基于帶式焙燒機(jī)的NO x生成規(guī)律研究

孫大為，劉文旺，肖愛元，王 凱，康海軍

（首鋼京唐鋼鐵有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200）

球團(tuán)工藝的工序能耗較燒結(jié)工藝有優(yōu)勢，隨著碳排放控制壓力的日益嚴(yán)峻，發(fā)展球團(tuán)，提高球團(tuán)礦入爐比例成為發(fā)展趨勢。帶式焙燒機(jī)工藝生產(chǎn)球團(tuán)具有單機(jī)產(chǎn)量大、原料適應(yīng)性好、循環(huán)利用率好、生產(chǎn)品種廣泛等優(yōu)勢，近年來得到了國內(nèi)球團(tuán)行業(yè)的重視和推廣。

從帶式焙燒機(jī)球團(tuán)的實際生產(chǎn)經(jīng)驗看，生產(chǎn)中NOx排放量較高，高值可達(dá)到400 mg/m3以上，環(huán)保排放達(dá)標(biāo)壓力大，增加了帶式焙燒機(jī)工藝的煙氣凈化成本。基于國內(nèi)某大型帶式機(jī)球團(tuán)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對NOx排放與生成溫度、煤氣流量、產(chǎn)品品種等參數(shù)的相關(guān)性做了系統(tǒng)研究，揭示了帶式焙燒機(jī)產(chǎn)生NOx的主要決定因素，對于帶式焙燒機(jī)NOx排放的控制具有良好的指導(dǎo)意義。

1 工業(yè)生產(chǎn)中NO x生成的一般原理

工業(yè)生產(chǎn)中NOx形成主要分為：燃料型、熱力型、和快速型。燃料型為燃料中帶入N，燃燒時N與O結(jié)合生成NOx；熱力型為空氣中的氮氣在高溫下生成NOx；快速型為碳?xì)浠衔锶紵龝r分解出CH、CH2、CH3和C2等離子團(tuán)，它們破壞燃燒中的氮氣分子的鍵而反應(yīng)生成HCN、CN等，再被氧化成NOx[1]。在較低溫度時，三種類型的反應(yīng)速度隨溫度的變化尚不明顯，但反應(yīng)速度都隨溫度升高而反應(yīng)更迅速[2]（見圖1）。

圖1 NO x生成的不同類型示意

2 帶式焙燒機(jī)的NO x生成類型

帶式焙燒機(jī)生產(chǎn)使用高熱值燃?xì)鉃樵希ń範(fàn)t煤氣或天然氣），燃?xì)庵袔隢很少，因此燃料型不是帶式機(jī)的NOx生成模型。帶式焙燒機(jī)使用的焦?fàn)t煤氣與天然氣都含有較多的碳?xì)浠衔铮瑫?dǎo)致NOx生成，但帶式機(jī)為強(qiáng)氧化氛圍生產(chǎn)，快速型不是帶式機(jī)主要的NOx生成模型。帶式焙燒機(jī)燒嘴處溫度達(dá)到1400℃以上，空氣中的氮氣在1400℃以上快速生成NOx，因此熱力型為帶式機(jī)生成NOx的主要模型。

3 帶式焙燒機(jī)NO x生成與相關(guān)參數(shù)關(guān)系

基于對帶式機(jī)NOx的生成規(guī)律認(rèn)識，普遍認(rèn)為帶式焙燒機(jī)NOx的生成量與焙燒機(jī)的最高溫度成正比，一般采用降低溫度的方式控制NOx排放量。對此，對帶式機(jī)NOx生成量與帶式機(jī)參數(shù)間關(guān)系做了分析，尤其分析球團(tuán)品種轉(zhuǎn)變的特殊時間段的生產(chǎn)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)帶式焙燒機(jī)NOx的生成量主要受煤氣流量控制。

帶式焙燒機(jī)酸性球轉(zhuǎn)鎂球生產(chǎn)后，NOx排放量升高，如下頁圖2所示。

圖2 鎂球生產(chǎn)前后NO x排放量

3.1 NO x與溫度的相關(guān)性

對NOx生成量的顯著變化，與相關(guān)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。散點圖分析相關(guān)性較為直觀，將時間段內(nèi)各燒嘴溫度進(jìn)行平均，NOx與溫度關(guān)系見下頁圖3。

圖3 NO x排放量與溫度的散點圖

NOx與溫度的相關(guān)性檢驗：

相關(guān)氮氧化物實測溫度。氮氧化物實測和溫度的Pearson相關(guān)系數(shù)=-0.614；P值=0.000。

NOx與溫度呈現(xiàn)了明顯的負(fù)相關(guān)，既NOx生成量隨全部燒嘴的平均溫度升高而降低。

將溫度段區(qū)分分析，前區(qū)溫度（5-10燒嘴）和高溫段溫度（18-32燒嘴）分別與NOx生成量關(guān)系如圖4、圖5所示。

圖4 NO x排放量與前區(qū)溫度的散點圖

圖5 NO x排放量與高溫段溫度的散點圖

可見品種轉(zhuǎn)換期間，NOx生成量與前區(qū)溫度顯著負(fù)相關(guān)，且基本不隨高溫段溫度升高而增加，因此造成整體爐膛平均溫度更高時，NOx生成量反而是降低的。

3.2 NO x與流量的相關(guān)性

同樣將NOx生成量與煤氣平均流量、前區(qū)平均流量、高溫段平均流量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見圖6、圖7、圖8。

