基于測試的煙氣循環(huán)工藝對燒結(jié)過程的影響

王 濤 謝春帥

(河鋼集團邯鋼公司煉鐵部，河北 邯鄲 056000)

0 引言

燒結(jié)工藝以其優(yōu)良的資源適應(yīng)性為鋼鐵企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟效益，但煙氣排放總量大，每生產(chǎn)一噸燒結(jié)礦約合3 000 m3煙氣，同時煙氣中含有大量的粉塵、二氧化硫、氮氧化物和二噁英等，給周圍環(huán)境帶來了巨大的威脅[1]，控制燒結(jié)污染物排放刻不容緩。

2018年9月河北省發(fā)布《鋼鐵工業(yè)大氣污染物超低排放標準》，要求顆粒物、二氧化硫和氮氧化物的排放限值分別為10mg/m3、35mg/m3和50mg/m3。燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝以其不但可減少燒結(jié)廢氣和污染物排放量，而且能夠利用煙氣顯熱和潛熱(一氧化碳)，降低燒結(jié)工序能耗而成為燒結(jié)生產(chǎn)過程節(jié)能減排的一種重要方式之一[2]。由于燒結(jié)過程對參與循環(huán)的煙氣性質(zhì)有一定要求[3～4]，所以測定各風箱煙氣性質(zhì)，由煙氣性質(zhì)決定參與循環(huán)的風箱十分必要。同時配套煙氣循環(huán)設(shè)備后，各種污染物的減排量鮮有報道。

以邯鋼2#400m2燒結(jié)機為測試對象，其分布46個風箱，分南北兩排，每排23個。在燒結(jié)機正常生產(chǎn)的情況下(以日產(chǎn)燒結(jié)礦12 000t為標準)，研究了該燒結(jié)機各風箱煙氣溫度及氧氣、一氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等濃度，作為建立煙氣循環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。以河北省污染源自動監(jiān)控系統(tǒng)v3.0數(shù)據(jù)作為燒結(jié)煙氣性質(zhì)的測試依據(jù)，開創(chuàng)了以連續(xù)測定煙氣性質(zhì)求平均值代替取樣抽檢的先河，避免了數(shù)據(jù)偶然誤差，使數(shù)據(jù)更加接近工業(yè)生產(chǎn)。

1 測試方式與儀器

由于燒結(jié)機不同風箱中煙氣具有參數(shù)復(fù)雜，變化大的特點，需要對各風箱煙氣中溫度、氧氣濃度、一氧化碳濃度、二氧化硫濃度、氮氧化物濃度等參數(shù)進行測量，分析各風箱煙氣參數(shù)特性，確定進行煙氣循環(huán)的風箱位置及個數(shù)。各風箱煙氣參數(shù)測定采用的是便攜式多功能煙氣分析儀，型號為ECOM-J2KN。測試方式為將檢測儀的探頭從煙道、風箱上的煙氣取氣孔、測溫孔上插入并抽氣分析。

大煙道氣體數(shù)據(jù)來自河北省污染源自動監(jiān)控系統(tǒng)v3.0數(shù)據(jù)平臺。實驗分為未開啟煙氣循環(huán)設(shè)備和開啟煙氣循環(huán)設(shè)備，測試時間分別為七天。數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)為小時平均值。為統(tǒng)一標準，便于分析，將排放物濃度折算成基準氧含量(16%)時的濃度，計算方法見式(1)，并把每天24小時數(shù)據(jù)取平均值，作為當天小時煙氣性質(zhì)均值。

C1×(21-C2)/(21-C3)

(1)

式中 C1——某污染物濃度；C2——基準氧含量；C3——測試氧含量。

2 測試數(shù)據(jù)分析

圖1 不同風箱煙氣溫度

燒結(jié)機各風箱煙氣溫度見圖1。1#～15#風箱溫度較低，在100℃以下，且趨勢平緩。在這個階段，上層料層燒結(jié)帶燃燒，下層料層脫水干燥，過濕帶逐步下移。16#～18#風箱處煙氣溫度穩(wěn)步上升，此處過濕層消失。到21#風箱和22#風箱處煙氣溫度增長到最高，燒結(jié)過程完成，到達燒結(jié)終點。

