煙氣循環(huán)對燒結(jié)機(jī)脫硫脫硝的影響

文_蘇暉 沈淼 孫芳婷

1.浙江海元環(huán)境科技有限公司； 2.浙江德創(chuàng)環(huán)保科技股份有限公司杭州分公司； 3.聚光科技(杭州)股份有限公司

1 煙氣循環(huán)燒結(jié)工藝簡介

燒結(jié)是鋼鐵生產(chǎn)中的一個(gè)關(guān)鍵工序。SO2排放量占總排放量的40%～60%，其能耗占鋼鐵聯(lián)合企業(yè)總能耗的50%。燒結(jié)過程是鋼鐵生產(chǎn)中的一個(gè)重要過程，但也是高污染排放的一個(gè)環(huán)節(jié)。燒結(jié)煙氣不同于鍋爐燃煤煙氣，它具有煙氣量大、二氧化硫和氮氧化物含量低、成分復(fù)雜、水分含量高的特點(diǎn)。因此，盡管就煙氣處理技術(shù)而言這不是問題，但是由于投資成本大、運(yùn)行成本高和處理困難，燒結(jié)煙氣的凈化處理進(jìn)展緩慢。為了解決燒結(jié)煙氣的余熱利用和凈化處理問題，日本在20世紀(jì)70年代提出了煙氣循環(huán)燒結(jié)的設(shè)想。

煙氣循環(huán)燒結(jié)法是將燒結(jié)過程中產(chǎn)生的部分廢氣返回?zé)Y(jié)機(jī)上的密封罩進(jìn)行循環(huán)燒結(jié)的方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：①改善了燒結(jié)材料層的溫度分布，降低了表面材料層的溫降率，從而克服了普通燒結(jié)過程中表面溫度不足、燒結(jié)強(qiáng)度低、粉末多的缺點(diǎn)；②由于高溫時(shí)間長，冷卻速度慢，燒結(jié)層中液相的形成增加，有利于燒結(jié)體的沉淀和生長，同時(shí)避免了因快速冷卻而產(chǎn)生熱應(yīng)力；③能充分利用燒結(jié)廢氣中存在的顯熱和潛熱，降低固體燃料的消耗，降低燒結(jié)礦中的FeO含量，提高燒結(jié)礦質(zhì)量；④由于部分低SO2濃度的燒結(jié)煙氣被回收，減少了待處理的煙氣量，同時(shí)也豐富了煙氣中的SO2，提高了SO2濃度，在一定程度上降低了脫硫過程的運(yùn)行成本和脫硫效率。

2 煙氣循環(huán)燒結(jié)工藝設(shè)計(jì)思路

煙氣循環(huán)燒結(jié)工藝根據(jù)燒結(jié)過程中煙氣成分的變化規(guī)律，從根本上解決了燒結(jié)過程中污染環(huán)境的問題。 煙氣中COx的減少主要是通過減少固體燃料的消耗來實(shí)現(xiàn)。由于氣體與燒結(jié)材料之間良好的熱交換條件，回收部分燒結(jié)煙氣參與燒結(jié)可以充分利用煙氣中的物理熱。此外，煙氣中的一小部分一氧化碳也可以在循環(huán)過程中燃燒產(chǎn)生熱量，因此通過煙氣循環(huán)燒結(jié)過程可以減少固體燃料的消耗，同時(shí)降低燒結(jié)固體燃料的消耗也可以減少燒結(jié)過程中燃料燃燒產(chǎn)生的SO2和COx。

為了保證燒結(jié)過程的順利進(jìn)行，參與燒結(jié)氣體介質(zhì)的O2含量必須高于18%。SO2含量低于500×10-6。從常規(guī)燒結(jié)過程的數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，燒結(jié)至1300s后，煙氣溫度急劇上升，煙氣中O2濃度呈上升趨勢，SO2濃度從500×10-6以上降至0。煙氣用作循環(huán)燒結(jié)煙氣。根據(jù)燒結(jié)機(jī)的尺寸和臺車的運(yùn)行速度，可以推斷煙氣循環(huán)用的風(fēng)箱為19～24號。

為了使參與燒結(jié)的氣體介質(zhì)中的氧含量達(dá)到18%，有必要補(bǔ)充環(huán)形冷卻器的一部分冷卻氣體。從前面可以看出，抽出的煙氣流量為70518m3/h，O2含量為15.08%。選擇環(huán)冷機(jī)非余熱利用區(qū)后的6%區(qū)域作為補(bǔ)氧煙氣抽取區(qū)，廢氣溫度為466K。混合后的煙氣溫度和主要成分含量如表1所示。

表1 混合煙氣主要成分含量

為了詳細(xì)了解煙氣循環(huán)燒結(jié)過程的特點(diǎn)，利用Fluent6.3仿真計(jì)算平臺，在燒結(jié)混合料中焦炭含量只有變化(從42%到40%)的情況下，改變煙氣循環(huán)燒結(jié)。進(jìn)行模擬計(jì)算，并使用模擬結(jié)果檢查煙氣循環(huán)燒結(jié)過程對燒結(jié)過程的影響。

