CN114214506A - 立式退火炉低氮燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于立式退火炉应用领域，具体涉及一种立式退火炉低氮燃烧方法，包括：当目标温度T≤800℃时，增加燃烧区域冷态助燃空气的总量，使烟气换热后的助燃空气温度≤200℃；当目标温度800℃＜T≤1150℃时，开启辅助助燃空气，增加助燃空气压力，使烟气换热后的助燃空气温度为200‑450℃。本发明的立式退火炉低氮燃烧方法，在不改变烧嘴与燃烧系统结构和燃气成分的前提下，通过精确控制天然气与助燃空气的燃烧配比，调节助燃空气压力以降低火焰核心区域温度等方式，在最大程度地保证燃烧效率的同时，有效抑制热力型氮氧化物的形成，使氮氧化物的最终排放浓度达到国家超低排放的标准。

Description

立式退火炉低氮燃烧方法

技术领域

本发明属于立式退火炉应用领域，具体涉及一种立式退火炉低氮燃烧方法。

背景技术

冷轧精密不锈钢采用立式退火炉对不锈钢带材进行光亮退火，退火炉采用天然气燃烧器进行加热，天然气燃烧产生的污染物主要是氮氧化物。近年来，钢铁行业开始实行200 mg/Nm³的氮氧化物排放标准，各种锅炉、加热炉、退火炉开始实施一系列低氮燃烧技术。

目前常见的低氮燃烧技术有分级燃烧技术和烟气再循环技术。

分级燃烧技术指将燃烧区分为主燃区和再燃区，先将大部分燃料送入主燃区，主燃区燃烧生成NO_x，再将剩余的燃料送入再燃区，再燃区过量空气系数小于1.0，具有很强的还原性气氛，将主燃区生成的NO_x还原。烟气再循环技术是将燃烧后的烟气通过燃烧器送回炉膛，通过烟气的稀释作用，降低燃烧的温度，从而起到降低氮氧化物的效果。这两种燃烧技术要求燃烧器与燃烧系统具备复杂的结构，且需要较大的燃烧室空间，适用于锅炉或者大型加热炉的燃烧。

立式退火炉燃烧室为环形，结构型式如图1。退火炉结构由内向外依次为工艺室、马弗、燃烧室、炉壳，烧嘴切向布置在环形燃烧室周围。受燃烧室布局的限制，燃烧火焰的长度和宽度方向仅有约900 mm和250 mm的空间。此种燃烧室不具备布置分级燃烧系统和烟气再循环系统的条件。

因此，在不改变原有燃烧系统结构的情况下，研制开发一种能够降低氮氧化物生成且保证火焰燃烧稳定性的燃烧工艺，就成为迫切需要解决的技术难题。

发明内容

为解决上述技术难题，本发明旨在提供一种立式退火炉低氮燃烧方法，通过调节烧嘴各级燃气和助燃空气的配比，实现燃烧火焰核心区域温度和集中程度的精确控制，从而抑制热力型氮氧化物的形成。

