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摘 要：NO_x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NO_x，研究分析了NO_x的生成机制，运用热力型NO_x生成模型计算了热风炉燃烧过程NO_x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种热风炉的温度场分布和火焰形状、浓度场分布以及NO_x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，NO_x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NO_x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NO_x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1 250～1 300℃。提高风温可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1 250℃以上的高风温，使用寿命要大于30年，同时要降低CO₂、NO_x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(1 327m³)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1 400℃以上时，NO_x大量生成，燃烧产物中的NO_x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，NO_x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1 420℃以下，旨在降低NO_x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、NO_x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NO_x的形成机制

燃料燃烧过程中生成的氮的氧化物总称为NO_x。NO_x主要包括N₂O、NO、NO₂、N₂O₃、NO₃和N₂O₄、N₂O₅等，燃烧生成的NO_x主要是NO和少量的NO₂。NO_x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NO_x的排放。

NO_x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。NO_x按其起源和生成途径可以分为热力型NO_x、快速型NO_x和燃料型NO_x。热力型NO_x是通过氧化燃烧空气中的N₂形成的；快速型NO_x是通过在火焰前锋面的快速反应形成的；燃料型NO_x是通过氧化燃料中的N形成的。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NO_x，主要以生成热力型NO_x为主。

1.1  热力型NO_x的形成机制

热力型NO_x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NO_x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NO_x生成的特点是生成反应比燃烧反应慢，主要是在火焰前锋的高温区间内生成NO_x。

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带中有NO的生成反应进行。NO的浓度与燃烧产物的温度有关，而且无论燃烧反应结束还是正在进行，生成NO浓度最高的区域均处于温度最高的区间。研究还发现，NO的生成并不是瞬间完成的，燃烧产物在燃烧室停留时间越长，烟气中的NO浓度就越高，因此增加气流速度可以使NO浓度降低。总之，NO_x的生成主要与火焰的最高温度、N₂和O₂的浓度以及气体在高温区的停留时间等因素有关。

1.2  热力型NO_x的反应速率

热力型NO_x中NO的质量分数在95％左右，仅在局部有少量NO被氧化成NO_x。在热风炉燃烧的条件下，NO生成反应尚未达到化学平衡，反应基本上服从阿累尼乌斯定律。Zeldovich通过试验及推导确认NO_x的生成速率可表示为：

式中：ϕ([NO])、ϕ([N₂])、ϕ([O₂])分别是NO、N₂、O₂的体积浓度，mol／cm³；T是反应温度，K；t是时间，s；R为通用气体常数，J／mol·K)。

由式(4)可以看出，NO的产生量随着烟气在高温区内的停留时间延长而增加。氧浓度也直接影响NO的生成量。氧浓度越高，NO的生成量越多；温度的升高也将提高NO的生成量。研究表明，当热风炉温度高于1 400℃时，NO的生成量随火焰温度的升高急剧增加，此时温度对NO的生成具有决定性影响。

由反应式(1)～(3)可推导NO_x的生成净速率，如式(5)所示。式(5)相对于式(4)考虑了中间产物的反应过程以及逆反应对NO_x浓度的影响，因此对于计算NO_x的生成量更为准确。

式中：ϕ([NO])、ϕ(O])、ϕ([N₂])、ϕ([N])、ϕ([O₂])、ϕ([OH])分别是NO、O、N₂、N、O₂、OH的体积浓度，mol／m³；k₁、k₂、k₃为正反应的速率常数，m³／(mol·s)；k_﹣1、k_﹣2、k_﹣3。为相应的逆反应的速率常数，m³／(tool·s)。

反应(1)至反应(3)的速率常数已经在大量的试验研究中测得。这些研究数据已经过Hanson和Salimian等人的精确评估。在热力型NO_x生成模型中，式(5)中的速率系数分别为

k₁=1.8×10⁸e^﹣38370/T，k_﹣1=3.8×10⁷e^﹣425/T，k₂=1.8×10⁴e^﹣4680/T，k_﹣2=3.8×10³e^﹣20820/T，

k₃=7.1×10⁷e^﹣450/T，k_﹣1=1.7×10⁸e^﹣24560/T。

1.3  抑制热力型NO_x生成的措施

抑制热力型NO_x的燃烧技术包括低氧燃烧法、分段燃烧法和烟气再循环法等。这些方法的基本原理都为偏离化学当量燃烧法，即在局部的燃烧区域内使化学当量比不在燃烧反应化学当量比范围，从而抑制NO_x的生成。

