顶燃式热风炉高温低氧燃烧技术.doc

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1、http://www.gtjia.com顶燃式热风炉高温低氧燃烧技术张福明1，胡祖瑞1，程树森2(1.北京首钢国际工程技术有限公司，北京100043；2.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083)摘要：NOx是制约热风炉实现高风温长寿的主要技术障碍。为有效抑制和降低热风炉燃烧过程生成的NOx，研究分析了NOx的生成机制，运用热力型NOx生成模型计算了热风炉燃烧过程NOx生成速率和生成量，开发设计了基于高温低氧燃烧技术(HTAC)的新型顶燃式热风炉，采用CFD仿真模型对比研究了常规热风炉和高温低氧热风炉的燃烧过程和特性。计算得出2种热风炉

2、的温度场分布和火焰形状、浓度场分布以及NOx的浓度分布。研究结果表明，高温低氧热风炉的温度场分布均匀，在相同拱顶温度下，NOx生成量仅为80×10﹣6，比常规热风炉降低约76％。高温低氧热风炉可以获得更高的风温并可以有效减少NOx排放，实现热风炉高效长寿和节能减排。关键词：顶燃式热风炉；高温低氧燃烧；高风温；低NOx含量随着炼铁工业的技术发展，提高风温已成为现代高炉的重要技术特征。在高炉炼铁工艺中采用热风炉加热鼓风已有近200年历史，最早经过热风炉加热后的鼓风温度只有149℃。随着技术的不断进步，目前高炉风温已达1250～1300℃。提高风温可

3、以大幅度降低高炉燃料消耗，节约焦炭，提高喷煤量，促进高炉生产稳定顺行，还可以充分利用低热值高炉煤气，提高能源利用效率，减少煤气放散和CO2排放，节约能源，保护环境。因此，高风温是现代高炉实现强化冶炼、高效低耗、节能减排的重要技术措施。现代热风炉要求达到1250℃以上的高风温，使用寿命要大于30年，同时要降低CO2、NOx等污染物的排放，实现热风炉长寿、高效、高风温和低排放。高炉热风炉按结构形式分为内燃式、外燃式和顶燃式。顶燃式热风炉是20世纪70年代针对内燃式和外燃式热风炉的技术缺陷而创新发展的一种新型热风炉结构。顶燃式热风炉的特点是利用热风炉

4、的拱顶空间作为燃烧室，取消了热风炉内部或外部独立设置的燃烧室。1978年，首钢2号高炉(1327m3)率先采用了顶燃式热风炉，这是世界上第1座大型顶燃式热风炉实现工业化应用[1]。这种热风炉具有结构对称、温度区间分布合理、占地面积小、工程投资低等优点。但传统的顶燃式热风炉受燃烧空间的影响，容易造成拱顶局部高温，使燃烧室温度变化剧烈且温度分布不均匀，降低热风炉的传热效果和使用寿命。现有3种结构形式的热风炉均为常规热风炉，无论采用何种结构形式的燃烧器，其燃烧原理和特性并无本质差别。研究表明，热风炉拱顶温度达到1400℃以上时，NOx大量生成，燃烧产

5、物中的NOx含量急剧升高，燃烧产物中的水蒸气在温度降低到露点以下时冷凝成液态水，NOx与冷凝水结合形成酸性腐蚀性介质，对热风炉炉壳钢板产生晶间应力腐蚀。因此现有的常规热风炉一般将拱顶温度控制在1420℃以下，旨在降低NOx的含量，从而抑制炉壳晶间应力腐蚀，但由此却限制了风温的进一步提高。因此设计开发出一种改变常规热风炉燃烧过程，进一步提高风温，同时降低CO2、NOx排放的高风温高效长寿热风炉，已成为克服上述技术缺陷的必要条件。1热风炉燃烧过程NOx的形成机制燃料燃烧过程中生成的氮的氧化物总称为NOx。NOx主要包括N2O、NO、NO2、N2O3

6、、NO3和N2O4、N2O5等，燃烧生成的NOx主要是NO和少量的NO2。NOx对人体、动物和植物都具有极大的危害，还会导致光化学雾、酸雨和臭氧损耗，对自然生态环境产生破坏作用，因此工业生产和燃料燃烧中要尽量减少NOx的排放。NOx在燃烧过程的生成量受燃烧方式、空气混合比、燃烧温度等燃烧条件的影响很大。NOx按其起源和生成途径可以分为热力型NOx、快速型NOx和燃料型NOx。热力型NOx是通过氧化燃烧空气中的N2形成的；快速型NOxhttp://www.gtjia.com是通过在火焰前锋面的快速反应形成的；燃料型NOx是通过氧化燃料中的N形成的

7、。高炉热风炉在燃烧高炉煤气条件下，由于高炉煤气中含氮化合物很少，因而极少生成燃料型NOx，主要以生成热力型NOx为主。1.1热力型NOx的形成机制热力型NOx的形成是由一组高度依赖于温度的化学反应决定的，这也被称为广义的捷尔道维奇(Zeldovich)生成机制，该理论认为，在O2―N2―NO系统中，由氮分子形成的热力型NOx的主要反应如下：反应(1)和反应(2)被称为捷尔道维奇生成机制。当燃烧过程有水蒸气时，燃烧产物中存在OH，此时NO也可以按反应(3)生成，因此被称为广义的捷尔道维奇生成机制。热力型NOx生成的特点是生成反应比燃烧反应慢，主要

8、是在火焰前锋的高温区间内生成NOx。大量研究结果表明[2-4]，NO的生成是在燃烧带之后靠近最高温度区间的燃烧产物中进行的。目前的研究结果也认为在燃烧