6.30m捣固焦炉分段加热与氮氧化物

6.30m 捣固焦炉分段加热与氮氧化物(NO x) 王永华 杜景春 崔国元 （北京众联盛化工工程有限公司） 摘要：6.05m 捣固焦炉相继在山西立恒 钢铁公司焦化厂和山西潞宝集团焦化厂顺利投产。 焦炉运行正常。在此基础上北京众 联盛又开发了炭化室高度 6.30 米的捣固焦炉。它除了具 有 6M 顶 装焦炉的先进结构外， 还首次将分段加热与废气循 环相结合的技术用在 6.30m 捣 固焦炉上，因设计有废气循环 和分段加热，充分利用两者特有的技术叠加更加有效地降低焦 炉烟囱废气中的氮氧化合物含量，减少对大气的污染。 满足 2012 年 10 月 1 日实施的 GB161712012炼焦化学工业污染物排放标准对新建企业大气污染物排放浓度限值的 规定。采用分段加热与废气循 环相结合的技术可使更多的新建独立焦化厂用焦炉煤气加 热 的焦炉烟囱废气排放达标，才能符合 GB16171-2012炼焦化学工业污染物排放标准的规定。 目前采用 6.30m 捣固焦炉的山西原平新石新型煤化工循 环经济项目 200 万吨/ 年焦化工程正 在设计建设中。 关键词： 6.30m 捣固焦炉 分段加 热 氮氧化物(NOx) 排放标准 16.30m 捣固焦炉简介 1.1 6.30m 捣固焦炉炼焦工艺基本参数 表 1 6.05m,6.30m 捣固焦炉的基本参数对比表 项 目 6.05m 捣固焦炉 6.30m 捣固焦炉 煤饼体积，m3 45.08 47.04 煤饼体积密度， t/m3 1.0 1.0 单孔装干煤量, t 45.08 47.04 全焦产率, 75 75 单孔焦炭产量, t 33.81 35.28 焦炉周转时间, h 25 25. 焦炭产量, t/(孔a) 11847.024 12362.112 典型炉组构成, 孔 2x65 265 炉组干全焦产量,万 t/a 154.012 160.707 焦炉检修制度, mind 3x50 350 操作时间, min 19.0 20.0 干熄焦配置, th 180 180 备注： 1) 捣固焦炉的全焦产率一般在 72%76%，为方便比较，取值 75% ; 2) 典型炉组构成是该炉型最大炉组构成。 1.2 6.30m 捣固焦炉炉体的主要尺寸 6.05m,6.30m 捣固焦炉炉体的主要尺寸及技术指标见表 2。 表 2 焦炉炉体的主要尺寸及技术指标比较 项 目 6.05m 捣固焦炉 6.30m 捣固焦炉 炭化室全长，mm 16940 16940 两炉门衬砖的间距， mn 16100 16100 炭化室全高， mm 6055 6220 炭化室平均宽度，mm 550 550 炭化室机侧宽度，mm 530 530 炭化室焦侧宽度，mm 570 570 炭化室锥度，mm 40 40 煤饼(下底长/上顶长高 宽)，mm 16100/15900x5750x490 16100/159006000490 煤饼高宽比 11.73 12.24 炭化室中心距，mm 1450 1550 炉顶厚度，mm 1525 1550 立火道中心距，mm 480 480 炭化室墙面厚度，mm 90 90 炉墙极限侧负荷，kPa 10.12 11.56 立火道个数，个 34 34 备注：1) 表中炉体尺寸为冷态尺寸 2）6.30 米捣固焦炉热态炭化室全高 6.30 米。 