羅凱成，徐彩龍，李金輝，鄧軍平，于 陽

( 江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰 214400)

摘要: 燒結(jié)作為長(zhǎng)流程鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)中的重要組成部分，生產(chǎn)過程會(huì)排放出大量的含有 SO₂、NO_x、粉塵等污染物的煙氣，是鋼鐵行業(yè)環(huán)境治理的重要對(duì)象。興澄特鋼燒結(jié)分廠秉承源頭削減、過程控制和末端治理的理念，在燒結(jié)全流程中通過控制高硫精粉比例，配加全焦粉和氧化鐵皮，從源頭上減少 SO₂，NO_x的生成; 通過減少設(shè)備漏風(fēng)、防止內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的串風(fēng)振動(dòng)、改進(jìn)脫硫脫硝煙溫?fù)Q熱器，控制煙氣中的氧含量; 將堿度控制在 1．9 以上，保持高堿度燒結(jié)，控制焦粉中小于 0．5 mm 的粒度比例，并積極利用煙氣內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，減少燒結(jié)過程中污染物排放; 采用電除塵和活性焦一體化脫除系統(tǒng)，從末端完成污染物的控制，燒結(jié)煙氣中 SO₂、NO_x 和粉塵排放指標(biāo)分別為 4 mg /m3 、41 mg /m3 和 2 mg /m3 ，全部達(dá)到了國(guó)家鋼鐵行業(yè)大氣污染物超低排放的標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞: 燒結(jié); 減排; 全流程; 末端治理; 活性焦; 焦粉

0 引言

目前，我國(guó)高爐入爐使用的含鐵原料大部分是熟料，其中燒結(jié)礦占到 70% 以上。燒結(jié)生產(chǎn)過程中需處理大量礦石、燃料、熔劑等物料，所排放的廢氣量占到鋼鐵行業(yè)總廢氣量的 40% ，其中 SO₂、NO_x、粉塵等排放均居鋼鐵行業(yè)首位^［1－3］。生態(tài)環(huán)境部等五部門聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》指出，燒結(jié)煙氣中 2、x、粉塵排放限制分別為 35 mg /m³、50 mg /m³、10 mg /m³，要求在2025 年前，重點(diǎn)區(qū)域鋼鐵企業(yè)基本完成超低排放改造^［4］。環(huán)保政策十分嚴(yán)格，燒結(jié)若超標(biāo)排放將被限產(chǎn)甚至停產(chǎn)，直接影響到企業(yè)的運(yùn)行。

燒結(jié)煙氣治理迫在眉睫，但對(duì)具有產(chǎn)量大、波動(dòng)大、溫度低等特點(diǎn)的燒結(jié)煙氣來說，只依靠末端治理來實(shí)現(xiàn)超低排放，前期成本和運(yùn)維成本較高。興澄特鋼燒結(jié)分廠在 400 m² 燒結(jié)上采取源頭削減、過程控制、末端治理協(xié)同的全流程減排方式，從根本上減少污染物的排放。

1 源頭削減

燒結(jié)生產(chǎn)過程中需處理大量的鐵礦粉、燃料、熔劑和鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)中的其它可回收物料。根據(jù)質(zhì)量守恒原理，燒結(jié)煙氣中 SO₂、NO_x、粉塵等污染物主要來自于物料與物料之間，物料與大氣進(jìn)行的物理和化學(xué)反應(yīng)。因此想要降低燒結(jié)煙氣中的污染物，從物料這一源頭上消減是重點(diǎn)。

1．1 高硫精粉比例控制

根據(jù) 400 m² 燒結(jié)使用的物料配比，以脫硫效率85% 計(jì)算得出煙氣中硫來源。如表 1 所示，煙氣中礦石產(chǎn)生的硫占44% ，焦粉占46% ，熔劑只占10% 。表明燒結(jié)過程中生成的 SO_x 主要來源是礦石和固體燃料，這與研究結(jié)果相符^［5］。礦石中 S 含量的高低影響著礦石的價(jià)格，考慮到性價(jià)比的問題，興澄特鋼使用的國(guó)產(chǎn)精粉中硫含量略高，進(jìn)口精粉中硫含量略低。如表 2 所示，國(guó)產(chǎn)精粉中的 S 含量可達(dá)到進(jìn)口礦粉的 4 倍，差異明顯。因此，在燒結(jié)配礦中國(guó)產(chǎn)精粉的比例需嚴(yán)格控制。

興澄特鋼利用身處長(zhǎng)江的地理優(yōu)勢(shì)，結(jié)合自身需求，配礦時(shí)以進(jìn)口鐵礦粉作為主礦，少用甚至不用高硫精粉，如表3所示。采取以上配礦方案，從礦石源頭上減少了 8% SO₂ 的產(chǎn)生。