具体的，本发明的立式退火炉低氮燃烧方法，包括：

当目标温度T≤800 ℃时，增加燃烧区域冷态助燃空气的总量，使烟气换热后的助燃空气温度≤200℃；

当目标温度800℃＜T≤1150 ℃时，开启辅助助燃空气，增加助燃空气压力，使烟气换热后的助燃空气温度为200-450 ℃。

上述的立式退火炉低氮燃烧方法，当目标温度T≤800 ℃时，立式退火炉加热系统的空燃比为11.5-12.2。

上述的立式退火炉低氮燃烧方法，当目标温度T≤800 ℃时，立式退火炉加热系统的加热斜率为4.05-4.55℃/min。

上述的立式退火炉低氮燃烧方法，当目标温度T≤800 ℃时，立式退火炉加热系统的补偿系数为1.05-1.08。

上述的立式退火炉低氮燃烧方法，当实际温度斜率大于理论温度斜率15%时，通过所述补偿系数进行修正。

上述的立式退火炉低氮燃烧方法，当目标温度800℃＜T≤1150 ℃时，立式退火炉加热系统的空燃比为11.5-12.0。

上述的立式退火炉低氮燃烧方法，当目标温度800℃＜T≤1150 ℃时，立式退火炉加热系统的加热斜率为2.95-3.45 ℃/min。

上述的立式退火炉低氮燃烧方法，当目标温度800℃＜T≤1150 ℃时，所述助燃空气压力为135-150 mbar。

上述的立式退火炉低氮燃烧方法，当实际温度小于加热斜率理论值10 ℃时，开启烧嘴加热；当实际温度大于加热斜率理论值20 ℃时，关闭烧嘴停止加热。

上述的立式退火炉低氮燃烧方法，所述立式退火炉为环形燃烧室的立式退火炉。

本发明的技术方案具有如下的有益效果：

本发明的立式退火炉低氮燃烧方法，在不改变烧嘴与燃烧系统结构和燃气成分的前提下，通过精确控制天然气与助燃空气的燃烧配比，调节助燃空气压力以降低火焰核心区域温度等方式，在最大程度地保证燃烧效率的同时，有效抑制热力型氮氧化物的形成，使氮氧化物的最终排放浓度达到国家超低排放的标准。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为立式退火炉燃烧系统结构示意图；

符号说明：1-烧嘴，2-炉壳，3-马弗，4-辅助助燃空气管道，5-助燃空气管道，6-天然气管道，7-燃烧室，8-工艺室。

具体实施方式

为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。

本文使用的术语“该”“所述”“一个”和“一种”不表示数量的限制，而是表示存在至少一个所提及的对象。术语“优选的”“更优选的”等是指，在某些情况下可提供某些有益效果的本发明实施方案。然而，在相同的情况下或其他情况下，其他实施方案也可能是优选的。此外，对一个或多个实施方案的表述并不暗示其他实施方案不可用，也并非旨在将其他实施方案排除在本发明的范围之外。

当本文中公开一个数值范围时，上述范围视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特征时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开的所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。

为解决立式退火炉环形燃烧室的烧嘴火焰过于集中，核心区域温度过高，从而导致氮氧化物形成过多的问题。本发明提供了一种立式退火炉低氮燃烧方法，该燃烧方法适用于精密不锈钢立式光亮炉的燃烧控制，能够解决高速烧嘴在环形燃烧室内因火焰温度高导致氮氧化物排放超标的问题。

具体的，本发明的立式退火炉低氮燃烧方法，包括：

当目标温度T≤800 ℃时，增加燃烧区域冷态助燃空气的总量，使烟气换热后的助燃空气温度≤200℃；

当目标温度800℃＜T≤1150 ℃时，开启辅助助燃空气，增加助燃空气压力，使烟气换热后的助燃空气温度为200-450 ℃。

本发明的立式退火炉低氮燃烧方法，以目标温度800 ℃为分界点，将燃烧系统分为冷态燃烧模式和热态燃烧模式分别进行控制。当目标温度T≤800 ℃时采用冷态燃烧模式，通过精准控制天然气与助燃空气的比例，增加燃烧区域冷态助燃空气的总量，来降低热力型氮氧化物的形成。当目标温度800℃＜T≤1150 ℃时采用热态燃烧模式，通过开启辅助助燃空气，来提升火焰喷射速度，从而拉伸火焰长度，最大化的消除火焰局部高温区域，起到降低氮氧化物产生的作用。

在冷态燃烧模式下，因助燃空气温度较低，燃烧系统加热效率较低，再加上拉伸火焰长度会较大程度地损失加热效率，因而，冷态燃烧模式不易采用拉伸火焰长度的方式来降低氮氧化物。研究表明，较低温度的助燃空气通常会起到降低燃烧核心区温度的作用。因此，本发明提供了一种低温燃烧方法，通过增加燃烧区域冷态助燃空气的总量来降低热力型氮氧化物的形成。

在一些优选的实施方式中，为兼顾提高燃烧效率和降低氮氧化物含量两方面效果，本发明将冷态燃烧模式（目标温度T≤800 ℃）的立式退火炉加热系统的空燃比限定为11.5-12.2，将热态燃烧模式（目标温度800℃＜T≤1150 ℃）立式退火炉加热系统的空燃比限定为11.5-12.0，以确保加热系统在加热斜率附近稳定、高效工作。

其中，作为安全性能最低配置要求，设置空燃比作为空气和燃气的比例下限，以确保燃气的完全燃烧而不会因燃气过剩而导致燃气爆炸。一般情况下，燃烧废气氧含量应保证在4.5%以上才能确保燃烧系统的安全性，以此为基础，根据天然气各成分与氧气的燃烧反应比，计算得出空燃比最小值为10.4。作为优化，取1.1的安全系数，计算得出空燃比为11.5。

