一、研究的背景與問(wèn)題

節(jié)能和環(huán)保是制約我國(guó)鋼鐵行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素，在全國(guó)環(huán)境保護(hù)工作會(huì)議上，我國(guó)制定實(shí)施了打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年作戰(zhàn)計(jì)劃，啟動(dòng)鋼鐵行業(yè)超低排放改造，全國(guó)具備改造條件的鋼鐵企業(yè)力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)超低排放,其中軋鋼加熱爐和熱處理爐氮氧化物實(shí)現(xiàn)超低排放是其中一項(xiàng)重要目標(biāo)。目前諸多工序減排措施大都采用末端治理，其中煙氣脫硝處理技術(shù)存在占地面積大、運(yùn)營(yíng)成本高且易產(chǎn)生二次污染等問(wèn)題。而低氮燃燒技術(shù)通過(guò)對(duì)氮氧化物產(chǎn)生的源頭進(jìn)行控制，無(wú)需額外的附屬污染處理設(shè)備，僅依靠低氮燃燒裝置本身的優(yōu)化設(shè)計(jì)和低氮燃燒控制技術(shù)，即可滿足鋼鐵企業(yè)軋鋼工序爐窯的安全環(huán)保低成本運(yùn)行需求，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)爐超低氮排放的首選技術(shù)方案。

鋼坯加熱爐由于工藝溫度高，燃燒峰值溫度也相對(duì)較高，而熱力型氮氧化物隨燃燒峰值溫度升高化學(xué)反應(yīng)速率按指數(shù)規(guī)律迅速增加，鋼坯加熱工藝溫度高與熱力型氮氧化物隨燃燒峰值溫度升高急劇上升之間的矛盾是高溫工業(yè)爐的氮氧化物源頭控制的關(guān)鍵技術(shù)難題。

現(xiàn)有低NOX燃燒技術(shù)主要圍繞如何降低燃燒溫度，減少熱力型NOX生成開(kāi)展的，主要技術(shù)包括分級(jí)燃燒、預(yù)混燃燒、煙氣外部再循環(huán)、多孔介質(zhì)催化燃燒等等。然而現(xiàn)有上述低氮燃燒技術(shù)存在以下缺陷：

1、火焰溫度高?，F(xiàn)有低氮燃燒技術(shù)仍然是基于傳統(tǒng)有焰燃燒開(kāi)發(fā)的，對(duì)于降低氮氧化物有一定效果，但無(wú)法根本消除過(guò)高的火焰峰值溫度，無(wú)法大幅度降低氮氧化物排放，沒(méi)有本質(zhì)的突破，難以實(shí)現(xiàn)超低排放效果。

2、適應(yīng)范圍窄?，F(xiàn)有低氮燃燒技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)合受限制，難以滿足某些特殊應(yīng)用場(chǎng)景，例如高濃度富氧燃燒、高熱值煤氣及受限空間內(nèi)的高強(qiáng)度燃燒等應(yīng)用場(chǎng)景下，現(xiàn)有低氮燃燒技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)低氮排放。

3、穩(wěn)定性差。我國(guó)鋼鐵企業(yè)數(shù)量規(guī)模龐大，部分企業(yè)由于工序工藝限制導(dǎo)致工況復(fù)雜多變，如產(chǎn)能負(fù)荷、燃料成分等的波動(dòng)，現(xiàn)有低氮燃燒技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)工況波動(dòng)下的穩(wěn)定超低排放。

因此，解決現(xiàn)有低氮燃燒技術(shù)缺陷，攻克諸如工藝溫度對(duì)氮氧化物生成的顯著影響、高熱強(qiáng)度燃燒下低氮排放的實(shí)現(xiàn)、工況復(fù)雜多變對(duì)氮氧化物排放的穩(wěn)定性影響等關(guān)鍵技術(shù)難題是本項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容。

綜上所述，系統(tǒng)研究先進(jìn)無(wú)焰燃燒超低氮排放技術(shù)及裝備，開(kāi)發(fā)適應(yīng)軋鋼高溫工業(yè)爐復(fù)雜多變工況的超低氮燃燒控制技術(shù)，為國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)的超低排放改造提供可靠的技術(shù)保障和配套裝備，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜工況下在線連續(xù)監(jiān)測(cè)超低排放，對(duì)于鋼鐵加熱爐及熱處理爐的高效燃燒、低氮環(huán)保性能提升，對(duì)我國(guó)鋼鐵行業(yè)長(zhǎng)期可持續(xù)綠色發(fā)展以及客戶的當(dāng)前迫切需求都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案

