頂燃式熱風(fēng)爐高溫低氧燃燒技術(shù).doc

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1、http://www.gtjia.com頂燃式熱風(fēng)爐高溫低氧燃燒技術(shù)張福明1，胡祖瑞1，程樹(shù)森2(1.北京首鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司，北京100043；2.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京100083)摘要：NOx是制約熱風(fēng)爐實(shí)現(xiàn)高風(fēng)溫長(zhǎng)壽的主要技術(shù)障礙。為有效抑制和降低熱風(fēng)爐燃燒過(guò)程生成的NOx，研究分析了NOx的生成機(jī)制，運(yùn)用熱力型NOx生成模型計(jì)算了熱風(fēng)爐燃燒過(guò)程N(yùn)Ox生成速率和生成量，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了基于高溫低氧燃燒技術(shù)(HTAC)的新型頂燃式熱風(fēng)爐，采用CFD仿真模型對(duì)比研究了常規(guī)熱風(fēng)爐和高溫低氧熱風(fēng)爐的燃燒過(guò)程和特性。計(jì)算得出2種熱風(fēng)爐

2、的溫度場(chǎng)分布和火焰形狀、濃度場(chǎng)分布以及NOx的濃度分布。研究結(jié)果表明，高溫低氧熱風(fēng)爐的溫度場(chǎng)分布均勻，在相同拱頂溫度下，NOx生成量?jī)H為80×10﹣6，比常規(guī)熱風(fēng)爐降低約76％。高溫低氧熱風(fēng)爐可以獲得更高的風(fēng)溫并可以有效減少NOx排放，實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐高效長(zhǎng)壽和節(jié)能減排。關(guān)鍵詞：頂燃式熱風(fēng)爐；高溫低氧燃燒；高風(fēng)溫；低NOx含量隨著煉鐵工業(yè)的技術(shù)發(fā)展，提高風(fēng)溫已成為現(xiàn)代高爐的重要技術(shù)特征。在高爐煉鐵工藝中采用熱風(fēng)爐加熱鼓風(fēng)已有近200年歷史，最早經(jīng)過(guò)熱風(fēng)爐加熱后的鼓風(fēng)溫度只有149℃。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前高爐風(fēng)溫已達(dá)1250～1300℃。提高風(fēng)溫可

3、以大幅度降低高爐燃料消耗，節(jié)約焦炭，提高噴煤量，促進(jìn)高爐生產(chǎn)穩(wěn)定順行，還可以充分利用低熱值高爐煤氣，提高能源利用效率，減少煤氣放散和CO2排放，節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境。因此，高風(fēng)溫是現(xiàn)代高爐實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化冶煉、高效低耗、節(jié)能減排的重要技術(shù)措施?，F(xiàn)代熱風(fēng)爐要求達(dá)到1250℃以上的高風(fēng)溫，使用壽命要大于30年，同時(shí)要降低CO2、NOx等污染物的排放，實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐長(zhǎng)壽、高效、高風(fēng)溫和低排放。高爐熱風(fēng)爐按結(jié)構(gòu)形式分為內(nèi)燃式、外燃式和頂燃式。頂燃式熱風(fēng)爐是20世紀(jì)70年代針對(duì)內(nèi)燃式和外燃式熱風(fēng)爐的技術(shù)缺陷而創(chuàng)新發(fā)展的一種新型熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)。頂燃式熱風(fēng)爐的特點(diǎn)是利用熱風(fēng)爐

4、的拱頂空間作為燃燒室，取消了熱風(fēng)爐內(nèi)部或外部獨(dú)立設(shè)置的燃燒室。1978年，首鋼2號(hào)高爐(1327m3)率先采用了頂燃式熱風(fēng)爐，這是世界上第1座大型頂燃式熱風(fēng)爐實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用[1]。這種熱風(fēng)爐具有結(jié)構(gòu)對(duì)稱、溫度區(qū)間分布合理、占地面積小、工程投資低等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)的頂燃式熱風(fēng)爐受燃燒空間的影響，容易造成拱頂局部高溫，使燃燒室溫度變化劇烈且溫度分布不均勻，降低熱風(fēng)爐的傳熱效果和使用壽命。現(xiàn)有3種結(jié)構(gòu)形式的熱風(fēng)爐均為常規(guī)熱風(fēng)爐，無(wú)論采用何種結(jié)構(gòu)形式的燃燒器，其燃燒原理和特性并無(wú)本質(zhì)差別。研究表明，熱風(fēng)爐拱頂溫度達(dá)到1400℃以上時(shí)，NOx大量生成，燃燒產(chǎn)

