白曉軍 郭軍偉 劉月建

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 前言

燒結(jié)機(jī)頭煙氣流量大，SO2和NOX濃度低，這導(dǎo)致配套的煙氣治理設(shè)備運(yùn)行成本高。安鋼提出建設(shè)4A級(jí)廠區(qū)的環(huán)保目標(biāo)，需要通過更多途徑來優(yōu)化燒結(jié)機(jī)煙氣的治理效果。本次試驗(yàn)擬從源頭減輕燒結(jié)煙氣治理的壓力，同時(shí)保證燒結(jié)生產(chǎn)、燒結(jié)礦產(chǎn)量和質(zhì)量可控，進(jìn)而維持鐵前系統(tǒng)（燒結(jié)、高爐）的整體穩(wěn)定運(yùn)行，為公司的節(jié)能減排創(chuàng)造條件。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原理

水蒸氣可參與燒結(jié)中碳的燃燒過程[1]，其化學(xué)反應(yīng)為：

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

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

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)為排除干擾因素，配礦結(jié)構(gòu)、熔劑配比、燃料配比等過程參數(shù)均保持不變，僅設(shè)置噴吹水蒸氣制度一個(gè)變量。煙氣分析采用菲索M60便攜式煙氣分析儀。燒結(jié)杯試驗(yàn)工藝設(shè)備條件見表1。

表1 燒結(jié)杯試驗(yàn)工藝設(shè)備條件

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)以安鋼500 m2燒結(jié)系統(tǒng)當(dāng)前施行的配比為基準(zhǔn)，按照表2的燒結(jié)礦成分進(jìn)行配礦。經(jīng)過計(jì)算確定的配料方案見表3。

表2 燒結(jié)礦理論計(jì)算成分

表3 配料方案 %

在燒結(jié)杯點(diǎn)火前，將煙氣分析儀探桿插入煙道檢測(cè)孔。從燒結(jié)杯點(diǎn)火開始，每隔30 s記錄一次燒結(jié)煙氣分析儀數(shù)據(jù)。噴吹蒸汽條件中，試驗(yàn)調(diào)整噴吹開始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間，噴吹蒸汽的壓力和飽和度不作調(diào)整。試驗(yàn)時(shí)，蒸汽壓力約0.1 MPa，溫度約100 ℃。噴吹蒸汽開始時(shí)間設(shè)置在燒結(jié)杯點(diǎn)火后3～7 min，持續(xù)時(shí)間設(shè)置為5～10 min，采用正交方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，設(shè)一個(gè)對(duì)照組，具體試驗(yàn)方案見表4。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 過程參數(shù)和燒結(jié)礦質(zhì)量

表4 試驗(yàn)方案

燒結(jié)杯試驗(yàn)時(shí)，嚴(yán)格按照試驗(yàn)方案控制混合料配比、水分、混勻等參數(shù)，最大限度地消除干擾因素，記錄的過程參數(shù)見表5（方案4產(chǎn)出的燒結(jié)礦和成礦率目測(cè)較差，未進(jìn)行指標(biāo)檢測(cè)）。

表5 燒結(jié)過程參數(shù)

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

燒結(jié)時(shí)間方面，噴吹蒸汽以后，料柱含水量加大，影響透氣性，導(dǎo)致各方案燒結(jié)時(shí)間普遍延長(zhǎng)，但變化量較小（＜60 s）。同時(shí)，燒結(jié)速度減緩，利用系數(shù)降低，變化趨勢(shì)基本相似。方案2較為特殊，其燒結(jié)時(shí)間相比對(duì)照組縮短了70 s，燒結(jié)速度加快，利用系數(shù)升高。

料面噴吹水蒸氣方案的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)較對(duì)照組更低。方案2和方案3噴吹蒸汽的時(shí)間早（點(diǎn)火后3 min），噴吹時(shí)間長(zhǎng)（10～15 min），累積的水分較多，燒結(jié)礦表層和中間層急冷，導(dǎo)致轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度下降。燒結(jié)礦質(zhì)量情況見表6。

