聶紹昌

( 新余鋼鐵集團有限公司，江西 新余 338001)

摘 要: 鋼鐵廠燒結(jié)工序是有害氣體 NO_x 的主要來源之一，減少燒結(jié)煙氣中 NO_x 的排放，對環(huán)境保護具有重要意義。本文針對目前新鋼燒結(jié)過程 NO_x 排放濃度高的問題，結(jié)合新鋼實際燒結(jié)過程中原燃料條件參數(shù)、工藝條件參數(shù)對煙氣中 NO_x排放濃度的影響規(guī)律，提出了一些有效的燒結(jié)過程 NO_x 減排控制方法，并在生產(chǎn)過程中采取從源頭降低原燃料帶入 N、降低固體燃料配比、強化制粒改善料層透氣性、提高料層厚度等措施抑制燒結(jié)過程中 NO_x 的產(chǎn)生。結(jié)果表明，文中采取的措施皆有利于減少燒結(jié)煙氣中 NO_x 的排放，排放濃度可以降低 10% ～20%。

關(guān)鍵詞: 燒結(jié)； NOx；煙氣減排；過程控制

1 前 言

燒結(jié)工序是鋼鐵企業(yè)主要的 NO_x 排放源之一，約占排放總量的一半。因此，控制和減少燒結(jié)工序 NO_x 的產(chǎn)生與排放是整個鋼鐵行業(yè)NO_x 減排的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其已成為鋼鐵企業(yè)污染物治理的重點。在燒結(jié)生產(chǎn)過程中，煙氣中產(chǎn)生的大量有毒有害物質(zhì)主要包括顆粒物、硫氧化物、NO_x 、二噁英等。全國燒結(jié)過程排放的NO_x 總量每年有100 萬 t 左右，約占總排放量的6%^［1］ 。NO_x 不僅容易形成光化學煙霧，危害人體健康，而且易形成酸雨，污染生態(tài)環(huán)境。我國從上世紀 90 年代起，開始重視燒結(jié)過程煙氣脫硫的問題，使得燒結(jié)煙氣 SO 2 的排放得到有效控制，但對于脫硝問題，與發(fā)達國家相比仍存在很大差距，日本燒結(jié)機 90% 進行煙氣脫硝處理，而我國僅有幾家燒結(jié)廠對煙氣脫硝進行了處理^［2］。隨著環(huán)保要求日益嚴苛，燒結(jié)煙氣中 NO_x 的減排治理已經(jīng)擺上鋼鐵企業(yè)環(huán)保治理日程。本文闡述了燒結(jié)過程中 NO_x 產(chǎn)生的原因，同時結(jié)合新鋼生產(chǎn)實際，給出了一些生產(chǎn)中減少 NO_x 產(chǎn)生的措施，以供同行借鑒與參考。

2 新鋼燒結(jié)生產(chǎn)條件及 NO_x 的排放現(xiàn)狀分析

新鋼燒結(jié)原料配料情況如表 1 所示，主要的幾種固體燃料如表 2 所示，新鋼燒結(jié)生產(chǎn)主要的工藝參數(shù)如表 3 所示。

由表 1 可知，新鋼燒結(jié)生產(chǎn)采用的熔劑有四種，其中生料熔劑有石灰石粉和白云石粉，熟料熔劑有鈣石灰 ( 鈣質(zhì)生石灰) 和鎂石灰( 鎂質(zhì)生石灰) ; 固體燃料為焦粉和無煙煤按一定比例混用。且由表 2 可知，新鋼燒結(jié)生產(chǎn)采用的燃料中含 N 較高的為固體燃料，其中煤粉N 含量最高，來源品種不同 N 含量差異較大，同一品種在不同時間 N 含量也有差異。

為了找出新鋼燒結(jié)生產(chǎn)條件下 NO_x 的排放規(guī)律，調(diào)取了 2018 年 4 ～ 5 月份 6 # 燒結(jié)機脫硫出口煙氣中 NO_x 的排放數(shù)據(jù) ( 環(huán)保局測試結(jié)果) ，結(jié)果如圖 1 所示。

