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1、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
2、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
3、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
4、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)，mm16100/15900x5750x490 16100/159006000490煤饼高宽比 11.73 12.24炭化室中心距，mm 14
5、50 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
6、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
7、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
8、 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 11.56kPa1.3.3 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
9、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
10、生 NO 和 N O2 的两个重要反应N2+O2 2NONO +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
11、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
12、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
13、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
14、 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
15、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
16、 1700 800 5001325 17801790 16801690 650 400（500）1300 1775 16701680 600 4001250 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
