1 、应用低NOx燃烧技术的必要性

　　首钢迁钢2160mm热轧加热炉炉型结构新颖简单、工程造价低、操作维护方便，为保证在特定炉宽中炉膛温度均匀性，该炉型决定了其必须采用火焰长度达到5.5m的燃烧装置。目前国内烧嘴厂生产制造的混合煤气调焰烧嘴火焰最长一般只达到5m左右，且火焰质量欠佳，NOx排放大，满足不了设计要求。经过多次考察和查阅资料、文献，首钢国际工程公司技术团队发现低NOx燃烧技术可以解决此项难题。该技术依靠低NOx混合煤气燃烧装置，不仅可以轻易实现5.5m的高质量长火焰，而且依靠其特殊的燃烧机理可以有效降低NOx的排放水平，实现一举多得的目的。经过多次研讨和技术方案对比后，技术团队决定在首钢迁钢2160㎜热轧项目加热炉上应用该项技术，以期实现提高加热质量和实现节能减排之目的。

　　2、 低NOx燃烧技术介绍

　　低NOx燃烧技术利用低NOx混合煤气燃烧装置，采用二级燃烧机理，产生长度长、温度均匀性好的火焰，同时破坏产生NOx条件，最大限度降低NOx的排放水平。

　　2.1 燃烧机理及低NOx排放的实现

　　2.1.1燃烧机理

　　低NOx燃烧技术采用二级燃烧机理，就是通过控制二次风的供给，使燃料经过一次缺氧燃烧和二次完全燃烧，延长燃料燃烧过程，增长火焰长度，避免火焰产生局部高温。低NOx混合煤气燃烧装置的一次助燃空气和二次助燃空气从前面两个独立支管进入炉膛，二次助燃空气在炉内与煤气边混合边燃烧，使得火焰长度增长；同时二次助燃空气高速喷入炉内时发生卷吸作用，一部分炉内烟气被卷吸到煤气燃烧区域，这样有效增长了火焰长度，同时提高沿炉宽方向炉气温度均匀性，提高加热炉的加热质量。

　　2.1.2低NOx排放的实现

　　NOx的生成必须具备两个条件，一是足够高的温度，二是燃烧区域O2的浓度。

　　低NOx混合煤气燃烧装置采用二级燃烧方式，一次风在与煤气在炉内混合燃烧时，由于风量在0～30％范围调节，燃烧所需要的O2严重不足；同时一次风旋转包裹着煤气高速喷入炉内，卷吸一部分烟气进入一次燃烧区域，因此燃料在一级燃烧区域内发生不完全燃烧，火焰中心温度得到有效降低，一般低于传统火焰中心温度150℃左右，在此区域可以有效抑止NOx的生成。在沿火焰长度方向上，二次风与主火焰在一起前进的同时发生卷吸作用，不断给一次燃烧区域供给空气，同时发生二次燃烧，这样不仅保证燃料的完全燃烧，避免燃烧区域氧气过剩，而且在延长火焰长度的同时使火焰的形状发生改变，既实现了火焰温度均匀控制，破坏了NOx的产生条件，增强了炉气的扰动，使炉内温度更加均匀。

　　2.2 低NOx混合煤气燃烧装置结构

　　低NOx混合煤气燃烧装置是由主喷嘴组合和二次空气喷管组成。如图1所示，主喷嘴组合包括中心空气喷嘴①、一次空气喷嘴②和燃料喷嘴③三部分，它们三者通过两对同心法兰A、B连接；一次空气喷嘴②和燃料喷嘴③之间设有旋流片a，端头安装有由螺纹连接的耐热钢喷头e；二次助燃空气喷管与主喷管分离，置于主喷管旁；主喷嘴组合和二次空气喷管④由法兰板C与炉墙钢板相连接；烧嘴砖与炉墙构成一体；一次空气喷嘴②、燃料喷嘴③和二次助燃空气喷管④设有压力测量管b；二次助燃空气喷管④端头设有火焰观测孔c。这种燃烧装置结构体积小，结构简单，功能性强，安装方便，且使用寿命长。

　　图1. 低NOx混合煤气燃烧装置结构示意图

　　①中心空气喷嘴；②一次空气喷嘴；③燃料喷嘴；④二次空气喷管；⑤炉墙烧嘴喷口通道；a旋流片；b压力测量管；c火焰观测孔；d点火孔；e耐热钢喷头；A、B同心法兰；C法兰板

　　2.3  低NOx混合煤气燃烧装置性能参数

　　低NOx混合煤气燃烧装置按两级燃烧原理进行设计，是为延长燃烧过程，降低火焰温度的高峰，以便减少NOx的生成量。其中心风约占3％～5％，一次风约占20％～30％，二次风约占80％～70％，通过调节调焰烧嘴火焰调节阀改变一次风与二次风比例来调节火焰长度。由于中心风技术的应用，烧嘴在低负荷工作时，即可以保证火焰长度和刚度，也可以得到最低的NOx产生量。此次步进加热炉设计的侧部供热采用上面介绍的带中心风的低NOx调焰烧嘴。这在炉宽加大的情况下有利于板坯在加热过程中沿炉宽方向上的温度均匀性。其性能参数如表1所示。

　　表1  低NOx混合煤气燃烧装置基本参数

　　3 低NOx混合煤气燃烧装置改进

　　在应用过程中，技术团队根据实际状况，结合以往生产操作经验，为达到维修方便、安装简单、经济耐用等目的，对低NOx混合煤气燃烧装置的结构进行改进和优化，具体工作如下：

