燒結(jié)工程選擇性煙氣循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用

吳洪勛

（山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東 濟(jì)南250101）

1 前 言

鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中一半以上的廢氣來(lái)自燒結(jié)工序，燒結(jié)煙氣中粉塵、SO2、NOx和二噁英等是環(huán)境空氣污染的重要來(lái)源之一。國(guó)家新的《鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的頒布實(shí)施，完善了國(guó)家大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)鋼鐵企業(yè)燒結(jié)工序的節(jié)能減排和達(dá)標(biāo)排放提出了嚴(yán)格的要求。面對(duì)日趨嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)，為實(shí)現(xiàn)鐵礦燒結(jié)清潔生產(chǎn)，針對(duì)燒結(jié)煙氣進(jìn)行源頭控制和末端治理成為工作重點(diǎn)。燒結(jié)煙氣末端治理主要工作是脫硫脫硝，實(shí)現(xiàn)SO2和NOx的控制與減排，脫硫脫硝的固定投資和運(yùn)行成本主要取決于處理的煙氣量，減少脫硫脫硝煙氣量，可顯著降低燒結(jié)煙氣末端治理費(fèi)用［1-2］。

燒結(jié)選擇性煙氣循環(huán)技術(shù)是有選擇地將燒結(jié)廢氣返回點(diǎn)火器后的燒結(jié)機(jī)臺(tái)車上部的煙罩中循環(huán)，該技術(shù)從源頭控制污染物產(chǎn)生和排放，可減少脫硫脫硝系統(tǒng)30%～40%的煙氣量。采用煙氣循環(huán)工藝后，煙氣中SO2和NOx富集，提高脫硫脫硝系統(tǒng)處理效率。循環(huán)煙氣中有害成分在料層中被熱分解或轉(zhuǎn)化，二噁英和NOx被部分消除。循環(huán)煙氣中部分粉塵被料層捕獲，減少最終向大氣排放的粉塵量。同時(shí)回收利用燒結(jié)熱廢氣的潛熱和顯熱，降低燃料配比和工序能耗。日照鋼鐵精品基地將這一“綠色化”技術(shù)成功運(yùn)用，為我國(guó)燒結(jié)生產(chǎn)節(jié)能減排和煙氣治理提供了新的發(fā)展方向。

2 選擇性煙氣循環(huán)技術(shù)機(jī)理

2.1 燒結(jié)煙氣特點(diǎn)

燒結(jié)煙氣是燒結(jié)混合料點(diǎn)火后隨臺(tái)車運(yùn)行，在高溫?zé)Y(jié)成型過(guò)程中產(chǎn)生的含塵廢氣，主要有以下特點(diǎn)［3-4］。

1）燒結(jié)煙氣量大、氧含量高。燒結(jié)過(guò)程是在完全開(kāi)放的環(huán)境下進(jìn)行的，由于國(guó)內(nèi)燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)率高，煙氣流量變化可高達(dá)30%以上，煙氣溫度在110～180 ℃范圍內(nèi)變化。燒結(jié)煙氣中氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%～15%，且頭、尾部風(fēng)箱氧含量高于中部風(fēng)箱氧含量。

2）燒結(jié)煙氣中SO2和NOx濃度波動(dòng)大。頭、尾部風(fēng)箱煙氣SO2和NOx濃度低，中部風(fēng)箱煙氣SO2和NOx濃度高。燒結(jié)煙氣中SO2和NOx主要來(lái)自固體燃料和鐵礦粉，由于燒結(jié)原料的不穩(wěn)定及操作工藝的不穩(wěn)定，煙氣中SO2和NOx濃度也會(huì)有大幅變動(dòng)。

3）燒結(jié)煙氣中二噁英濃度波動(dòng)大。頭、中部風(fēng)箱二噁英濃度低，尾部風(fēng)箱二噁英濃度高。二噁英作為毒性最強(qiáng)的持久性有機(jī)污染物之一，在自然條件下很難降解。燒結(jié)煙氣中二噁英主要來(lái)自燒結(jié)混合料中無(wú)機(jī)氯化物、軋鋼含油廢鐵渣等反應(yīng)生成。

煙氣中O2、SO2、NOx、二噁英沿?zé)Y(jié)機(jī)臺(tái)車長(zhǎng)度分布見(jiàn)圖1。

2.2 燒結(jié)煙氣循環(huán)原理

燒結(jié)廢氣通過(guò)主抽風(fēng)機(jī)排出后，被再次引入燒結(jié)料層時(shí)，因熱交換和料層蓄熱作用，可將煙氣顯熱供給燒結(jié)混合料，改善料層上、中部熱量不足情況，改善臺(tái)車表面燒結(jié)礦質(zhì)量。煙氣中含有部分CO，通過(guò)料層時(shí)二次燃燒放熱為燒結(jié)過(guò)程補(bǔ)充熱源。因此，煙氣循環(huán)可充分利用燒結(jié)廢氣的顯熱和潛熱［4-5］。

