6.30m捣固焦炉分段加热与氮氧化物(NOx)
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GB16171——2012《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
1．6.30m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 煤饼体积，m3 煤饼体积密度， t/m3 单孔装干煤量, t 全焦产率, ％ 单孔焦炭产量, t 焦炉周转时间, h 6.05m捣固焦炉 45.08 1.0 45.08 75 33.81 25 6.30m捣固焦炉 47.04 1.0 47.04 75 35.28 25. 焦炭产量, t/(孔·a) 典型炉组构成, 孔 炉组干全焦产量,万t/a 11847.024 2x65 154.012 12362.112 2×65 160.707 焦炉检修制度, min／d 操作时间, min 干熄焦配置, t／h 3x50 19.0 180 3×50 20.0 180 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 炭化室全长，mm 两炉门衬砖的间距， mn 炭化室全高， mm 炭化室平均宽度，mm 炭化室机侧宽度，mm 炭化室焦侧宽度，mm 炭化室锥度，mm 煤饼(下底长/上顶长×高×宽)，mm 煤饼高宽比 炭化室中心距，mm 炉顶厚度，mm 立火道中心距，mm 炭化室墙面厚度，mm 炉墙极限侧负荷，kPa 立火道个数，个 6.05m捣固焦炉 16940 16100 6055 550 530 570 40 6.30m捣固焦炉 16940 16100 6220 550 530 570 40 16100/15900x5750x490 16100/15900×6000×490 11.73 1450 1525 480 90 10.12 34 12.24 1550 1550 480 90 11.56 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 ，N2O3 ，，N2O4 ，N2O5，。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1600～1850℃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1300～1350℃，温度±10℃时，则NOx量为±30mg/m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。
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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85％——95％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，NOx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。
5．GB16171-2012《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。
