鋼鐵生產(chǎn)過程中約有51%～62%的SO2及48%的NOx來(lái)自燒結(jié)工序，燒結(jié)已是SO2和NOx的最大產(chǎn)生源[1]，而目前對(duì)于燒結(jié)煙氣污染物的脫除大部分采取針對(duì)某種污染物單獨(dú)的末端處理工藝，隨著國(guó)家對(duì)煙氣中污染物限制排放種類的增多及排放量的要求越發(fā)嚴(yán)格，單一污染物的末端處理工藝配置越來(lái)越復(fù)雜，占地越來(lái)越大，造成建設(shè)投資及生產(chǎn)運(yùn)行成本不斷攀升。燒結(jié)工序余熱也是單一部位的回收利用，同樣造成了設(shè)備投資運(yùn)行、場(chǎng)地占用等多方面的浪費(fèi)。
燒結(jié)生產(chǎn)過程中，原燃料中存在的硫被高溫氧化成氣態(tài)的SO2，而燃料中存在的氮氧化物被高溫氧化成氣態(tài)的NOx。據(jù)潘建博士等科研人員的研究結(jié)論，在不同的燒結(jié)區(qū)段，隨著燒結(jié)氣氛中O2和COx濃度的變化，煙氣中SO2和NOx濃度隨著料溫不斷升高也產(chǎn)生了相應(yīng)的變化[2]。
1 燒結(jié)煙氣中SO2、NOx、COx濃度在燒結(jié)過程中分布特點(diǎn)
1.1 SO2的形成與煙氣溫度的關(guān)系
燒結(jié)煙氣中的SO2主要是由含鐵原料中的FeS2、FeS和燃料中的有機(jī)硫、FeS2、FeS氧化生成，還有部分來(lái)自硫酸鹽的高溫分解[3]，存在于燒結(jié)生產(chǎn)的整個(gè)過程。在燒結(jié)生產(chǎn)過程中，煙氣溫度快速升高之前(即過濕帶完全消失之前)，煙氣中SO2濃度一直處于較低且較穩(wěn)定的狀態(tài);當(dāng)煙氣溫度開始快速升高(即干燥帶接近燒結(jié)料底層)時(shí)，料層原先吸附的SO2快速釋放導(dǎo)致SO2濃度迅速升高;當(dāng)燃燒帶接近燒結(jié)料底層和達(dá)到燒結(jié)終點(diǎn)之前，SO2濃度達(dá)到最大值。
由此可以看出，燒結(jié)生產(chǎn)過程中的SO2濃度與煙氣溫度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，但SO2濃度最大值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)比煙氣溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)要提前一些[4]。
1.2 NOx形成與煙氣溫度的關(guān)系
煙氣中NOx的形成主要有三種方式，燃料型、熱力型及快速型，燒結(jié)煙氣中NOx主要是由氣體、固體燃料的燃燒產(chǎn)生，為燃料型NOx，而熱力型及快速型NOx生成量很少。煙氣中生成的NOx也主要以NO為主，只有很少量的NO2。
燒結(jié)過程的主要產(chǎn)物是鐵酸鈣，據(jù)有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在CO還原NO的反應(yīng)中鐵酸鈣起到顯著的催化作用，它先被CO還原再被NO氧化，因此該反應(yīng)屬于自催化。同時(shí)鐵酸鈣催化NO還原還服從多相催化的吸附活化物理論，在鐵酸鈣催化劑活性部位發(fā)生NO分子吸附、離解、表面活性物種的重組和產(chǎn)物脫附的反應(yīng)，在這兩種反應(yīng)機(jī)理共同作用下，該還原反應(yīng)的活化能由246.68kJ/mol降到138.80kJ/mol，且加快了反應(yīng)速度。鐵酸鈣有3種，催化能效依次為CaO·Fe2O3>CaO·2Fe2O3>2CaO·Fe2O3。
因此，在燒結(jié)過程中應(yīng)盡可能的產(chǎn)生鐵酸鈣系粘結(jié)相，在燒結(jié)礦表層形成鐵酸鈣，以便達(dá)到鐵酸鈣自催化NOx還原的效果，這樣不僅能減少煙氣中NOx的排放，同時(shí)可降低NO排放濃度近44%，還可改善燒結(jié)產(chǎn)量質(zhì)量指標(biāo)。