燒結(jié)廢氣中的NOx主要是燃料型NOx，大部分來(lái)自固體碳，由于煙氣循環(huán)可節(jié)省部分燃料，降低混合料燃料配比，減少了NOx生成源。在煙氣循環(huán)燒結(jié)同時(shí)，廢氣中NOx在通過(guò)燒結(jié)帶時(shí)被部分分解。因此，煙氣循環(huán)可顯著降低NOx的排放量。

圖1 煙氣中O2、SO2、NOx、二噁英沿?zé)Y(jié)機(jī)臺(tái)車長(zhǎng)度分布

燒結(jié)廢氣中二噁英在200～400 ℃低溫條件下生成，在1 000 ℃高溫條件下分解。在煙氣循環(huán)燒結(jié)同時(shí)，廢氣中二噁英在通過(guò)燒結(jié)帶時(shí)被部分分解。由于循環(huán)煙氣氧含量降低，也抑制了二噁英的生成。因此，煙氣循環(huán)可顯著降低二噁英的排放量。

2.3 選擇性煙氣循環(huán)路線選擇

從循環(huán)煙氣來(lái)源看，燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)有“內(nèi)循環(huán)”和“外循環(huán)”兩種模式。

“內(nèi)循環(huán)”模式在風(fēng)箱處直接取風(fēng)進(jìn)行循環(huán)，可靈活地選取高溫、富氧的風(fēng)箱廢氣加以循環(huán)利用，操作靈活。但需要新增變頻抽風(fēng)機(jī)和多管除塵器，煙道布置也相對(duì)復(fù)雜。相比常規(guī)燒結(jié)工程布置變化大，固定投資高，該工藝對(duì)于新建項(xiàng)目比較適合?，F(xiàn)有燒結(jié)機(jī)有增產(chǎn)訴求又不想變動(dòng)主抽風(fēng)機(jī)的改建項(xiàng)目，采用內(nèi)循環(huán)工藝可增加燒結(jié)機(jī)抽風(fēng)量，也適合采用該工藝。

“外循環(huán)”模式在主抽風(fēng)機(jī)后取風(fēng)進(jìn)行循環(huán)，按循環(huán)煙氣動(dòng)力可分為有循環(huán)風(fēng)機(jī)和無(wú)循環(huán)風(fēng)機(jī)兩種工藝，按循環(huán)煙氣來(lái)源可分為有選擇性和無(wú)選擇性兩種工藝。外循環(huán)模式和常規(guī)燒結(jié)工程比較無(wú)需較多改動(dòng)，對(duì)于新建和改建項(xiàng)目都比較適合。對(duì)于新建項(xiàng)目，采用該工藝基本不受制約，也沒(méi)有明顯的缺點(diǎn)。對(duì)于改建項(xiàng)目，若要選取高溫、富氧的風(fēng)箱廢氣加以循環(huán)利用，則難度稍大，需要對(duì)風(fēng)箱廢氣進(jìn)行重新分配。

無(wú)循環(huán)風(fēng)機(jī)和有選擇性的“外循環(huán)”模式投資省、能耗低、操作靈活，因此本工程采用該模式進(jìn)行燒結(jié)煙氣循環(huán)。根據(jù)燒結(jié)煙氣的分布特點(diǎn)，選擇燒結(jié)機(jī)頭、尾部煙氣進(jìn)行再循環(huán)，循環(huán)部分O2含量較高，有利于燒結(jié)過(guò)程的順利進(jìn)行；循環(huán)部分SO2濃度低，對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量影響小；循環(huán)部分二噁英濃度高，可減少二噁英排放量。不循環(huán)部分SO2、NOx含量較高，直接去脫硫脫硝系統(tǒng)，處理后達(dá)標(biāo)排放。

具體方案為燒結(jié)機(jī)中部的煙氣作為廢煙氣直接排入1個(gè)煙道，經(jīng)脫硫脫硝設(shè)備凈化后進(jìn)入煙囪排至大氣中。燒結(jié)機(jī)頭部和尾部的煙氣排入另一個(gè)煙道，總煙氣量的30%～40%與環(huán)境空氣混合，再循環(huán)至安裝在燒結(jié)機(jī)臺(tái)車上方的循環(huán)煙罩內(nèi)，剩余部分煙氣經(jīng)脫硫脫硝設(shè)備凈化后進(jìn)入煙囪排至大氣中。

3 選擇性煙氣循環(huán)技術(shù)方案

3.1 選擇性煙氣循環(huán)流程

日照鋼鐵精品基地?zé)Y(jié)工程選擇性煙氣循環(huán)工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 選擇性煙氣循環(huán)系統(tǒng)流程

