安鋼燒結(jié)系統(tǒng)配加低氮固體燃料減排的工業(yè)實(shí)驗(yàn)

晁紅召 關(guān)紅兵 劉月建

（安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司煉鐵廠）

0 前言

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料介紹，燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的氮氧化物90%以上來(lái)自于固體燃料的燃燒，即絕大多數(shù)為燃燒型NOx，而燒結(jié)煤中的氮元素主要來(lái)源于其中的揮發(fā)分。從燃料化驗(yàn)結(jié)果看，某種低氮煤（以下簡(jiǎn)稱低氮煤）的揮發(fā)分含量低于安鋼目前使用的無(wú)煙煤品種（以下簡(jiǎn)稱無(wú)煙煤），可以從源頭降低氮氧化物來(lái)源。從理論分析可知，使用低氮煤生產(chǎn)可有效降低脫硫氮氧化物的排放，需要工業(yè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工業(yè)實(shí)驗(yàn)方案

1.1 計(jì)劃

本次工業(yè)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃在2#燒結(jié)系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)期間配礦結(jié)構(gòu)、燃料配比以及其他過(guò)程參數(shù)保持穩(wěn)定，僅將燃料品種作為變量，分析配加低氮煤前后2#燒結(jié)系統(tǒng)污染物排放指標(biāo)的變化。

1.2 用燃料準(zhǔn)備

2#燒結(jié)系統(tǒng)提前三天開(kāi)始準(zhǔn)備煤池，西側(cè)煤池放置焦粉，東側(cè)煤池為無(wú)煙煤，基準(zhǔn)期結(jié)束后開(kāi)始騰空東側(cè)煤池進(jìn)廠低氮煤，當(dāng)?shù)偷簬?kù)存量達(dá)到500 t 以上時(shí)具備實(shí)驗(yàn)開(kāi)始條件。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程安排

（1）2#燒結(jié)系統(tǒng)正常的燃料結(jié)構(gòu)為焦煤比1:1，其中焦粉為自產(chǎn)焦粉，煤粉為安陽(yáng)周邊地區(qū)無(wú)煙煤，在該燃料結(jié)構(gòu)下獲取72 h 的數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（2）為了減少煤種突然切換對(duì)燒結(jié)生產(chǎn)的影響，工業(yè)實(shí)驗(yàn)分兩組進(jìn)行。第一組實(shí)驗(yàn)使用低氮煤替代全部無(wú)煙煤，焦煤比仍執(zhí)行1:1，焦粉使用自產(chǎn)焦粉。第二組實(shí)驗(yàn)則停用焦粉，全部換用低氮煤。

（3）工業(yè)實(shí)驗(yàn)按基準(zhǔn)期、第一組、第二組依次執(zhí)行，基準(zhǔn)期第一組實(shí)驗(yàn)計(jì)劃于低氮煤進(jìn)廠具備使用條件后開(kāi)始執(zhí)行，持續(xù)72 h，之后進(jìn)入12 h 緩沖期，用于新舊燃料品種配比的切換，12 h 后開(kāi)始進(jìn)行第二組全低氮煤實(shí)驗(yàn)，該階段持續(xù)96 h。

（4）記錄基準(zhǔn)期和第一組、第二組實(shí)驗(yàn)期燒結(jié)機(jī)運(yùn)行參數(shù)、燒結(jié)礦質(zhì)量及燒結(jié)機(jī)污染物排放數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

2 工業(yè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 基礎(chǔ)條件

在實(shí)驗(yàn)期間，2#燒結(jié)系統(tǒng)未進(jìn)行配比結(jié)構(gòu)調(diào)整，燒結(jié)過(guò)程參數(shù)保持穩(wěn)定。

2.2 具體步驟

實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)期2#燒結(jié)系統(tǒng)使用焦粉和無(wú)煙煤，焦煤比例執(zhí)行1:1，記錄三天的數(shù)據(jù)，作為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與第一、第二階段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，燒結(jié)機(jī)的主要運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 基準(zhǔn)期燒結(jié)機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)

基準(zhǔn)期，燒結(jié)機(jī)料批總體穩(wěn)定在660～680 t/h，燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)狀態(tài)穩(wěn)定。基準(zhǔn)期束后進(jìn)入過(guò)渡期，燒結(jié)機(jī)開(kāi)始騰空東側(cè)煤倉(cāng)，進(jìn)低氮煤。