3 設(shè)計(jì)工況邊界及初值條件

由于設(shè)計(jì)條件中增加了煙氣燒結(jié)部分，該區(qū)域的邊界條件與常規(guī)燒結(jié)相同。燒結(jié)機(jī)的前兩個(gè)風(fēng)箱為點(diǎn)火段和保溫段，因此煙氣燒結(jié)段對應(yīng)的風(fēng)箱數(shù)量為3～13個(gè)，對應(yīng)的燒結(jié)時(shí)間為150～975s。根據(jù)計(jì)算，煙氣入口速度為104m/s，速度方向垂直于入口表面，入口湍流邊界條件為進(jìn)氣水力直徑0.5m，湍流強(qiáng)度為0.05。煙氣成分和溫度如表1所示。煙氣出口壓力為-15kPa。

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 設(shè)計(jì)工況溫度場仿真結(jié)果及分析

循環(huán)燒結(jié)工藝下t=1700sX軸上各截面固、氣體溫度如圖1所示。由圖1可知，在循環(huán)燒結(jié)條件下，燒結(jié)至1700s時(shí)，橫截面為X=0mm、200mm、400mm的固體和氣體溫度分布與常規(guī)燒結(jié)條件下的溫度場相比，設(shè)計(jì)條件和氣體溫度分布無顯著差異。從圖中可以看出，r料層的焦炭含量降低，燒結(jié)終點(diǎn)提前。在17：00，固體和氣體的最高溫度降低(1615K)，但是材料層的高溫區(qū)域的厚度沒有改變。

圖1 循環(huán)燒結(jié)工藝下t=1700sX軸上各截面固、氣體溫度

4.2 設(shè)計(jì)工況煙氣仿真結(jié)果及分析

與傳統(tǒng)燒結(jié)一樣，廢氣在設(shè)計(jì)條件下的溫度上升點(diǎn)約為1200℃。1200s以前，出口煙氣溫度基本在340K，沒有因入口風(fēng)溫的變化而升高。這是因?yàn)闊Y(jié)原料層具有高含水量，并且大部分煙氣的顯熱被材料層吸收，吸收用于水蒸發(fā)。在溫度上升點(diǎn)之后，煙氣溫度迅速上升，最高溫度為1032℃。與常規(guī)燒結(jié)相比，最高溫度值降低了64K，出現(xiàn)時(shí)間提前了約120s，這意味著設(shè)計(jì)條件得到了加速。由于床中焦炭含量的減少，燒結(jié)速度和最大煙氣溫度降低。

設(shè)計(jì)條件下燒結(jié)煙氣中SO2的峰值超過常規(guī)工藝煙氣中SO2含量的最大值380×10-6，出現(xiàn)時(shí)間提前60s，說明設(shè)計(jì)條件可以使SO2在燒結(jié)過程中富集。因此，待處理的煙氣中的SO2含量增加，并且排放的煙氣量大大減少，從而降低了脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行成本。從圖中還可以看出，SO2含量在第2個(gè)峰值后迅速下降，到1440s降至0。

對于煙氣中的H2O和CO含量，設(shè)計(jì)條件下的變化規(guī)律與常規(guī)燒結(jié)下的變化規(guī)律基本一致。從點(diǎn)火保溫階段結(jié)束到燒結(jié)結(jié)束，H2O含量在7% ～8%范圍內(nèi)變化，到1260s降至0；一氧化碳含量保持在10%～2%，并在1580s降至0。

對于煙道氣中CO2和O2的含量，在入口條件改變的煙道氣循環(huán)段中，CO2含量基本保持在12%～15%，O2在8%～9%之間波動。在煙氣燒結(jié)循環(huán)結(jié)束后，CO2和O2的含量基本上與常規(guī)燒結(jié)過程中的相同。1580s時(shí)二氧化碳含量降至0，1600s時(shí)二氧化碳含量增加到21%。設(shè)計(jì)工況中CO2、CO含量在1580s時(shí)降至為0，與常規(guī)工藝相比提前了約120s，這說明燒結(jié)終點(diǎn)也提前了120s。

5 結(jié)論

通過設(shè)計(jì)煙氣循環(huán)燒結(jié)工藝，研究新工藝對燒結(jié)熱過程的影響，得出以下結(jié)論：

①選擇19～24號風(fēng)箱廢氣為循環(huán)煙氣，加氧空氣選自環(huán)冷機(jī)非余熱利用區(qū)，循環(huán)煙氣總流量為139155m3/h，循環(huán)氣體介質(zhì)中O2、CO2、CO、SO2含量分別為18.02%、3.54%、0.41%、49×10-6。氣體溫度為592K。

②設(shè)計(jì)條件下的氣體和固體溫度分布與常規(guī)工藝條件下的溫度分布規(guī)律有一定差異。新工藝中，氣體和固體的最高溫度降至1620K：煙氣循環(huán)燒結(jié)段的料層表面溫度保持在600～700K，煙氣循環(huán)結(jié)束后，表面溫度逐漸降至常溫；同時(shí)，由于入口條件的變化，材料層的垂直燒結(jié)速度加快。

③設(shè)計(jì)工況下的煙氣升溫點(diǎn)與常規(guī)工藝相同，出現(xiàn)在1200s左右；但是最高溫度低于常規(guī)工藝，并且出現(xiàn)時(shí)間大約早120s。

③設(shè)計(jì)條件下燒結(jié)煙氣中SO2含量的峰值為1704×10-6，超過了常規(guī)燒結(jié)下SO2含量的最大值380×10-6，表明煙氣循環(huán)燒結(jié)工藝可以有效提高煙氣中SO2的含量。