1.3 COx形成與煙氣溫度的關(guān)系
燒結(jié)煙氣中的COx主要由氣體及固體燃料的燃燒產(chǎn)生，由于固體燃料在混合料中分散分布，其燃燒規(guī)律介于單體焦粒燃燒與焦粒層燃燒之間，屬非均相反應(yīng)[2]。在點(diǎn)火階段，煙氣中的COx濃度快速上升，其中CO從0%升到約7%，CO2從0%升到14%左右;而煙氣中的O2濃度從20.9%降到2%左右。
點(diǎn)火后，燒結(jié)過程中CO濃度快速降到2%左右后基本不變，CO2濃度則一直在14%左右波動(dòng);O2濃度波動(dòng)方向均與CO2濃度的波動(dòng)方向相反，這種現(xiàn)象一直持續(xù)到燒結(jié)終點(diǎn)前2～3min。當(dāng)燒結(jié)煙氣溫度達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)，O2濃度恢復(fù)至空氣中O2濃度水平，CO濃度降至很低，而CO2濃度則幾乎為零。
2 燒結(jié)煙氣余熱利用
燒結(jié)煙氣余熱主要來(lái)自以下兩方面:
(1)冷卻機(jī)高溫段的廢煙氣溫度約為350～420℃[5]，這部分廢煙氣顯熱約占總熱量的29.3%。近年來(lái)，冷卻機(jī)高溫廢煙氣余熱回收技術(shù)(余熱蒸汽用于發(fā)電或汽拖帶動(dòng)燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī))已開始廣泛應(yīng)用推廣。
(2)燒結(jié)機(jī)尾風(fēng)箱高溫段煙氣溫度約為320～400℃[5]，這部分煙氣顯熱約占總熱量的23.6%，目前主要用于煙氣循環(huán)燒結(jié)或煙氣余熱回收產(chǎn)蒸汽。燒結(jié)生產(chǎn)采用熱風(fēng)燒結(jié)、點(diǎn)火保溫工藝后，可降低燃料消耗，促進(jìn)產(chǎn)物中鐵酸鈣的形成，防止臺(tái)車中的燒結(jié)礦在出點(diǎn)火器后表層溫度驟降造成強(qiáng)度變差，增加燒結(jié)返礦率。因此熱風(fēng)燒結(jié)能有效提高燒結(jié)礦強(qiáng)度，改善燒結(jié)礦質(zhì)量，降低燃料消耗。
據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用熱風(fēng)燒結(jié)工藝，燒結(jié)產(chǎn)量可提高2%，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)提高1.5%，成品率提高2%，燃耗降低12%～15%，固體燃耗降低2%～4%[6]。
燒結(jié)工序這兩塊余熱目前大都只是單一回收利用，從實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用的高效性和經(jīng)濟(jì)性角度分析，將這兩塊余熱進(jìn)行綜合回收處理是最大限度提高有效余熱利用的發(fā)展方向。
3 選擇性燒結(jié)煙氣分段式綜合處理工藝
依據(jù)上述有關(guān)燒結(jié)煙氣中SO2、NOx、COx濃度在燒結(jié)過程中分布的研究結(jié)論，結(jié)合有關(guān)燒結(jié)機(jī)尾煙氣熱風(fēng)燒結(jié)的實(shí)踐，以210m2燒結(jié)機(jī)為例，設(shè)計(jì)一種選擇性的燒結(jié)煙氣分段式綜合處理工藝。該工藝是將熱風(fēng)燒結(jié)生產(chǎn)工藝與煙氣脫硫脫硝分段治理工藝有機(jī)結(jié)合的燒結(jié)煙氣環(huán)保減排綜合處理工藝。
3.1 工藝方案
210m2燒結(jié)機(jī)共22個(gè)風(fēng)箱，其中燒結(jié)機(jī)機(jī)頭開始設(shè)置3個(gè)2m風(fēng)箱，中部設(shè)置17個(gè)3m風(fēng)箱，尾部設(shè)置2個(gè)2m風(fēng)箱，有效燒結(jié)長(zhǎng)度61m。某燒結(jié)廠210m2燒結(jié)機(jī)各風(fēng)箱檢測(cè)風(fēng)溫見表1。
