鏈篦機—回轉(zhuǎn)窯球團工藝氮氧化物的生成分析與控制實踐

作者簡介：房強（1972—），男，本科，工程師，主要從事高爐煉鐵和球團生產(chǎn)工藝技術(shù)實踐與研究。

摘要：本文介紹了氮氧化物的生成途徑，鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯球團生產(chǎn)工藝氮氧化物生成途徑分析，通過利用工業(yè)廢氣氮氧化物生成的原理知識，進一步剖析了鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯球團生產(chǎn)工藝中氮氧化物的生成的主要途徑，在實際生產(chǎn)中結(jié)合理論分析優(yōu)化操作過程和工藝控制，降低初期氮氧化物生成量，對生產(chǎn)尾氣選用了高效經(jīng)濟的脫硝工藝，實現(xiàn)了穩(wěn)定達標排放，并降低了脫硝運行成本。

關(guān)鍵詞：鏈篦機 回轉(zhuǎn)窯 氮氧化物 SCR脫硝 氨水

中圖分類號：TF046.6;X757

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2201-5640-2814

淄博鐵鷹鋼鐵有限公司50萬t球團生產(chǎn)線采用鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯工藝，主體設(shè)備包括直徑6m造球盤（3臺）、2.8×36m鏈篦機、4×30m回轉(zhuǎn)窯及40m2環(huán)冷機，采用一般煙煤作為焙燒燃料，生產(chǎn)原料主要為磁鐵礦鐵精粉。生產(chǎn)線另配備煤粉制備系統(tǒng)和煙氣處理系統(tǒng)。

隨著國家和地方逐漸加大環(huán)保治理力度，對生產(chǎn)尾氣中以二氧化硫、氮氧化物、顆粒物為主的污染物排放指標的管控越來越嚴。根據(jù)《鋼鐵工業(yè)大氣污染物排放標準》（DB 37/990-2019）文件要求，球團焙燒設(shè)備自2020年11月1日起執(zhí)行的排放濃度（基準含氧量16%）限值為顆粒物10mg/m3、二氧化硫35mg/m3、氮氧化物（NO2計）50mg/m3。公司生產(chǎn)線的顆粒物和二氧化硫已通過除塵和脫硫設(shè)施進行了有效控制，而氮氧化物已經(jīng)無法滿足新標準下的排放要求[1]。

通過對常態(tài)下生產(chǎn)線尾氣中的氮氧化物排放濃度進行檢測，在尾氣中氧含量為18.5%左右時檢測值為75～90mg/m3，以基準氧含量16%進行折算后，氮氧化物排放濃度在150～180mg/m3之間，超出了50mg/m3達標排放限制，必須采取有效的手段對氮氧化物的生成及生產(chǎn)尾氣中的氮氧化物進行有效控制，實現(xiàn)達標排放。

1 氮氧化物的生成途徑

氮氧化物生成途徑主要有3種，即熱力型、燃料型、快速型。燃燒過程中，產(chǎn)生氮氧化物的途徑主要有3條，具體如下。

（1）空氣中的氮氣在高溫環(huán)境中與氧氣反應(yīng)形成熱力型氮氧化物。溫度對熱力型氮氧化物的生成具有決定性作用。隨著溫度的升高，熱力型氮氧化物的生成速度迅速增大。以煤粉爐為例，燃燒溫度為1350℃時，幾乎全部生成燃料型氮氧化物，但當(dāng)溫度升高至1500℃時，熱力型氮氧化物可占爐內(nèi)氮氧化物總量的25%～35%。除此之外，熱力型氮氧化物的生成還與N2的濃度和停留時間有關(guān)。

（2）燃料中的氮元素燃燒與氧氣反應(yīng)形成燃料型氮氧化物。燃料型氮氧化物的生成與燃料的性質(zhì)、燃料結(jié)構(gòu)、燃料中的氮受熱分解后的狀態(tài)及燃燒條件有關(guān)。目前，對燃料型氮氧化物的生成機理還在不斷地研究之中[2]。

（3）燃料中的揮發(fā)份揮發(fā)出有機氣體CH化合物和氮氣作用，再與氧氣反應(yīng)形成快速型氮氧化物。一般情況下，快速型氮氧化物的生產(chǎn)量極少。

