动控制时，空煤气流量必须小于理论空燃比；自动控制时，空气过剩系数按照下限控制，降低炉尾残氧。氮氧化物仍然超出标准时，可适当增加煤气用量。

空燃比投入自动控制，炉内残氧3%以下，炉内降温时，同步调节空气、煤气量，禁止加大空气量降温，检查水封槽液位在320mm以上，确保水封槽密封性良好。加热炉在保温待轧过程中将炉压设定值比正常生产时提高5Pa，减少装、出钢炉门口冷空气吸入量。

煤气热值波动或热值偏高时，加热炉操作联系能源部调整煤气中的焦炉煤气或高炉煤气含量，从而使煤气热值恢复正常并且保持平稳。

5.4 检修期间氮氧化物的控制

（1）加热炉检修前临近出空时，板坯所在的燃烧段按照正常烧钢控制,并通过减少过剩系数设定或者手动控制空、煤气流量降低燃烧段的空燃比。

（2）如果某一段板坯如果已经出空，完全关闭该段烧嘴。如风压较高，可逐步减小助燃风机入口阀开度，并且打开热风放散阀和预热段空气调节阀，助燃空气在低温状态下产生的氮氧化物量很小，因此降低炉温可以有效减少氮氧化物生成量。

（3）检修期间如氮氧化物较高，打开炉门检查已关闭的烧嘴煤气快切阀是否关严，可以通过检查烧嘴是否向炉内漏火来判断，未关严的关闭现场手阀，并联系维检人员处理快切阀严密性。如果存在某一炉次停炉时，无特殊情况必须保证烟闸全关，停助燃风机，如需处理设备，操作工关注排放情况，同时对该炉烟闸和人孔进行临时密封，防止烟囱含氧量过高。

5.5 加强对燃烧系统设备的维护

（1）空气系统的流量调节阀、压差变速器反馈不准确，可能造成供应烧嘴燃烧的空气量增多；烧嘴空气快切阀出现匡量后在全关情况下会漏气造成在换向过程中泄漏到炉内的空气量增多；烟气快切阀出现匡量后会造成烧嘴烟气泄漏量大，进而出现蓄热箱超温同时烧嘴会自动转变为冷却吹扫模式，从而向炉内吹入大量空气。因此要定期对各段空气流量调节阀及相应的压差变速器进行检验，保证其测量准确；通过在流量调节阀一定的情况下逐个开关空气和烟气手阀观察段空气或烟气流量是否等比例变化的情况来判断空气或烟气阀的阀板是否断裂；定期检查空气和烟气快切阀的阀头匡量，并且记录匡量阀的位置。对于上述检查过程中发现的问题及时提交维检人员处理。

1号～3号加热炉先后修复了66个空气快切阀和40个烟气快切阀，并且完成了所有空气流量调节阀和压差变速器的检验，处理后在关闭烧嘴的情况下，炉尾残氧值趋于稳定。

（2）加热炉炉尾的残氧仪对空燃比也非常重要，残氧仪通过激光测量烟气中的氧含量，因此残氧仪的测量精度非常重要，当残氧仪上的激光透过率低于10%时，残氧仪测量就不准确，因此日常设备检查中要检查残氧仪透过率，同时增加残氧仪透过率低于10%后出现声光报警，提醒操作和维检人员及时对设备进行检查。

（3）做好加热炉炉压检测设备的检查与维护。正常生产过程中，加热炉炉压保持微正压控制，这样减少了从装、出钢炉门处吸入冷空气，降低烟气中的氧含量，减少氮氧化物的生成量。由于加热炉周围环境温度高，降低了压力表的精度，同时由于炉气中的烟尘量多，炉压取压管容易堵塞，造成炉压检测不准确。

1-3号加热炉对炉压的压力表安装存放箱，在箱子内部加装隔热棉，并且重新布置在远离炉墙和通风的位置，降低压力表周围的温度；制作专用工具定期疏通取压管，保证取压管畅通；定期打开炉压取压孔，通过现场判断取压孔微管冒火情况检查炉压设定值是否合适；设置炉两侧的炉压报警程序，当加热炉两侧的炉压值偏差大于5Pa时，发出声光报警，操作人员及时联系维检人员检查炉压设备出现的问题。