北京京誠(chéng)鳳凰工業(yè)爐工程技術(shù)有限公司圍繞鋼鐵企業(yè)加熱爐及熱處理爐的源頭減排目標(biāo)，聚焦超低氮燃燒技術(shù)，以無(wú)焰燃燒理論為指引突破傳統(tǒng)有焰燃燒技術(shù)局限，開(kāi)發(fā)適用于鋼鐵企業(yè)加熱爐及熱處理爐復(fù)雜工況下的超低氮無(wú)焰燃燒技術(shù)及裝備，同時(shí)結(jié)合工程實(shí)際構(gòu)建低氮燃燒控制模型，以保障工業(yè)爐在無(wú)附加末端減排措施的情況下實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測(cè)超低排放。

圖1技術(shù)路線及方向的熱態(tài)燃燒實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

（1000℃爐溫下天然氣有焰轉(zhuǎn)換無(wú)焰模式下氮氧化物對(duì)比）

研發(fā)團(tuán)隊(duì)針對(duì)現(xiàn)有低氮燃燒技術(shù)均是基于火焰燃燒理論，燃燒峰值溫度過(guò)高，難以從本質(zhì)上大幅度降低燃燒高溫形成的熱力氮氧化物，提出空氣分級(jí)偏置技術(shù)以弱化空煤氣混合，打破火焰穩(wěn)定條件，提高空煤氣流速超出火焰?zhèn)鞑ニ俣?，從而形成超低氮無(wú)焰燃燒；針對(duì)傳統(tǒng)富氧燃燒溫度過(guò)高的難點(diǎn)，提出富氧高速噴吹技術(shù)以實(shí)現(xiàn)多種富氧濃度下穩(wěn)定超低氮無(wú)焰燃燒；針對(duì)高熱值煤氣及受限空間高強(qiáng)度燃燒下實(shí)現(xiàn)低氮排放的難點(diǎn)，提出基于燃?xì)夥旨?jí)和煙氣強(qiáng)制內(nèi)循環(huán)的無(wú)焰燃燒裝置；針對(duì)工業(yè)爐復(fù)雜工況下的低氮燃燒控制，構(gòu)建基于爐溫—?dú)夥铡?fù)荷—氮氧化物的多因素燃燒優(yōu)化控制模型，以解決多變工況對(duì)于超低氮排放的穩(wěn)定性要求。

圖2項(xiàng)目總體研發(fā)思路

項(xiàng)目組立足行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)和市場(chǎng)需求，基于低氮燃燒機(jī)理、熱態(tài)仿真及燃燒實(shí)驗(yàn)以及多年來(lái)工業(yè)加熱工程實(shí)踐，開(kāi)展超低氮燃燒技術(shù)研究，以解決以下關(guān)鍵技術(shù)難題。

技術(shù)難題1：工藝溫度對(duì)氮氧化物生成的顯著影響。鋼坯加熱爐由于工藝溫度高，燃燒峰值溫度也相對(duì)較高，而熱力型氮氧化物隨燃燒峰值溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速率按指數(shù)規(guī)律迅速增加。由于工藝溫度無(wú)法改變，鋼坯加熱工藝溫度高與熱力型氮氧化物隨燃燒峰值溫度升高急劇上升之間的矛盾是高溫工業(yè)爐的氮氧化物源頭控制的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。

技術(shù)難題2：高熱強(qiáng)度下無(wú)焰燃燒的實(shí)現(xiàn)。在工業(yè)爐某些特殊應(yīng)用如富氧燃燒、高熱值燃料受限空間燃燒等高熱強(qiáng)度場(chǎng)景下，由于富氧或高熱值燃料所導(dǎo)致的理論燃燒溫度較高，在受限空間內(nèi)單位體積熱強(qiáng)度高，同時(shí)由于爐膛空間限制，煙氣自然循環(huán)回流受到抑制，不利于在燃燒反應(yīng)發(fā)生前稀釋助燃空氣及高熱值燃?xì)?，因而難以在高熱強(qiáng)度下形成超低氮無(wú)焰燃燒，爐內(nèi)溫度場(chǎng)梯度大，存在局部超高溫區(qū)，不利于降低燃燒峰值溫度，難以實(shí)現(xiàn)氮氧化物的超低排放。