3 月14 日白班，2#燒結(jié)系統(tǒng)煤倉(cāng)低氮煤儲(chǔ)量滿足實(shí)驗(yàn)條件，當(dāng)天夜班開(kāi)始按照實(shí)驗(yàn)方案取用低氮煤，焦煤比例執(zhí)行1:1。3 月15 日0 點(diǎn)開(kāi)始記錄燒結(jié)機(jī)運(yùn)行參數(shù)和脫硫排放數(shù)據(jù)，至3 月17 日24 點(diǎn)結(jié)束第一階段實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)期間，燒結(jié)機(jī)料批總體穩(wěn)定在650～680 t/h，燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)狀態(tài)基本穩(wěn)定，燒結(jié)機(jī)的主要運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 第一階段實(shí)驗(yàn)燒結(jié)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)

第一階段實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，3 月18 日夜班開(kāi)始逐步換用全低氮煤生產(chǎn)。3 月19 日0 點(diǎn)開(kāi)始記錄使用全低氮煤期間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，至3 月22 日24 點(diǎn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)期間，燒結(jié)機(jī)料批總體穩(wěn)定在650～680 t/h，燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)狀態(tài)基本穩(wěn)定，燒結(jié)機(jī)的主要運(yùn)行參數(shù)記錄見(jiàn)表3。

表3 第二階段實(shí)驗(yàn)燒結(jié)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)

3 實(shí)驗(yàn)用燃料性狀分析

低氮煤進(jìn)場(chǎng)后，對(duì)低氮煤、焦粉和無(wú)煙煤的成分、粒度組成和水分情況進(jìn)行了分析，結(jié)果見(jiàn)表4 ～表6。

表4 低氮煤進(jìn)廠質(zhì)檢成分 %

表5 實(shí)驗(yàn)使用的三種燃料的粒度組成

從表4～表6 可以看出，低氮煤固定碳含量要低于燒結(jié)目前使用的無(wú)煙煤和焦粉，灰分高于無(wú)煙煤和焦粉，揮發(fā)分含量低于無(wú)煙煤。

表6 實(shí)驗(yàn)使用的三種燃料的粒級(jí)分布情況及水分 %

從粒度組成來(lái)看，低氮煤粒度偏碎，≤0.5 mm部 分 含 量 達(dá) 到15.54%，＞0.5～1 mm 含 量 達(dá)到14.31%，兩者合計(jì)過(guò)粉碎（≤1 mm）達(dá)到29.85%，平均粒度2.25 mm，相較于焦粉和無(wú)煙煤來(lái)說(shuō)其粒度偏碎。

此外，低氮煤水分含量較高，且粒度偏細(xì)，因此該煤粉較濕黏，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了燃料破碎系統(tǒng)堵倉(cāng)、堵斗以及配料室燃料倉(cāng)蓬倉(cāng)的現(xiàn)象，影響了配煤的穩(wěn)定性。

4 實(shí)驗(yàn)期間污染物排放數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、對(duì)比，分析了相同原料條件下，不同燃料品種對(duì)燒結(jié)過(guò)程二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）排放的影響。

4.1 脫硫脫硝系統(tǒng)入口煙氣SO2和NOx含量分析

實(shí)驗(yàn)期間，采用手持式煙氣分析儀對(duì)2#燒結(jié)系統(tǒng)脫硫脫硝入口煙氣進(jìn)行了檢測(cè)，由于檢測(cè)儀器受CO 干擾無(wú)法檢測(cè)煙氣SO2的含量，因此僅分析了入口NOx的排放趨勢(shì)。

實(shí)驗(yàn)期間2#燒結(jié)系統(tǒng)脫硫脫硝系統(tǒng)入口NOx的排放數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。為排除煙氣含氧量波動(dòng)的影響，表7 中NOx折算值一欄的數(shù)值，為實(shí)際檢測(cè)NOx數(shù)值按照16%的基礎(chǔ)含氧量折合而來(lái)。

表7 實(shí)驗(yàn)階段2#脫硫入口排放數(shù)據(jù)

