燒結料面噴蒸汽試驗及效果分析

白曉軍 郭軍偉 劉月建

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 前言

燒結機頭煙氣流量大，SO2和NOX濃度低，這導致配套的煙氣治理設備運行成本高。安鋼提出建設4A級廠區的環保目標，需要通過更多途徑來優化燒結機煙氣的治理效果。本次試驗擬從源頭減輕燒結煙氣治理的壓力，同時保證燒結生產、燒結礦產量和質量可控，進而維持鐵前系統（燒結、高爐）的整體穩定運行，為公司的節能減排創造條件。

1 試驗設計

1.1 試驗原理

水蒸氣可參與燒結中碳的燃燒過程[1]，其化學反應為：

式（1）中左邊的H2O來自料面上部，與熾熱燒結礦換熱后參與汽化吸熱反應，右邊的來自吸熱反應產物H2和O2的反應。

水蒸氣與C的汽化反應擴大了燃料孔隙度，增加了反應面積，有利于燃料的完全燃燒。H2和H2O的擴散能力和傳熱能力強，水蒸氣的比熱也較高，有利于擴散、接觸、燃燒和傳熱。

1.2 試驗設備

試驗為排除干擾因素，配礦結構、熔劑配比、燃料配比等過程參數均保持不變，僅設置噴吹水蒸氣制度一個變量。煙氣分析采用菲索M60便攜式煙氣分析儀。燒結杯試驗工藝設備條件見表1。

表1 燒結杯試驗工藝設備條件

1.3 試驗方案

試驗以安鋼500 m2燒結系統當前施行的配比為基準，按照表2的燒結礦成分進行配礦。經過計算確定的配料方案見表3。

表2 燒結礦理論計算成分

表3 配料方案 %

在燒結杯點火前，將煙氣分析儀探桿插入煙道檢測孔。從燒結杯點火開始，每隔30 s記錄一次燒結煙氣分析儀數據。噴吹蒸汽條件中，試驗調整噴吹開始時間和持續時間，噴吹蒸汽的壓力和飽和度不作調整。試驗時，蒸汽壓力約0.1 MPa，溫度約100 ℃。噴吹蒸汽開始時間設置在燒結杯點火后3～7 min，持續時間設置為5～10 min，采用正交方法設計試驗方案，設一個對照組，具體試驗方案見表4。

2 試驗結果及分析

2.1 過程參數和燒結礦質量

表4 試驗方案

燒結杯試驗時，嚴格按照試驗方案控制混合料配比、水分、混勻等參數，最大限度地消除干擾因素，記錄的過程參數見表5（方案4產出的燒結礦和成礦率目測較差，未進行指標檢測）。

表5 燒結過程參數

方案1、方案2和方案3的蒸汽噴吹開始時間較早（點火后3 min），點火后料層紅層較薄，與蒸汽接觸后發生吸熱反應，導致燒結礦的表層質量變差而降低了燒結礦的成品率。方案4和方案5將開始噴吹時間推遲至點火后5 min和7 min，方案5的成品率好轉。方案3噴吹蒸汽的時間長，噴吹量大，導致表層和中間層冷卻強度大，成品率最差。同時，試驗使用的蒸汽壓力和溫度較低，含水量大，造成燒結礦粉末較多，成品率下降。

燒結時間方面，噴吹蒸汽以后，料柱含水量加大，影響透氣性，導致各方案燒結時間普遍延長，但變化量較小（＜60 s）。同時，燒結速度減緩，利用系數降低，變化趨勢基本相似。方案2較為特殊，其燒結時間相比對照組縮短了70 s，燒結速度加快，利用系數升高。

料面噴吹水蒸氣方案的轉鼓指數較對照組更低。方案2和方案3噴吹蒸汽的時間早（點火后3 min），噴吹時間長（10～15 min），累積的水分較多，燒結礦表層和中間層急冷，導致轉鼓強度下降。燒結礦質量情況見表6。

表6 燒結礦質量

總的來看，噴吹蒸汽對燒結過程和燒結礦質量是不利的。噴吹開始時間較遲的方案試驗效果較好，長時間連續噴吹方案的試驗效果較差。在試驗中，由于蒸汽的溫度和壓力比實際工業生產使用的蒸汽低，含水量較多，所以一定程度上影響了蒸汽噴吹的效果。

