煙氣循環(huán)對燒結(jié)機脫硫脫硝的影響

李詩京 徐 克

(1：中鋼設(shè)備有限公司 北京 100080；2：中鋼集團工程設(shè)計研究院有限公司 北京 100080)

1 燒結(jié)煙氣循環(huán)意義

燒結(jié)煙氣具有平均溫度相對較低(約423K)、排放量大、SO2含量低等特點，而從排放過程來看，煙氣溫度、組成成分及含量隨燒結(jié)過程不斷變化，而且形成一定規(guī)律。因此，在對燒結(jié)煙氣的自身特點和排放特點進行綜合分析的基礎(chǔ)上，將部分煙氣引入燒結(jié)料層，替代常溫空氣，一方面提高了進入料層的氣體溫度，降低了料面層由于氣體溫度突降所形成的粉化，另一方面降低了燒結(jié)煙氣排放量和脫硫系統(tǒng)負(fù)荷，充分利用循環(huán)熱煙氣的低品質(zhì)潛熱，對燒結(jié)煉鐵行業(yè)的節(jié)能減排具有重要的意義。

燒結(jié)煙氣循環(huán)的優(yōu)點在于[1]：

(1)改善了燒結(jié)料層的溫度分布，降低了上部料層的冷卻速度，克服了常規(guī)燒結(jié)工藝中經(jīng)常出現(xiàn)的上部料層溫度較低，成品率低，強度不足的缺點。同時避免了常規(guī)燒結(jié)工藝中，上部料層由于氣體溫度突降造成的塊礦內(nèi)部熱應(yīng)力的增加；

(2)進入料層的循環(huán)煙氣溫度較高，使料層高溫持續(xù)時間增加，使料層的液相生產(chǎn)量增加，成品率增加，同時冷卻速度降低，有利于晶體的析出和成長，提高成品礦質(zhì)量；

(3)低品質(zhì)熱煙氣的潛熱向來難以利用，燒結(jié)煙氣循環(huán)充分利用了燒結(jié)煙氣中的顯熱和潛熱，對于降低固體燃料消耗，降低燒結(jié)礦中FeO含量，改善燒結(jié)礦質(zhì)量有積極的作用，燒結(jié)煙氣循環(huán)是對燒結(jié)工藝低品質(zhì)能源階梯利用的有效嘗試；

(4)相對于常規(guī)燒結(jié)工藝，煙氣循環(huán)降低了末端煙氣處理量，使得煙氣中的SOx、NOx發(fā)生富集，在一定程度降低了煙氣凈化工藝成本，提高了脫硫脫硝效率。

2 燒結(jié)煙氣循環(huán)方式

(1)內(nèi)循環(huán)

(2)外循環(huán)

圖1 燒結(jié)煙氣內(nèi)循環(huán)

圖2 燒結(jié)煙氣外循環(huán)

內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)的區(qū)別在于循環(huán)煙氣是否過原有主抽風(fēng)機，循環(huán)煙氣經(jīng)過原有主抽風(fēng)機為外循環(huán)，循環(huán)煙氣未經(jīng)過原有主抽風(fēng)機為內(nèi)循環(huán)。內(nèi)循環(huán)更合適新建項目，外循環(huán)更適合改造工程。

3 燒結(jié)煙氣循環(huán)實施應(yīng)遵循的原則

(1)采用煙氣循環(huán)，要確保燒結(jié)礦品質(zhì)不能降低；

(2)盡可能充分利用循環(huán)煙氣的顯熱和潛熱，降低燒結(jié)的能耗；

(3)取最大循環(huán)風(fēng)量，降低煙氣總排放量；

(4)取低硫段的風(fēng)，增強SOx的富集，提高末端煙氣治理效率；

(5)考慮采用兌環(huán)冷機熱風(fēng)或兌氧氣，匹配煙氣循環(huán)各種條件下的最佳生產(chǎn)參數(shù)。

燒結(jié)煙氣循環(huán)應(yīng)確保不影響或提升燒結(jié)礦品質(zhì)，節(jié)約能源，減少排放煙氣量為宗旨，因此以上原則優(yōu)先級為(1)>(2) > (3)， (4) 和(5)為輔助手段。