從表7 可以看出，在第一實(shí)驗(yàn)階段，焦粉:低氮煤=1:1 時(shí)，NOx折算值的平均值為259.97 mg/h，排名第二；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)階段停用低氮煤，焦粉:無(wú)煙煤=1:1 時(shí)的平均值為273.78 mg/h，排名第三；使用全低氮煤期間，2#燒結(jié)系統(tǒng)脫硫脫硝系統(tǒng)入口煙氣的NOx排放最低，平均為231.80 mg/h，與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)階段相比，降低了41.98 mg/h，降低幅度為15.33%。

從以上數(shù)據(jù)推算，不同燃料品種氮氧化物的產(chǎn)生量由少到多排列為低氮煤＜焦粉＜無(wú)煙煤。因此，燒結(jié)機(jī)配加低氮煤確有從源頭降低氮氧化物排放的作用。

4.2 脫硫脫硝系統(tǒng)出口煙氣SO2和NOx含量分析

實(shí)驗(yàn)期間，2#燒結(jié)系統(tǒng)脫硫脫硝系統(tǒng)出口SO2、NOx、風(fēng)量數(shù)據(jù)以及按照風(fēng)量數(shù)據(jù)計(jì)算的單位小時(shí)累計(jì)排放量見(jiàn)表8。

表8 實(shí)驗(yàn)階段燒結(jié)污染物排放數(shù)據(jù)

從表8 可以看出，在第一實(shí)驗(yàn)階段，燃料結(jié)構(gòu)為焦粉:低氮煤=1:1 時(shí)，脫硫脫硝系統(tǒng)出口煙氣SO2排放均值為16.45 mg/h，NOx排放均值為22.08 mg/h，此階段SO2和NOx排放均為三個(gè)階段最低。第二實(shí)驗(yàn)階段和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)階段的排放數(shù)據(jù)差別不大，均高于第一實(shí)驗(yàn)階段，且三個(gè)階段均能達(dá)到超低排放要求。

4.3 脫硫脫硝系統(tǒng)出口煙氣噸礦SO2和NOx排放分析

考慮到三個(gè)實(shí)驗(yàn)階段燒結(jié)礦產(chǎn)量和生產(chǎn)負(fù)荷略有不同，為排除燒結(jié)生產(chǎn)負(fù)荷對(duì)污染物排放的影響，將三個(gè)實(shí)驗(yàn)階段的污染物排放總量與本階段燒結(jié)礦產(chǎn)量相除，得到三個(gè)階段各自的SO2和NOx噸礦排放量，見(jiàn)表9。

從表9 可以看出，在第一實(shí)驗(yàn)階段，燃料結(jié)構(gòu)為焦粉:低氮煤=1:1 時(shí)，SO2和NOx噸礦排放量最低；燃料結(jié)構(gòu)為全低氮、煤和焦粉:無(wú)煙煤=1:1 時(shí)， SO2和NOx噸礦排放量非常接近，且均高于第一實(shí)驗(yàn)階段。

表9 實(shí)驗(yàn)階段燒結(jié)噸礦污染物排放數(shù)據(jù)

因此，從2#脫硫脫硝系統(tǒng)出口煙氣數(shù)據(jù)推算，不同燃料品種氮氧化物的產(chǎn)生量由少到多排列為焦粉＜低氮煤＜無(wú)煙煤。因此，燒結(jié)機(jī)配加低氮煤替代無(wú)煙煤，確有降低氮氧化物排放的作用，但低氮煤的減排效果弱于焦粉。

5 實(shí)驗(yàn)期間燒結(jié)礦質(zhì)量分析

低氮煤實(shí)驗(yàn)期間，對(duì)燒結(jié)礦TFe、SiO2、CaO、MgO、Al2O3的含量無(wú)明顯影響，由于低氮煤濕黏，在第二實(shí)驗(yàn)階段全低氮煤生產(chǎn)期間，煤倉(cāng)頻繁蓬倉(cāng)對(duì)燒結(jié)礦FeO 含量穩(wěn)定性造成一定影響，但總體可控。低氮煤對(duì)燒結(jié)礦強(qiáng)度的影響見(jiàn)表10。

表10 實(shí)驗(yàn)期間燒結(jié)礦強(qiáng)度指標(biāo)變化趨勢(shì)