1.3 6.30m 捣固焦炉的炉体结构特点 1.3.1 采用分段加热与废气循环相结合的技术减少氮氧化物的生成 北京众联盛化工工程有限公司自主开发的 6.30m 捣固焦炉是国内最大的捣固焦炉，它除 了具有 6m 顶装焦炉的先进结构外，还第一次将分段加热与废气循环相结合的技术用在捣 固焦炉上，公司自主开发 6.30m 捣固焦炉初衷的出发点就是瞄准了最先进的可靠成熟和有 成功经验的环保技术，通过仔细分析研究国内国外大型焦炉的结构特点，分析研究国内国 外大型焦炉减少焦炉烟囱废气氮氧化物浓度的有效措施，认为采用分段加热与废气循环相 结合的技术，充分发挥其两者技术的叠加方可保证用焦炉煤气加热的焦炉烟囱废气氮氧化 物浓度满足 GB16171-2012 炼焦化学工业污染物排放标准的规定。 燃烧室采用废气循环和分段加热的结构，用贫煤气加热时，贫煤气和空气分两段供给。 用焦炉煤气加热时，空气分两段供给使燃烧过程基本上在供氧不足的情况下进行，以降低 燃烧强度，从而减少氮氧化物的生成。同时 6.30M 捣固焦炉还加大了废气循环量进一步减 少氮氧化物的生成。我们充分利用两者特有的技术叠加更加有效地降低废气中的氮氧化合 物含量，减少对大气的污染。 1.3.2 加大炭化室中心距增强炉墙稳定性 国内大容积捣固焦炉均采用双联火道、废气循环、焦炉煤气下喷、贫煤气和空气侧入的 形式，结构严密合理，加热较均匀，热工效率较高。捣固焦炉的炉体寿命除受推焦操作影 响外，还受装煤操作影响。由于捣固煤饼的体积密度远大于散装煤料的堆积密度，故炼焦 过程中煤料的膨胀压力及侧压力差值也较顶装焦炉大。在开发 6.30M 捣固焦炉的过程中， 除使用顶装焦炉大型化所采用的先进技术外，还特别通过加大炭化室中心距和炉顶厚度， 提高焦炉的砌体强度以提高炉墙的极限侧负荷，延长焦炉的使用寿命。立恒 6.05m 捣固焦 炉的炉墙极限侧负荷达到 10.12kPa。而 6.30 米捣固焦炉的炉墙极限侧负荷达到 11.56kPa 1.3.3 蓄热室分格下调 蓄热室采用分格下调的形式，蓄热室沿炭化室长度方向分为 17 个格，每格对应两个火道。 立火道温度调节在地下室进行，通过蓄热室蓖子砖上的可调节孔调节，因此调节简便，准 确，容易，气流分布均匀，热工效率高。从而获得更合理的橫排温度，使焦饼更均匀成熟。 2焦炉烟囱废气中的氮氧化物(Nox)的来源 燃气在焦炉立火道燃烧时会产生氮氧化物(NOx)。环境工程专业大学教科书大气污染 控制工程中对氮氧化物(NOx)的生成机理和控制讲述的很详细，对氮氧化物(NOx)的几种 控制方法叙述的也很详尽 .研究表明，在燃烧过程中生成的 NOx，有 NO， N2O ， ， NO2 ，N 2O3 ，N 2O4 ，N 2O5， 。大气中 NOx， 主要以 NO ， NO2 的形式存在，通常我们按 NO 占 95%左右, NO2 为 5左右考虑，在大气中 NO 缓慢转化为 NO2，故在探讨 NOx 形成机理 时，主要研究 NO 的形成机理。 燃烧过程中生成氮氧化物的形成机理有 3 种类型：一是燃料型 NOx，燃料中固定氮而生 成；二是热力型 NOx，在高温下 N 与 O 反应生成；三是瞬时型，由于含碳自由基的存在 而生成 NOx 热力型 NOx 形成机理；燃烧过程中，空气带入的氮被氧化为 Nox. 产生 NO 和 N O2 的两个重要反应 N2+O2 2NO NO +0.5O2 N O2 上述反应的化学平衡受温度和反应物化学组成的影响，平衡时 NO 的浓度随温度升高 而迅速增加。 3立火道燃烧温度 对 NO生成的影响 由于原子氧和氮分子反应，需要高温条件，所以在燃烧火焰的下游高温区（从理论上说， 只有火焰的下游才积聚了全部的热焓而使该处温度最高，燃烧火焰前部与中部都不是高温 区） ，才能生成 NO。 