特恩斯^[5]用NO_x模型计算了稀释燃烧空气对降低NO_x生成速率的影响。在碳氢化合物的燃烧温度达到1 995℃时，计算得出NO_x生成速率为：

在采用N₂稀释燃烧用空气后，NO_x的生成速率降低到：

采用N₂稀释空气后，NO_x生成量降低了近50倍。因此用惰性气体或不可燃气体稀释燃烧用空气中的氧浓度，可以抑制NO_x的生成，大幅度降低NO_x的浓度。这一研究结果表明，在低氧环境下燃烧可以有效抑制NO_x的生成，也是高温低氧热风炉开发研究的理论基础。

2  高温低氧热风炉的设计开发

2.1  高温空气燃烧技术(HTAC)

高温空气燃烧技术(HTAC)^[6-8]是20世纪90年代开发成功的一项燃料燃烧领域中的新技术。HTAC包括2项基本技术措施：一是最大限度回收或称极限回收燃烧产物显热；二是燃料在低氧气氛下燃烧。燃料在高温和低氧空气中燃烧，燃烧过程和体系内的热工条件与常规的燃烧过程(空气为常温或低于600℃，氧的体积分数量不小于21％)具有显著的差异。这项技术为当今以燃烧为基础的能源转换带来变革性的发展，具有高效烟气余热回收和高预热空气温度、低NO₂排放等多重优越性，被认为是21世纪核心工业技术之一。

目前高温低氧燃烧技术已开始在轧钢加热炉上逐渐采用，但从未在高炉热风炉上得到应用。基于以上高温低氧燃烧理论，将高温低氧燃烧技术运用于高炉热风炉燃烧过程，使燃烧产生的烟气与高温预热后的助燃空气混合，可降低氧气浓度，实现热风炉高温低氧燃烧。

2.2  高温低氧顶燃式热风炉结构开发

高温空气燃烧技术的基本原理是使煤气在高温低氧气氛中燃烧。目前采用的助燃空气高温预热技术，已经能将助燃空气温度预热到800℃以上；通过采用煤气分级燃烧和高速气流卷吸燃烧产物，稀释反应区氧浓度，获得氧浓度(体积分数)低于15％的低氧气氛。煤气在这种高温低氧气氛中形成与传统燃烧过程完全不同的热力学条件，在与低氧气体作延缓状燃烧下释放热能，消除了传统燃烧过程中出现的局部高温高氧区。

热风炉高温低氧燃烧方式一方面使燃烧室内的温度整体升高且分布更加均匀，使煤气消耗显著降低，相应减少了CO₂等温室气体的排放；另一方面还有效抑制了热力型NO_x的生成。热力型NO_x的生成速度主要与燃烧过程中的火焰最高温度及氮、氧的浓度有关，其中温度是影响热力型NO_x的主要因素。在高温空气燃烧条件下，尽管热风炉内平均温度升高，但由于消除了传统燃烧的局部高温区；同时在热风炉内高温烟气与助燃空气旋流混合，降低了气氛中氮、氧的浓度；另外，在热风炉内气流速度高、燃烧速度快，因此NO_x排放浓度大幅度降低。

图1是顶燃式高温低氧热风炉的基本结构^[9]。置于拱顶燃烧室的高温低氧燃烧器设有4层或以上的环状煤气、空气环道，每层环道上有一定数量的喷口。煤气和空气经喷口喷出，进入燃烧室内进行燃烧。各层喷口由上至下依次为：第1层为煤气喷口，第2层为空气喷口，第3层为空气喷口，第4层为煤气喷口。由于煤气、空气入口位置对煤气、空气喷口气流分配的均匀性影响较大，因此各煤气、空气喷口尺寸、间距根据煤气、空气入口管的数量和位置呈渐变分布或对称分布。

第1层煤气喷口喷出的煤气与第2层空气喷口喷出的空气在旋流扩散的条件下混合后燃烧，导致高温烟气向燃烧室下部流动；由第3层空气喷口喷出的空气与燃烧室内向下流动的高温烟气混合后，其温度可达到800～1 000℃，氧浓度(体积分数)低于15％，形成高温低氧的助燃空气，在燃烧室内向下旋转流动；由第4层煤气喷口喷出的煤气在燃烧室内高温低氧的气氛中燃烧，燃烧过程成为扩散控制反应，不再存在传统燃烧过程中出现的局部高温高氮区域，NO_x的生成受到抑制。同时低氧状态下燃烧的火焰体积增大，在整个燃烧室内形成温度分布均匀的高温强辐射黑体，传热效率显著提高，NO_x排放量大幅度降低，还可节约25％的燃料消耗，相应可减少CO₂排放。

3  高温低氧热风炉的燃烧特性

为研究高温低氧顶燃式热风炉的燃烧特性，建立了常规顶燃式热风炉与高温低氧顶燃式热风炉的物理模型以及湍流燃烧的数学模型。通过CFD仿真计算解析研究了2种热风炉燃烧室内的温度分布、浓度分布以及NO_x的生成量。

