澳斯麥特爐氮氧化合物產(chǎn)生的原因分析

高曉艷

(吉林吉恩鎳業(yè)股份有限公司冶煉廠， 吉林 磐石 132311)

0 引言

某冶煉廠成功的引進了目前世界上先進的煉鎳強化熔煉技術(shù)——澳斯麥特技術(shù)，代替了原有的礦熱電爐。該澳斯麥特熔煉爐體為豎式圓筒形，關(guān)鍵設(shè)備噴槍從爐頂中心插入爐內(nèi)，噴槍頭部浸沒在熔體的渣層內(nèi)，冶煉工藝所需要的空氣、氧氣、燃料通過噴槍噴入熔池。精礦從爐頂加料口加入，在噴槍末端的高速氣流作用下，熔池劇烈攪動，物料迅速地熔化和反應，熔煉產(chǎn)物有鎳锍、爐渣、煙氣。鎳锍和爐渣以混合熔體的形式進入沉降電爐，實現(xiàn)鎳渣分離，鎳锍再經(jīng)過轉(zhuǎn)爐吹煉成高鎳锍。煙氣經(jīng)余熱鍋爐余熱回收，收塵后制酸。

該澳斯麥特爐于2009年10月8日開始試生產(chǎn)，2011年全年完成設(shè)計鎳金屬產(chǎn)量，達產(chǎn)達標。由于澳斯麥特爐所用燃料為粉煤，會產(chǎn)生一定量的氮氧化合物，對于下游硫酸廠的產(chǎn)品硫酸產(chǎn)生影響。經(jīng)長春應化所認定，煙氣中的氮氧化物會使硫酸產(chǎn)品產(chǎn)生顏色變化，而且目前的制酸裝置不能將其去除。氮氧化合物進入硫酸中生成亞硝?；蛩幔沽蛩嵝再|(zhì)發(fā)生重大改變，影響銷售。為了改善硫酸質(zhì)量，降低氮氧化合物含量，需要在冶煉廠、硫酸廠采取相應的技術(shù)措施，努力防止澳爐煙氣中氮氧化合物產(chǎn)生，降低含量。

1 澳斯麥特爐煙氣中氮氧化合物生成原理

澳斯麥特爐煙氣中的氮氧化合物，NO占90%以上，NO2占5%～10%，包括熱力型、快速型和燃料型三種類型，各種類型的氮氧化合物生成原理如下所述[1]。

(1) 熱力型氮氧化合物。澳斯麥特爐熔煉時，空氣中氮在高溫下氧化產(chǎn)生，隨反應溫度的升高，其反應速率按指數(shù)規(guī)律增加。當溫度<1 500 ℃時，NO生成的量很少，而當溫度>1 500 ℃時，每增加100 ℃，反應速率增加到6～7倍。反應方程式見式(1)和式(2)。

N2+O2=2NO

(1)

2NO+O2=2NO2

(2)

(2)快速型氮氧化合物。由于燃料揮發(fā)物中碳氫化合物高溫分解生成的CH自由基可以和空氣中的氮氣反應生成HCN和N，再進一步與氧氣以極快速度生成，形成時間只需60 ms，與溫度的關(guān)系不大。

(3)燃料型氮氧化合物。此種氮氧化合物由燃料中的氮化合物在燃燒中氧化而成，由于燃料中氮的熱分解溫度低于粉煤燃燒的溫度，600～800 ℃時就會生成燃料型氮氧化合物，其在煤粉燃燒中NOx產(chǎn)物中占60%～80%。在生成燃料型NOx過程中，首先是含有氮的有機化合物熱裂解產(chǎn)生N、CN、HCN等中間產(chǎn)物基團。然后再氧化成為NOx。由于煤在燃燒過程中包含揮發(fā)分和焦炭燃燒兩個部分，故燃料型的氮氧化合物形成也由氣相氮的氧化(揮發(fā)分)形成和焦炭燃燒形成兩個部分組成(圖1)。

圖1 燃料型氮氧化合物的形成示意圖

澳斯麥特爐溫度高，在1 200～1 350 ℃之間，噴槍噴入熔池中大量空氣，噴槍頭燃燒區(qū)域溫度高達1 500 ℃，具備了熱力型氮氧化合物的生成條件。另外燃料中C—N鍵的鍵能為(25.3～63)×107J/mol，比空氣中的N—N鍵能94.5×107J/mol要小得多，因此，更容易被氧化成為NO。當燃料中的氮分在很低水平時(0.1%)，煙氣中NO質(zhì)量濃度就能達到260 mg/L以上，占燃燒過程所產(chǎn)生的NOx75%～90%，是燃燒過程中氮氧化物主要來源[2]。

由以上分析可知，熱力型氮氧化合物和快速型氮氧化合物只占澳斯麥特爐煙氣中的氮氧化合物的小部分，燃料型氮氧化合物是澳斯麥特爐煙氣中的氮氧化合物的主要來源。

2 氮氧化合物生成量計算

根據(jù)上文分析的氮氧化合物生成原因，澳斯麥特爐中氮氧化合物的形成主要是燃料煤燃燒產(chǎn)生的。因為雖然進入澳斯麥特爐大量氮氣，經(jīng)過計算，氮氣量達到17 900 Nm3/h，但是因為熱力型與快速型氮氧化合物不是NOx的主要來源，澳斯麥特爐氮氧化合物主要來源是粉煤燃燒。

依據(jù)式(3)計算澳斯麥特爐產(chǎn)生的氮氧化合物質(zhì)量[3-4]。

GNOx=1.63B(Nβ+0.000 938)

(3)

