焦炉是钢铁工业中生产焦炭的核心设备，其燃烧过程直接关系到能源消耗和污染物排放。传统焦炉燃烧技术存在燃烧效率低、污染物排放高等问题。焦炉分段燃烧技术通过优化燃烧过程，实现了高效节能与环保排放的双重突破。本文将详细探讨该技术的原理、实现方式、应用案例及其带来的效益。
一、焦炉分段燃烧技术的基本原理
焦炉分段燃烧技术是指将燃烧过程分为多个阶段，通过控制各阶段的空气供给量、燃料供给量和燃烧温度，实现燃料的充分燃烧和污染物的最小化生成。其核心思想是“分级燃烧、分段控制”，具体包括以下几个方面：
- 空气分级：将燃烧所需的空气分为一次风、二次风和三次风，分别在不同阶段供给。一次风主要用于燃料的初步燃烧，二次风用于补充氧气促进完全燃烧，三次风用于降低燃烧温度，减少氮氧化物（NOx）的生成。
- 燃料分级：将燃料分段供给，避免燃料在高温区集中燃烧，从而降低局部温度，减少热力型NOx的生成。
- 温度控制：通过调节各阶段的空气和燃料比例，控制燃烧温度在最佳范围内，既保证燃烧效率，又抑制污染物生成。
1.1 空气分级燃烧的详细说明
空气分级燃烧是分段燃烧技术的关键。其原理是将燃烧所需的空气分两次或多次送入炉膛。首先，将部分空气（通常为总空气量的70%-80%）与燃料混合燃烧，形成富燃料燃烧区，此时燃烧温度较低，且氧气不足，可以抑制热力型NOx的生成。然后，将剩余的空气（20%-30%）从燃烧区的上部或下游送入，使燃料在缺氧条件下生成的中间产物（如CO、HCN等）与氧气进一步反应，完成燃烧过程。
示例：在焦炉燃烧室中，一次风从炉排下方送入，与煤粉混合燃烧；二次风从炉排上方送入，补充氧气，使未完全燃烧的燃料继续燃烧。通过调节一次风和二次风的比例，可以控制燃烧区的温度和氧气浓度，从而减少NOx的生成。
1.2 燃料分级燃烧的详细说明
燃料分级燃烧是将燃料分阶段送入燃烧区。首先，将部分燃料在富氧条件下燃烧，形成高温区；然后，将剩余燃料在缺氧条件下送入，利用高温区的热量进行气化或热解，生成可燃气体，再与氧气混合燃烧。这种方式可以降低燃烧温度，减少热力型NOx的生成，同时提高燃料的利用率。
示例：在焦炉中，可以将煤粉分两次送入燃烧室。第一次送入的煤粉在富氧条件下燃烧，产生高温烟气；第二次送入的煤粉在高温烟气中热解，生成可燃气体，再与二次风混合燃烧。这样既降低了燃烧温度，又提高了燃料的利用率。
二、焦炉分段燃烧技术的实现方式
焦炉分段燃烧技术的实现需要结合焦炉的结构特点和工艺要求，通常包括以下几个方面：
2.1 燃烧器设计与改造
燃烧器是实现分段燃烧的关键设备。传统的焦炉燃烧器通常为单级燃烧器，无法实现分段燃烧。分段燃烧技术需要设计或改造燃烧器，使其具备多级空气和燃料供给功能。
示例：某焦炉厂将原有的单级燃烧器改造为三级燃烧器。改造后的燃烧器包括一次风入口、二次风入口和三次风入口，以及燃料分段供给装置。一次风入口位于燃烧器底部，二次风入口位于中部，三次风入口位于顶部。燃料通过两个喷嘴分别送入一次风和二次风区域。通过调节各入口的风量和燃料量，实现分段燃烧。
2.2 控制系统优化
分段燃烧需要精确控制各阶段的空气和燃料供给量，因此需要对控制系统进行优化。通常采用PLC（可编程逻辑控制器）或DCS（分布式控制系统）实现自动控制。
示例：某焦炉厂采用DCS系统对分段燃烧进行控制。系统根据燃烧室温度、烟气成分（如O2、CO、NOx浓度）等参数，实时调节一次风、二次风和三次风的风量，以及燃料的供给量。控制系统还具备自适应功能，可以根据燃料特性和负荷变化自动调整控制策略。
2.3 烟气再循环（FGR）
烟气再循环是分段燃烧技术的辅助手段，通过将部分低温烟气再循环至燃烧区，降低燃烧温度，进一步减少NOx的生成。
示例：某焦炉厂在分段燃烧的基础上，增加了烟气再循环系统。从烟道抽取10%-20%的低温烟气，通过再循环风机送入燃烧区。烟气再循环可以降低燃烧温度约50-100℃，使NOx排放降低30%-50%。
三、焦炉分段燃烧技术的环保效益
焦炉分段燃烧技术通过优化燃烧过程，显著降低了污染物排放，尤其是氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）的排放。
3.1 氮氧化物（NOx）减排
NOx是焦炉燃烧的主要污染物之一，包括热力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx。分段燃烧技术通过降低燃烧温度和控制氧气浓度，有效抑制了热力型NOx的生成。
