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: 燒結作為長流程鋼鐵行業(yè)生產中的重要組成部分，生產過程會排放出大量的含有 SO2、NOx、粉塵等污染物的煙氣，是鋼鐵行業(yè)環(huán)境治理的重要對象。興澄特鋼燒結分廠秉承源頭削減、過程控制和末端治理的理念，在燒結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，NOx的生成; 通過減少設備漏風、防止內循環(huán)系統(tǒng)的串風振動、改進脫硫脫硝煙溫換熱器，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，控制焦粉中小于 0．5 mm 的粒度比例，并積極利用煙氣內循環(huán)系統(tǒng)，減少燒結過程中污染物排放; 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，燒結煙氣中 SO2、NOx 和粉塵排放指標分別為 4 mg /m3 、41 mg /m3 和 2 mg /m3 ，全部達到了國家鋼鐵行業(yè)大氣污染物超低排放的標準。
關鍵詞: 燒結; 減排; 全流程; 末端治理; 活性焦; 焦粉
0 引言
目前，我國高爐入爐使用的含鐵原料大部分是熟料，其中燒結礦占到 70% 以上。燒結生產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、NOx、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《關于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》指出，燒結煙氣中 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)保政策十分嚴格，燒結若超標排放將被限產甚至停產，直接影響到企業(yè)的運行。
燒結煙氣治理迫在眉睫，但對具有產量大、波動大、溫度低等特點的燒結煙氣來說，只依靠末端治理來實現(xiàn)超低排放，前期成本和運維成本較高。興澄特鋼燒結分廠在 400 m2 燒結上采取源頭削減、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
燒結生產過程中需處理大量的鐵礦粉、燃料、熔劑和鋼鐵企業(yè)生產中的其它可回收物料。根據質量守恒原理，燒結煙氣中 SO2、NOx、粉塵等污染物主要來自于物料與物料之間，物料與大氣進行的物理和化學反應。因此想要降低燒結煙氣中的污染物，從物料這一源頭上消減是重點。
1．1 高硫精粉比例控制
根據 400 m2 燒結使用的物料配比，以脫硫效率85% 計算得出煙氣中硫來源。如表 1 所示，煙氣中礦石產生的硫占44% ，焦粉占46% ，熔劑只占10% 。表明燒結過程中生成的 SOx 主要來源是礦石和固體燃料，這與研究結果相符［5］。礦石中 S 含量的高低影響著礦石的價格，考慮到性價比的問題，興澄特鋼使用的國產精粉中硫含量略高，進口精粉中硫含量略低。如表 2 所示，國產精粉中的 S 含量可達到進口礦粉的 4 倍，差異明顯。因此，在燒結配礦中國產精粉的比例需嚴格控制。
興澄特鋼利用身處長江的地理優(yōu)勢，結合自身需求，配礦時以進口鐵礦粉作為主礦，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 的產生。
1．2 燃料結構優(yōu)化
燒結生產中常用的固體燃料主要有焦粉、煤粉。燒結固體燃料中的氮主要是有機氮。煤中的氮和碳氫化合物結合成氮的雜環(huán)芳香族化合物或鏈狀化合物，此類化合物在燒結過程中容易受熱分解出來。燒結過程煙氣中的 NOx 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。根據興澄特鋼的生產實際，建立燃料含 N 化驗機制，確立燃料使用結構模型，源頭治理可減少 NOx 產生量達 25% 以上。
1．3 氧化鐵皮配加
