面向污染物減排的燒結(jié)煙氣循環(huán)研究與應(yīng)用進(jìn)展

龍紅明，王毅璠，伍英，趙國愷，周江虹，余正偉，孟慶民，張曉萍

（1.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山243032；2.寶山鋼鐵股份有限公司煉鐵廠，上海 200941；3.馬鋼股份有限公司煉鐵廠，安徽 馬鞍山 243000；4.馬鋼股份有限公司技術(shù)中心，安徽 馬鞍山243021）

鐵礦燒結(jié)工序是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中重要的組成部分，但其在為高爐提供優(yōu)質(zhì)煉鐵原料的同時(shí)也產(chǎn)生了大量污染[1-3]，污染物包括顆粒物、SO2、COX、NOX、HCl、HF、VOCs 和 二 噁 英 （PCDD/Fs）等[4-6]。2019年4月，生態(tài)環(huán)境部等五部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，要求全國鋼鐵企業(yè)大幅度降低污染物排放水平。面對異常嚴(yán)格的《燒結(jié)球團(tuán)超低排放標(biāo)準(zhǔn)（2020-2025）》與《鋼鐵行業(yè)（燒結(jié)）清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)》要求，常規(guī)燒結(jié)工藝的高能耗、高污染、低余熱利用的突出劣勢已難以滿足可持續(xù)發(fā)展的要求[7]。

煙氣循環(huán)燒結(jié)是基于一部分熱廢氣被再次引入燒結(jié)過程的原理而開發(fā)的一種新型燒結(jié)模式。與傳統(tǒng)的“常溫空氣”燒結(jié)相比，不僅充分利用了燒結(jié)主煙道中的余熱，提升了余熱回收利用效率，同時(shí)降低了煙氣排放量，減少了煙氣污染物處理成本。因循環(huán)而返回進(jìn)入料層的煙氣中含有少量CO，其會與碳?xì)浠衔锏仍跓Y(jié)過程中產(chǎn)生二次燃燒放熱，有助于降低4.4%～20.0%的燒結(jié)固體燃耗；而返回?zé)煔庵械腜CDD/Fs和NOX在通過燒結(jié)料層燃燒帶 （溫度最高達(dá)1 400℃左右）時(shí)，會產(chǎn)生熱分解，達(dá)到減排效果；煙氣循環(huán)燒結(jié)會使煙氣中的SO2得到富集，雖有利于燒結(jié)煙氣脫硫效率的提高，但控制不好也會使燒結(jié)礦硫含量升高。總體來看，煙氣循環(huán)燒結(jié)技術(shù)可使燒結(jié)煙氣污染物總排放減少25%～50%，其中，SO2排放量減少10%～67%，NOX排放量減少30%～75%，PCDD/Fs排放量減少20%～80%，粉塵排放量減少30%～50%。由此可見，煙氣循環(huán)燒結(jié)技術(shù)對鋼鐵行業(yè)“清潔生產(chǎn)、低碳節(jié)能、高效污染防治”具有重大意義[8-12]。

1 燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝發(fā)展及技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝發(fā)展

1978年美國Wilton Steel提出區(qū)域性廢氣循環(huán)技術(shù)，通過循環(huán)利用一部分風(fēng)箱系統(tǒng)產(chǎn)生的廢氣，顯著降低懸浮細(xì)粒物料和碳?xì)浠衔锱欧?。?jīng)過近四十年的發(fā)展，日本、德國、奧地利等國家在區(qū)域性廢氣循環(huán)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)了EOS工藝、LEEP工藝、EPOSINT工藝等。2013年，寶鋼為解決環(huán)冷機(jī)熱廢氣無組織排放問題，同時(shí)結(jié)合燒結(jié)煙氣特性、低溫余熱回收利用、燒結(jié)工序超低排放等行業(yè)前瞻性要求，在EPOSINT工藝基礎(chǔ)上開發(fā)了具有獨(dú)立自主產(chǎn)權(quán)的BSFGR工藝，如圖1所示。該工藝在寧鋼燒結(jié)機(jī)上作為示范工程應(yīng)用，取得了良好的效果。

圖1 BSFGR工藝示意圖Fig.1 Schematic Diagram for BSFGR Technology

BSFGR工藝能夠在不影響燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)的前提下，降低固體燃料消耗2.0～2.5 kg/t，減少煙氣外排量20%～35%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)燒結(jié)礦環(huán)冷機(jī)低溫余熱回收利用，且該工藝循環(huán)煙氣溫度及成分符合國內(nèi)燒結(jié)廠工況，滿足燒結(jié)行業(yè)超低排放的行業(yè)要求。