由表5 和表10 數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)分析可知，由于低氮煤粒度偏細(xì)，燃料中過(guò)粉碎部分含量較高，一定程度上影響了燒結(jié)過(guò)程透氣性和燒結(jié)熱量水平。因此，在第二階段全低氮煤實(shí)驗(yàn)期間，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度和平均粒度有所下降，篩分指數(shù)和≤10 mm部分含量有所升高，但各項(xiàng)指標(biāo)均未突破上下限，可以滿足燒結(jié)礦質(zhì)量要求。

6 成本分析

因?yàn)榈偷汗潭ㄌ己柯缘停趾柯愿?，且粒度偏?xì)，在燒結(jié)過(guò)程中損耗較大，所以在使用低氮煤時(shí)，燒結(jié)燃料配比升高，實(shí)驗(yàn)期間噸礦固體燃料消耗情況見(jiàn)表11，各品種燃料價(jià)格見(jiàn)表12。

表11 實(shí)驗(yàn)期間噸礦固體燃料消耗變化趨勢(shì)

從表11～表12 可以看出，使用焦粉替代無(wú)煙煤時(shí)，燒結(jié)固體燃料消耗（濕基）基本維持穩(wěn)定；在使用全低氮煤生產(chǎn)時(shí)，燒結(jié)固體燃料消耗（濕基）由基準(zhǔn)期的59.42 kg/t 升高到61.91 kg/t，升高了2.49 kg/t，升高幅度為4.19%。

表12 各品種燃料濕基和推算干基價(jià)格

根據(jù)表11 各階段固體燃料消耗數(shù)據(jù)和表12 各品種燃料價(jià)格，可推算不同燃料結(jié)構(gòu)下燒結(jié)礦燃料成本（概算），見(jiàn)表13。

從表13 可以看出，與2#燒結(jié)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)階段使用焦粉:無(wú)煙煤=1:1 相比，第一實(shí)驗(yàn)階段使用50%的低氮煤替代無(wú)煙煤，燒結(jié)噸礦燃料成本升高1.47 元/t；第二實(shí)驗(yàn)階段使用100%低氮煤時(shí)，與基準(zhǔn)階段相比，燒結(jié)噸礦燃料成本升高5.37 元/ t。

根據(jù)消耗和燃料價(jià)格推算，燒結(jié)機(jī)使用焦粉與低氮煤比例1:1 時(shí)與使用全焦粉生產(chǎn)相比，估算燒結(jié)噸礦燃料成本升高約3.88 元/ t。而燒結(jié)機(jī)使用全低氮煤與使用全焦粉生產(chǎn)相比，估算燒結(jié)噸礦燃料成本升高約7.78 元/ t。

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同燃料結(jié)構(gòu)燒結(jié)工業(yè)實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）從脫硫脫硝系統(tǒng)入口煙氣數(shù)據(jù)分析，使用低氮煤替代部分無(wú)煙煤，可以從源頭降低燒結(jié)廢氣中氮氧化物排放值，降低幅度為15%左右。

（2）從脫硫出口煙氣數(shù)據(jù)分析，燃料結(jié)構(gòu)為全低氮煤、焦粉:無(wú)煙煤=1:1 時(shí)，燒結(jié)噸礦SO2和NOx排放量非常接近。即：燒結(jié)機(jī)配加低氮煤替代無(wú)煙煤確有降低NOx

表13 不同燃料結(jié)構(gòu)下燒結(jié)噸礦燃料成本概算

排放的作用，但低氮煤的減排效果弱于焦粉。

（3）低氮煤含水量大、粒度偏細(xì)，比較濕黏，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了燃料破碎系統(tǒng)堵倉(cāng)、堵斗以及配料室燃料倉(cāng)蓬倉(cāng)的現(xiàn)象，影響配煤穩(wěn)定性，因此不宜全低氮煤生產(chǎn)，建議與焦粉或其他煤種搭配使用。

（4）低氮煤固定碳含量略低，水分含量略高，且因?yàn)榱６绕?xì)，在燒結(jié)過(guò)程中損耗較大，因此在使用低氮煤時(shí)，燒結(jié)燃料配比升高，噸礦固體燃料消耗升高。

（5）低氮煤價(jià)格較高，因此隨著低氮煤使用比例的升高，燒結(jié)固體燃料成本有升高趨勢(shì)。使用全低氮煤與全焦粉生產(chǎn)相比，估算燒結(jié)噸礦燃料成本升高約7.78 元/ t。