2.2 煙氣污染物排放情況

各組試驗方案煙氣中各種排放物的積累量與對照組的對比如圖1所示。

試驗表明，噴吹水蒸氣各方案的耗氧超過對照組。這驗證了水蒸氣在燃燒過程中起到催化作用的結論。但是，噴吹時間過長反而會降低耗氧。方案3的噴吹時間最長（15 min），耗氧最低，為對照組的90%。這說明噴吹水蒸氣應控制在適宜的總量和時間內，否則會對燒結過程中的耗氧產生負面作用。

圖1 燒結過程耗氧和煙氣中污染物排放的情況

噴吹水蒸汽以后，各組方案的CO排放量均比對照組減少。這說明燒結料面噴灑蒸汽后，提高了C的燃盡程度和燃燒速度，減輕了對氧的依賴，有助于降低燒結固體燃料消耗，降低廢氣中CO含量。各組試驗方案的CO排放量相比對照組降低了5%～28%，噴吹時間長，噴吹開始時間早有利于降低CO排放量，方案5的噴吹開始時間過晚（點火后7 min），CO排放量與對照組相比降低幅度不明顯。通過噴吹水蒸氣來降低CO含量，應控制開始噴吹時機，開始時間太晚則效果不明顯。

在原燃料條件不變的前提下，燒結礦料層的最高溫度升高，高溫保持時間延長，有利于 CO 對NOX的還原。試驗各方案噴吹水蒸氣，增加了料柱水分含量，降低了料層溫度，縮短了高溫期持續時間，從而導致NOX排放量普遍比對照組的高，方案3噴吹水蒸氣的時間最長，NOX的排放量比對照組高12%。

潘建等人認為[3]，SO2排放量主要受到燃料用量、燒結礦堿度及混合料含硫量等參數的影響。原燃料不變的試驗條件下，噴吹水蒸氣，使得SO2溶于水蒸氣，從而被干燥帶和過濕帶吸附的幾率加大。結果使煙氣中SO2的排放量降低。因此，試驗各方案的SO2排放量比對照組減少了23%～39%，減排效果明顯。噴吹結束時間接近燒結終點的方案，SO2排放量低。這說明應盡可能在燒結終點以前持續噴吹水蒸氣抑制SO2排放量。

2.3 燒結過程耗氧量

料面噴加蒸汽，水分進入燒結料層，改善了燃料的燃燒條件，提高了燃料的燃燒效率。燒結料柱的透氣性得到改善，煙氣中的O2含量升高。過量的水分提高了過濕帶的厚度，產生了吸熱作用，延緩了過濕帶下移的速度，致使燒結過程延長。試驗各方案的耗氧量濃度變化如圖2所示。

圖2 試驗各方案的耗氧量濃度變化

從圖2可以看出，對照組的耗氧量從點火開始持續升高，在燒結后期（24 min）開始降低；各方案的耗氧量濃度在開始噴吹后都有不同幅度的降低，方案1、方案2和方案3開始噴吹后耗氧量濃度開始降低，方案1噴吹持續時間短，噴吹期間耗氧量保持較低水平，方案2和方案3的噴吹持續時間較長，在噴吹后期耗氧量開始回升；噴吹水蒸氣對耗氧量的影響有一定的時間限度，方案4和方案5噴吹開始時間推后，開始噴吹時間越遲，耗氧量下降的持續時間越短，對耗氧量的影響也越小。

2.4 燒結煙氣中的CO濃度

料面噴加蒸汽改善了燒結過程的熱力學條件，增加了碳氧反應面積，增強了煙氣的擴散能力和傳熱能力，有助于燃料的充分燃燒，從而減少CO的排放量。燒結過程中CO的排放趨勢如圖3所示。