4 國內(nèi)學(xué)者和鋼鐵企業(yè)對燒結(jié)煙氣循環(huán)研究和實踐

文獻[2]以垂直燒結(jié)速度、成品率、轉(zhuǎn)鼓強度、臺車?yán)孟禂?shù)等作為評價指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)混合氣體中CO2含量的增加會導(dǎo)致燒結(jié)礦質(zhì)量降低，為控制燒結(jié)礦各項性能指標(biāo)，應(yīng)盡量降低混合氣體中CO2的含量，煙氣中CO2的含量控制在小于5%以內(nèi)。煙氣中CO的成分大于1%時，燒結(jié)礦各項指標(biāo)明顯改善，轉(zhuǎn)鼓強度增加，同時減少燒結(jié)固體燃料的消耗量。混合氣體中SO2含量的增加使得燒結(jié)礦的各項指標(biāo)降低，煙氣中SO2控制在500mg/Nm3對燒結(jié)礦指標(biāo)影響較小。混合氣體中O2含量越高，燒結(jié)礦各項性能指標(biāo)越好，而18%是燒結(jié)礦各項性能指標(biāo)的一個分界線，O2含量低于這一分界線，燒結(jié)礦各項指標(biāo)處于較低水平，高于這一分界線，各項指標(biāo)處于較高水平。隨著混合氣體中H2O(g)含量的增加，燒結(jié)礦各項性能指標(biāo)不斷上升，當(dāng)H2O(g)含量的增加到2%時，各項指標(biāo)達到最佳，其后隨著H2O(g)含量的增加，各項指標(biāo)逐漸降低，H2O(g)含量大于5%，燒結(jié)礦各項指標(biāo)下降顯著。混合氣體溫度越高，燒結(jié)礦各項性能指標(biāo)越好，在小于473K時，隨著混合氣體溫度的提高，燒結(jié)礦各項性能提高較快，在大于473K時，隨著混合提起溫度的提高，燒結(jié)礦各項性能指標(biāo)提高較慢。

文獻[3]的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)煙氣中O2含量由21%降至15%，料層內(nèi)燃料燃盡時間有4min增加至4.5min，當(dāng)含氧量降至10%時，燃料燃盡時間增加至8min，燃燒速度降低導(dǎo)致燒結(jié)礦的產(chǎn)量、燒結(jié)礦質(zhì)量降低較為明顯，特別時當(dāng)氧含量降至15%時，影響跟為明顯。煙氣中CO的成分有0增加至2%，燒結(jié)礦各項指標(biāo)明顯改善，轉(zhuǎn)鼓強度增加，同時減少燒結(jié)固體燃料的消耗量。煙氣中CO2的含量因控制在6%以內(nèi)，CO2含量大于6%時，燒結(jié)礦各項指標(biāo)(轉(zhuǎn)鼓強度、成品率)明顯下降。煙氣中H2O(g)含量不宜超過8%，超過8%后，料層過濕明顯，燒結(jié)礦透氣性變差。循環(huán)煙氣溫度在200℃，燒結(jié)礦各項指標(biāo)達到最佳，煙氣循環(huán)溫度應(yīng)控制在150℃至200℃。

綜合國內(nèi)研究人員對燒結(jié)煙氣循環(huán)調(diào)制后的最佳煙氣工況見表1，表1參數(shù)可作為下一步開展工業(yè)實踐的基礎(chǔ)參數(shù)。

2013年4月，寶鋼集團寧波鋼鐵公司486m2燒結(jié)機建立國內(nèi)首套燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝技術(shù)工程，BSFGR技術(shù)是將燒結(jié)頭部、尾部的煙氣和部分環(huán)冷機熱廢氣進行混合，混合煙氣進入燒結(jié)機中后部上方煙罩，為了保障循環(huán)煙氣中氧氣含量，通過富氧和補充空氣方式添加到循環(huán)煙罩上方。此外，其余部分高溫、高氧氣含量環(huán)冷機的廢氣通過循環(huán)管道進入燒結(jié)機前段，利用其部分顯熱，可以對燒結(jié)機表層進行保溫，由于環(huán)冷機熱廢氣氧氣含量較高，故不必富氧或補充新鮮空氣。循環(huán)煙氣的氧氣含量18%左右。該技術(shù)通過富氧和補充空氣方式來提高循環(huán)煙氣氧氣含量，對燒結(jié)生產(chǎn)十分有利。該項目投產(chǎn)后運行穩(wěn)定，采用煙氣循環(huán)工藝后，工序能耗降低約4%，外排廢氣減少20%，粉塵和SO2排放量大幅度降低，后端脫硫投資成本和運行成本降低約30%。