表 1210m2燒結(jié)機(jī)各風(fēng)箱煙氣溫度
依據(jù)上述研究結(jié)論，將燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱沿臺(tái)車運(yùn)行方向分為四個(gè)區(qū)域，加上環(huán)冷機(jī)高溫段廢煙氣區(qū)域共五個(gè)區(qū)域，如圖1所示。
圖1分段式燒結(jié)煙氣環(huán)保節(jié)能處理工藝示意圖
區(qū)域①(燒結(jié)煙氣點(diǎn)火區(qū)域):由No.1～No.3風(fēng)箱組成，燒結(jié)煙氣SO2、CO濃度較高，NOx濃度很低;區(qū)域②(燒結(jié)煙氣直排區(qū)域):由No.4～No.11風(fēng)箱組成，燒結(jié)煙氣中SO2濃度較低;區(qū)域③(燒結(jié)煙氣脫硫區(qū)域):由No.12～No.19風(fēng)箱組成，燒結(jié)煙氣中SO2濃度很高;區(qū)域④(燒結(jié)煙氣脫硝區(qū)域):由No.20～No.22風(fēng)箱組成，燒結(jié)煙氣溫度在320℃以上，煙氣中NOx、O2含量濃度很高，SO2、COx濃度很低;區(qū)域⑤(冷卻機(jī)高溫?zé)煔鈪^(qū)域):包含環(huán)冷機(jī)一冷段及部分二冷段廢煙氣。
該工藝流程為:
(1)將區(qū)域①燒結(jié)煙氣匯集到機(jī)頭煙氣循環(huán)管道，煙氣經(jīng)機(jī)頭多管除塵器除塵后由機(jī)頭煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)引至燒結(jié)機(jī)的煙氣循環(huán)罩⑧進(jìn)行煙氣循環(huán)燒結(jié)。如此一方面將區(qū)域①和區(qū)域③煙氣中的SO2匯集，實(shí)現(xiàn)SO2富集后進(jìn)行煙氣脫硫;另一方面區(qū)域①煙氣中CO濃度較高，可以利用燒結(jié)料層中鐵酸鈣對(duì)NOx的自催化還原作用，進(jìn)一步降低區(qū)域③脫硫煙氣中NOx的濃度;
(2)將區(qū)域②和熱風(fēng)燒結(jié)煙氣匯集到燒結(jié)煙氣直排管道，經(jīng)燒結(jié)電除塵器除塵后，由燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)引至燒結(jié)主煙囪直接排放;
(3)將區(qū)域③和循環(huán)燒結(jié)煙氣匯集到脫硫煙氣管道，煙氣經(jīng)脫硫電除塵器除塵后進(jìn)入脫硫設(shè)施進(jìn)行脫硫處理，然后由脫硫風(fēng)機(jī)引至燒結(jié)煙氣直排管道匯集，最終由主煙囪排放;
(4)將區(qū)域④燒結(jié)煙氣匯集到脫硝煙氣管道，煙氣經(jīng)機(jī)尾多管除塵器除塵后進(jìn)入脫硝設(shè)施進(jìn)行SCR法脫硝處理，然后由脫硝風(fēng)機(jī)引至熱煙氣混合風(fēng)箱和區(qū)域⑤的煙氣匯集形成混合熱煙氣，該煙氣經(jīng)余熱利用設(shè)施后由熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)引至燒結(jié)機(jī)的煙氣循環(huán)罩⑦進(jìn)行熱風(fēng)燒結(jié)。這部分煙氣溫度高，且O2含量接近空氣中的水平，如此既能利用熱煙氣的物理熱減少燃料消耗，又能利用混合料層對(duì)SO2的強(qiáng)烈吸附作用及燒結(jié)料層中鐵酸鈣對(duì)NOx的自催化還原作用，進(jìn)一步降低直排煙氣中SO2、NOx濃度。
3.2 工藝配置
(1)燒結(jié)機(jī):有效抽風(fēng)面積為213.5m2，欄板高度700mm，臺(tái)車寬度3.5m;
(2)環(huán)冷機(jī):有效冷卻面積為228m2，欄板高度1500mm，臺(tái)車寬度3.2m;
