1  前言

高爐煉鐵能耗約占鋼鐵工業(yè)能耗的40%以上，因此煉鐵工序的節(jié)能降耗尤為重要。熱風(fēng)爐是高爐煉鐵的重要設(shè)備之一，通過熱風(fēng)爐供給高爐的熱量約占煉鐵生產(chǎn)能耗的30%，所消耗的煤氣約占高爐所產(chǎn)煤氣的50%以上。提高熱風(fēng)爐送風(fēng)溫度時(shí)最有效最經(jīng)濟(jì)的節(jié)能措施。

中國(guó)是世界鋼鐵生產(chǎn)的大國(guó)，年產(chǎn)量居世界第一位，2018年，中國(guó)生鐵累計(jì)產(chǎn)量為7.71億噸，而在冶煉一噸生鐵時(shí)就會(huì)產(chǎn)生3000m3左右的副產(chǎn)品——高爐煤氣，這其中有30%-40%的高爐煤氣作為加熱燃料被熱風(fēng)爐利用，現(xiàn)代熱風(fēng)爐要求達(dá)到1250℃以上的高風(fēng)溫，同時(shí)要降低CO、NO_X等污染物的排放，實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐高風(fēng)溫、長(zhǎng)壽命、低排放。

高爐煤氣的特點(diǎn)是可燃成分低，燃燒不穩(wěn)定，燃燒溫度低，煙氣量大，熱風(fēng)爐一般采用穩(wěn)定強(qiáng)化燃燒的措施，來獲取更高的拱頂溫度，近年來工程師發(fā)現(xiàn)過高的拱頂溫度將帶來燃燒過程中氮氧化物（NO_X）的大量生成，造成大氣環(huán)境的污染以及熱風(fēng)爐拱頂出現(xiàn)晶間應(yīng)力腐蝕，當(dāng)拱頂溫度≥1420℃，燒燒產(chǎn)物中NO_X的含量急劇升高，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，NO_X與冷凝水結(jié)合形成酸性腐蝕介質(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NO_X的生成量，抑制爐殼晶間應(yīng)力腐蝕，但是因此缺限制了熱風(fēng)爐送風(fēng)溫度的進(jìn)一步提高。因此設(shè)計(jì)開發(fā)出一種改變常規(guī)熱風(fēng)爐燃燒過程，進(jìn)一步提高送風(fēng)溫度，同時(shí)降低低CO、NO_X等污染物的排放的高風(fēng)溫高效長(zhǎng)壽熱風(fēng)爐，成為克服上述技術(shù)難題的必要條件。

2  熱風(fēng)爐NO_X形成機(jī)理與控制技術(shù)

氮氧化物(NO_x)是造成大氣污染的主要污染源之一。通常所說的NO_x有多種不同形式: N₂O、NO、NO₂、N₂O₃、N₂O₄和N₂O₅，其中NO和NO2是重要的大氣污染物，另外還有少量N₂O。氮氧化物的生成量和排放量與燃燒方式，特別是燃燒溫度和過量空氣系數(shù)等燃燒條件關(guān)系密切。

在燃燒過程中，產(chǎn)生NO_X分為以下三類：（1）在高溫燃燒時(shí)，空氣中的N₂和O₂在燃燒中形成的NO_X，稱為熱力型NO_X；（2）燃料中有機(jī)氮經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)而生成的NO_X，稱為燃料型NO_X；（3）快速型NO_x的生成機(jī)理是指燃料在過?？諝庀禂?shù)小于1的情況下，在火焰面內(nèi)急劇生成大量的NO_x。

熱力型NO_x的生成機(jī)理由Zeldovich于1964年提出，其生成是在高溫下由氧原子撞擊氮分子而發(fā)生下列鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的結(jié)果：

公式（1）

其中，第一式起主導(dǎo)控制作用，而該式的反應(yīng)條件是溫度高于1500℃，所以NO_x的生成與溫度有關(guān)見圖1。按照這一機(jī)理，空氣中的N₂在高溫下氧化，是通過一組不分支的連鎖反應(yīng)進(jìn)行的，整個(gè)反應(yīng)的速度，正比于氧原子的濃度，隨著溫度的上升，氧原子濃度增大，總的反應(yīng)速度增大。由于總反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，所以升溫有利于提高NO_x的轉(zhuǎn)化率，同樣降溫會(huì)使熱力型NO_x的形成受到明顯抑制。