技術(shù)難題3：工況的不穩(wěn)定性。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在比較普遍的一個(gè)問(wèn)題在于爐況的不穩(wěn)定性，超低氮燃燒器作為一種熱工裝備，具有非線性特征，當(dāng)遠(yuǎn)離其設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)性能會(huì)下降，不利于保持穩(wěn)定的超低氮排放。目前大部分軋鋼加熱爐還是比例燃燒控制，實(shí)際生產(chǎn)的時(shí)候，產(chǎn)能利用度過(guò)小或者產(chǎn)能過(guò)大，間接造成低氮燃燒器處于低負(fù)荷或者超負(fù)荷運(yùn)行，這對(duì)低氮排放不利。另外，煤氣的熱值波動(dòng)很大，導(dǎo)致設(shè)計(jì)參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)工況不吻合，熱力氮氧化物也顯著增加。軋鋼加熱爐操作人員都習(xí)慣于從安全角度考慮大風(fēng)量操作，通常煙氣中殘氧都在3%以上，有些老舊加熱爐由于密封性較差吸入冷風(fēng)量偏大遠(yuǎn)大于這個(gè)數(shù)字，這也會(huì)造成氮氧化物隨殘氧的升高而急劇上升。以上工況的不穩(wěn)定性也是超低氮燃燒保持連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)難題。

本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述實(shí)現(xiàn)超低氮排放的關(guān)鍵技術(shù)難題進(jìn)行了相應(yīng)技術(shù)研究、裝備開(kāi)發(fā)、工程應(yīng)用，從而保障高溫工業(yè)爐在線連續(xù)監(jiān)測(cè)超低氮排放。

三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果

項(xiàng)目組經(jīng)過(guò)多年攻關(guān)，圍繞鋼鐵企業(yè)加熱爐及熱處理爐的源頭減排目標(biāo)，以無(wú)焰燃燒理論為指引，突破傳統(tǒng)有焰燃燒技術(shù)局限，開(kāi)發(fā)了適用于鋼鐵企業(yè)加熱爐及熱處理爐復(fù)雜工況下的超低氮無(wú)焰燃燒技術(shù)及裝備，同時(shí)結(jié)合工業(yè)爐復(fù)雜工況構(gòu)建低氮燃燒控制模型，創(chuàng)新開(kāi)發(fā)了適應(yīng)于復(fù)雜工況的超低氮穩(wěn)定控制技術(shù)，以保障工業(yè)爐在無(wú)附加末端治理措施的情況下連續(xù)在線監(jiān)測(cè)超低排放。項(xiàng)目技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)爐窯均勻加熱、超低氮排放、提高加熱效率和產(chǎn)品質(zhì)量等工藝高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)苛要求，主要?jiǎng)?chuàng)新成果如下：

1、針對(duì)現(xiàn)有低氮燃燒技術(shù)燃燒峰值溫度過(guò)高導(dǎo)致的熱力氮氧化物排放高，項(xiàng)目突破傳統(tǒng)有焰燃燒限制，基于無(wú)焰燃燒理論開(kāi)發(fā)了空氣分級(jí)偏置無(wú)焰燃燒技術(shù)，確定無(wú)焰燃燒實(shí)現(xiàn)的臨界流體速度和煙氣回流率，實(shí)現(xiàn)了高熱值燃?xì)馊紵趸锱欧判∮?20mg/m3。

2、針對(duì)傳統(tǒng)富氧燃燒局部溫度高、氧化燒損大和氮氧化物排放高的技術(shù)缺陷，開(kāi)發(fā)了富氧高速噴吹技術(shù)及成套裝備，實(shí)現(xiàn)了21%~100%多種富氧濃度下穩(wěn)定超低氮無(wú)焰燃燒，避免了高濃度富氧應(yīng)用于鋼坯加熱爐時(shí)引起的過(guò)度氧化燒損問(wèn)題。

3、針對(duì)高熱值燃料在受限空間內(nèi)無(wú)焰燃燒實(shí)現(xiàn)的難題，開(kāi)發(fā)了燃?xì)夥旨?jí)和煙氣強(qiáng)制內(nèi)循環(huán)的無(wú)焰燃燒裝置，爐膛體積熱強(qiáng)度提高3倍，氮氧化物排放小于70mg/m3，實(shí)現(xiàn)高熱值煤氣及受限空間高強(qiáng)度燃燒下的超低排放。

4、針對(duì)工業(yè)爐復(fù)雜多變工況對(duì)氮氧化物排放穩(wěn)定性的影響，構(gòu)建基于爐溫、氣氛、負(fù)荷、氮氧化物等多因素的燃燒優(yōu)化控制模型，創(chuàng)新開(kāi)發(fā)了適應(yīng)于復(fù)雜工況的超低氮穩(wěn)定控制技術(shù)，在復(fù)雜工況下負(fù)荷調(diào)節(jié)比達(dá)到10:1時(shí)，保障工業(yè)爐在線連續(xù)監(jiān)測(cè)超低氮排放要求。