從圖 1 可以看出，4 ～5 月份 NO x 實測濃度平均約為 271 mg/m 3 ，相應工況條件下排放煙氣中氧氣含量為 15. 64%左右，出口煙氣的 NO_x排放數(shù)據(jù)處于高位，且 NO_x 實測濃度瞬時值波動較大，有時出現(xiàn)短時超過 300 mg/m³ 的情況。結(jié)合新鋼生產(chǎn)實際，分析出口煙氣 NO_x 濃度較高的原因主要有: ①新鋼為降低成本采用了較多的低價高 N 無煙煤，有的無煙煤 N 含量甚至超過 1%; ②由于點火爐下方的 1 # 、2 # 和 3 # 風箱結(jié)構(gòu)有缺陷、維護不善導致密封效果差，燒結(jié)點火負壓較高; ③燒結(jié)礦堿度控制在 1. 85，有時低至 1. 7，未達到高堿度燒結(jié)礦適宜的堿度水平; ④混合料水分較高，有時超過8. 33%，料層厚度也偏低，不到 700 mm，有時甚至低至600 mm，沒 有 鋪 滿 布 料; ⑤ 燒 結(jié) 礦 FeO 在8. 5%左右，燒結(jié)溫度處在較高的水平。

3 燒結(jié)過程 NO_x 生成的影響因素

燒結(jié)過程中，自點火后原料開始進行燒結(jié)，自上而下可以分為燒結(jié)礦帶、燃燒帶、干燥預熱帶、過濕帶和原始燒結(jié)料帶 ^［3］。燒結(jié)過程中，燒結(jié)帶自上而下逐層推進，燃料中的 NO_x 在預熱層開始大量生成^［4］，燒結(jié)帶以下各斷面 NO_x濃度基本相同，不同高度位置處最大 NO_x 濃度相差不大，未出現(xiàn) NO_x 積聚現(xiàn)象。當 O₂ 濃度開始下降，CO₂ 和 CO 的量開始上升時，表明碳開始燃燒，此時 NO_x 的濃度隨之升高; 當碳劇烈燃燒，CO₂ 和 CO 含量升至較高水平時，NO_x 濃度同時也上升至較高水平，并且保持較高水平的時間段與CO₂ 和 CO 保持較高水平的時間段相對應; 燒結(jié)接近終點時，O₂含量開始上升，CO₂ 和 CO 含量開始下降，而 NO 含量亦隨之下降。燒結(jié)過程產(chǎn)生的 NO_x ，以燃料型 NO_x 為主^［5］。影響燒結(jié)過程 NO_x 形成的因素很多，結(jié)合新鋼生產(chǎn)實際可知，其主要受燒結(jié)原燃料、燒結(jié)工藝參數(shù)等因素的影響比較多。

3. 1 燒結(jié)原燃料條件的影響

燒結(jié)原料中的 N 含量最高的為煤粉，其次為焦粉、除塵灰、鐵精粉。原料中 N 含量越高，燒結(jié)過程生成的 NO_x 量越大。因此，要盡可能減少原燃料帶入的 N。此外，隨著燃料揮發(fā)分含量的增加，NO_x 排放濃度和燃料 N 的轉(zhuǎn)化率逐漸上升: 隨著燃料反應性的升高，NO_x 排放濃度和燃料 N 的轉(zhuǎn)化率逐漸下降^［5］。根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況分析可知，其影響因素主要有以下幾個方面:

( 1) 水含量的影響。燒結(jié)料中加入適量的水分，有助于提升制粒效果，改善料層透氣性，從而提高燃燒過程中的過?？諝庀禂?shù)，促進 N向 NO_x 的轉(zhuǎn)化。此外，燒結(jié)中的水分具有提高燒結(jié)料導熱性及傳熱速率的作用，在合理范圍內(nèi)增加水分會提高燒結(jié)溫度，促進 N 的氧化。當水分過高導致料層透氣性變差、料層溫度下降、過?？諝庀禂?shù)變低時，原料 N 的轉(zhuǎn)化率降低。

( 2) 煤粉配比的影響。由于原料中煤粉的含 N 量較高，隨著煤粉配比的增加，原料中的N 含量增加，所以燒結(jié)過程中形成的 NO_x 量也會增加。此外，隨著煤粉配比的增加，燒結(jié)溫度也有相應的提高，熱力型 NO_x 的生成會增加。因此，原料中應盡量使用含氮量少的焦粉來代替煤粉。

( 3) 返礦配比的影響。有研究表明鐵酸鈣對于 CO－NO 的同相還原反應有較強的催化作用^［6］，返礦是成品燒結(jié)礦經(jīng)破碎后粒徑較小，不能直接冶煉還需要二次燒結(jié)的成品礦，它的主要成分為鐵酸鈣。因此，適量增加返礦含量有利于減少燒結(jié)過程中 NO_x 的排放。