對比日本Nippon Railway的區(qū)域性廢氣循環(huán)工藝、荷蘭Emeiden Steel的EOS（Emission Optimized Sintering）工藝、德國 HKM（Low Emission and Energy Optimized Sinter Process） 的LEEP工藝、德國 Siemens VAI的 EPOSINT（Environment Process Optimized Sintering）工藝以及我國寶鋼的BSFGR（Baosteel Flue Gas Recirculation）工藝等典型燒結(jié)循環(huán)工藝的特點(diǎn)[11-22]，具體如表1所示。

1.2 燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)現(xiàn)狀

煙氣循環(huán)燒結(jié)技術(shù)對解決燒結(jié)煙氣污染環(huán)境、能耗大等問題作用顯著[23]。國外較早開展了煙氣循環(huán)過程數(shù)學(xué)模型的相關(guān)研究，2003年韓國先進(jìn)科技學(xué)院針對燒結(jié)過程提出了固態(tài)混合多相理論和虛擬燒結(jié)顆粒燃燒模型[24-26]。 在此基礎(chǔ)上，H.Ahn 等[27-28]利用商業(yè)流程模擬器建立了熱廢氣循環(huán)燒結(jié)過程的二維數(shù)學(xué)模型，分析了不同廢氣成分和返回料面位置對燒結(jié)過程廢氣排放規(guī)律的影響。2014年伊朗伊斯法罕科技大學(xué)M.Pahlevaninezhad等[29]的研究充分考慮了燒結(jié)過程中的均相反應(yīng)，為廢氣循環(huán)燒結(jié)模型的建立奠定了理論基礎(chǔ)。同時(shí)比利時(shí)[30]、巴西[31]以及日本[32]等國通過模擬原料物化性能、操作參數(shù)、循環(huán)煙氣成分等對燒結(jié)過程的影響，得出其循環(huán)模式都是以回收利用余熱為主要目的。

表1 典型燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝對比Table 1 Comparison of Representative Recycling Technologies for Sintering Flue Gas

近些年，隨著國家對鋼鐵企業(yè)環(huán)保要求日益提高，國內(nèi)學(xué)者也開展了大量煙氣循環(huán)燒結(jié)工藝的研究。2012年蘇浩[33]利用CFD軟件建立了燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝數(shù)學(xué)模型，但是該模型未考慮燒結(jié)過程混合料之間的熱交換和燒結(jié)過程中的化學(xué)反應(yīng)。2012～2014 年張小輝等[34-35]對該模型進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)應(yīng)用某360 m2燒結(jié)機(jī)模擬了高溫、高循環(huán)量、綜合利用三種循環(huán)方案下的燒結(jié)燃燒特性，該模型系統(tǒng)考慮了燒結(jié)過程的水分遷移、SO2釋放、孔隙率以及均相反應(yīng)等，但仍未考慮燒結(jié)料層的對流及換熱。中南大學(xué)范曉慧[36-37]研究了燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝條件下不同煙氣成分對燒結(jié)過程的影響，并指出當(dāng)循環(huán)煙氣氧含量低于18%時(shí)，會引起燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)的急劇下降；范振宇[20]通過實(shí)驗(yàn)研究了循環(huán)煙氣不同氧含量對燒結(jié)礦性能指標(biāo)的影響，并提出煙氣循環(huán)工藝可以提高SO2脫除效率；甘敏[38]研究了在生物質(zhì)能燒結(jié)過程中循環(huán)煙氣成分的適宜范圍；劉臣[39]揭示了循環(huán)煙氣中SO2在料層中的反應(yīng)行為及排放規(guī)律；東北大學(xué)于恒等[40]研究了煙氣循環(huán)率、循環(huán)煙氣溫度以及高硫煙氣處理三個(gè)因素對燒結(jié)過程的影響，提出了燒結(jié)煙氣循環(huán)協(xié)同優(yōu)化的設(shè)計(jì)原則，可減少24.5%燒結(jié)煙氣總排放量，減少83.1%～86.6%脫硫煙氣量；寶鋼研究院李咸偉等[41]在煙氣循環(huán)條件下探究了不同工藝參數(shù)對PCDD/Fs生成與排放的影響，并且提出了基于煙氣循環(huán)燒結(jié)過程的PCDD/Fs減排工藝參數(shù)。