5、物中的NOx含量急劇升高，燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣在溫度降低到露點(diǎn)以下時(shí)冷凝成液態(tài)水，NOx與冷凝水結(jié)合形成酸性腐蝕性介質(zhì)，對(duì)熱風(fēng)爐爐殼鋼板產(chǎn)生晶間應(yīng)力腐蝕。因此現(xiàn)有的常規(guī)熱風(fēng)爐一般將拱頂溫度控制在1420℃以下，旨在降低NOx的含量，從而抑制爐殼晶間應(yīng)力腐蝕，但由此卻限制了風(fēng)溫的進(jìn)一步提高。因此設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一種改變常規(guī)熱風(fēng)爐燃燒過(guò)程，進(jìn)一步提高風(fēng)溫，同時(shí)降低CO2、NOx排放的高風(fēng)溫高效長(zhǎng)壽熱風(fēng)爐，已成為克服上述技術(shù)缺陷的必要條件。1熱風(fēng)爐燃燒過(guò)程N(yùn)Ox的形成機(jī)制燃料燃燒過(guò)程中生成的氮的氧化物總稱為NOx。NOx主要包括N2O、NO、NO2、N2O3

6、、NO3和N2O4、N2O5等，燃燒生成的NOx主要是NO和少量的NO2。NOx對(duì)人體、動(dòng)物和植物都具有極大的危害，還會(huì)導(dǎo)致光化學(xué)霧、酸雨和臭氧損耗，對(duì)自然生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生破壞作用，因此工業(yè)生產(chǎn)和燃料燃燒中要盡量減少NOx的排放。NOx在燃燒過(guò)程的生成量受燃燒方式、空氣混合比、燃燒溫度等燃燒條件的影響很大。NOx按其起源和生成途徑可以分為熱力型NOx、快速型NOx和燃料型NOx。熱力型NOx是通過(guò)氧化燃燒空氣中的N2形成的；快速型NOxhttp://www.gtjia.com是通過(guò)在火焰前鋒面的快速反應(yīng)形成的；燃料型NOx是通過(guò)氧化燃料中的N形成的

7、。高爐熱風(fēng)爐在燃燒高爐煤氣條件下，由于高爐煤氣中含氮化合物很少，因而極少生成燃料型NOx，主要以生成熱力型NOx為主。1.1熱力型NOx的形成機(jī)制熱力型NOx的形成是由一組高度依賴于溫度的化學(xué)反應(yīng)決定的，這也被稱為廣義的捷爾道維奇(Zeldovich)生成機(jī)制，該理論認(rèn)為，在O2―N2―NO系統(tǒng)中，由氮分子形成的熱力型NOx的主要反應(yīng)如下：反應(yīng)(1)和反應(yīng)(2)被稱為捷爾道維奇生成機(jī)制。當(dāng)燃燒過(guò)程有水蒸氣時(shí)，燃燒產(chǎn)物中存在OH，此時(shí)NO也可以按反應(yīng)(3)生成，因此被稱為廣義的捷爾道維奇生成機(jī)制。熱力型NOx生成的特點(diǎn)是生成反應(yīng)比燃燒反應(yīng)慢，主要

8、是在火焰前鋒的高溫區(qū)間內(nèi)生成NOx。大量研究結(jié)果表明[2-4]，NO的生成是在燃燒帶之后靠近最高溫度區(qū)間的燃燒產(chǎn)物中進(jìn)行的。目前的研究結(jié)果也認(rèn)為在燃燒