圖6 NO x排放量與煤氣流量的散點圖

圖7 NO x排放量與前區(qū)煤氣流量的散點圖

圖8 NO x排放量與高溫段煤氣流量的散點圖

NOx與煤氣流量的相關(guān)性檢驗：

相關(guān)氮氧化物實測流量。氮氧化物實測和流量的Pearson相關(guān)系數(shù)=0.605；P值=0.000。

可見NOx生成量與焦?fàn)t煤氣流量成明顯的正相關(guān)性，相關(guān)性分析也顯示相關(guān)性顯著。

3.3 鎂球生產(chǎn)溫度與NO x負(fù)相關(guān)的原因

轉(zhuǎn)鎂球生產(chǎn)前后，NOx生成量隨溫度上升反而下降，以上現(xiàn)象與前期的普遍認(rèn)識不相符，對此進(jìn)行分析。

檢查參數(shù)，生產(chǎn)鎂球以來，帶式焙燒機(jī)的溫度參數(shù)設(shè)定控制、實際溫度控制、成球抗壓強(qiáng)度都較為穩(wěn)定。而添加含鎂熔劑生產(chǎn)球團(tuán)，一般認(rèn)為會降低預(yù)熱球、焙燒球強(qiáng)度。一般含鎂熔劑在球團(tuán)預(yù)熱階段都不能夠礦化，未礦化的MgO分布在赤鐵礦、磁鐵礦顆粒之間，阻礙赤鐵礦和磁鐵礦顆粒之間的微晶連接，而且白云石、菱鎂石這類碳酸鹽類含鎂熔劑在球團(tuán)預(yù)熱過程中分解，同樣影響球團(tuán)預(yù)熱球強(qiáng)度。含鎂熔劑對焙燒球強(qiáng)度的影響：首先，在最初的培燒階段，Mg2+的擴(kuò)散速率低并且MgO活性不是很好，部分MgO很難礦化并且分布集中，這阻礙了結(jié)晶長大，減少了焙燒球抗壓強(qiáng)度。其次，MgO在磁鐵礦中的固熔延遲了磁鐵礦的氧化，這導(dǎo)致了赤鐵礦再結(jié)晶減少而磁鐵礦再結(jié)晶增多，這同樣導(dǎo)致了焙燒球抗壓強(qiáng)度降低。再次，MgO能夠活化赤鐵礦分解，MgO的存在可以降低赤鐵礦的分解溫度，加快赤鐵礦的分解速度，赤鐵礦的分解使得球團(tuán)晶粒難以聚集長大，球團(tuán)強(qiáng)度下降[3]。含鎂球團(tuán)一般需要更高的培燒溫度才能達(dá)到合適的強(qiáng)度，而且由于MgO活化赤鐵礦分解的原因，一味的提高焙燒溫度和延長焙燒時間并不能有效解決含鎂球團(tuán)強(qiáng)度差的問題，達(dá)到一定培燒溫度和焙燒時間后，隨著焙燒溫度的升高、焙燒時間的延長，含鎂球團(tuán)強(qiáng)度不增反降。這使得含鎂球團(tuán)適宜的培燒溫度、時間區(qū)間變窄，含鎂球團(tuán)培燒更加困難[4]。

含鎂熔劑生產(chǎn)球團(tuán)，在預(yù)熱段會消耗更多熱量，與實際生產(chǎn)的溫度、流量關(guān)系相符：鎂球生產(chǎn)前后，前區(qū)溫度流量增加的情況下，溫度反而降低了，說明預(yù)熱段更多的熱量用于含鎂熔劑的分解（見圖9、圖10）。

圖9 帶式機(jī)前區(qū)溫度與煤氣流量的散點圖

圖10 帶式機(jī)高溫段溫度與煤氣流量的散點圖

同樣對于焙燒高溫段，保證抗壓強(qiáng)度穩(wěn)定、溫度反饋值穩(wěn)定，需要提供更多的熱量，因此燒嘴自動提高了煤氣流量供應(yīng)，而溫度參數(shù)基本未隨流量的增加發(fā)生變化。

分析以上，鎂球生產(chǎn)前后，煤氣流量成增加趨勢，而溫度未隨流量增加，NOx生成量增加。可以判斷NOx生成量實際主要隨煤氣流量的增加而增加，當(dāng)流量增加而溫度下降時，反而呈現(xiàn)了NOx濃度隨溫度上升而下降的反常現(xiàn)象。

3.4 帶式焙燒機(jī)NO x生成量受煤氣流量影響的原因

帶式焙燒機(jī)采用高熱值燃?xì)猓壳霸O(shè)計的燒嘴燃燒溫度都在1400℃以上，燃燒溫度不隨設(shè)定溫度發(fā)生變化。因此，雖然帶式機(jī)NOx生成主要為熱力型，但單純改變溫度設(shè)定，如煤氣流量未相應(yīng)變化，并不會導(dǎo)致NOx生成量的變化。

高熱值燃?xì)庵泻^多的碳?xì)浠衔铮髁吭黾訒r，快速型NOx生成量顯著增多，這是帶式焙燒機(jī)NOx生成量隨煤氣流量變化的部分原因。煤氣流量增加時，更多的燃燒發(fā)生，更多的空氣中的氮氣轉(zhuǎn)變?yōu)镹Ox，這是帶式焙燒機(jī)NOx生成量隨煤氣流量變化的主要原因。

4 結(jié)論

通過對生產(chǎn)過程的分析，可以看出帶式焙燒機(jī)生產(chǎn)中NOx生成量主要受燃?xì)饬髁靠刂疲瑔渭冋{(diào)整溫度控制NOx排放難以取得效果。實際生產(chǎn)中，檢修升溫過程的耐材蓄熱、入機(jī)原料成分波動、入機(jī)料量波動，都會導(dǎo)致溫度設(shè)定未發(fā)生改變時，NOx生成量顯著升高，在生成的環(huán)保排放控制中應(yīng)加以注意。