表1 燒結(jié)煙氣循環(huán)調(diào)制后的最佳煙氣工況

三鋼燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)是將燒結(jié)機頭部4個風(fēng)箱和尾部2個風(fēng)箱煙氣循環(huán)至燒結(jié)機中部上方的煙氣密封罩，進行循環(huán)利用。該技術(shù)循環(huán)的煙氣均為高氧氣含量，故循環(huán)煙罩中的氧氣含量較高，為14%～15%；由于循環(huán)煙氣采用低溫的燒結(jié)機頭煙氣和高溫的機尾煙氣，故循環(huán)煙氣溫度相對不高，為150℃；此外，循環(huán)煙氣中的SO2含量比循環(huán)前升高40%以上。三鋼燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)于2014年1在180m2燒結(jié)機完成改造并投入運行，系統(tǒng)運行良好。固體燃料降低3%左右，燒結(jié)礦質(zhì)量改善，產(chǎn)量基本不變，煙氣循環(huán)率約為30%。

沙鋼燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝技術(shù)是將燒結(jié)機頭部4個風(fēng)箱和尾部4個風(fēng)箱煙氣循環(huán)至燒結(jié)機中部上方的煙氣密封罩，進行循環(huán)利用。該技術(shù)和三鋼燒結(jié)煙氣循環(huán)類似，沒有額外補充氧氣或混合環(huán)冷機熱廢氣。沙鋼360m2燒結(jié)機進行煙氣循環(huán)改造后，一是產(chǎn)量提高了5%以上，二是減排20%左右，減排效果顯著。

5 煙氣循環(huán)對燒結(jié)工藝的影響

(1)對燒結(jié)礦各項性能指標(biāo)影響

寶鋼、沙鋼、三鋼[4-5]的實踐經(jīng)驗表明，通過設(shè)定合理的煙氣循環(huán)參數(shù)，可以確保燒結(jié)煙氣循環(huán)后燒結(jié)礦各項性能指標(biāo)不低于甚至高于原燒結(jié)礦各項性能指標(biāo)，燒結(jié)機產(chǎn)能也有提高。

(2)對能耗

通過確定合理的循環(huán)煙氣參數(shù)，在不影響燒結(jié)礦質(zhì)量的前提條件下，燒結(jié)煙氣循環(huán)量為30%時，減排量在20%左右，燒結(jié)工藝的工序能耗降低約5%左右。[6]

(3)對減排量的影響

減排量是由滿足工藝平穩(wěn)生產(chǎn)條件下最大循環(huán)煙氣量和循環(huán)煙氣最佳工況所決定的，最大煙氣循環(huán)量不等于減排量，最大煙氣循環(huán)量大于等于減排量。

Qde

式中Qde——減排量，Nm3/min；

Qxmax——最大煙氣循環(huán)量，Nm3/min。

6 燒結(jié)最大煙氣循環(huán)量

最大循環(huán)煙氣量受以下幾個因素的制約：

(1)燒結(jié)的漏風(fēng)率和漏風(fēng)位置

一般我國燒結(jié)機的漏風(fēng)率在40%～60%，漏風(fēng)位置分布和各個位置漏風(fēng)占比如下：

表2 燒結(jié)漏風(fēng)分布率占比

漏風(fēng)產(chǎn)生的位置說明漏風(fēng)均未通過燒結(jié)料層，因此漏風(fēng)率影響燒結(jié)煙氣循環(huán)質(zhì)量，漏風(fēng)率越大，越不利于煙氣循環(huán)的效果。漏風(fēng)率越小，煙氣循環(huán)的效果越明顯。

(2)燒結(jié)點火器面積

傳統(tǒng)的點火器一般占燒結(jié)面積的4%～10%左右，有蓄熱保溫段的點火占燒結(jié)面積的15%～25%。點火器面積過大，會導(dǎo)致可引入煙氣循環(huán)面積減小，影響煙氣循環(huán)可使用的燒結(jié)面積。因此，采用煙氣循環(huán)工藝時，統(tǒng)一考慮點火器選型布置，最大化煙氣循環(huán)使用面積。

(3)循環(huán)煙氣的煙氣排放溫度

循環(huán)煙氣的排煙溫度應(yīng)大約SO2的露點溫度，并考慮一定的溫度降，通常應(yīng)取90℃～110℃。常規(guī)工藝的煙氣溫度排放溫度和循環(huán)后排煙溫度決定了煙氣循環(huán)的可使用量和使用煙氣的溫度。