氧化鐵皮是軋鋼時在鋼錠表層氧化形成的脫皮物，其含鐵達 70% ～ 80% ，雜質少，屬于較為優(yōu)質的含鐵原料。氧化鐵皮中所含有的 FeO 在燒結過程中會與空氣氧化放出大量熱。根據式( 1) ，按 1 kg氧化鐵皮中 FeO 含量為 72% 計算，完全氧化后放出的熱量相當于 0． 05 kg 中等質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，從而減少焦粉所產生的 SO2 和NOx。同時降低了固體燃料消耗，實現(xiàn)節(jié)能降耗與環(huán)保減排的雙重收益。400 m2 燒結軋在混勻礦中配入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% 計算，每噸燒結礦SO2 排放減少 0．008 8 kg、0．009 7 kg。
2 過程控制
燒結煙氣中污染物的生成濃度受燃料粒度、燃燒溫度、燒結氣氛等因素的影響，通過這些參數可以抑制燒結中 NOx 的生成，進而降低燒結煙氣中 NOx濃度。有研究表明，隨著氧含量的增加，燒結煙氣中的 NOx 釋放速率增快，濃度增加［7］。同時煙氣氧含量增加也會影響后續(xù)末端煙氣 NOx 脫除的能力。
(1) 煙氣內循環(huán)參與減排。400 m2 燒結機有一套煙氣內循環(huán)系統(tǒng)，其基本原理是將燒結機頭部4 個風箱和后部 2 個風箱的煙氣返回到燒結機料面繼續(xù)參與燒結，減少了后續(xù)煙氣處理量。機頭與機尾煙氣混合后可達到 120 ℃，熱煙氣為燒結提供了一部分熱量，可以減少固體燃料消耗。興澄特鋼在生產實踐中摸索出了一套防止串風震動的專有操作方法，實現(xiàn)了循環(huán)風量在總風量中的比例長期穩(wěn)定在 25% 以上。使用煙氣內循環(huán)系統(tǒng)后，400 m2 燒結固體燃耗降低了 1 kg /t，進而減少了 SO2、NOx 等污染物的排放。同時煙氣內循環(huán)系統(tǒng)將機頭機尾含氧量大的煙氣循環(huán)利用，起到了穩(wěn)定燒結煙氣中氧含量的作用。
( 2) 優(yōu)化改進脫硫脫硝煙溫換熱器類型，基本消除了通過兌冷風調節(jié)脫硫脫硝入口煙氣溫度的傳統(tǒng)方式。
(3) 減少漏風。400 m2 燒結機頭與機尾的密封板在長期運行后，形成磨損和破洞，造成燒結機漏風量增大，煙氣中氧含量增加。尤其在臺車欄板存在螺栓松動的情況下，邊緣漏風加重。對此，加強設備維護，在檢修時修復或更換機頭機尾密封板，減少漏風量; 增加欄板螺栓防松裝置，防止欄板外擴，減少邊緣漏風; 通過改型篦條降低邊緣效應。
(4) 燒結混勻料中含有較多的大尺寸石塊，大石塊容易造成燒結布料閘門堵塞，導致燒結機料面拉溝，破壞燒結的穩(wěn)定性，增加漏風量，使煙氣中氧含量升高。對此開展技改工作，在配料室鐵料圓盤下料處增加格柵，篩除其中的大塊; 同時定期清理原料廠的大石塊，減少源頭輸入; 嚴格控制泥輥倉倉位，要求正常生產倉位波動不得超過 ± 5 t，保證給料穩(wěn)定性。
采取以上措施后，燒結煙氣中的含氧量如圖1 所示，從 16% 降至了 14% ，為煙氣排放達標提供了有效保證。
(5) 控制燃料粒度。焦粉的粒度大小對燒結煙氣中 NOx 的生成和濃度有較大影響。有關研究表明，焦粉中 0．5 mm 以下粒度占比高時，氣流會將粒度過細的焦粉從物料上部帶至下部，從而降低燒結礦強度。同時細焦粉燃燒過快，溫度保持時間短，難以在自身周圍建立起成塊的燒結礦，造成燒結礦質量下降，從而增加燒結固體燃料消耗［8］。燃料中0．5 mm以下粒度占比增加時，N 向 NOx 的轉化率升高，造成燒結煙氣中氮氧化物含量增加［9］。興澄特鋼生產實踐表明，焦粉中小于 0．5 mm 的粒度占比增加 2% ，燒結固體燃耗增加 1 kg /t，進而增加煙氣中的 SO2、NOx含量，因此控制焦粉中小于0． 5 mm的粒度比例對減少污染物排放有較大意義。
400 m2 燒結使用四輥破碎機對焦粉進行破碎，嚴格控制對輥間隙在 1 ～ 2 mm，焦粉破碎前后粒度組成如表 5 所示。結合原料條件，要求焦粉中粒度＜ 0． 5 mm的比例控制在 20% 以下。目前，正在技改焦粉預篩分設施，以進一步降低燃料過破碎。