圖2 不同風箱煙氣O2、CO含量

圖2為不同風箱煙氣中O2和CO含量趨勢圖。從圖中可以看出，在1#～7#風箱煙氣中CO含量從0增加到20 068.75mg/m3。在這個過程中，隨著燒結(jié)過程的進行，燒結(jié)料層的透氣性下降，燃料的不完全燃燒造成CO增多。8#～15#風箱煙氣中CO含量穩(wěn)定在約17 000mg/m3。16#風箱以后，燒結(jié)料層透氣性逐漸改善，CO濃度降低。O2與CO的濃度關(guān)系密切，在CO濃度升高時，O2濃度下降，CO濃度降低時，O2濃度升高。

圖3為不同風箱煙氣中SO2和NOx含量趨勢圖。在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的NOx主要為燃燒型，即燃料中含有的氮的化合物在燃燒過程中經(jīng)熱分解和氧化產(chǎn)生的[5]。1#～7#風箱燃料燃燒速率的增加導(dǎo)致NOx含量增加，在8#～15#風箱，煙氣中NOx處在高濃度水平，主要是在這個過程中燃煤量穩(wěn)定，且單位時間內(nèi)燃燒量大。在16#～23#，特別是19#～21#風箱NOx濃度迅速下降。在整個過程中，1#～16#風箱SO2濃度在500mg/m3以下，主要是產(chǎn)生的酸性SO2經(jīng)過干燥預(yù)熱帶時，被碳酸鈣、氧化鈣和氧化鎂等物質(zhì)吸收。當干燥預(yù)熱帶SO2達到飽和后，過剩的SO2進入過濕帶。17#～21#風箱處，過濕帶與干燥預(yù)熱帶消失，燃料燃燒和前期生產(chǎn)的不穩(wěn)定的含硫物質(zhì)分解產(chǎn)生的SO2疊加，造成SO2濃度快速上升。

圖3 不同風箱SO2、NOx含量

3 煙氣循環(huán)工藝改造

通過對各風箱煙氣性質(zhì)的分析，高溫煙氣主要集中在后部風箱，特別是20#及其后部風箱。利用燒結(jié)余熱是煙氣循環(huán)工藝的主要目標之一，加之后部風箱煙氣氧含量高，利于燒結(jié)過程。在不影響燒結(jié)礦質(zhì)量的前提下，綜合煙氣循環(huán)設(shè)備的運行能力，要求循環(huán)煙氣溫度控制在150℃～250℃，氧氣含量約18%，此外對煙氣中的SO2和水分含量有一定要求[6～7]。

基于上述各風箱的煙氣性質(zhì)及煙氣循環(huán)工藝的成功應(yīng)用案例，對邯鋼2#400m2燒結(jié)機進行了大煙道廢氣循環(huán)燒結(jié)工藝改造。改造后的煙氣循環(huán)系統(tǒng)分為高溫段和低溫段。高溫段對應(yīng)風箱20#～23#，低溫段對應(yīng)風箱4#～8#。為應(yīng)對生產(chǎn)波動，保障循環(huán)煙氣各項參數(shù)，各風箱獨立調(diào)節(jié)，風箱煙氣既能進入循環(huán)風道，也能進入大煙道。高、低溫段煙氣進入循環(huán)煙道后，經(jīng)多管除塵器、循環(huán)風機后到達燒結(jié)機料面的煙罩內(nèi)。在實際運行過程中，循環(huán)煙氣溫度200℃～230℃，循環(huán)氧含量17%～18%。

4 煙氣循環(huán)節(jié)能減排效果分析

圖4 煙氣小時排放量

圖4為煙氣循環(huán)設(shè)備開啟與關(guān)閉狀態(tài)下每天小時煙氣排放量。在煙氣循環(huán)設(shè)備關(guān)閉狀態(tài)下，煙氣小時排放量在140萬左右，最高時為144萬。在煙氣循環(huán)設(shè)備開啟狀態(tài)下，煙氣小時排放量降低到約110萬，平均每小時排放量為113萬，較未開啟煙氣循環(huán)系統(tǒng)情況下減排18.34%。40～60萬的循環(huán)風量，直接減少了末端燒結(jié)煙氣的處理量，達到了減排的目的。