四、應(yīng)用情況與效果

項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了適用于軋鋼加熱爐各種燃?xì)猓ɑ旌厦簹狻⒔範(fàn)t煤氣和天然氣）、各種系列（側(cè)燒嘴、端燒嘴、平焰燒嘴）的超低氮燃燒技術(shù)及裝備，可因地制宜選擇合理配置。實(shí)際工程應(yīng)用中，針對(duì)工業(yè)爐復(fù)雜工況下的低氮燃燒控制，構(gòu)建基于爐溫—?dú)夥铡?fù)荷—氮氧化物的多因素燃燒優(yōu)化控制模型，在復(fù)雜工況負(fù)荷調(diào)節(jié)比達(dá)到10:1時(shí),保障工業(yè)爐在線連續(xù)監(jiān)測(cè)超低排放。

圖3寶鋼2050熱軋?jiān)诰€監(jiān)測(cè)氮氧化物濃度

2017年北京北冶功能材料有限公司首次在加熱爐天然氣低氮改造項(xiàng)目中應(yīng)用本項(xiàng)目成套超低氮無(wú)焰燃燒技術(shù)及裝備，項(xiàng)目投產(chǎn)后實(shí)現(xiàn)超低氮排放，完全滿足北京市環(huán)保要求。隨后項(xiàng)目成果陸續(xù)在寶鋼股份、石鋼、沙鋼、安陽(yáng)鋼鐵、廣青金屬、德龍鎳業(yè)等鋼鐵企業(yè)改造或新建項(xiàng)目中投產(chǎn)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)超低氮無(wú)焰燃燒技術(shù)及裝備的推廣應(yīng)用。項(xiàng)目工程寶鋼2050熱軋采用混合煤氣燃燒實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)氮氧化物排放小于50mg/m3（圖3），沙鋼3500中板采用焦?fàn)t煤氣燃燒氮氧化物排放小于100mg/m3，石鋼環(huán)保搬遷采用天然氣燃燒，氮氧化物排放在線監(jiān)測(cè)小于100mg/m3，正常生產(chǎn)時(shí)約70mg/m3，如圖4所示。

圖4石鋼環(huán)保搬遷中棒在線監(jiān)測(cè)氮氧化物濃度

項(xiàng)目技術(shù)工程應(yīng)用實(shí)現(xiàn)NOX排放指標(biāo)50~120mg/m3（8%O2），其中混合煤氣等中低熱值燃料燃燒正常生產(chǎn)可達(dá)到50mg/m3，焦?fàn)t煤氣、天然氣等高熱值煤氣正常生產(chǎn)可達(dá)到80mg/m3，保溫待軋等非正常生產(chǎn)復(fù)雜工況下可達(dá)到120mg/m3以下，氧化燒損率達(dá)到0.5%，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍可達(dá)10:1，保障了復(fù)雜工況下燃燒及超低氮排放的穩(wěn)定性。項(xiàng)目成果應(yīng)用實(shí)現(xiàn)整體性能指標(biāo)相比國(guó)內(nèi)外同類先進(jìn)技術(shù)處于領(lǐng)先地位。

項(xiàng)目近三年已產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益6.9億元以上,自首次應(yīng)用以來(lái)，累計(jì)簽約合同32項(xiàng)，合同額近13億元，包括印尼瑞浦、土耳其Kardemi等國(guó)外企業(yè)，已投產(chǎn)項(xiàng)目年減排氮氧化物約1165噸，累計(jì)減少氧化燒損等為企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益約2.452億元。

本成果已申請(qǐng)專利15項(xiàng)，其中已授權(quán)12項(xiàng)；取得軟件著作權(quán)1項(xiàng)；編制1項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目成果經(jīng)行業(yè)權(quán)威專家鑒定達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，2020年本項(xiàng)目技術(shù)及裝備入選工信部、科技部、生態(tài)環(huán)境部《國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的重大環(huán)保技術(shù)裝備目錄》，本成果有力推動(dòng)了軋鋼加熱爐及熱處理爐燃燒技術(shù)進(jìn)步，提升了工業(yè)爐節(jié)能環(huán)保技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，引領(lǐng)了工業(yè)爐復(fù)雜工況下的超低氮排放源頭治理技術(shù)發(fā)展方向，有利于我國(guó)鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。