(6) 保持高堿度燒結。鐵酸鈣在燒結過程中可以起到催化劑的作用，促進 NOx 還原成 N2，減少煙氣中 NOx 含量。高堿度是鐵酸鈣產生的必要條件，鐵酸鈣含量隨著堿度的升高而增加［10］。結合高爐的堿度要求，400 m2 燒結應將燒結礦堿度控制在1． 9以上。
3 末端治理
經過源頭削減與過程控制的結合治理后，燒結煙氣中 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)進行末端治理，以達到煙氣超低排放的標準。
3．1 重力除塵 + 電除塵治理
燒結煙氣中含有大量的粉塵，其濃度可達10 g /m3，如果不經處理外排，不但污染環(huán)境還會對燒結設備造成損害，影響生產的正常進行。400 m2燒結采用重力除塵與電除塵串聯(lián)組合治理機頭煙氣粉塵。燒結煙氣先經過重力除塵，去除其中粒度較粗的顆粒，將其通過皮帶運輸返回到配料倉中，重新參與燒結過程，實現(xiàn)物料循環(huán)使用。經重力除塵處理后的煙氣進入到電除塵器中，在電場作用下，粒度較細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］。興澄鋼鐵燒結根據自身情況，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、副產品可回收的優(yōu)點。其基本工藝流程為活性焦從吸收塔頂部裝入，物料向下運動， 而燒結煙氣從下往上運動，煙氣與活性焦充分接觸，完成 SO2 吸附，并與氨氣反應以脫除 NOx ; 吸附著SO2 的活性焦進入吸附塔完成解析，解析后的煙氣可生產濃度硫酸，實現(xiàn) SO2 回收?；钚越沟牧６冉M成、物理強度、脫除率等對污染 物的脫除效率有較大影響?；钚越沽６冉M成影響煙氣的通過，過粗時顆粒間隙大，煙氣通過速度過快，吸附與反應的時間短，脫除率降低; 活性焦過細時，顆粒間透氣性差，吸附效果差，煙氣難以通過，還容易產生二次粉塵。表 8 為 400 m2 燒結生產用活性焦粒度組成?；钚越怪?8 ～ 9 mm 粒度比例應當在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，設置預篩分，去除小于 3 mm 的活性焦。
活性焦從吸附塔頂部移動到底部有近 40 m的落差，在移動過程中顆粒與顆粒之間，顆粒與設備之間因摩擦、碰撞、擠壓會形成粉末。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。同時粉末狀活性焦容易燃燒，堆積在吸附塔中形成高溫點，進一步抑制脫除能力。因此活性焦的物理強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 燒結嚴格管控外購活性焦的質量，使用的活性焦強度要求如表 9所示。
運行三年來，活性焦系統(tǒng)相繼進行了一系列改造，比如增壓風機風量調整由動葉改為變頻方式、脫硫劑預噴技術改造、吸附塔耙子料量穩(wěn)定控制技術革新、鏈斗機全流程受卸料點粉塵篩除改造等，確保了系統(tǒng)風壓流速的穩(wěn)定，精準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)定達標排放，煙氣中 SO2、NOx 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 燒結煙氣中主要污染物排放情況如表10 所示。經過處理后的燒結煙氣中 NOx、SO2 和粉塵脫除率分別為 82%、99% 和 91%，均達到了鋼鐵行業(yè)大氣污染物超低排放標準。
5 結語
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; 在燒結過程采取控制煙氣氧含量和焦粉細粒級比例，保持高堿度燒結，運用煙氣內循環(huán)系統(tǒng)的方法，煙氣中 NOx、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、NOx 和粉塵含量分別為 4mg /m3、41mg /m3 和 2mg /m3，實現(xiàn)了超低排放。
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