3.1  温度场与火焰形状

图2、图3是常规热风炉和高温低氧热风炉在理论燃烧温度均为1 510℃时燃烧室内温度场和火焰形状的对比情况。其中图2(a)和图3(a)为常规顶燃式热风炉，图2(b)和图3(b)为高温低氧顶燃式热风炉。图2为X=0和Y=0两个中心截面的温度场和火焰形状的对比情况。图中高温低氧热风炉燃烧室喉口段以下区域均处于1 450℃以上的高温。与常规热风炉相比，燃烧效率的提高使得相同位置温度更高，而且几乎没有局部的高温区。图中实线代表火焰形状。对比发现，高温低氧热风炉的火焰形状更短，所涉及的燃烧室空间更大，在几乎整个燃烧室内形成弥散性火焰，使得温度分布均匀。从图3中也清晰地看到，燃烧室中下部相同截面位置，高温低氧热风炉的温度要高于常规热风炉，而且温度分布更加均匀^[10]。

热风炉燃烧室底部(即蓄热室格子砖)上表面温度分布的均匀性对于热风炉而言非常重要。温度均匀分布的烟气能提高蓄热室格子砖的传热效率和延长格子砖寿命。图4是2种热风炉燃烧室底部径向温度比较。显而易见，高温低氧燃烧器最高温度与最低温度的差值减小，而且温度分布的均匀性得到明显提高。经计算，常规热风炉和高温低氧热风炉的温度均匀度分别为98.28％和99.56％。

3.2  浓度分布

图5给出2种热风炉中心截面CO的浓度分布。对比发现，高温低氧热风炉燃烧室下部CO浓度明显降低，表明燃烧反应进行得更加充分。常规顶燃式热风炉在球顶空间内形成大片死区，大量煤气充斥在球顶空间内，该部分煤气不仅不能燃烧，而且在热风炉的换炉过程中，为防止送风期发生爆炸，还需要消耗大量氮气进行吹扫。采用高温低氧燃烧器以后，球顶空间的死区得到了有效利用，CO浓度明显降低，换炉过程所消耗的氮气也相应大幅度减少。图6给出燃烧室底部CO和O₂的质量分数。显然高温低氧热风炉燃烧室底部O₂和CO的质量分数均比常规热风炉低，这表明高温低氧环境下，CO能更加充分地与O₂混合燃烧，从而提高了燃烧效率，降低了CO的消耗。

3.3  NO_x生成量

图7是2种热风炉中心截面NO_x的浓度分布。图8是燃烧室底部径向的NO_x浓度。从两图的对比中均可以看出，采用高温低氧燃烧器时，热风炉内最高NO_x体积分数从330×10^﹣6左右降低到80×10^﹣6左右，降低约76％，证明高温低氧燃烧技术显著抑制了NO_x在高温条件下的急剧生成。这在很大程度上可以减少燃烧期NO_x的排放。NO_x浓度的降低可以减少NO_x在炉壳处与冷凝水结合形成酸性水溶液，从而有效抑制热风炉炉壳出现晶间应力腐蚀，延长热风炉的使用寿命。这也充分证实，高温低氧燃烧可以在控制NO_x生成的前提下使热风炉获得更高的拱顶温度，为进一步提高风温创造了条件。

4  结论

1)在高炉热风炉高温燃烧过程中，NO_x的生成服从广义的捷尔道维奇生成机制，以生成热力型NO_x为主。当热风炉拱顶温度达到1 400℃以上时，大量生成的NO_x与冷凝水结合后形成腐蚀性介质，造成热风炉炉壳晶间应力腐蚀，限制热风温度的提高，并缩短热风炉使用寿命。

2)基于高温空气燃烧技术(HTAC)设计开发的高温低氧顶燃式热风炉，采用助燃空气高温预热技术，可以将助燃空气温度预热到800℃以上。通过采用煤气分级燃烧和高速气流卷吸燃烧产物的技术措施，稀释了反应区氧浓度，获得氧体积分数低于15％的低氧气氛，从而创造高温低氧燃烧环境，实现高温空气燃烧技术在高炉热风炉中的应用。

3)通过对常规顶燃式热风炉与高温低氧顶燃式热风炉的仿真计算研究，分析了高温低氧顶燃式热风炉的燃烧特性。研究结果表明：高温低氧热风炉在高温低氧环境下，CO能够更充分地与O₂混合燃烧，提高燃烧效率，获得更高的燃烧温度且温度分布更加均匀合理。在实现相同风温的条件下，可减少CO的消耗，相应地减少CO₂排放。

4)高温低氧热风炉能显著抑制NO_x在高温条件下的急剧生成，很大程度上有效降低热风炉在燃烧期内NO_x的排放，有效抑制热风炉炉壳出现晶间应力腐蚀，延长热风炉的使用寿命。而且高温低氧燃烧可以使热风炉获得更高的拱顶温度，为进一步提高风温创造了有利条件。

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