1．2 燃料結(jié)構(gòu)優(yōu)化

燒結(jié)生產(chǎn)中常用的固體燃料主要有焦粉、煤粉。燒結(jié)固體燃料中的氮主要是有機(jī)氮。煤中的氮和碳?xì)浠衔锝Y(jié)合成氮的雜環(huán)芳香族化合物或鏈狀化合物，此類化合物在燒結(jié)過程中容易受熱分解出來。燒結(jié)過程煙氣中的 NO_x 主要為燃料型，源自于固體燃料的燃燒^［6］。從表4可知，本廠現(xiàn)有的不同品種燃料 N 含量差異巨大。根據(jù)興澄特鋼的生產(chǎn)實(shí)際，建立燃料含 N 化驗(yàn)機(jī)制，確立燃料使用結(jié)構(gòu)模型，源頭治理可減少 NOx 產(chǎn)生量達(dá) 25% 以上。

1．3 氧化鐵皮配加

氧化鐵皮是軋鋼時(shí)在鋼錠表層氧化形成的脫皮物，其含鐵達(dá) 70% ～ 80% ，雜質(zhì)少，屬于較為優(yōu)質(zhì)的含鐵原料。氧化鐵皮中所含有的 FeO 在燒結(jié)過程中會(huì)與空氣氧化放出大量熱。根據(jù)式( 1) ，按 1 kg氧化鐵皮中 FeO 含量為 72% 計(jì)算，完全氧化后放出的熱量相當(dāng)于 0． 05 kg 中等質(zhì)量的焦粉燃燒放出的熱量。

FeO + 1 /4O₂ = 1 /2Fe₂O₃ 

△H = － 140．17 kJ/mol           ( 1)

因此在燒結(jié)原料中配入一定比例的氧化鐵皮，可以替代一部分的焦粉，從而減少焦粉所產(chǎn)生的 SO₂ 和NO_x。同時(shí)降低了固體燃料消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗與環(huán)保減排的雙重收益。400 m² 燒結(jié)軋?jiān)诨靹虻V中配入7% ～9%的氧化鐵皮后固體燃耗降低了 1 kg /t，按照燃料中 S、N 含量 0．88%、0．97% 計(jì)算，每噸燒結(jié)礦SO₂ 排放減少 0．008 8 kg、0．009 7 kg。

2 過程控制

燒結(jié)煙氣中污染物的生成濃度受燃料粒度、燃燒溫度、燒結(jié)氣氛等因素的影響，通過這些參數(shù)可以抑制燒結(jié)中 NO_x 的生成，進(jìn)而降低燒結(jié)煙氣中 NO_x濃度。有研究表明，隨著氧含量的增加，燒結(jié)煙氣中的 NO_x 釋放速率增快，濃度增加^［7］。同時(shí)煙氣氧含量增加也會(huì)影響后續(xù)末端煙氣 NO_x 脫除的能力。

(1) 煙氣內(nèi)循環(huán)參與減排。400 m² 燒結(jié)機(jī)有一套煙氣內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，其基本原理是將燒結(jié)機(jī)頭部4 個(gè)風(fēng)箱和后部 2 個(gè)風(fēng)箱的煙氣返回到燒結(jié)機(jī)料面繼續(xù)參與燒結(jié)，減少了后續(xù)煙氣處理量。機(jī)頭與機(jī)尾煙氣混合后可達(dá)到 120 ℃，熱煙氣為燒結(jié)提供了一部分熱量，可以減少固體燃料消耗。興澄特鋼在生產(chǎn)實(shí)踐中摸索出了一套防止串風(fēng)震動(dòng)的專有操作方法，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)風(fēng)量在總風(fēng)量中的比例長(zhǎng)期穩(wěn)定在 25% 以上。使用煙氣內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)后，400 m² 燒結(jié)固體燃耗降低了 1 kg /t，進(jìn)而減少了 SO₂、NO_x 等污染物的排放。同時(shí)煙氣內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)將機(jī)頭機(jī)尾含氧量大的煙氣循環(huán)利用，起到了穩(wěn)定燒結(jié)煙氣中氧含量的作用。

( 2) 優(yōu)化改進(jìn)脫硫脫硝煙溫?fù)Q熱器類型，基本消除了通過兌冷風(fēng)調(diào)節(jié)脫硫脫硝入口煙氣溫度的傳統(tǒng)方式。