表6 燒結(jié)礦質(zhì)量

總的來看，噴吹蒸汽對(duì)燒結(jié)過程和燒結(jié)礦質(zhì)量是不利的。噴吹開始時(shí)間較遲的方案試驗(yàn)效果較好，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)噴吹方案的試驗(yàn)效果較差。在試驗(yàn)中，由于蒸汽的溫度和壓力比實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)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(yàn)方案煙氣中各種排放物的積累量與對(duì)照組的對(duì)比如圖1所示。

試驗(yàn)表明，噴吹水蒸氣各方案的耗氧超過對(duì)照組。這驗(yàn)證了水蒸氣在燃燒過程中起到催化作用的結(jié)論。但是，噴吹時(shí)間過長(zhǎng)反而會(huì)降低耗氧。方案3的噴吹時(shí)間最長(zhǎng)（15 min），耗氧最低，為對(duì)照組的90%。這說明噴吹水蒸氣應(yīng)控制在適宜的總量和時(shí)間內(nèi)，否則會(huì)對(duì)燒結(jié)過程中的耗氧產(chǎn)生負(fù)面作用。

圖1 燒結(jié)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(duì)照組減少。這說明燒結(jié)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(duì)氧的依賴，有助于降低燒結(jié)固體燃料消耗，降低廢氣中CO含量。各組試驗(yàn)方案的CO排放量相比對(duì)照組降低了5%～28%，噴吹時(shí)間長(zhǎng)，噴吹開始時(shí)間早有利于降低CO排放量，方案5的噴吹開始時(shí)間過晚（點(diǎn)火后7 min），CO排放量與對(duì)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(yīng)控制開始噴吹時(shí)機(jī)，開始時(shí)間太晚則效果不明顯。

在原燃料條件不變的前提下，燒結(jié)礦料層的最高溫度升高，高溫保持時(shí)間延長(zhǎng)，有利于 CO 對(duì)NOX的還原。試驗(yàn)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(xù)時(shí)間，從而導(dǎo)致NOX排放量普遍比對(duì)照組的高，方案3噴吹水蒸氣的時(shí)間最長(zhǎng)，NOX的排放量比對(duì)照組高12%。

潘建等人認(rèn)為[3]，SO2排放量主要受到燃料用量、燒結(jié)礦堿度及混合料含硫量等參數(shù)的影響。原燃料不變的試驗(yàn)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(jié)果使煙氣中SO2的排放量降低。因此，試驗(yàn)各方案的SO2排放量比對(duì)照組減少了23%～39%，減排效果明顯。噴吹結(jié)束時(shí)間接近燒結(jié)終點(diǎn)的方案，SO2排放量低。這說明應(yīng)盡可能在燒結(jié)終點(diǎn)以前持續(xù)噴吹水蒸氣抑制SO2排放量。

2.3 燒結(jié)過程耗氧量

料面噴加蒸汽，水分進(jìn)入燒結(jié)料層，改善了燃料的燃燒條件，提高了燃料的燃燒效率。燒結(jié)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(chǎn)生了吸熱作用，延緩了過濕帶下移的速度，致使燒結(jié)過程延長(zhǎng)。試驗(yàn)各方案的耗氧量濃度變化如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)各方案的耗氧量濃度變化

從圖2可以看出，對(duì)照組的耗氧量從點(diǎn)火開始持續(xù)升高，在燒結(jié)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(xù)時(shí)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(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，在噴吹后期耗氧量開始回升；噴吹水蒸氣對(duì)耗氧量的影響有一定的時(shí)間限度，方案4和方案5噴吹開始時(shí)間推后，開始噴吹時(shí)間越遲，耗氧量下降的持續(xù)時(shí)間越短，對(duì)耗氧量的影響也越小。