在一些优选的实施方式中，冷态燃烧模式（目标温度T≤800 ℃）下，立式退火炉加热系统的加热斜率为4.05-4.55 ℃/min。当加热斜率小于该范围的最小值时，加热效率低下，造成燃料浪费；当加热斜率大于该范围的最大值时，则烧嘴长时间在高功率模式下运行，容易产生火焰高温区域，加速氮氧化物的形成。

在一些优选的实施方式中，热态燃烧模式（目标温度800℃＜T≤1150 ℃）下，立式退火炉加热系统的加热斜率为2.95-3.45 ℃/min。当加热斜率小于该范围的最小值时，则加热效率低下，且有燃烧不完全的可能，影响燃烧安全；当加热斜率大于该范围的最大值时，则烧嘴长时间在高功率模式下运行，容易产生火焰高温区域，加速氮氧化物的形成。

其中，加热斜率指单位时间内的加热速率。

进一步优选的，本发明提供一个补偿系数来减缓因低温状态下加热过快而导致火焰核心区域温度过高造成的氮氧化物的集中形成。补偿系统通过增加助燃空气阀门开度，提升助燃空气流量来降低火焰核心区温度。当实际温度斜率大于理论温度斜率15%时，通过补偿系数进行修正，延缓升温速度。

在一些实施方式中，冷态燃烧模式下，立式退火炉加热系统的补偿系数为1.05-1.08。当补偿系数小于1.05时，则补偿效果不佳；当补偿系数大于1.08时，则会导致燃烧空气过剩，加热斜率升高。

在一些优选的实施方式中，在热态燃烧模式下需开启辅助助燃空气，以增加助燃空气的压力和流速，降低助燃空气的温度。优选的，所述助燃空气的压力为135-150 mbar。当助燃空气压力小于135 mbar时，则会影响各区域间的空气压力的平衡；当助燃空气压力大于150 mbar时，则会导致燃烧空气过剩，增加控制难度，降低控制精度。

进一步优选的，本发明通过助燃空气压力的闭环控制，自动调节辅助助燃空气的供给量。

进一步优选的，本发明的立式退火炉低氮燃烧方法采用“开/关”模式进行控制，以确保燃烧设备及马弗设备的局部高温负担以及整个燃烧系统的稳定性。

其中，“开/关”模式以目标温度和加热斜率为总趋势，采用温度闭环控制的方式进行控制。当实际温度小于加热斜率理论值10 ℃时，开启烧嘴加热；当实际温度大于加热斜率理论值20 ℃时，关闭烧嘴停止加热。

为实现燃烧温度的精准控制，本发明将立式退火炉的加热系统分为多个加热区分别进行控制。优选的，所述加热区的个数为四个，分别为加热1区、加热2区、加热3区、加热4区。

在一些最优选的实施方式中，当加热区的个数为四个时，本发明的冷态燃烧模式的工艺参数控制如下：

在一些最优选的实施方式中，本发明的热态燃烧模式的工艺参数控制如下：

其中，本发明所述立式退火炉为环形燃烧室的立式退火炉。如图1所示，所述立式退火炉的燃烧系统由内向外依次为：工艺室8、马弗3、燃烧室7、炉壳2，烧嘴1切向布置在环形燃烧室7周围，天然气管道6和助燃空气管道5布置于烧嘴1尾部，辅助助燃空气管道4连接于助燃空气管道5。烧嘴1点燃后将火焰喷射入燃烧室7，火焰方向沿马弗3的切向布置在环形燃烧室7周围。

由于环形燃烧室的立式退火炉燃烧室空间小，加热效率高，火焰集中且高温区域大，容易产生热力型氮氧化物。而采用本发明的技术方案可将氮氧化物最终排放浓度降低至200 mg/m³以下。

实施例

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件。

定义1：本申请中，术语“SUS304”指GB牌号为06Cr19Ni10的不锈钢。

定义2：本申请中，术语“SUS316L”指GB牌号为022Cr17Ni12Mo2的不锈钢。

定义3：依据相关标准，“NO_x折算值”的计算公式为：

式中：

C——氮氧化物基准氧含量排放浓度（即NO_x折算值），mg/m³

C’——氮氧化物实测排放浓度（即NO_x实测值），mg/m³

O₂——基准氧含量（立式退火炉为15），%

O₂’——实测氧含量（即上述氧含量），%

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例1

本实例中选择牌号为SUS304的精密不锈钢原料卷，厚度0 .05 mm，宽度610 mm，退火工艺温度800 ℃，工艺速度35m/min。调压后天然气供气压力110 mbar，助燃空气热交换器稳定运行。