(3)燒結(jié)煙氣1段(區(qū)域①):煙氣參數(shù):風(fēng)量2100m3/min(工況)，風(fēng)溫100～120℃，風(fēng)壓(-10～-12)kPa;主要工藝設(shè)備:機(jī)頭多管除塵器、機(jī)頭煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)、機(jī)頭煙氣循環(huán)管道及相應(yīng)的管道閥門;
(4)燒結(jié)煙氣2段(區(qū)域②):煙氣參數(shù):風(fēng)量8400m3/min(工況)，風(fēng)溫90～110℃，風(fēng)壓-16.5kPa;主要工藝設(shè)備:燒結(jié)電除塵器(有效除塵面積150m2)、燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)(功率3200kW)、燒結(jié)煙氣直排管道及相應(yīng)管道閥門;
(5)燒結(jié)煙氣3段(區(qū)域③):煙氣參數(shù):風(fēng)量8400m3/min(工況)，風(fēng)溫120～180℃，風(fēng)壓-16.5kPa;主要工藝設(shè)備:脫硫電除塵器(有效除塵面積150m2)、脫硫風(fēng)機(jī)(參數(shù)視具體脫硫方式而定)、煙氣脫硫設(shè)施、脫硫煙氣管道及相應(yīng)管道閥門;
(6)燒結(jié)煙氣4段(區(qū)域④):煙氣參數(shù):風(fēng)量2400m3/min(工況)，風(fēng)溫320～400℃，風(fēng)壓(-8～-10)kPa;主要工藝設(shè)備:機(jī)尾多管除塵器、脫硝風(fēng)機(jī)、煙氣脫硝設(shè)施(SCR)、脫硝煙氣管道及相應(yīng)管道閥門;
(7)燒結(jié)煙氣5段(區(qū)域⑤):煙氣參數(shù):風(fēng)量35萬(wàn)m3/h，風(fēng)溫360～420℃;主要工藝設(shè)備:環(huán)冷機(jī)高溫廢煙氣管道及相應(yīng)管道閥門;
(8)燒結(jié)煙氣6段(煙氣余熱綜合利用部分):煙氣參數(shù):風(fēng)量42萬(wàn)m3/h，風(fēng)溫360～400℃;主要工藝設(shè)備:熱煙氣混合風(fēng)箱、熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)、煙氣余熱利用設(shè)施、熱風(fēng)循環(huán)煙氣管道及相應(yīng)管道閥門。
3.3 新工藝與常規(guī)煙氣系統(tǒng)工藝配置對(duì)比
新燒結(jié)工藝的工藝配置與常規(guī)配置在燒結(jié)機(jī)、環(huán)冷機(jī)等主體設(shè)備上完全相同，主要區(qū)別在于煙氣系統(tǒng)。
常規(guī)煙氣系統(tǒng)工藝配置如下:
(1)燒結(jié)主抽風(fēng)系統(tǒng)(兩個(gè)煙道分為兩個(gè)系統(tǒng)配置):主要煙氣參數(shù)(單個(gè)):風(fēng)量11000m3/min(工況)，風(fēng)溫80～120℃，風(fēng)壓-16.5kPa;主要工藝設(shè)備:1號(hào)煙道機(jī)頭除塵器(有效
除塵面積200m2)、1號(hào)煙道燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)(功率4200kW)、2號(hào)煙道機(jī)頭除塵器(有效除塵面積200m2)、2號(hào)煙道燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)(功率4200kW)、大煙道及相應(yīng)管道閥門。
(2)燒結(jié)煙氣脫硫系統(tǒng):主要煙氣參數(shù):風(fēng)量22000m3/min(工況)，風(fēng)溫80～120℃，風(fēng)壓視具體脫硫方式而定;主要工藝設(shè)備:脫硫除塵器、脫硫增壓風(fēng)機(jī)、脫硫煙氣管道及煙氣擋板閥門等煙氣閥門。
新工藝的工藝配置有以下特點(diǎn):