2 鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯球團生產(chǎn)工藝氮氧化物生成途徑分析

鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯球團生產(chǎn)工藝熱源主要集中在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的燃料燃燒，也是氮氧化物生成的集中區(qū)域。附屬于鋼鐵企業(yè)的球團生產(chǎn)線，燃料來源多為高爐煤氣或混合煤氣，而獨立球團生產(chǎn)線一般將煙煤、或無煙煤與無煙煤混合方式作為燃料來源。不同性質(zhì)的燃料對回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)氮氧化物的生成產(chǎn)生不同的影響。本文對以一般煙煤為燃料、以磁鐵礦鐵精粉為原料的球團工藝回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氮氧化物生成過程進行分析[3]。

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氮氧化物的生成同樣有3種形式，高溫下N2與O2反應(yīng)生成的熱力型氮氧化物、燃料中的固定氮生成的燃料型氮氧化物、低溫火焰下由于含碳自由基的存在生成的瞬時型氮氧化物。煙氣中氮氧化物的產(chǎn)生主要來源于燃燒。

2.1 窯內(nèi)焙燒制度對氮氧化物生成的影響

鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯球團生產(chǎn)因鐵精粉的性質(zhì)不同而制定不同的焙燒制度。以磁鐵礦精粉為主要原料的球團生產(chǎn)，磁鐵礦在氧化過程中發(fā)生放熱反應(yīng)，焙燒溫度范圍在1150～1250℃時即可滿足球團氧化、晶粒長大及固結(jié)需要，并使球團礦具有滿足質(zhì)量要求的抗壓強度。而以赤鐵礦精粉為主的球團生產(chǎn)焙燒過程僅發(fā)生晶粒長大及固結(jié)過程，則需要1300～1350℃的焙燒溫度[4]。

兩種不同的礦粉生產(chǎn)的球團抗壓強度與焙燒溫度之間的關(guān)系如圖1所示。

可見，以磁鐵礦精粉為原料的球團生產(chǎn)存在控制氮氧化物生成程度的溫度條件，可以通過對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)焙燒溫度的有效控制來抑制初期氮氧化物的生成量。

2.2煤粉燃燒過程對氮氧化物生產(chǎn)的影響

2.2.1煤粉本身的性質(zhì)

煤粉中的揮發(fā)份揮發(fā)出有機氣體CH化合物和氮氣作用，再與氧氣反應(yīng)形成快速型氮氧化物。煤粉的揮發(fā)份越高，快速型氮氧化物的生成量相對越大?？刂泼悍蹞]發(fā)份含量是抑制快速型氮氧化物的生成的途徑之一。

2.2.2煤粉燃燒火焰溫度及火焰區(qū)域高溫分布狀態(tài)

通過雙色測溫顯示，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煤粉燃燒火焰溫度在1500℃左右，在火焰區(qū)域的溫度水平促進了熱力型氮氧化物的快速生成，此區(qū)域溫度越集中，越不利于熱力型氮氧化物的生成的控制。通過優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱氣流的運行狀，快速分散熱量，縮小高溫區(qū)范圍，從而削弱熱力型氮氧化物的生成程度[5]。

2.3 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)空氣過剩系數(shù)的控制水平的影響

對于氧化球團工藝，回轉(zhuǎn)窯和鏈篦機內(nèi)必須具有充分的氧化氣氛方可滿足球團在預(yù)熱及焙燒過程中的氧化需要，而空氣的過剩系數(shù)越大，越易促進高溫下的氮氧化物的生成，也不利于煙氣中氧含量的控制。由此必須對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃料燃燒過程空氣過剩系數(shù)進行合理控制。

3 降低氮氧化物初期生成量的措施

3.1 嚴格控制窯內(nèi)焙燒溫度

根據(jù)熱力型氮氧化物生成機理，結(jié)合磁鐵礦精粉球團礦氧化焙燒溫度需求，在滿足球團礦質(zhì)量要求的前提下樹立低溫焙燒理念，實際生產(chǎn)中對回轉(zhuǎn)窯焙燒溫度區(qū)間進行精準控制，尤其避免上限或超限高溫出現(xiàn)。

（1）制定統(tǒng)一的操作方針，焙燒溫控區(qū)間在1150～1250℃之間，無生產(chǎn)運行或球團礦質(zhì)量變化等特殊需求的情況下，以下限溫控區(qū)間為主。

（2）嚴格工藝管理制度，通過對每日溫控歷史記錄的查詢和綜合生產(chǎn)工藝分析，將查詢和綜合分析納入工藝考核。

（3）制定窯內(nèi)燃燒氣氛觀察和成品球外購質(zhì)量現(xiàn)場評估制度，主控工結(jié)合生產(chǎn)運行及時對煤粉噴吹量進行調(diào)整。