式中：GNOx為澳斯麥特爐產(chǎn)生的氮氧化合物質(zhì)量；B為消耗的粉煤量，暫定4 700 kg/h；β為燃料中氮的轉(zhuǎn)化率，25%；N為燃料中的含氮量，某冶煉廠燃煤中含氮量為1.29%。

將各參數(shù)值代入式(3)，得到總氮氧化合物質(zhì)量。

GNOx=1.63B(Nβ+0.000 938)=1.63×
4 700×(1.29%×25%+0.000 938)=31.89(kg)

假設(shè)NOx為NO2，NO2的分子量為46，每摩爾為22.4 L，則有：

(31.89/46)×22.4=15.53 m3/h。

經(jīng)過氣體平衡計算，澳斯麥特爐總的氣量為28 850 m3/h，氮氧化合物含量為1 028 mg/m3。

3 降低氮氧化合物技術(shù)措施

通過上文分析氮氧化合物的生成原因，采取以下措施降低澳斯麥特爐煙氣中的氮氧化合物含量。

3.1 改變煤種，盡量使用含氮量低的煤

目前使用的粉煤含氮量經(jīng)過檢測為1.29%，如果條件允許的話，采購的粉煤含氮量如果低于此數(shù)值，澳斯麥特爐煙氣中的氮氧化合物會逐步降低。如果進行工藝改造，不采用粉煤，采用其他燃料，如燃油、天然氣等，氮氧化合物降低的幅度更大。產(chǎn)生燃料型NOx的量與燃料含氮量有關(guān)，表1列出了各種燃料的含氮量[5]。

表1 各種燃料含氮量

從表1中可以看出，煤、石油焦炭中含氮量較高，而重油、汽油中含氮量較低。

目前澳斯麥特爐所用粉煤成分見表2。

表2 目前澳斯麥特爐所用粉煤成分表

3.2 通過合理配料，降低澳斯麥特爐熔煉溫度，實現(xiàn)降低燃煤和塊煤的使用量

在澳斯麥特爐熔煉生產(chǎn)過程中，如果能夠合理搭配物料，達到適合的鐵硅比，配入一定量的氧化鈣，渣型熔點降低，會降低澳爐熔化溫度，從而減少粉煤用量，達到降低煙氣中氮氧化物的目的。

3.3 控制鼓入爐膛內(nèi)的空氣量，盡可能降低氧化氣氛

當物料不變時，澳斯麥特爐具有調(diào)節(jié)爐內(nèi)氧化還原氣氛的能力，通過控制風、氧氣的流量，來控制澳斯麥特爐的氧化氣氛。如果風量較大，氧化性氣氛較強，澳爐中氮氧化合物含量會增加，如果合理控制風量，就會在一定程度上控制氮氧化合物的生成。

通常用煙氣中的CO濃度來判斷澳爐中的氣氛，澳斯麥特爐煙氣中CO濃度變化情況見表3。

表3 澳斯麥特爐煙氣中CO濃度變化情況

由表3看出，爐內(nèi)CO濃度在600～3 000 PPM范圍內(nèi)變化，如果一氧化碳濃度低，則爐內(nèi)煙氣氧化性氣氛較強。在CO允許范圍內(nèi)(<3 500PPM)時，控制相對較高的CO濃度，降低爐內(nèi)氧化性氣氛，即可以減少氮氧化合物的生成。

3.4 適當加大負壓，縮短燃料及燃燒產(chǎn)物在火焰高溫區(qū)爐膛內(nèi)停留的時間

首先要保證澳斯麥特爐系統(tǒng)微負壓，控制在-20 Pa左右，這樣才能及時把爐中物料及粉煤燃燒產(chǎn)生的煙氣及時排出，縮短煙氣在爐中的停留時間，降低反應幾率。但是負壓也不能太大，如果過大會帶走大量熱量，增加燃料消耗，出現(xiàn)其他問題。澳斯麥特爐合理的負壓可以控制在-30 Pa左右。

3.5 在澳斯麥特爐上升煙道處增加脫硝裝置，能有效降低氮氧化合物含量

現(xiàn)在冶煉廠普遍采用SNCR脫硝系統(tǒng)，此系統(tǒng)又叫做選擇性非催化還原脫硝系統(tǒng)，是目前煙氣凈化技術(shù)上控制氮氧化物排放的主要方法，其反應見式(4)。

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

(4)

將氨水(質(zhì)量濃度20%左右)通過霧化噴射系統(tǒng)直接噴入奧斯麥特爐內(nèi)合適的溫度區(qū)域(850～1 050 ℃)，霧化后的氨將與NOx(NO、NO2等混合物)進行選擇性非催化還原反應。為提高脫硝效率，使氨水反應效率最大化，應滿足以下條件：①在氨水噴入?yún)^(qū)域沒有火焰；②在反應區(qū)維持合適的溫度范圍(850～1 050 ℃)；③在反應區(qū)域有足夠的停留時間(至少0.5 s，900 ℃)。

SNCR脫硝系統(tǒng)在冶煉廠應用效果較好。

4 結(jié)論

氮氧化合物影響了硫酸生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運行，本文敘述了澳斯麥特爐煙氣中氮氧化合物的形成原因，產(chǎn)生的危害，及控制氮氧化合物生成的技術(shù)措施。降低澳斯麥特爐內(nèi)氮氧化合物含量的措施包括：改變澳斯麥特爐燃料種類；適當降低澳爐溫度；降低澳爐氧化氣氛；縮短燃料及燃燒產(chǎn)物在火焰高溫區(qū)停留時間；在澳爐上升煙道處增加脫硝裝置。國家對排放煙氣中的氮氧化合物也有較高的要求，排放量控制在200 mg/Nm3，所以對于氮氧化合物的控制就顯得尤為重要。