(1)將燒結(jié)機(jī)頭及機(jī)尾部分煙氣進(jìn)行煙氣循環(huán)燒結(jié)，相對(duì)常規(guī)燒結(jié)煙氣全排工藝，新工藝整體外排煙氣量減少23.6%，相應(yīng)的電除塵器及燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)配置減小，燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)功率減少23.8%;
(2)將燒結(jié)機(jī)頭煙氣循環(huán)至燒結(jié)中部脫硫段，煙氣中硫富集后將脫硫段煙氣引出脫硫，相對(duì)常規(guī)燒結(jié)煙氣全脫工藝，新工藝脫硫煙氣處理量減少61.8%，脫硫煙氣中SO2濃度提高50%左右，同時(shí)減少NOx的排放濃度，相應(yīng)的脫硫除塵器、脫硫風(fēng)機(jī)配置減少，燒結(jié)煙氣脫硫、脫硝設(shè)施的設(shè)備投資和生產(chǎn)成本分別減少40%左右;
(3)依據(jù)燒結(jié)煙氣中NOx濃度分布特點(diǎn)，有針對(duì)性的進(jìn)行SCR脫硝，在滿足即將執(zhí)行的新環(huán)保排放要求的前提下，減少脫硝設(shè)施配置及設(shè)備占地，實(shí)現(xiàn)降低投資建設(shè)及運(yùn)行成本;4)燒結(jié)機(jī)尾高溫段煙氣和環(huán)冷機(jī)高溫段廢煙氣整體綜合考慮，采用一套余熱利用設(shè)施，整體建設(shè)投資及設(shè)備占地相比以往大煙道煙氣余熱利用和環(huán)冷機(jī)煙氣余熱利用設(shè)施分別減少30%左右;
(5)若脫硫工藝采用氨法，可與脫硝SCR法所用氨原料統(tǒng)一考慮，實(shí)現(xiàn)脫硫脫硝原料來(lái)源、儲(chǔ)運(yùn)、制備整體統(tǒng)一規(guī)劃，使建設(shè)投資及設(shè)備占地相比以往脫硫脫硝設(shè)施減少15%左右。
4 結(jié)論
依據(jù)有關(guān)燒結(jié)煙氣中SO2、NOx、COx濃度在燒結(jié)過程中分布的研究結(jié)論，結(jié)合有關(guān)燒結(jié)煙氣余熱利用的實(shí)踐，以210m2燒結(jié)機(jī)為例，設(shè)計(jì)一種選擇性的燒結(jié)煙氣分段式綜合處理工藝。與傳統(tǒng)工藝相比，可減少外排廢煙氣量23.6%，燒結(jié)電除塵器及燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)配置型號(hào)相應(yīng)減小，燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)功率減少23.8%;脫硫時(shí)處理煙氣量減少40%～60%，脫硫煙氣中SO2濃度提高50%左右，同時(shí)減少NOx的排放濃度，燒結(jié)煙氣脫硫、脫硝的設(shè)施投資和生產(chǎn)成本分別減少40%左右。
而熱風(fēng)燒結(jié)可使燒結(jié)礦產(chǎn)量提高2%，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)提高1.5%，成品率提高2%，燃耗降低12%～15%，固體燃耗降低2%～4%;相對(duì)常規(guī)環(huán)冷機(jī)廢煙氣余熱發(fā)電每噸燒結(jié)礦可增發(fā)5kWh;余熱蒸汽用于汽拖燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)相當(dāng)于每噸燒結(jié)礦節(jié)省電耗25kWh，實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)煙氣集中脫硫脫硝、余熱綜合利用及煙氣減排，降低投資及運(yùn)營(yíng)成本，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式。