焦炉煤气的理论燃烧温度为 2350；高炉煤气理论燃烧温度为 2150。一般认为，实际 燃烧温度要低于此值，实际燃烧温度介于理论燃烧温度和测定的火道砌体温度之间。如测 定的火道温度不小于 1350，则焦炉煤气的实际燃烧温度不小于 1850，而贫煤气不小于 1750 。气体燃料燃烧温度一般在 16001850之间，燃烧温度稍有增减，其热力型 NO 生成量增减幅度较大,这种关系在有关焦炉废气中 NOx 浓度与火道温度之关系中也表现明显。 有资料表明，火道温度 13001350，温度10时，则 NOx 量为30mg/m 3 左右。当燃 烧温度低于 1350时几乎没有 NO 生成，燃烧低于 1600 NO 量少，但当温度高于 1600后，NO 量按指数规律迅速增加。 4低 NOx燃烧技术 大气污染控制工程教科书中对减少燃烧过程中氮氧化物的生成量提出了多种方法，称 之为低 NOx 燃烧技术中传统的低 NOx 燃烧技术不要求改变燃烧系统，调整或改进燃烧装 置的运行方式或部分运行方式，简单易行，方便有效。 4.1 两段燃烧技术 利用空气过剩系数低的燃烧原理限制 NOx 的生成：燃料在接近理论空气量下燃烧，把 通常空气总需要量的 8595与燃料一起供给燃烧器，因为富燃料条件下的不完 全燃烧使这段的燃烧的烟气温度较低，此时氧气量不足，NO x 生成量就比较少。在燃烧器 末端通过第二次供给空气使第一阶段剩余的不完全燃烧产物 CO 和 HC 完全燃尽，这时虽 然氧过量但烟气温度低限制了 NOx 生成。 4.2 烟气循环燃烧 待燃烧产生的部分烟气冷却后，再循环送回燃烧器燃烧，起到降低氧浓度和燃烧区温 度的作用，以达到减少 NO 生成的目的。主要减少热力型 NO 生成量。 5GB16171-2012炼焦化学工业污染物排放标准对新建企业焦炉烟囱废气氮氧 化物浓度的规定 因大气中的氮氧化物破坏臭氧层，造成酸雨，污染环境。上世纪 80 代中期，发达国家 就视其为有害气体，提出了控制排放标准。目前发达国家控制标准基本上是氮氧化物，用 焦炉煤气加热的质量浓度不大于 500mg/m3,用贫煤气（混合煤气）加热的质量浓度不大于 350mg/m3(170ppm) 。 随着我国经济的快速发展，对焦炉排放氮氧化物的危害也日益重视， 制订了新的排放控制标准。 GB16171-2012炼焦化学工业污染物排放标准规定：新建 企业焦炉烟囱废气氮氧化物浓度不大于 500mg/m3, 6低 NOx燃烧技术在焦炉上应用 焦炉废气中含氮氧化物的浓度在几种燃烧条件下的实际情况： 6.1 在没有废气循环和分段加热的条件下。 如在没有废气循环和分段加热的条件下，焦炉立火道温度在不小于 1350时，用焦炉煤 气加热时，其 NO 生成量约 1300mg/m3，相当于实际燃烧温度不小于 1850。： 6.2 采用废气循环技术的条件下： 烟气循环燃烧技术用于焦炉上已很成功，目前采用 废气循环方法的焦炉很多，它可 使相当数量下降气流的废气进入上升气流，降低了气流温度。同时废气循环在一定程度上 淡化了燃气和空气浓度，而削弱了燃烧强度。 废气循环的作用使燃烧温度降低。废气循环技术使实际燃烧温度降低，从而降低 NO 生 成量，如采用废气循环的焦炉，当立火道温度不低于 1350，用焦炉煤气加热时，其 NO 生成量以由 1300mg/m3 下降至 800mg/m3 以下 。而用贫煤气加热时，其 NO 生成量降幅 不如用焦炉煤气加热降幅大，这是由于贫煤气中惰性成分较多，而降低了废气循环的效果。 