　　(1) 由于现场使用的燃料为高、焦混合煤气，煤气成分复杂，经常会出现喷口结焦、结垢等现象，严重时会影响流通面积，影响火焰形状，所以要定期对烧嘴喷口进行清理。为便于清理工作的进行，尽可能缩短维修时间，技术团队将中心风喷管与燃料喷管的连接由原来的焊接改为法兰连接，这样在清理喷头时只需将其拆下抽出即可，不需将烧嘴整体拆下。

　　(2) 另一方面，为便于烧嘴喷头的清理与更换，技术团队将煤气喷头与喷管的连接形式由原来的焊接改为螺纹连接，这样一旦出现喷头堵塞、烧损变形等状况，只需将其拆下更换即可，不用整体更换烧嘴。这样不但可以减少备件投资，也缩短了检修时间。

　　(3) 烧嘴砖在烧嘴安装时与炉墙一起浇注而成，其中烧嘴砖上二次空气喷口可以根据燃料及燃烧机理需要设计成不同形状，如月牙形、圆型、长方形等。

　　4改进后的工业热试

　　为检验改进后低NOx混合煤气燃烧装置的实际使用性能，技术团队决定在2号加热炉均热段下部第二个烧嘴和第二加热段上部第二个烧嘴的位置安装改进型低NOx混合煤气燃烧装置，进行实际工况的试验。结合2号加热炉实际烘炉进度情况进行了实际工况的运行试验。

　　4.1 试验方案

　　(1) 由于本次烧嘴试验配合2#加热炉烘炉同步进行，因此试验烧嘴阀门的初始开度按如下设定：一次空气: 开30°；二次空气: 开90°；中心空气: 开90°；混合煤气: 开15°。

　　(2) 先开均热下西侧第2个烧嘴(改进型)和均热下东侧第2个烧嘴（原型），嘴前阀门开度大小按照步骤A设定。

　　(3) 各个供热段空、煤气流量设定值按照加热炉烘炉细则设定。

　　(4) 万一出现烧嘴燃烧不稳定的情况，可以将中心空气手动阀门关闭。

　　(5) 在确认调焰烧嘴稳定燃烧以后，开始进行试验烧嘴嘴前阀门调节，观察火焰长度、刚度以及外形的参数。

　　4.2试验结果

　　通过试验，可以得出如下试验结果：

　　(1) 低NOx混合煤气燃烧装置实现了两级燃烧技术，能够有效降低燃烧产物中NOx的含量。

　　(2) 低NOx混合煤气燃烧装置具有良好的火焰紊流度和刚度。

　　(3) 低NOx混合煤气燃烧装置具备大调节比性能。

　　(4) 在小流量燃烧状态小火焰长度长、刚性好。在烧嘴前阀门开度为15°时，火焰长度达到4.6m；在嘴前煤气阀门开度为90°时，炉内火焰长度达到5.5m。

　　(5) 低NOx混合煤气燃烧装置火焰平、直、长，炉宽方向上温度均匀。

　　(6) 应用低NOx燃烧技术，CO2 、SO2、NOX等燃烧污染物的排放量大大减少。特别是NOx含量，经检测烟气成分中NOx含量为23PPm，远远低于一般烧嘴100PPm的含量。

　　通过试验观察和初步检测：低NOx混合煤气燃烧装置最大特点就是具有大调节比性能，在小流量燃烧状态下火焰长度长、刚性好，可以满足超宽板坯加热炉的加热要求。它采用特殊的供风技术，以保证炉膛宽度方向上的温度均匀。并且采用空气、混合煤气二次燃烧技术，减少NOx生成，满足环保要求。

　　通过现场反复测量数据，不断分析摸索，得出火焰长度和刚度与嘴前空、煤气压力以及一次风、二次风开启度有很大关系:一次风的开启度与火焰长度成反比；在烘炉或低温(≤800℃)点火时一次风一定要打开，确保与二次风的比例关系(30%:70%),使混合煤气充分燃烧；烧嘴前中心风压力要保持稳定，一般保持在4000Kpa左右。图3为火焰长度与助燃风机压力变化趋势的关系。在此基础上侧烧嘴火焰调节控制要点。

　　图3 火焰长度与烧嘴嘴前压力关系

　　通过试验和对比表明，低NOx燃烧技术完全符合最初设计目的，实现了提高加热质量和降低NOx排放的双重目的。

　　5  市场、经济和环境效益

　　5.1市场效益

　　通过低NOx燃烧技术的应用使首钢国际工程公司在宽体加热炉燃烧系统和低NOx技术领域获得了宝贵的经验和成功的实例。实践证明，该项目的成功实施为首钢国际工程公司工业炉事业部在大型板坯加热炉技术领域的发展奠定了基础，同时也大大提升了其在同行业中的竞争力，为首钢迁钢1580mm热轧加热炉、首钢京唐2250mm热轧、首钢京唐1580mm热轧加热炉等项目打下了基础。

　　5.2经济和环境效益

　　通过低NOx燃烧技术在迁钢2160mm热轧加热炉上的成功应用，使该炉子吨坯能耗大大降低，一年可以直接和间接创造经济效益550多万元。环境效益也特别明显，CO2、SO2、NOx等燃烧污染物的排放量大大减少。特别是NOx含量，经检测烟气成分中NOx含量为23ppm，远远低于一般烧嘴100ppm的含量，每年减少的NOx排放量相当可观。通过该项技术的应用，首钢国际工程公司在加热炉节能减排领域有了新的成功实例，获得了良好的经济效益、环境效益和社会效益，为首钢加热炉节能减排提供了新的模式。

　　6 技术研发团队

　　首钢国际工程公司积极汲取、消化国内外先进技术，与科研院所和生产企业紧密合作，形成了独有的研究、设计和生产操作技术优势。公司工业炉专业技术团队将再接再厉充分利用多年来积累的技术成果，充分发挥与生产操作密切结合的优越条件，将加热炉低NOx燃烧技术不断创新发展。