圖1  NO_X生成量與拱頂溫度之間關(guān)系

因此，熱力型NO_x生成速度與燃燒溫度關(guān)系很大，故又稱為溫度型NO_x。影響熱力型NO_x生成量的主要因素是溫度、氧氣濃度和在高溫區(qū)停留時(shí)間，由此而得到控制熱力NO_x生成量的方法概括為：降低燃燒溫度水平，避免局部高溫；降低氧氣濃度；燃燒在偏離理論空氣量的條件下進(jìn)行，縮短在高溫區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間。

3  低NO_x燃燒技術(shù)是降低熱風(fēng)爐熱力型NO_x排放的主要技術(shù)措施

NO_x的形成起決定作用的是燃燒區(qū)域的溫度和過量空氣系數(shù)，因此，通過控制燃燒區(qū)域的溫度和空氣量，已達(dá)到阻止NO_x的生成及降低其排放的目的，我們稱該技術(shù)為低氮燃燒技術(shù)。對(duì)低氮燃燒技術(shù)的要求是，在降低NO_x的同時(shí)，使熱風(fēng)爐燃燒穩(wěn)定，且煙氣含CO量不能超標(biāo)。為了控制燃燒過程中NO_x的生成量所采取的措施原則為：(1)降低過量空氣系數(shù)和氧氣濃度，使高爐煤氣在缺氧條件下燃燒；(2)降低燃燒溫度，防止產(chǎn)生局部高溫區(qū)；(3)縮短煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間等。低NO_x燃燒技術(shù)主要包括：低過?？諝庀禂?shù)、低NO_x燃燒器、煙氣再循環(huán)。

4  錐柱復(fù)合型頂燃式熱風(fēng)爐低NO_x燃燒技術(shù)介紹

4.1  低過?？諝庀禂?shù)運(yùn)行

熱力型NO_x的生成是一種緩慢的反應(yīng)過程，是由燃燒空氣中的N與反應(yīng)物如O和OH以及分子O反應(yīng)而成的。傳統(tǒng)頂燃式熱風(fēng)爐在實(shí)際操作中空氣過剩系數(shù)普遍＞1.1，錐柱復(fù)合式頂燃熱風(fēng)爐選取空氣過剩系數(shù)為1.03，使燃燒過程盡可能在接近理論空氣量的條件下進(jìn)行,隨著煙氣中過量氧的減少,可以抑制NO_X的生成。這是一種最直接的降低NO_X排放的方法，一般可降低NO_X排放15%~20%。

4.2  開發(fā)頂燃熱風(fēng)爐用低NO_x燃燒器

4.2.1  燃燒器三維空間渦旋燃燒技術(shù)

燃燒器是工業(yè)爐等爐窯的關(guān)鍵性設(shè)備，它的性能對(duì)工業(yè)爐窯的產(chǎn)量、能耗、環(huán)保等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有很大的影響。低污染燃燒技術(shù)，特別是低NO_x燃燒技術(shù)是燃?xì)饧夹g(shù)研究者的重要課題之一。合理組織燃燒，設(shè)計(jì)和改進(jìn)燃燒器結(jié)構(gòu)，改善燃燒性能，提高燃燒設(shè)備熱效率減少環(huán)境污染問題是新型燃燒器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

在燃燒技術(shù)中，旋轉(zhuǎn)射流兼有旋轉(zhuǎn)穩(wěn)流運(yùn)動(dòng)，自由射流和穩(wěn)流的特點(diǎn)，因此它是強(qiáng)化燃燒和組織火焰形態(tài)的有效燃燒方法。針對(duì)NO_x排放問題，在合理的空燃比技術(shù)上采用三維旋流更是可以明顯減少NO_x的生成；三維渦旋燃燒器的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是能夠產(chǎn)生回流區(qū)，使氣體回流，回流的強(qiáng)度和回流區(qū)大小是衡量旋流燃燒器的一個(gè)重要的特性指標(biāo)?；亓鲄^(qū)面積越大回流強(qiáng)度越強(qiáng)，位置越靠近火焰根部，燃燒狀況越好，爐膛溫度越均勻，越不容易產(chǎn)生局部高溫，從而降低了NO_x的生成量。