(3) 減少漏風(fēng)。400 m² 燒結(jié)機(jī)頭與機(jī)尾的密封板在長(zhǎng)期運(yùn)行后，形成磨損和破洞，造成燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)量增大，煙氣中氧含量增加。尤其在臺(tái)車欄板存在螺栓松動(dòng)的情況下，邊緣漏風(fēng)加重。對(duì)此，加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)，在檢修時(shí)修復(fù)或更換機(jī)頭機(jī)尾密封板，減少漏風(fēng)量; 增加欄板螺栓防松裝置，防止欄板外擴(kuò)，減少邊緣漏風(fēng); 通過改型篦條降低邊緣效應(yīng)。

(4) 燒結(jié)混勻料中含有較多的大尺寸石塊，大石塊容易造成燒結(jié)布料閘門堵塞，導(dǎo)致燒結(jié)機(jī)料面拉溝，破壞燒結(jié)的穩(wěn)定性，增加漏風(fēng)量，使煙氣中氧含量升高。對(duì)此開展技改工作，在配料室鐵料圓盤下料處增加格柵，篩除其中的大塊; 同時(shí)定期清理原料廠的大石塊，減少源頭輸入; 嚴(yán)格控制泥輥倉(cāng)倉(cāng)位，要求正常生產(chǎn)倉(cāng)位波動(dòng)不得超過 ± 5 t，保證給料穩(wěn)定性。

采取以上措施后，燒結(jié)煙氣中的含氧量如圖1 所示，從 16% 降至了 14% ，為煙氣排放達(dá)標(biāo)提供了有效保證。

(5) 控制燃料粒度。焦粉的粒度大小對(duì)燒結(jié)煙氣中 NO_x 的生成和濃度有較大影響。有關(guān)研究表明，焦粉中 0．5 mm 以下粒度占比高時(shí)，氣流會(huì)將粒度過細(xì)的焦粉從物料上部帶至下部，從而降低燒結(jié)礦強(qiáng)度。同時(shí)細(xì)焦粉燃燒過快，溫度保持時(shí)間短，難以在自身周圍建立起成塊的燒結(jié)礦，造成燒結(jié)礦質(zhì)量下降，從而增加燒結(jié)固體燃料消耗^［8］。燃料中0．5 mm以下粒度占比增加時(shí)，N 向 NO_x 的轉(zhuǎn)化率升高，造成燒結(jié)煙氣中氮氧化物含量增加^［9］。興澄特鋼生產(chǎn)實(shí)踐表明，焦粉中小于 0．5 mm 的粒度占比增加 2% ，燒結(jié)固體燃耗增加 1 kg /t，進(jìn)而增加煙氣中的 SO₂、NO_x含量，因此控制焦粉中小于0． 5 mm的粒度比例對(duì)減少污染物排放有較大意義。

400 m² 燒結(jié)使用四輥破碎機(jī)對(duì)焦粉進(jìn)行破碎，嚴(yán)格控制對(duì)輥間隙在 1 ～ 2 mm，焦粉破碎前后粒度組成如表 5 所示。結(jié)合原料條件，要求焦粉中粒度＜ 0． 5 mm的比例控制在 20% 以下。目前，正在技改焦粉預(yù)篩分設(shè)施，以進(jìn)一步降低燃料過破碎。

(6) 保持高堿度燒結(jié)。鐵酸鈣在燒結(jié)過程中可以起到催化劑的作用，促進(jìn) NO_x 還原成 N₂，減少煙氣中 NO_x 含量。高堿度是鐵酸鈣產(chǎn)生的必要條件，鐵酸鈣含量隨著堿度的升高而增加^［10］。結(jié)合高爐的堿度要求，400 m² 燒結(jié)應(yīng)將燒結(jié)礦堿度控制在1． 9以上。

3 末端治理

經(jīng)過源頭削減與過程控制的結(jié)合治理后，燒結(jié)煙氣中 SO2、NOx 含量與 NOx 含量分別下降 26%、28% ，減排效果明顯，如表6所示。后續(xù)進(jìn)行末端治理，以達(dá)到煙氣超低排放的標(biāo)準(zhǔn)。

3．1 重力除塵 + 電除塵治理

燒結(jié)煙氣中含有大量的粉塵，其濃度可達(dá)10 g /m³，如果不經(jīng)處理外排，不但污染環(huán)境還會(huì)對(duì)燒結(jié)設(shè)備造成損害，影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。400 m²燒結(jié)采用重力除塵與電除塵串聯(lián)組合治理機(jī)頭煙氣粉塵。燒結(jié)煙氣先經(jīng)過重力除塵，去除其中粒度較粗的顆粒，將其通過皮帶運(yùn)輸返回到配料倉(cāng)中，重新參與燒結(jié)過程，實(shí)現(xiàn)物料循環(huán)使用。經(jīng)重力除塵處理后的煙氣進(jìn)入到電除塵器中，在電場(chǎng)作用下，粒度較細(xì)的粉塵顆粒被收集起來。重力除塵 + 電除塵組合除塵效果如表 7 所示，粉塵減排效果顯著。