圖3 燒結過程中CO的排放趨勢

從圖3可以看出，對照組的CO濃度在整個燒結過程中穩步上升，達到峰值后下降。噴吹蒸汽以后，在噴吹期間，CO濃度明顯降低，噴吹結束后CO濃度再次升高。這說明，噴吹蒸汽可以降低煙氣中的CO濃度。方案1、方案2和方案3開始噴吹蒸汽的時間較早（點火后3 min）,噴吹后CO濃度下降。方案1噴吹5 min期間，CO濃度持續降低，停止噴吹后CO濃度上升；方案2和方案3噴吹5 min期間，CO濃度也持續降低，超過5 min后，雖然還在噴吹，但CO濃度開始回升。噴吹水蒸氣對CO濃度的影響有限。方案4和方案5噴吹開始時間推后，方案4點火5 min后開始噴吹，CO濃度開始降低，5 min后CO濃度開始回升；方案5點火7 min后開始噴吹，CO濃度開始降低，3 min后，CO濃度開始回升。噴吹對CO濃度的影響基本集中在開始噴吹到點火后10 min的時間段。

2.5 燒結煙氣NOX濃度

楊林[2]等人認為,影響燒結礦煙氣中NOX濃度的主要因素是原燃料條件。較高的料層溫度有助于提高CO對NOX的還原能力，降低NOX濃度[3]。試驗各方案NOX濃度變化如圖4所示。

圖4 試驗各方案NOX濃度變化

從圖4可以看出，各方案NOX濃度呈現中間高、兩頭低的趨勢[4]。NOX排放數據因為燒結終點位置不同而略有偏移，且與基準對照組相比，噴加蒸汽后，各方案的NOX排放峰值、排放均值和排放總量均略有升高。試驗中由于噴吹水蒸氣，CO含量大幅度降低，不利于NOX的還原，導致煙氣中的NOX濃度略有升高。

2.6 燒結煙氣SO2濃度

煙氣中的SO2濃度主要受硫在燒結料層的遷移規律所控制。試驗各方案燒結煙氣中的SO2的濃度變化如圖5所示。

圖5 試驗各方案燒結煙氣中的SO2的濃度變化

從圖5可以看出，對照組燒結過程中產生的SO2氣體被水蒸氣和水分吸收，在通過燒結料層時，被吸附在礦石表面或與消石灰形成硫酸鈣[5]。停止噴吹蒸汽后，料柱中的過濕帶和干燥帶消失，被料柱吸附的SO2再次排出進入煙氣。這時，煙氣中的SO2濃度達到峰值。隨著燒結過程的結束，SO2濃度降至0 。

料面噴吹水蒸氣后，SO2出現時間推遲。同時，SO2峰值濃度也較對照組降低了30%左右。方案3開始噴吹蒸汽的時間早（點火后3 min），噴吹持續時間長（15 min），雖然其SO2峰值濃度超過對照組的，但峰值回落速度較快，所以其SO2排放總量和均值均低于對照組。方案3蒸汽開始噴吹較早，噴吹時間較長，致使燒結料層過濕層較厚，燃料燃燒速度慢但燃燒更充分。一方面，燃料產生了較多的SO2，另一方面SO2在過濕層中“儲存”時間較長，因此最后過濕層消失時，SO2瞬間釋放峰值較高，但是SO2總排放量并未增加。

試驗表明：燒結料面噴加蒸汽后，過濕層增厚，燒結過程延后，SO2在過濕層中吸收較多，因此峰值產生時間推遲，釋放不充分而降低了排放值。噴吹水蒸氣過多會使這一抑制作用失效，導致隨后出現的SO2峰值濃度過高。

3 結論

（1）料面噴吹水蒸氣提高燃料充分燃燒的比例，有利于燒結節能降耗，可以起到CO減排和改善燒結礦質量的綜合效果，但不利于NOX的還原，無法降低煙氣中的氮氧化物。SO2排放峰值降低，排放量減少，減排幅度可達到23%～39%。蒸汽噴加量過大時，燃料燃燒效率提高，SO2排放峰值反而更高，但總排放量并沒有增加。

（2）料面噴吹水蒸氣對燒結生產和產品質量的影響表現在降低成品率、燒結速率和利用系數等方面。

（3）控制噴吹開始時間不要太晚，噴吹持續時間不超過10 min，可以避免燒結過程參數過分惡化。使用過熱脫水蒸汽，蒸汽溫度高、含水量小，有利于減輕該措施的不利后果。