圖5 煙氣中粉塵含量

如圖5所示，煙氣循環(huán)系統(tǒng)關(guān)閉與開啟狀態(tài)下燒結(jié)煙氣中粉塵含量。在煙氣循環(huán)系統(tǒng)關(guān)閉狀態(tài)下，煙氣中粉塵含量最小為37.78mg/m3，最大值為52.77mg/m3，平均43.3mg/m3。粉塵含量高，波動大。在煙氣循環(huán)系統(tǒng)開啟后，粉塵含量降低到37.3mg/m3，粉塵減排13.8%。循環(huán)的40～60萬風量在回到燒結(jié)料面前，經(jīng)過多管旋風除塵器，除塵器的除塵效率在80%以上。在循環(huán)風經(jīng)過燒結(jié)料層時，料層起到了過濾粉塵的作用，部分粉塵顆粒物又被料層吸收。據(jù)有關(guān)研究，燒結(jié)料層對燒結(jié)煙氣中PM10和PM2.5顆粒物的脫除率高達98.94%和89.65[8]。

圖6為煙氣循環(huán)系統(tǒng)關(guān)閉與開啟狀態(tài)下燒結(jié)煙氣中SO2濃度曲線圖。在煙氣循環(huán)關(guān)閉狀態(tài)下，燒結(jié)煙氣中SO2濃度在770mg/m3，煙氣循環(huán)系統(tǒng)開啟后，煙氣中SO2濃度均值為650mg/m3，在開啟后的第三天小時均值為850mg/m3，這是由于取料機在取料過程中取到雜料，導(dǎo)致燒結(jié)混合料中含硫化合物升高，實際SO2的濃度應(yīng)該在650mg/m3以下。參與煙氣循環(huán)的氣體在經(jīng)過高溫燒結(jié)礦層時，部分SO2與燒結(jié)礦中游離的氧化鈣反應(yīng)，生成亞硫酸鈣和硫酸鈣；經(jīng)過燃燒帶時，低含氧量的煙氣抑制了含硫化合物氧化，同時SO2分壓的升高，也阻礙了SO2的生成。

圖6 煙氣中SO2濃度

圖7 煙氣中NOx濃度

圖7為煙氣循環(huán)系統(tǒng)關(guān)閉與開啟狀態(tài)下，燒結(jié)煙氣中NOx濃度趨勢圖。從圖中分析可知，在煙氣循環(huán)系統(tǒng)關(guān)閉狀態(tài)下，燒結(jié)煙氣中NOx濃度在265.11mg/m3，而在煙氣循環(huán)系統(tǒng)開啟狀態(tài)下，NOx降低到220.56mg/m3，NOx減排16.80%。參與循環(huán)的煙氣較空氣相比，氧氣濃度低，一氧化碳和二氧化碳濃度高。在燒結(jié)過程中，低氧氣濃度抑制了反應(yīng)(1)的進行。氧氣會占據(jù)炭的活性位點，減少炭與一氧化氮的反應(yīng)，此外氧濃度的降低有利于還原反應(yīng)。參與循環(huán)的CO2一部分與碳反應(yīng)，進一步增加了煙氣中CO濃度，CO可以促進反應(yīng)(2)的進行。在協(xié)同作用下，排放的NOx濃度降低。但循環(huán)煙氣過低的氧氣濃度，不利于燒結(jié)過程和燒結(jié)礦質(zhì)量。

2O2+(-C)+(-CN)→CO+CO2+NO

(1)

CO+NO→CO2+1/2 N2

(2)

CO2+C→2CO

(3)

5 結(jié)語

通過對燒結(jié)機各風箱煙氣溫度、O2、CO、SO2和NOx濃度測定與分析，確定了各風箱煙氣特性。高溫氣體主要集中在20#～23#風箱。隨著燃燒反應(yīng)的進行，O2濃度降低，CO和NOx濃度升高。7#風箱后，穩(wěn)定的燃燒帶形成，O2濃度較低，CO和NOx處于高濃度狀態(tài)。在16#風箱后，O2濃度升高，CO和NOx濃度降低。在整個過程中，SO2由于受到預(yù)熱干燥層、過濕層中氧化鈣和氧化鎂等堿性物質(zhì)的影響，燃燒生成量與排放量不同時，在17#風箱后SO2濃度迅速增加，從22#風箱處開始下降。

煙氣循環(huán)系統(tǒng)節(jié)能減排效果明顯。煙氣循環(huán)開啟較關(guān)閉狀態(tài)下，綜合煙氣量、粉塵、SO2和NOx等大氣污染物分別減排18.34%、13.78%、15.60%和16.80%。運用燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)，改變了以前僅用末端煙氣治理的單一模式，減輕了末端煙氣治理的巨大壓力。