数据支持：根据某焦炉厂的测试数据，采用分段燃烧技术后，NOx排放浓度从原来的400 mg/m³降低至150 mg/m³，减排率达到62.5%。同时，烟气中的CO浓度也从原来的100 ppm降低至20 ppm，表明燃烧效率得到提高。
3.2 颗粒物（PM）减排
分段燃烧技术通过提高燃料的燃烧效率，减少了未完全燃烧的颗粒物排放。此外，烟气再循环技术可以降低烟气温度，有利于颗粒物的捕集。
数据支持：某焦炉厂在采用分段燃烧技术后，烟气中的颗粒物浓度从原来的50 mg/m³降低至20 mg/m³，减排率达到60%。
3.3 二氧化硫（SO2）减排
虽然分段燃烧技术对SO2的减排效果有限，但通过优化燃烧过程，可以提高脱硫效率。例如，在分段燃烧的基础上，结合烟气脱硫技术，可以进一步降低SO2排放。
示例：某焦炉厂在分段燃烧的基础上，增加了湿法脱硫装置。通过控制燃烧过程中的氧气浓度和温度，使烟气中的SO2更容易被脱硫剂吸收，脱硫效率从原来的85%提高到95%。
四、焦炉分段燃烧技术的节能效益
焦炉分段燃烧技术不仅降低了污染物排放，还提高了能源利用效率，实现了节能目标。
4.1 提高燃烧效率
分段燃烧技术通过优化空气和燃料的配比，使燃料燃烧更充分，减少了不完全燃烧损失，提高了燃烧效率。
数据支持：某焦炉厂的测试数据显示，采用分段燃烧技术后，燃烧效率从原来的85%提高到92%，燃料消耗量降低了8%。
4.2 降低热损失
分段燃烧技术通过控制燃烧温度，减少了高温烟气的热损失。同时，烟气再循环技术可以回收部分烟气热量，进一步降低热损失。
示例：某焦炉厂在分段燃烧的基础上，增加了烟气余热回收系统。从烟道抽取的高温烟气经过余热锅炉产生蒸汽，用于发电或供热。该系统使焦炉的热效率提高了5%，年节约标准煤约5000吨。
4.3 延长设备寿命
分段燃烧技术降低了燃烧温度，减少了炉膛和燃烧器的热应力，延长了设备的使用寿命，降低了维护成本。
示例：某焦炉厂在采用分段燃烧技术后，燃烧器的使用寿命从原来的3年延长至5年，年维护成本降低了30%。
五、应用案例：某焦炉厂的分段燃烧技术改造
5.1 改造背景
某焦炉厂拥有4座焦炉，总产能为200万吨/年。原有的燃烧技术为传统单级燃烧，存在燃烧效率低、NOx排放高等问题。为了满足环保要求和节能目标，该厂决定对焦炉进行分段燃烧技术改造。
5.2 改造方案
- 燃烧器改造：将原有的单级燃烧器改造为三级燃烧器，增加一次风、二次风和三次风入口，以及燃料分段供给装置。
- 控制系统升级：采用DCS系统，实现对各阶段风量和燃料量的精确控制。
- 增加烟气再循环系统：从烟道抽取15%的低温烟气，再循环至燃烧区。
- 增加余热回收系统：在烟道增设余热锅炉，回收烟气热量。
5.3 改造效果
改造后，经过6个月的运行测试，取得了显著效果：
- 环保效益：NOx排放浓度从400 mg/m³降至150 mg/m³，颗粒物浓度从50 mg/m³降至20 mg/m³，SO2排放浓度从200 mg/m³降至150 mg/m³（结合脱硫技术）。
- 节能效益：燃烧效率从85%提高到92%，燃料消耗量降低8%，年节约标准煤约8000吨。余热回收系统年发电量约1000万kWh，相当于节约标准煤约3000吨。
- 经济效益：年节约燃料成本约500万元，年减少环保罚款约200万元，年增加发电收入约300万元，总投资回收期约为3年。
六、焦炉分段燃烧技术的挑战与展望
6.1 技术挑战
- 控制复杂性：分段燃烧需要精确控制多个参数，对控制系统的要求较高。
- 设备改造成本：燃烧器改造和控制系统升级需要一定的投资。
- 燃料适应性：不同燃料的特性差异较大，需要针对特定燃料优化分段燃烧策略。
6.2 发展趋势
- 智能化控制：结合人工智能和大数据技术，实现燃烧过程的智能优化和自适应控制。
- 多污染物协同控制：将分段燃烧技术与脱硫、脱硝、除尘技术相结合，实现多污染物协同减排。
- 新能源耦合：探索将焦炉分段燃烧技术与氢能、生物质能等新能源结合，进一步降低碳排放。
七、结论
焦炉分段燃烧技术通过空气分级、燃料分级和温度控制，实现了燃烧过程的优化，显著提高了燃烧效率，降低了污染物排放。该技术不仅具有显著的环保效益，还能带来可观的节能和经济效益。随着技术的不断进步和智能化控制的应用，焦炉分段燃烧技术将在钢铁工业的绿色转型中发挥越来越重要的作用。通过实际案例可以看出，该技术是实现高效节能与环保排放双重突破的有效途径，具有广阔的推广前景。