圖2為錐柱復(fù)合式頂燃熱風(fēng)爐燃燒器的結(jié)構(gòu)圖。錐柱復(fù)合型的混合室設(shè)置有多層環(huán)狀的煤氣和空氣環(huán)道，每層環(huán)道上設(shè)置有多個(gè)噴口結(jié)構(gòu)，這種頂燃熱風(fēng)爐的特點(diǎn)不僅降低了拱頂高度，更主要的是把傳統(tǒng)頂燃爐燃燒器的平面旋流混合流場(chǎng)，改進(jìn)為三維空間渦旋流場(chǎng)。采取“空煤氣空間（三維）旋流與平面(切圓)細(xì)流高速噴射”關(guān)鍵技術(shù)，煤氣噴口布置在混合室的錐臺(tái)部位。噴口分多層從錐面的不同徑向以一定旋轉(zhuǎn)角度高速噴出，再與圓柱部位的多環(huán)噴口助燃空氣噴出的高速細(xì)流旋轉(zhuǎn)混合，能夠有效強(qiáng)化高溫燃燒產(chǎn)物和未燃燒燃料在回流區(qū)的混合過程，并且形成穩(wěn)定的點(diǎn)火源和活化中心，燃燒火焰穩(wěn)定性好，節(jié)能、高效、低污染，燃燒器負(fù)荷調(diào)節(jié)比大，火焰動(dòng)量可調(diào)節(jié)。產(chǎn)生的回流區(qū)可將熱量和活性中心傳給未燃混合氣體，從而建立一個(gè)穩(wěn)定的點(diǎn)火源，保持火焰穩(wěn)定燃燒，同時(shí)縮短了煙氣在高溫區(qū)停留時(shí)間，降低了NO_x的排放，安耐克錐柱復(fù)合式頂燃熱風(fēng)爐工業(yè)應(yīng)用實(shí)測(cè)值為35-76mg/m³，遠(yuǎn)低于《鋼鐵工業(yè)大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)》150mg/m³的排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 錐柱復(fù)合式頂燃熱風(fēng)爐燃燒器的結(jié)構(gòu)圖

4.2.2  低NO_x燃燒器燃燒狀況的數(shù)值模擬

CFD流體仿真技術(shù)的應(yīng)用可有效的降低設(shè)計(jì)成本，它用數(shù)值計(jì)算方法直接求解流動(dòng)仿真，發(fā)現(xiàn)各種流動(dòng)現(xiàn)象，包括計(jì)算水動(dòng)力學(xué)、計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)、計(jì)算燃燒、計(jì)算傳熱學(xué)、計(jì)算化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)等研究方向。近幾年來，我們用仿真技術(shù)研究了熱風(fēng)爐拱頂空間煙氣流動(dòng)及燃燒特性，對(duì)各類頂燃式熱風(fēng)爐進(jìn)行過仿真研究。目前計(jì)算流體力學(xué)的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法已經(jīng)是項(xiàng)目開展前期設(shè)計(jì)的重要手段，用仿真的方法篩選出本項(xiàng)目中的最優(yōu)方案作為冷態(tài)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用的依據(jù)。

利用CFD自帶的湍流流動(dòng)模型、燃燒模型輻射換熱模型，對(duì)錐柱復(fù)合式頂燃熱風(fēng)爐進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得燃燒器內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布。

4.2.3  低NO_x燃燒器溫度場(chǎng)與火焰狀態(tài)

圖3是錐柱復(fù)合式頂燃熱風(fēng)爐在理論燃燒溫度均為1380℃時(shí)燃燒室內(nèi)溫度場(chǎng)和火焰狀態(tài)的對(duì)比情況。通過Y=0、Z=1可以看出在格磚平面以上1米高度上煤氣達(dá)到全部燃燒。同時(shí)從圖中清晰看到整個(gè)燃燒室內(nèi)溫度分布均勻，幾乎沒有局部的高溫區(qū)。格子磚表面的溫度均勻度達(dá)到99%以上，格子磚上表面溫度分布均勻性性對(duì)熱風(fēng)爐而言非常重要，溫度均勻分布的煙氣能夠提高格子磚的傳熱效率和延長(zhǎng)格子磚的壽命，格子磚的蓄熱能力也能得到充分利用。