3.2維持回轉(zhuǎn)窯內(nèi)微負壓狀態(tài)

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壓力狀態(tài)是反應(yīng)熱氣流運行狀態(tài)、溫度分布是否合理及熱能利用效果重要標志之一。維持回轉(zhuǎn)窯內(nèi)微負壓狀態(tài)可通過氣流的順暢運行將燃料燃燒產(chǎn)生的熱量迅速向鏈篦機方向傳遞，避免在窯內(nèi)產(chǎn)生局部高溫區(qū)。

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壓力的狀態(tài)取決主抽風(fēng)機、循環(huán)風(fēng)機、環(huán)冷機各段冷卻風(fēng)機等相互匹配水平，同時與風(fēng)系統(tǒng)運行相關(guān)的煙道、除塵器、尾氣處理系統(tǒng)等通風(fēng)狀態(tài)也直接影響窯內(nèi)微負壓水平。

3.3調(diào)整好煤粉燃燒的火焰狀態(tài)

通過對煤槍的軸流風(fēng)、旋流風(fēng)、中心風(fēng)進行調(diào)整、匹配，確保合適的火焰長度和廣度，將煤粉燃燒的熱量及時擴散并被球團快速吸收，降低窯內(nèi)溫度水平。

3.4控制好環(huán)冷機一段風(fēng)量

環(huán)冷機一段風(fēng)量控制涉及球團的冷卻、球團的二次氧化和余熱利用等幾個方面。從氮氧化物控制層面分析，過大的環(huán)冷風(fēng)量將會增加回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒的空氣過剩系數(shù)，易促進窯內(nèi)氮氧化物的生成。

適宜的環(huán)冷機一段風(fēng)量應(yīng)在滿足生產(chǎn)工藝要求的前提下，兼顧煤粉燃燒助燃風(fēng)量、煤粉噴吹風(fēng)量、燃煤量及煤粉燃燒程度進行適時調(diào)整，杜絕過度使用風(fēng)量。

3.5嚴格管控進廠煙煤揮發(fā)份

原生產(chǎn)中使用的煙煤揮發(fā)份在36%左右，而煤粉的揮發(fā)份含量越高，越易促進燃料型氮氧化物的生成，同時揮發(fā)份高的煤粉燃燒速度快，火焰的長度短，熱量相對集中。經(jīng)過研究，對進廠煙煤質(zhì)量管控指標進行了調(diào)整，將揮發(fā)份降到30%左右。

4生產(chǎn)尾氣中氮氧化物的控制措施

4.1脫硝工藝的選擇

鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯球團生產(chǎn)脫硝工藝方案的選擇應(yīng)考慮以下幾個方面。

（1）氮氧化物排放濃度和排放量必須滿足國家和當(dāng)?shù)卣h(huán)保要求。

（2）脫硝工藝要與生產(chǎn)工藝的特點和可能發(fā)生的原燃料變化相適應(yīng)。

（3）脫硝工藝要技術(shù)成熟、設(shè)備運行可靠，投資適宜。設(shè)備設(shè)施便于檢修和維護，而且維護費用低。

（4）脫硝裝置布置合理，與原生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施對接性好、利用率高。

（5）脫硝劑要有穩(wěn)定、可靠的來源，脫硝吸收劑、水和能源等消耗少，運行費用低。

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)初始焙燒溫度為1150～1250℃，鏈篦機預(yù)熱段溫度為900～1000℃。煙氣在預(yù)熱段經(jīng)球團吸收熱量后，溫度降至350～400℃進入多管旋風(fēng)除塵器，除塵后通過高溫循環(huán)風(fēng)機送至鏈篦機干燥一段對生球進行初期干燥[6]，與利用環(huán)冷機二段約600℃的余熱風(fēng)的鏈篦機干燥二段的廢氣匯合，降至120～150℃后通過主抽風(fēng)機引進脫硫塔脫硫、除塵后排入大氣。

通過現(xiàn)場實測，煙氣在循環(huán)風(fēng)機出口煙氣氮氧化物實測濃度為200mg/Nm3（含氧量15.5%～16.5%），總排口煙氣氮氧化物實測濃度為70mg/Nm3（含氧量18%～19%）。

結(jié)合鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯球團生產(chǎn)工藝特點，通過對低氮氧化物燃燒技術(shù)、選擇性催化還原技術(shù)（Selective Catalytic Reduction，簡稱SCR）、選擇性非催化還原技術(shù)（Selective Non-Catalytic Reduction，簡稱SNCR）、SNCR/SCR混合煙氣脫硝技術(shù)以及氧化法脫硝技術(shù)等進行技術(shù)論證和經(jīng)濟分析，最終確定了以SCR為主、SNCR為輔的脫硝方法。