3.2 系統(tǒng)組成

選擇性煙氣循環(huán)系統(tǒng)由凈風(fēng)系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)、混合系統(tǒng)、循環(huán)煙罩和儀電控制系統(tǒng)等組成，如表1所示。

3.3 煙氣選擇

沿?zé)Y(jié)臺(tái)車運(yùn)行方向，中部風(fēng)箱的廢煙氣進(jìn)入脫硫煙道，經(jīng)機(jī)頭電除塵器、燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)進(jìn)入脫硫脫硝系統(tǒng)中，處理后達(dá)標(biāo)排放。頭部風(fēng)箱和尾部風(fēng)箱的廢煙氣進(jìn)入循環(huán)煙道，經(jīng)機(jī)頭電除塵器、燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)后部分與新鮮空氣混合，然后進(jìn)入燒結(jié)循環(huán)煙罩內(nèi)，剩余部分與脫硫煙道煙氣一起進(jìn)入脫硫脫硝系統(tǒng)中，處理后達(dá)標(biāo)排放。為平衡脫硫煙道和循環(huán)煙道內(nèi)煙氣溫度、壓力和流量，部分風(fēng)箱設(shè)置三通切換閥，廢煙氣可根據(jù)需要進(jìn)入脫硫煙道或循環(huán)煙道。

表1 煙氣循環(huán)系統(tǒng)組成

正常生產(chǎn)時(shí)總煙氣量的60%～70%（50%為脫硫煙道的煙氣，10%～20%為循環(huán)煙道旁路的煙氣）引入脫硫脫硝系統(tǒng)，總煙氣量的30%～40%引入循環(huán)煙罩。由于脫硫脫硝系統(tǒng)處理的總煙氣量降低，煙氣中SO2和NOx富集，可提高脫硫脫硝系統(tǒng)處理效率。

3.4 煙氣混合

由于循環(huán)煙氣壓力的波動(dòng)，影響生產(chǎn)操作，設(shè)置新風(fēng)風(fēng)機(jī)兌入新鮮空氣對(duì)煙氣壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，新風(fēng)風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速，可靈活控制兌入循環(huán)煙氣的空氣量。循環(huán)煙氣和新鮮空氣在煙氣混合裝置中進(jìn)行混合，混合后的煙氣從煙氣混合裝置上部排出，均勻地分配至循環(huán)煙罩。另外，兌入新鮮空氣可適度提高混合煙氣的氧含量，有利于燒結(jié)生產(chǎn)正常進(jìn)行。

為保證煙氣循環(huán)系統(tǒng)的安全操作，在煙氣混合裝置頂部設(shè)有1臺(tái)放散閥。正常操作時(shí)，循環(huán)煙罩內(nèi)為負(fù)壓，放散閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)煙氣循環(huán)系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)，打開(kāi)放散閥，將新鮮空氣引入循環(huán)煙罩以保證燒結(jié)生產(chǎn)正常進(jìn)行。

3.5 循環(huán)煙罩

為保證循環(huán)煙氣能夠全部穿過(guò)燒結(jié)料層，不出現(xiàn)煙氣外溢現(xiàn)象，提高煙氣循環(huán)率，循環(huán)煙罩需要盡可能多的覆蓋燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱。在燒結(jié)機(jī)頭部留有4個(gè)風(fēng)箱的位置用于安裝點(diǎn)火保溫爐和觀察料面及點(diǎn)火工況。在燒結(jié)機(jī)尾部留有4 個(gè)風(fēng)箱的位置用于檢修更換燒結(jié)臺(tái)車和燒結(jié)終點(diǎn)后燒結(jié)礦冷卻。

循環(huán)煙罩和臺(tái)車欄板采用非接觸型窄縫迷宮式密封，以防止廢氣和粉塵逸出。為避免循環(huán)煙氣中的CO 外溢造成安全事故，在循環(huán)煙罩兩側(cè)安裝CO 檢測(cè)器，在工作區(qū)域CO 氣體含量超標(biāo)的情況下，可向操作人員發(fā)出聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)信號(hào)，報(bào)警信號(hào)同時(shí)引入燒結(jié)值班室。循環(huán)煙罩兩側(cè)設(shè)有安全閥，當(dāng)檢測(cè)出循環(huán)煙罩內(nèi)煙氣壓力接近零負(fù)壓時(shí)安全閥將自動(dòng)打開(kāi)，將循環(huán)煙氣排入燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱，以確保循環(huán)煙罩中的煙氣不會(huì)出現(xiàn)外溢現(xiàn)象。

3.6 儀電控制系統(tǒng)

在各個(gè)管道和循環(huán)煙罩設(shè)有相應(yīng)的氣體溫度、壓力、流量檢測(cè)儀表，用于生產(chǎn)參數(shù)的收集與控制；新風(fēng)風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速，采集新風(fēng)風(fēng)機(jī)頻率、電流、功率等參數(shù)，用于過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制；各擋板門、放散閥、安全閥設(shè)有位置檢測(cè)，用于過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制。