常温至800 ℃升温模式以及800 ℃保温模式下，本发明提供的燃烧工艺参数如下表：

利用本发明实施例1的燃烧工艺，在烟道出口位置对氮氧化物排放浓度进行检测。检测分别就450 ℃、650 ℃、800 ℃三个温度点进行检测，检测结果如下：

上述三个检测结果显示，450 ℃、650 ℃、800 ℃工艺温度下的氮氧化物排放值分别为65.21 mg/m³、75.29 mg/m³、86.11 mg/m³，达到了国标规定的不高于200mg/m³的要求。

实施例2

本实例中选择牌号为SUS316L的精密不锈钢原料卷，厚度0.15 mm，宽度610 mm，退火工艺温度1150 ℃，工艺速度45 m/min。调压后天然气供气压力110 mbar，助燃空气热交换器稳定运行，辅助助燃空气系统稳定运行。

800 ℃至1150 ℃升温模式以及1150 ℃保温模式下，本发明提供的燃烧工艺参数如下表：

利用本发明实施例2的燃烧工艺，在烟道出口位置对氮氧化物排放浓度进行检测。检测分别就950 ℃、1050 ℃、1150 ℃三个温度点进行检测，检测结果如下：

上述三个检测结果显示，950 ℃、1050 ℃、1150 ℃工艺温度下的氮氧化物排放值分别为109.68 mg/m³、170.02 mg/m³、185.25 mg/m³，达到了国标规定的不高于200 mg/m³的要求。

本发明在上文中已以优选实施例公开，但是本领域的技术人员应理解的是，这些实施例仅用于描绘本发明，而不应理解为限制本发明的范围。应注意的是，凡是与这些实施例等效的变化与置换，均应视为涵盖于本发明的权利要求范围内。因此，本发明的保护范围应当以权利要求书中所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种立式退火炉低氮燃烧方法，其特征在于，包括：

当目标温度T≤800 ℃时，增加燃烧区域冷态助燃空气的总量，使烟气换热后的助燃空气温度≤200 ℃；

当目标温度800℃＜T≤1150 ℃时，开启辅助助燃空气，增加助燃空气压力，使烟气换热后的助燃空气温度为200-450 ℃。

2.根据权利要求1所述的立式退火炉低氮燃烧方法，其特征在于，当目标温度T≤800℃时，立式退火炉加热系统的空燃比为11.5-12.2。

3.根据权利要求1所述的立式退火炉低氮燃烧方法，其特征在于，当目标温度T≤800℃时，立式退火炉加热系统的加热斜率为4.05-4.55℃/min。

4.根据权利要求1所述的立式退火炉低氮燃烧方法，其特征在于，当目标温度T≤800℃时，立式退火炉加热系统的补偿系数为1.05-1.08。

5.根据权利要求4所述的立式退火炉低氮燃烧方法，其特征在于，当实际温度斜率大于理论温度斜率15%时，通过所述补偿系数进行修正。

6.根据权利要求1所述的立式退火炉低氮燃烧方法，其特征在于，当目标温度800℃＜T≤1150 ℃时，立式退火炉加热系统的空燃比为11.5-12.0。

7.根据权利要求1所述的立式退火炉低氮燃烧方法，其特征在于，当目标温度800℃＜T≤1150 ℃时，立式退火炉加热系统的加热斜率为2.95-3.45 ℃/min。

8.根据权利要求1所述的立式退火炉低氮燃烧方法，其特征在于，当目标温度800℃＜T≤1150 ℃时，所述助燃空气压力为135-150 mbar。

9.根据权利要求1所述的立式退火炉低氮燃烧方法，其特征在于，当实际温度小于加热斜率理论值10 ℃时，开启烧嘴加热；当实际温度大于加热斜率理论值20 ℃时，关闭烧嘴停止加热。

10.根据权利要求1所述的立式退火炉低氮燃烧方法，其特征在于，所述立式退火炉为环形燃烧室立式退火炉。

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