椐钟英飞焦炉加热燃烧时氮氧化物的形成机理及控制一文的报道： 中冶焦耐公司从 2005 年开始陆续对带废气循环的焦炉烟道废气中 NOx 量进行了检测，其 结果见表 1。 表 1 NOx 浓度与立火道及燃烧室温度的关系 燃气实际燃烧温度， NOx 浓度，mg/m 3火道温度， 焦炉煤气加热 贫煤气加热 焦炉煤气加热 贫煤气加热 1350 1800 1700 800 500 1325 17801790 16801690 650 400（500） 1300 1775 16701680 600 400 1250 1750 1650 500 350 从上述关系中可见，控制废气中 NOx 不大于 500mg/m3 和不大于 350mg/m3 的关键在 于控制实际燃烧温度，用焦炉煤气加热时，不大于 1750，用贫煤气加热时，不大于 1650。另外，采用废气循环的焦炉，只有在立火道温度不高于 1250时，废气中的 NOx 才能达到目标，这显然会影响焦炉的生产效率。因而需要进一步采取技术措施，以降低实 际燃烧温度，使焦炉火道温度高于 1300时，焦炉废气中的 NOx 也不超标。 6.3 采用分段加热技术的情况 低 NOx 燃烧技术中的分段燃烧用在焦炉上称分段加热。焦炉上的分段加热一般是只用空 气分段，也有空气和贫煤气皆分段的（焦炉煤气不分段） 。分段供空气或空气、贫煤气皆分 段，就是形成分散燃烧，而使燃烧强度降低，从而降低燃烧温度。德国 Prosper 厂 7.1m 高 的 1 号和 3 号焦炉为 Carl-still 炉型，分 6 段供空气，2 号焦炉为 Otto 型，分 3 段供空气， 1 号焦炉的火道温度 1320, 2 号焦炉 1340 , 3 号焦炉 1310（未加校正值） 。据报导， 其 NOx 实测浓度为 390mg/m3。 Dilingern 厂的 6.25m 捣固焦炉，分三段供空气和贫煤气。 该厂介绍火道温度 1350（未加校正值） ，基本用贫煤气加热，1 周左右短时换用 1 次焦炉 煤气加热，其 NOx 月平均为 290310mg/m3。 Prosper 厂和 Dilingern 厂的焦炉皆无废气 循环。这些厂的生产实践说明，在无废气循环的条件下，采用分段加热技术，是可以降低 燃烧温度，从而降低 NOx 浓度的。 如果在分段加热的基础上，针对 NOx 生成机理，控制供应空气量，即控制 值，使燃 烧基本是在 8595的理论空气总量的条件下进行，则对控制 NOx 生成量将是十分 有效的措施。6.30m 捣固焦炉分为两段，第一段在火道底部，在火道适当高度上设第二段 出口。在立火道底部的第一段燃烧时，使 在 0.85-0.95 。 供入第二段空气后， 为 1.2。第二段供气位置高于气流高温区的部位为距炭化室底 20002400mm 处。此时可燃成分已不多，而且还有第一段大量废气的冲淡，所以第二段 供的空气在很大程度上是保证上升气流燃烧完全。 6.4 采用分段加热与废气循环相结合的技术。 分段加热和废气循环技术各有所长，德国 Uhde 公司将两者结合起来，对降低焦炉燃烧过程 中的 NOx 浓度有叠加作用。Uhde 公司设计的 7.63m 焦炉，采用分三段供空气，并控制 值，废气循环量估计为 40左右，其保证值用焦炉煤气加热时，NOx 浓度约为 500mg/m3， 用贫煤气加热时 NOx 浓度不大于 350mg/m3。据太钢7.63m 焦炉环保设施及运行分析报 道为 184mg/m3。北京众联盛化工工程有限公司借鉴国外焦炉先进技术开发 6.30m .捣固焦 炉采用分段加热和废气循环技术，当然这会使焦炉结构变得较复杂，经与日本专家技术交 流