(4)循環(huán)煙氣平衡后，常態(tài)排放煙氣的含氧量

未進行煙氣循環(huán)的燒結(jié)煙氣的含氧量一般在13.5%～16%，漏風(fēng)率按照40%考慮時，常態(tài)排放煙氣的含氧量應(yīng)按照下降15%～20%考慮，約為11%～13%。

(5)理論最大煙氣循環(huán)量

式中Qxmax——最大煙氣循環(huán)量，Nm3/min;

Qc——常規(guī)燒結(jié)煙氣量，Nm3/min;

Ss——燒結(jié)機面積，m2；

Sd——點火器面積，m2；

CL——漏風(fēng)率，%。

理論最大煙氣循環(huán)量可以上述公式計算。

7 燒結(jié)煙氣循環(huán)對脫硫脫硝工藝的影響

(1)對脫硫影響

燒結(jié)煙氣循環(huán)會導(dǎo)致S元素在燒結(jié)礦中殘留產(chǎn)生富集，此外燒結(jié)煙氣循環(huán)也導(dǎo)致SO2在燒結(jié)煙氣中富集。因燒結(jié)礦具有吸附功能，因此燒結(jié)礦中S的富集主要在燒結(jié)礦的上層產(chǎn)生，下層硫的富集不明顯，而在燒結(jié)煙氣中SO2富集程度強于在燒結(jié)礦中的富集程度。因此燒結(jié)煙氣中SO2脫出總量變化不大，約減少了10%左右，但煙氣量減少后，SO2濃度提高，脫硫效率提高，脫硫經(jīng)濟性改善。

(2)對脫硝影響

燒結(jié)煙氣循環(huán)對NOx濃度變化影響比較復(fù)雜，在低氧還原性氣氛時，燒結(jié)礦中的Fe3O4作為催化劑可以還原NOx，但在氧氣充分情況會增加NOx的生成。綜合考慮各種因素，采用適當(dāng)煙氣循環(huán)工藝，總的NOx排放量多有減少約為3%，但NOx的濃度提高了。因此如采用煙氣循環(huán)工藝，后端煙氣處理系統(tǒng)應(yīng)注意采用脫硝效率較高的工藝路線。

(3)對脫硫脫硝運行成本和工程造價的影響

煙氣循環(huán)減排量對后端脫硫脫硝運行成本和工程造價影響巨大，以360m2燒結(jié)為例，減排量為30%的情況下，煙氣量減少約30%，SO2濃度提高了約30%，NOx濃度提高了約38%，表3為煙氣循環(huán)后對各種脫硫脫硝工藝運行成本和工程造價影響。

表3 煙氣循環(huán)對幾種脫硫脫硝工藝造價和運行成本的影響

備注：以上數(shù)據(jù)來自工程設(shè)計數(shù)據(jù)。

以360m2燒結(jié)機為例，增加煙氣循環(huán)后，幾種脫硫脫硝工藝工程造價去除新增煙氣循環(huán)的工程造價后，均有降低，其中活性炭脫硫脫硝工藝降低幅度最大，降低了13%。運行成本方面臭氧法因為特別的脫硝機理，運行成本下降較低，僅為10%，其他脫硫脫硝工藝運行成本均下降了20%。考慮到NOx經(jīng)過煙氣循環(huán)產(chǎn)生富集，SCR脫硝效率較為出色，綜合考慮幾種脫硫脫硝工藝的利弊以及工程造價和運行成本，以循環(huán)流化床+SCR脫硫脫硝為煙氣循環(huán)的最佳匹配工藝。

8 結(jié)論

(1)燒結(jié)煙氣循環(huán)應(yīng)確保不影響或提升燒結(jié)礦品質(zhì)，節(jié)約能源，減少排放煙氣量為宗旨。

(2)煙氣循環(huán)對燒結(jié)礦各項性能指標(biāo)影響可控，甚至可以有所提高；燒結(jié)煙氣循環(huán)可以降低燒結(jié)工序能耗5%。煙氣循環(huán)的減排量小于最大煙氣循環(huán)量。

(3)循環(huán)流化床+SCR脫硫脫硝工藝是配合煙氣循環(huán)的最佳工藝，通過煙氣循環(huán)，該種工藝路線工程造價降低7%，運行成本降低了20%。