3．2 活性焦一體化脫除處理

燒結(jié)煙氣末端處理的方法有很多，包括石灰 － 石膏法脫硫 + 低溫 SCR脫硝法、半干法脫硫 + 低溫SCR 脫硝法、活性焦一體化脫除法等^{［11，12］}。興澄鋼鐵燒結(jié)根據(jù)自身情況，采用了逆流式活性焦一體化脫除工藝，該工藝具有污染物脫除效率高、系統(tǒng)占地面積小、耗水量少、副產(chǎn)品可回收的優(yōu)點(diǎn)。其基本工藝流程為活性焦從吸收塔頂部裝入，物料向下運(yùn)動(dòng)， 而燒結(jié)煙氣從下往上運(yùn)動(dòng)，煙氣與活性焦充分接觸，完成 SO₂ 吸附，并與氨氣反應(yīng)以脫除 NO_x ; 吸附著SO₂ 的活性焦進(jìn)入吸附塔完成解析，解析后的煙氣可生產(chǎn)濃度硫酸，實(shí)現(xiàn) SO₂ 回收。活性焦的粒度組成、物理強(qiáng)度、脫除率等對(duì)污染 物的脫除效率有較大影響。活性焦粒度組成影響煙氣的通過，過粗時(shí)顆粒間隙大，煙氣通過速度過快，吸附與反應(yīng)的時(shí)間短，脫除率降低; 活性焦過細(xì)時(shí)，顆粒間透氣性差，吸附效果差，煙氣難以通過，還容易產(chǎn)生二次粉塵。表 8 為 400 m² 燒結(jié)生產(chǎn)用活性焦粒度組成。活性焦中 8 ～ 9 mm 粒度比例應(yīng)當(dāng)在95% 以上，為保證解析后的活性焦再次入吸附塔的粒度滿足要求，設(shè)置預(yù)篩分，去除小于 3 mm 的活性焦。

活性焦從吸附塔頂部移動(dòng)到底部有近 40 m的落差，在移動(dòng)過程中顆粒與顆粒之間，顆粒與設(shè)備之間因摩擦、碰撞、擠壓會(huì)形成粉末。粉末狀的活性焦吸附效果很差，并且容易附著在完整的顆粒上而抑制其吸附能力。同時(shí)粉末狀活性焦容易燃燒，堆積在吸附塔中形成高溫點(diǎn)，進(jìn)一步抑制脫除能力。因此活性焦的物理強(qiáng)度需要滿足一定要求，才能保證煙氣中污染物的脫除效果。400 m² 燒結(jié)嚴(yán)格管控外購(gòu)活性焦的質(zhì)量，使用的活性焦強(qiáng)度要求如表 9所示。

運(yùn)行三年來，活性焦系統(tǒng)相繼進(jìn)行了一系列改造，比如增壓風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)整由動(dòng)葉改為變頻方式、脫硫劑預(yù)噴技術(shù)改造、吸附塔耙子料量穩(wěn)定控制技術(shù)革新、鏈斗機(jī)全流程受卸料點(diǎn)粉塵篩除改造等，確保了系統(tǒng)風(fēng)壓流速的穩(wěn)定，精準(zhǔn)控制入口二氧化硫的濃度，最大化地利用活性焦的吸附能力，徹底篩除活性焦中的粉塵，有力保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放，煙氣中 SO₂、NO_x 和粉塵排放量分別為 4 mg /m³、41 mg /m³ 和 2mg /m³ 。

4 治理效果

通過綜合源頭削減、過程控制和末端治理這一方式，400 m₂ 燒結(jié)煙氣中主要污染物排放情況如表10 所示。經(jīng)過處理后的燒結(jié)煙氣中 NO_x、SO₂ 和粉塵脫除率分別為 82%、99% 和 91%，均達(dá)到了鋼鐵行業(yè)大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

興澄特鋼在源頭上少用高硫精粉，使用全焦粉和配加氧化鐵皮; 在燒結(jié)過程采取控制煙氣氧含量和焦粉細(xì)粒級(jí)比例，保持高堿度燒結(jié)，運(yùn)用煙氣內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的方法，煙氣中 NO_x、SO₂分別減少了28%，26% ; 在末端采用重力除塵+電除塵治理粉塵，活性焦一體化脫除處理方式。通過全流程減排，排放的煙氣中 SO₂、NO_x 和粉塵含量分別為 4mg /m³、41mg /m³ 和 2mg /m³，實(shí)現(xiàn)了超低排放。

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