圖3 Y=0 燃燒器縱截面溫度分布

   圖4 Z=1格子磚平面溫度分布

4.2.4  低NO_x燃燒器濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布

圖5是錐柱復(fù)合式頂燃熱風(fēng)爐燃燒器CO濃度分布，工況下煤氣與空氣混合后燃燒比較充分，高濃度的CO主要分布在喉口以上部位，而格子磚表面的CO濃度接近于0，煤氣得到完全燃燒。圖6在高速三維渦旋混合氣流的作用下，燃?xì)馍淞髋c空氣流的摻混和卷吸作用增強(qiáng)，在燃燒區(qū)域內(nèi)形成了一個(gè)明顯的回流區(qū)，中心回流區(qū)直接卷吸下部已經(jīng)開始燃燒的高溫?zé)煔饣亓髦粱旌蠚饬鞯母浚〝U(kuò)口區(qū)），提高了燃燒火焰的穩(wěn)定性和速度，減少混合氣體在高溫點(diǎn)火區(qū)和穩(wěn)焰區(qū)的停留時(shí)間，讓溫度較低的煙氣和熾熱的燃燒產(chǎn)物盡快混合，達(dá)到降低NO_x污染物排放，提高燃燒效率。

圖5 Y=0 燃燒器縱截面CO濃度場(chǎng)分布

  圖6 Y=0 燃燒器縱截面速度場(chǎng)分布

5  提高熱風(fēng)爐的溫度效率

在許多現(xiàn)役熱風(fēng)爐上燃燒末期最高的拱頂溫度與送風(fēng)溫度之間的差值(溫度效率)存在著很大的差距：在傳統(tǒng)的以大孔徑格子磚為蓄熱體的熱風(fēng)爐上這一溫度差達(dá)到150～180℃，錐柱復(fù)合型頂燃式熱風(fēng)爐保證拱頂溫度＜1400℃情況下，通過強(qiáng)化蓄熱面積，將傳統(tǒng)的拱頂溫度與送風(fēng)溫度之間的差值減小到80℃～100℃，在同樣拱頂溫度的條件下，可以提高50～80℃的風(fēng)溫。

加大熱風(fēng)爐的燃燒率，改進(jìn)爐篦子的材質(zhì)，采用新型結(jié)構(gòu)的篦子，將熱風(fēng)爐燃燒末期的最高廢氣溫度提高到≥400～450℃；利用較高溫度的熱風(fēng)爐廢氣，通過換熱器將煤氣和助燃空氣預(yù)熱到≥200～230℃。

因此，我們的熱風(fēng)爐設(shè)計(jì)的基本技術(shù)路線是：縮小拱頂溫度與送風(fēng)溫度差值，實(shí)現(xiàn)以100%的高爐煤氣作為熱風(fēng)爐燃料，雙預(yù)熱煤氣和助燃空氣，獲得≥1250℃的送風(fēng)溫度。

6  結(jié)論

1）當(dāng)熱風(fēng)爐拱頂溫度≥1420℃，燒燒產(chǎn)物中NO_X的含量急劇升高，對(duì)熱風(fēng)爐爐殼鋼板產(chǎn)生晶間應(yīng)力腐蝕，現(xiàn)代熱風(fēng)爐拱頂溫度應(yīng)控制在1400℃以下，保證熱風(fēng)爐鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命。

2）通過對(duì)NO_x生成機(jī)理的討論,高爐煤氣燃燒時(shí)主要產(chǎn)生的NO_x為熱力型NO_x,低NO_x燃燒技術(shù)是降低熱風(fēng)爐熱力型NO_x排放的主要技術(shù)措施，低NO_x燃燒技術(shù)主要包括：低過?？諝庀禂?shù)、低NO_x燃燒器、煙氣再循環(huán)。

3）采用多層燃燒器的布置,把燃燒器組設(shè)計(jì)成錐柱復(fù)合型結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)三維渦旋強(qiáng)力混合燃燒,在實(shí)現(xiàn)同等風(fēng)溫的條件下，可減少CO的消耗，并降低NO_x的生成,使熱風(fēng)爐NO_x排放達(dá)標(biāo),不僅解決了CO的污染,而又沒有產(chǎn)生新的污染氣體,使之成為一種環(huán)保型高溫送風(fēng)裝備。