( 4) 堿度的影響。堿度即燒結(jié)礦中堿性氧化物與酸性氧化物的比值。提高料層中 CaO 含量，一方面有利于在較低溫度下 ( 500 ～700 ℃左右) 生成鐵酸鈣，而鐵酸鈣可以催化 NO_x 向N₂ 的還原; 另一方面還可以降低燃燒區(qū)的溫度，使燒結(jié)過程中 NO_x 的排放濃度降低。因此，控制原料的堿度有利于減少燒結(jié)過程中 NO_x 的排放。

3. 2 燒結(jié)工藝參數(shù)的影響

( 1) 點火時間與負壓的影響。生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，隨著點火時間的延長，上層燒結(jié)礦溫度提高，燃燒帶厚度增加。但是由于蓄熱理論以及燃料偏析，使得中下層燒結(jié)溫度呈現(xiàn)梯級變化，焦粉的劇烈燃燒，造成 NO_x 總量增大。另外，隨著點火負壓提高，點火器中火焰被拉長，使得火焰穿透料層更深，表層燒結(jié)混合料中的焦粉快速燃燒，從而造成 NO_x 的增加。因此，應適當控制點火時間和點火負壓。目前，大多數(shù)工廠已采用微負壓或零負壓點火，從而減小了其對 NO_x 排放的影響。

( 2) 溫度的影響。溫度對 NO_x 的生成有決定性的影響，溫度越高，NO_x 的最大生成濃度和速度越大。尤其在溫度超過 1 300 ℃后，NO_x的生成量大幅增加。因此，應盡量采用低溫燒結(jié)技術(shù)。

( 3) 料層高度的影響。厚料層作業(yè)有利于發(fā)揮料層的自蓄熱作用，節(jié)約燃料用量，因而減少了燃料帶進的 N 量; 料層越厚透氣性越差，氧含量會有所降低，抑制 N 向 NO_x 的氧化。此外，厚料層作業(yè)還能延長高溫保持時間，有利于鐵酸鈣的形成，鐵酸鈣可以促進 NO_x 向 N₂ 的還原。所以，高料層燒結(jié)可減少 NO_x 的排放。

4 燒結(jié)過程 NO_x 控制措施

新鋼根據(jù)燒結(jié)過程中產(chǎn)生的煙氣具有 NO_x濃度低但排放量大、溫度波動大、粉塵含量高、含濕量大、含腐蝕性及有毒氣體、排放不穩(wěn)定等特點。針對燒結(jié)過程中 NO_x 的生成機理及產(chǎn)生的煙氣特點，對NO_x 排放控制主要從以下幾方面進行: 控制原燃料帶入的氮含量、優(yōu)化配礦弱化 NO_x 的生成條件、改善工藝條件降低NO_x 生成、末端治理減少 NO_x 排放。

4. 1 原燃料控制

燒結(jié)過程中，生成的 NO_x 大部分為燃料型NO_x ，所以從源頭上來控制NO_x 的產(chǎn)生至關(guān)重要。一方面在不影響燒結(jié)過程的前提下，應盡可能減少原燃料帶入的氮 ( 如: 采用低氮含量的焦粉代替煤粉、使用揮發(fā)分低的煤粉、焦炭提前脫氮等，無煙煤在固體燃料中的占比由50%降至 20%) ; 另一方面應加強對原燃料粒度的控制，粒度小于 0. 5 mm 或粒度大于 5 mm的焦粉燃燒過程中，其NO_x 產(chǎn)生量較少。但就燒結(jié)工藝本身而言，還需考慮燃料粒度對燃燒帶厚度、燒結(jié)溫度以及料層透氣性的影響，一般要求粒度為 1 ～3 mm。因此，需要綜合考慮，選擇合適的燃料粒度。新鋼燒結(jié)燃料破碎采用反擊式破碎加四輥破的工藝，燃料粒度 0% ～3%控制在 85%，在實踐中對降低NO_x 排放濃度起到了積極效果。

4. 2 配料控制

在合理范圍內(nèi)，控制較高燒結(jié)礦堿度可有效地減少 NO_x 的生成。新鋼燒結(jié)礦堿度由 1. 8提高到 2. 0，隨著堿度的提高，CaO 含量增加，有助于低溫下 CaO 與 Fe₂O₃ 的固相反應，鐵酸鈣的生成量增加，而固相反應生成的低熔點物質(zhì)的融化，可使燃燒區(qū)溫度降低 100 ℃ 以上。此外，鐵酸鈣對 NO_x 的還原具有催化作用，在鐵酸鈣存在的情況下，局部還原氣氛中 CO 還原 NO_x 的能力有明顯的提高，隨燒結(jié)礦堿度提高，NO x 排放濃度和排放總量略有降低，其檢測結(jié)果如圖 2 所示。