采用西門子S7-400 PLC，PLC為基于可編程存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)控制器，用于煙氣循環(huán)系統(tǒng)連鎖、順序、檢測(cè)和控制功能。煙氣循環(huán)系統(tǒng)主要控制煙氣流量和煙罩壓力兩個(gè)參數(shù)，參與電氣傳動(dòng)的設(shè)備為擋板門、新風(fēng)風(fēng)機(jī)、安全閥和放散閥。通過(guò)調(diào)節(jié)擋板門開(kāi)度控制煙氣流量，煙氣流量控制器有回收率模式、脫硫流量模式、循環(huán)流量模式3 種。通過(guò)調(diào)節(jié)新風(fēng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制煙罩壓力，放散閥和安全閥為煙罩壓力控制的輔助手段。

4 應(yīng)用效果

4.1 脫硫脫硝增壓風(fēng)機(jī)

由于脫硫脫硝煙氣量降低，脫硫增壓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量和功率有所降低，見(jiàn)表2。

表2 脫硫增壓風(fēng)機(jī)選型對(duì)比

4.2 燒結(jié)煙氣循環(huán)率

統(tǒng)計(jì)煙氣循環(huán)期間不同時(shí)段循環(huán)煙氣和脫硫煙氣量，可得到燒結(jié)煙氣循環(huán)率在30%以上，達(dá)到預(yù)期效果，見(jiàn)表3。

表3 1#燒結(jié)機(jī)投產(chǎn)初期煙氣循環(huán)率

4.3 燒結(jié)配料對(duì)比

統(tǒng)計(jì)煙氣循環(huán)前后不同時(shí)段燒結(jié)配料情況，可評(píng)價(jià)煙氣循環(huán)對(duì)燒結(jié)返礦和固體燃耗的影響，如表4所示。采用煙氣循環(huán)后，燒結(jié)礦產(chǎn)量未有下降，內(nèi)返比未有明顯升高。采用煙氣循環(huán)后，按現(xiàn)有操作條件，固體燃耗明顯呈下降趨勢(shì)，初步估算，噸礦固體燃耗降低約2.3 kg。

4.4 燒結(jié)礦質(zhì)量對(duì)比

統(tǒng)計(jì)煙氣循環(huán)前后不同時(shí)段燒結(jié)礦質(zhì)量，可評(píng)價(jià)煙氣循環(huán)對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量的影響，見(jiàn)表5。

采用煙氣循環(huán)后，除FeO 含量和S 含量略有上升外，燒結(jié)礦其他各項(xiàng)指標(biāo)未有明顯變化。

FeO含量與燒結(jié)反應(yīng)氣氛密切相關(guān)，由于循環(huán)煙氣含有部分CO，且氧含量降低，減弱氧化性氣氛，導(dǎo)致燒結(jié)礦FeO 含量升高。FeO 含量高燒結(jié)礦還原性變差，需將其控制在合理的范圍。在不影響燒結(jié)礦質(zhì)量的前提下，可繼續(xù)降低固體燃料配比以控制燒結(jié)礦FeO含量。

表4 1#燒結(jié)機(jī)投產(chǎn)初期配料對(duì)比

表5 燒結(jié)礦質(zhì)量對(duì)比

燒結(jié)礦中S含量略有升高，說(shuō)明部分硫在燒結(jié)礦中富集，這部分固化的硫可在煉鐵工序低成本去除，降低了燒結(jié)脫硫脫硝的處理成本。

5 結(jié) 論

5.1 燒結(jié)煙氣循環(huán)采用無(wú)循環(huán)風(fēng)機(jī)和有選擇性的“外循環(huán)”模式具有投資省、能耗低、操作靈活的優(yōu)點(diǎn)，適用于改建項(xiàng)目和新建項(xiàng)目。

5.2 選擇性煙氣循環(huán)通過(guò)擋板門控制循環(huán)煙氣流量，通過(guò)新風(fēng)風(fēng)機(jī)控制循環(huán)煙罩壓力，系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單可靠。

5.3 選擇性煙氣循環(huán)可減少約30%～40%脫硫脫硝煙氣量，達(dá)到節(jié)能減排的目的，所以選擇性煙氣循環(huán)可降低脫硫脫硝固定投資和運(yùn)行成本。

5.4 選擇性煙氣循環(huán)可利用燒結(jié)煙氣顯熱和潛熱，改善臺(tái)車表面燒結(jié)礦質(zhì)量，噸礦固體燃耗降低約2.3 kg。

5.5 采用選擇性煙氣循環(huán)技術(shù)燒結(jié)礦產(chǎn)量無(wú)不良影響，燒結(jié)礦FeO含量和S含量略有上升。