4.2 SNCR煙氣脫硝技術(shù)

SNCR技術(shù)是用NH3、尿素等還原劑噴入煙氣中與氮氧化物進行選擇性反應(yīng)，不用催化劑，因此必須在高溫區(qū)加入還原劑。還原劑噴入煙氣溫度為850～1100℃的區(qū)域，該還原劑（尿素）迅速熱分解成NH3并與煙氣中的氮氧化物進行SNCR反應(yīng)生成N2，NH3或尿素還原氮氧化物的主要反應(yīng)如下。

NH3為還原劑：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

尿素為還原劑：

NO+CO（NH2）2+1/2O2→2N2+CO2+H2O

當(dāng)溫度高于1100℃時，NH3則會被氧化為：

4NH3+5O2→4NO+6H2O

NH3的反應(yīng)最佳溫度區(qū)為850～1100℃。溫度過高時，由于氨的分解會使氮氧化物還原率降低;溫度過低時，氨的逃逸增加，也會使氮氧化物還原率降低。SNCR煙氣脫硝技術(shù)的脫硝效率一般為25%～50%。

4.3 SNCR脫硝技術(shù)在生產(chǎn)中的具體運用

鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯球團生產(chǎn)工藝鏈篦機預(yù)熱段與回轉(zhuǎn)窯接口處煙溫在900～1000℃，符合SNCR反應(yīng)溫度，由于SNCR脫硝效率較低，單一的SNCR煙氣脫硝技術(shù)的無法滿足控制氮氧化物達標排放的需要。正常生產(chǎn)狀態(tài)下，SCR脫硝反應(yīng)器基本可以滿足脫硝需要，但同時使用SNCR脫硝技術(shù)可以體現(xiàn)出以下幾個方面的優(yōu)勢。

（1）SCR脫硝反應(yīng)器出現(xiàn)異常時的應(yīng)急處置。

（2）當(dāng)生產(chǎn)出現(xiàn)異常波動時造成煙氣中氮氧化物異常升高時，輔助脫硝。

（3）恢復(fù)生產(chǎn)的初期，由于系統(tǒng)溫度較低，無法達到SCR脫硝反應(yīng)器正常工作的溫度要求，此時SNCR可以發(fā)揮重要的脫硝作用。

4.4催化劑的選擇

催化劑是SCR系統(tǒng)中的主要設(shè)備，主要有蜂窩式、板式和波紋板式3種形式，結(jié)合催化劑對氮氧化物選擇性、較低的溫度下和較寬的溫度范圍內(nèi)的催化活性、物化穩(wěn)定性、運行費用以及煙氣含塵量等綜合分析，選擇了蜂窩式催化劑。

4.5還原劑的選擇

還原劑選擇、儲存及制備系統(tǒng)是煙氣脫硝工藝中的一個重要環(huán)節(jié)，目前的還原劑來源主要包括液氨、尿素和氨水。通過對設(shè)備投資、占用場地、運行成本、安全管理及風(fēng)險費用等綜合分析。確定將氨水可作為脫硝還原劑。

5生產(chǎn)尾氣中氮氧化物的控制效果

（1）氮氧化物得到有效控制，實現(xiàn)達標排放。運行以來各項環(huán)保指標實現(xiàn)達標排放。2021年上半年生產(chǎn)線尾氣中氮氧化物實測濃度為21.92mg/m3，折算后氮氧化物濃度平均值在34.72mg/m3，低于50mg/m3地方排放標準限值，數(shù)據(jù)統(tǒng)計情

（2）通過多項措施抑制初期氮氧化物的生成量，并優(yōu)化脫硝工藝操作，在確保脫硝效率的同時有效地控制了還原劑的消耗量。通過對2021年上半年脫硝用氨水使用情況進行統(tǒng)計，平均單耗為0.72kg/t球，較設(shè)計單耗0.84kg/t球下降了14.29%，降低了脫硝運行成本。通過優(yōu)化生產(chǎn)操作降低初期氮氧化物的生成量、選用與生產(chǎn)工藝相匹配的脫硝方法，實現(xiàn)了對生產(chǎn)尾氣中的氮氧化物有效控制，并降低了脫硝還原劑的消耗量，為尾氣達標排放、生產(chǎn)穩(wěn)定運行和節(jié)能降耗打下了堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻

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