由于實(shí)際應(yīng)用煙氣循環(huán)燒結(jié)技術(shù)的廠家較少，當(dāng)前的煙氣循環(huán)燒結(jié)技術(shù)研究以偏重于理論的居多。與常規(guī)燒結(jié)相比，煙氣循環(huán)燒結(jié)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中還存在不少亟待查明與解決的具體問題，較為突出的有：

（1）煙氣循環(huán)前后的燒結(jié)煙氣主要成分變化規(guī)律。

（2）將燒結(jié)煙氣循環(huán)至料面的方式以污染物減排為主，循環(huán)比例高，但氧含量降低，嚴(yán)重影響燒結(jié)生產(chǎn)。

（3）在采用BSFGR工藝條件下，如何根據(jù)燒結(jié)工況條件，合理分配循環(huán)風(fēng)比例，確保燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)不受影響，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率污染物減排，仍有待進(jìn)一步研究。

（4）如何使循環(huán)煙氣均勻分布于燒結(jié)機(jī)上方的煙氣罩內(nèi)并順利進(jìn)入料層，實(shí)現(xiàn)煙氣不外溢、料面邊緣吸入“冷風(fēng)”少，并確保燒結(jié)過程和燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的良好狀態(tài)。

2 BSFGR工藝對燒結(jié)煙氣排放的影響

為進(jìn)一步認(rèn)識燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝對燒結(jié)過程煙氣排放的影響規(guī)律，用動(dòng)態(tài)法對應(yīng)用BSFGR循環(huán)工藝的某燒結(jié)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了風(fēng)箱支管煙氣成分檢測。該系統(tǒng)將燒結(jié)機(jī)靠近機(jī)尾的若干風(fēng)箱煙氣與環(huán)冷機(jī)熱廢氣混合后返回至料面，循環(huán)煙氣氧含量約18%，溫度為180～220℃，燒結(jié)料層厚度850 mm。

2.1 對O2含量的影響

燒結(jié)煙氣循環(huán)前后風(fēng)箱支管煙氣O2含量變化如圖2所示。由圖2可以看出，在2～22號風(fēng)箱之間，常規(guī)燒結(jié)的風(fēng)箱煙氣O2含量高于煙氣循環(huán)燒結(jié)的O2含量；煙氣循環(huán)燒結(jié)狀態(tài)下，風(fēng)箱支管煙氣中的O2含量從22號風(fēng)箱開始快速上升，比常規(guī)燒結(jié)提前約3個(gè)風(fēng)箱；煙氣循環(huán)燒結(jié)下風(fēng)箱支管煙氣O2含量下降與料面吸入的循環(huán)煙氣中O2含量較低（比常規(guī)燒結(jié)低約3%）有關(guān)。煙氣循環(huán)燒結(jié)下，在22號風(fēng)箱之前，燒結(jié)風(fēng)箱支管煙氣中的O2含量的下降幅度較大，燒結(jié)助燃?xì)庵蠴2的利用水平較高，但22號風(fēng)箱之后，燒結(jié)風(fēng)箱支管煙氣中的O2含量大幅上升并與常規(guī)燒結(jié)接近，表明燒結(jié)過程的碳氧燃燒反應(yīng)有變慢的趨勢。因此，煙氣循環(huán)燒結(jié)對燒結(jié)過程的后1/3影響較大。

圖2 燒結(jié)煙氣循環(huán)前后風(fēng)箱支管煙氣O2含量變化Fig.2 Variation of Content of O2in Sintering Flue Gas in Wind Box Branch Pipe before and after Recycling Sintering Flue Gas

2.2 對CO含量的影響

燒結(jié)煙氣循環(huán)前后風(fēng)箱支管煙氣CO含量變化如圖3所示。由圖3可以看出，在煙氣循環(huán)燒結(jié)狀態(tài)下，各風(fēng)箱支管的煙氣中的CO含量有所增加，特別是5～22號風(fēng)箱支管煙氣中CO含量遠(yuǎn)高于常規(guī)燒結(jié)，期間CO含量的最大值達(dá)19 000 mg/m3。由此可見，相對于常規(guī)燒結(jié)，煙氣循環(huán)燒結(jié)的風(fēng)箱煙氣中的CO含量上升，燒結(jié)過程碳氧燃燒向更不充分的方向發(fā)展。

圖3 煙氣循環(huán)燒結(jié)前后風(fēng)箱支管煙氣CO含量變化Fig.3 Variation of Content of CO in Sintering Flue Gas in Wind Box Branch Pipe before and after Recycling Sintering Flue Gas