此外，提高鈣質(zhì)熔劑中石灰石的使用比例，石灰石比例由 5%提高到 7. 5%，鎂質(zhì)熔劑配比由3. 0%降低至 1. 5%，加強篩子的維護，適量增加返礦配比，返礦由 20% 增加到 23%，通過配礦調(diào)整可減少燒結(jié)過程中 NO_x 的排放。

4. 3 工藝控制

通過改善燒結(jié)工藝、控制操作條件也可以減少NO_x 排放，對此新鋼采取的措施主要包括控制燃燒氣氛、優(yōu)化配料、控制堿度、厚料層燒結(jié)等。穩(wěn)定工藝操作，確保燒結(jié)過程負壓、廢氣溫度、終點溫度等工藝參數(shù)指標適宜而穩(wěn)定，減小燒結(jié)過程廢氣中NO_x 排放濃度的波動，防止短時期 NO_x排放濃度超標。燒結(jié)過程廢氣中NO_x 排放濃度因生產(chǎn)工藝穩(wěn)定波動幅度減小，一般控制在 10 mg/m³ 波動范圍，未出現(xiàn)NO_x排放濃度短時超標的情況。適當控制點火時間和點火負壓，通過改造 1 # 、2 # 、3 # 風箱，完善點火爐下部風箱密封，堅持采用微負壓或零負壓點火，1 # 、2 # 、3 # 風箱的負壓分別由 － 14. 3 kPa、14. 6 kPa 和 14. 7 kPa 降至 6. 6 kPa、6. 8 kPa 和6. 7 kPa，還可節(jié)約混合煤氣用量約 20%。

優(yōu)化燃料分布，通過改變?nèi)剂显谥屏Ｐ∏蛑械姆植紶顟B(tài)，來改善燃料的燃燒過程，減少NO_x的生成。有研究表明，燃料分布在小球內(nèi)部時比燃料均勻分布和燃料分布在小球外層或以單獨形式存在時，NO_x的排放濃度都低。這是由于燃料分布在小球內(nèi)部時，燃料燃燒過程中 O₂ 向內(nèi)擴散的阻力大，燃燒在相對貧氧的條件下進行，生成的主要為 CO，有利于 NO_x的還原; 加上小球內(nèi)部 O₂ 含量較低，因此燃料氮向NO_x的轉(zhuǎn)化過程受到抑制 ^［5］。

厚料層燒結(jié)降低 NO_x排放，料層增厚有利于發(fā)揮料層的自蓄熱作用，從而可以減少燃料總量，由于燃料帶入 N 的減少，以及局部高溫火焰點變少，使得燒結(jié)過程NO_x減少。同時，隨著料層厚度的提高，料層透氣性變差，過?？諝庀禂?shù)減小，氧含量降低，導致 NO_x 的生成速率減緩。此外，厚料層作業(yè)還有助于提高鐵酸鈣的生成量，進而促進NO_x 向 N₂的還原，減少NO_x的排放量。新鋼 360 m²燒結(jié)機料層通過檢修密封，改善原料結(jié)構(gòu)，強化制粒提高料層透氣性，燒結(jié)料層由 650mm 提高到 750mm，隨著燒結(jié)料層厚度的提高，燒結(jié)煙氣中NO_x濃度降幅顯著，結(jié)果如圖 3 所示。

5 NO_x控制措施的應用效果

新鋼采用降低固體燃料配比、提高石灰石和生石灰的比例、降低白云石配比、保持高堿度燒結(jié)、改善料層透氣性、提高料層厚度等措施后，各燒結(jié)機出口NO_x排放濃度如表 4 所示，且調(diào)取了采取 NO_x控制措施后 6 # 燒結(jié)機脫硫出口煙氣的排放數(shù)據(jù) ( 環(huán)保局測試結(jié)果) 結(jié)果如圖 4 所示。可見，使用 NO_x控制技術(shù)后，6 # 燒結(jié)機 脫 硫 出 口 煙 氣 中NO_x實 測 濃 度 由271. 63 mg/m³ 降至 232. 30 mg/m³ ，煙氣中氧氣含量由 15. 64%降至 15. 11%; 燒結(jié)煙氣中 NO_x的排放濃度可以降低 10% ～ 20%，減排效果顯著。

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