（4）维检单位要做到每月对热值仪用标气进行标定，热值仪偏差不能超出要求，如果偏差超出标气的范围，立即对热值仪检查处理。

5.6 利用脱销装置降低烟气中氮氧化物

2021年12月份，1580产线投入脱销系统，将20%的氨水用除盐水稀释后通过安装在加热炉热回收段的喷枪喷入炉内，从而使烟气中的氮氧化物大幅度下降，在正常生产过程中氮氧化物可以达到70mg/m3。在生产过程中通过以下措施最大限度的实现脱销装置的性能：

（1）实现脱硝系统自动控制。脱销系统中氨水泵和除盐水泵采用变频控制，在启用脱硝系统后，操作工设定需要达到的氮氧化物排放量后氨水泵和除盐水泵自动调整转速，从而自动调整喷氨量，最终达到设定的排放量。这样一方面减少操作工的工作量，另一方面做到了控制的准确性，并且减少了氨水的使用量。

（2）备用的氨水泵和除盐水泵起到了保障作用。每座加热炉需要一台氨水泵和除盐水泵，在使用过程中，如果水泵出现问题，就可能导致其对应加热炉的氮氧化物无法控制，因此需要安装备用的氨水泵。在脱硝系统中，备用的氨水泵和除盐水泵和正常使用的氨水泵以及除盐水泵是并联关系，当某一台泵出现问题后，直接从操作画面上直接点击水泵切换，现场就自动启泵并且开、关现场电磁阀，实现水泵的自动切换，保证加热炉脱销效果。

（3）完善的报警信息。脱销系统的水泵、流量和液位出现异常后都会发出报警信息，操作工可以及时发现出现的异常情况。同时编写程序显示烟囱中氮氧化物的实时生成量和小时累积量，当实时生成量或小时累计量超过报警值时产生声光报警信号，便于操作人员及时修改脱硝系统中氮氧化物的设定值。

5.7 定期对烟气检测设备进行检测

加热炉生产稳定、工艺参数正常情况下出现氮氧化物超标或指标变化趋势异常可能是烟气检测设备存在检测不准确的情况，因此每天对烟气检测设备进行自动标定，每周对烟气检测设备进行手动标定，手动标定是检查烟气检测设备对标气检测的准确性，通过经常性的标定保证烟气中氮氧化物检测数值的准确性。

除了对烟气检测设备的检查，加热炉工艺人员还采购了便携式的烟气检测仪，不定期在同一时间段检测炉气中的氮氧化物，并且和烟气检测设备的氮氧化物产生量进行对比，当两者之间差距超过10mg/m3时，就需要对两种检测设备进行检查，知道检测值在10mg/m3范围内。

6 改善效果

从2021年1月份开始，首钢京唐公司1580作业区加热炉通过上述措施加强对氮氧化物的控制，使氮氧化物的生成量大大降低，在不起用脱硝系统的情况下从最初的160mg/m3降低到110mg/m3，低于了国家规定的最低排放标准（≤150mg/m3）要求量的80%标准；在采用脱硝系统后氮氧化物的生成量为70mg/m3，低于唐山排放限值（≤150mg/m3）要求量的80%标准，减少了对环境的污染。

7 结语

（1）控制NOx重点还是控制空气供给量；炉内气氛以弱还原为主，通过调整一次风比例控制燃料燃烧速度；同时要合理控制各加热段的温度，减少因为炉温高导致的NOx生成量大。

（2）烧嘴空气量供入不均匀，决定了单个烧嘴的燃烧完全程度不一致，空气供入量大的烧嘴产生NOx量大。所以需要维护烧嘴换向阀，保证烧嘴换向阀不漏风；需要保证各段流量调节阀测量准确。

（3）做好加热炉检测仪表热值仪、残氧仪、炉压检测的检查与维护，保持加热炉炉况稳定，可以减少氮氧化物的生成。

（4）脱销设备最大限度的实现自动控制，提高氮氧化物控制的精准性。