2.3 對SO2含量的影響

煙氣循環(huán)燒結(jié)前后風(fēng)箱支管煙氣SO2含量變化如圖4所示。

圖4 煙氣循環(huán)燒結(jié)前后風(fēng)箱支管煙氣SO2含量變化Fig.4 Variation of Content of SO2in Sintering Flue Gas in Wind Box Branch Pipe before and after Recycling Sintering Flue Gas

由圖4可以看出，常規(guī)燒結(jié)SO2含量平均值為981.29 mg/m3，煙氣循環(huán)燒結(jié)SO2含量平均值為523.43 mg/m3。相較于常規(guī)燒結(jié)，煙氣循環(huán)燒結(jié)下風(fēng)箱支管煙氣中的SO2含量明顯降低。煙氣循環(huán)燒結(jié)狀況下，進(jìn)入料面的煙氣中會帶入一定量的SO2，但排放煙氣中的SO2明顯下降，將導(dǎo)致成品燒結(jié)礦中硫含量有所增加。

2.4 對NOX含量的影響

常規(guī)燒結(jié)NOX含量平均值為340.56 mg/m3，煙氣循環(huán)燒結(jié)NOX含量平均值為287.28 mg/m3，較常規(guī)燒結(jié)下降53.28 mg/m3（降幅15.64%）。煙氣循環(huán)燒結(jié)前后風(fēng)箱支管煙氣NOX含量變化如圖5所示。

圖5 煙氣循環(huán)燒結(jié)前后風(fēng)箱支管煙氣NOX含量變化Fig.5 Variation of Content of NOX in Sintering Flue Gasin Wind Box Branch Pipe before and after Recycling Sintering Flue Gas

由圖5可以看出，在煙氣循環(huán)燒結(jié)下，風(fēng)箱支管煙氣中的NOX含量明顯降低。常規(guī)燒結(jié)時(shí)，2號風(fēng)箱處NOX含量達(dá)到最大值為525.93 mg/m3，20號風(fēng)箱以后由于O2含量的增加，循環(huán)煙氣中的NOX含量開始急劇下降，并最終趨向于0；而煙氣循環(huán)燒結(jié)狀態(tài)下，NOX含量的總體變化趨勢基本相同，但NOX含量明顯降低，7號風(fēng)箱處NOX含量達(dá)到最大值也僅為419.80 mg/m3。研究表明，循環(huán)煙氣會造成風(fēng)箱支管中NOX含量增加，但該燒結(jié)機(jī)將機(jī)尾處煙氣循環(huán)至料面，循環(huán)煙氣中NOX濃度較低，循環(huán)該部分煙氣后NOX排放減少。

3 結(jié)論及展望

（1）燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝可充分利用煙氣余熱，降低燒結(jié)過程固體燃耗，改善上部料層的燒結(jié)礦質(zhì)量。5種典型煙氣循環(huán)工藝各有利弊，不同燒結(jié)廠可根據(jù)自身工藝參數(shù)和場地設(shè)備改造條件選擇適宜的煙氣循環(huán)方式。其中BSFGR工藝更加符合國內(nèi)燒結(jié)廠工況及煙氣排放特性，同時(shí)可以將低溫余熱回收利用，滿足燒結(jié)工序超低排放等行業(yè)前瞻性要求，在國內(nèi)應(yīng)用更為廣泛。

（2）應(yīng)用BSFGR循環(huán)工藝，燒結(jié)料層吸入氣體氧含量從21%降至18%，燒結(jié)煙氣中O2、SO2、NOX含量均有所降低，對燒結(jié)后1/3段影響較大，為保證燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)，適宜氧含量應(yīng)不低于18%。同時(shí)，CO含量升高，表明煙氣循環(huán)后燒結(jié)過程碳氧燃燒不充分，需進(jìn)一步研究燒結(jié)過程燃料充分利用問題。

（3）BSFGR循環(huán)工藝的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)燒結(jié)過程環(huán)冷機(jī)熱廢氣余熱的回收利用，并降低燒結(jié)煙氣總排放量及各污染物排放量，節(jié)能減排效果顯著。但返回料面的煙氣受熱風(fēng)罩外形影響，容易形成風(fēng)場漩渦及局部漏風(fēng)，造成料面吸風(fēng)不均勻，燒結(jié)礦質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，仍需加強(qiáng)對煙氣循環(huán)至料面后合理風(fēng)量分布問題的重視。