2.4 燒結(jié)煙氣中的CO濃度

料面噴加蒸汽改善了燒結(jié)過程的熱力學(xué)條件，增加了碳氧反應(yīng)面積，增強(qiáng)了煙氣的擴(kuò)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(jié)過程中CO的排放趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 燒結(jié)過程中CO的排放趨勢(shì)

從圖3可以看出，對(duì)照組的CO濃度在整個(gè)燒結(jié)過程中穩(wěn)步上升，達(dá)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(jié)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(shí)間較早（點(diǎn)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(xù)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(xù)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(duì)CO濃度的影響有限。方案4和方案5噴吹開始時(shí)間推后，方案4點(diǎn)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(diǎn)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(duì)CO濃度的影響基本集中在開始噴吹到點(diǎn)火后10 min的時(shí)間段。

2.5 燒結(jié)煙氣NOX濃度

楊林[2]等人認(rèn)為,影響燒結(jié)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(duì)NOX的還原能力，降低NOX濃度[3]。試驗(yàn)各方案NOX濃度變化如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)各方案NOX濃度變化

從圖4可以看出，各方案NOX濃度呈現(xiàn)中間高、兩頭低的趨勢(shì)[4]。NOX排放數(shù)據(jù)因?yàn)闊Y(jié)終點(diǎn)位置不同而略有偏移，且與基準(zhǔn)對(duì)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(yàn)中由于噴吹水蒸氣，CO含量大幅度降低，不利于NOX的還原，導(dǎo)致煙氣中的NOX濃度略有升高。

2.6 燒結(jié)煙氣SO2濃度

煙氣中的SO2濃度主要受硫在燒結(jié)料層的遷移規(guī)律所控制。試驗(yàn)各方案燒結(jié)煙氣中的SO2的濃度變化如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)各方案燒結(jié)煙氣中的SO2的濃度變化

從圖5可以看出，對(duì)照組燒結(jié)過程中產(chǎn)生的SO2氣體被水蒸氣和水分吸收，在通過燒結(jié)料層時(shí)，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(jìn)入煙氣。這時(shí)，煙氣中的SO2濃度達(dá)到峰值。隨著燒結(jié)過程的結(jié)束，SO2濃度降至0 。

料面噴吹水蒸氣后，SO2出現(xiàn)時(shí)間推遲。同時(shí)，SO2峰值濃度也較對(duì)照組降低了30%左右。方案3開始噴吹蒸汽的時(shí)間早（點(diǎn)火后3 min），噴吹持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)（15 min），雖然其SO2峰值濃度超過對(duì)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(duì)照組。方案3蒸汽開始噴吹較早，噴吹時(shí)間較長(zhǎng)，致使燒結(jié)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(chǎn)生了較多的SO2，另一方面SO2在過濕層中“儲(chǔ)存”時(shí)間較長(zhǎng)，因此最后過濕層消失時(shí)，SO2瞬間釋放峰值較高，但是SO2總排放量并未增加。

試驗(yàn)表明：燒結(jié)料面噴加蒸汽后，過濕層增厚，燒結(jié)過程延后，SO2在過濕層中吸收較多，因此峰值產(chǎn)生時(shí)間推遲，釋放不充分而降低了排放值。噴吹水蒸氣過多會(huì)使這一抑制作用失效，導(dǎo)致隨后出現(xiàn)的SO2峰值濃度過高。

3 結(jié)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(jié)節(jié)能降耗，可以起到CO減排和改善燒結(jié)礦質(zhì)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(dá)到23%～39%。蒸汽噴加量過大時(shí)，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(duì)燒結(jié)生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量的影響表現(xiàn)在降低成品率、燒結(jié)速率和利用系數(shù)等方面。

（3）控制噴吹開始時(shí)間不要太晚，噴吹持續(xù)時(shí)間不超過10 min，可以避免燒結(jié)過程參數(shù)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。