馬鋼2×380 m2燒結(jié)機(jī)NOx減排實踐

梁長賀，徐冰，黃世來，張群山

(馬鋼股份公司第三煉鐵總廠 安徽馬鞍山 243000)

眾所周知氮氧化物(NOx)是造成大氣污染的主要污染源之一，破壞自然生態(tài)環(huán)境危害人體健康。NOx也是化學(xué)光幕和酸雨的重要形成原因之一，同時NOx還會在大氣臭氧層中與臭氧反應(yīng)，破壞臭氧層，形成“臭氧空洞”[1]。鋼鐵行業(yè)中各設(shè)備放出的NOx總量占固定發(fā)生源中的二位，僅次于排名第一的SO2的排放量，其中，燒結(jié)過程N(yùn)Ox排放量約占鋼鐵廠NOx排放總量的二分之一[2]。因此，減少燒結(jié)NOx的排放，可有效的降低鋼鐵廠NOx的排量。馬鋼三鐵總廠燒結(jié)(以下簡稱“三鐵”)通過降低燃料消耗與對過程的控制，有效的減少了NOx的排放。排放量由2015年的2341378.15 kg下降到2016年的2067390.99 kg，平均濃度由182.01 mg/m3下降到136.26 mg/m3，為馬鋼節(jié)能環(huán)保生產(chǎn)做出了貢獻(xiàn)。

1 NOx生成機(jī)理

根據(jù)氮的來源，可把燒結(jié)煙氣中NOx歸結(jié)于兩大類：一類是空氣的氮與氧在高溫作用下生成NOx；另一類是燃料的氮化物與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放出NOx。Bosch等研究表明，將燃燒過程中產(chǎn)生的NOx分為三種類型，即熱力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx[3]。

D.Schlebusch等的研究[3]表明：在燒結(jié)生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生的NOx主要是燃料型NOx為主，幾乎沒有熱力型NOx和快速型NOx，而且主要以NO為主，只有微量的NO2存在。所以減少燃料型NOx可以有效的降低燒結(jié)煙氣NOx的排放量。

2 馬鋼三鐵燒結(jié)NOx減排實踐

綜合NOx的生成機(jī)理以及實際生產(chǎn)情況，三鐵燒結(jié)主要從以下兩個方向下手：一是，從源頭上減少NOx的生成，減少原料中氮的帶入量，從而達(dá)到減少燒結(jié)煙氣NOx排放的目的；二是，從燒結(jié)過程中減少NOx的生成，合理控制混合料的水分、小風(fēng)量低負(fù)壓操作等方法來減排。

2.1 從源頭上減少NOx的生成

2.1.1 降低固體燃料消耗

在降低燃料消耗可以有效的降低燃料型NOx的生成，三鐵燒結(jié)主要從以下幾個方面來降低燃料消耗：

1)優(yōu)化混勻礦配礦結(jié)構(gòu)。張清岑、楊玉兵等研究者[4]-[6]，通過燒結(jié)生產(chǎn)試驗研究認(rèn)為，褐鐵礦與磁鐵礦的配礦比例對燒結(jié)過程中的固體燃料有著直接的影響。褐鐵礦中含有大量的結(jié)晶水，在燒結(jié)過程中分解、汽化都要吸收大量熱量，因此配用較高比例的褐鐵礦時，燒結(jié)固體燃耗會有顯著的上升；同時由于磁鐵礦的放熱反應(yīng)對降低燒結(jié)固耗作用較為明顯。因此在全面考慮基礎(chǔ)燒結(jié)性能以及降本等因素的前提下，在配礦時合理兼顧各礦種的性價比，在一定范圍內(nèi)對混勻礦的配礦結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化，減少褐鐵礦比例、適度增加磁精礦比例，為降低燒結(jié)固耗減少NOx的排放奠定基礎(chǔ)。

從16年4月開始揚(yáng)基礦比例逐步下調(diào)至21%比例以下，半褐鐵礦折合比例基本維持在13%左右，同時階段性根據(jù)資源情況提高磁鐵礦的配比，如下圖1所示。

圖1 2015年和2016年燒結(jié)含鐵料結(jié)構(gòu)

2)優(yōu)化燃料粒度分布。李丙來, 劉振林等[7]通過試驗得出，適宜的燃料粒級分布可以有效的提高燒結(jié)的垂直燃燒速度，增加燒結(jié)產(chǎn)量。從提高燒結(jié)利用系數(shù)和降低固體燃耗的角度而言，通過最小的燃料配比，達(dá)到燒結(jié)所需溫度，而固體燃料的燃燒速度，受燃料的燃燒性、粒度和外部燃燒條件所影響。從熱力學(xué)分析，碳燃燒時，燃料粒度越小，則燃燒速度越快，燃燒帶寬度窄，對液相的生成結(jié)晶長大有抑制作用，進(jìn)而降低燒結(jié)礦的強(qiáng)度。反之粒度越大，則燃燒所需要的時間就越長，熱量的利用率就越高，但同時燃燒時間過長，進(jìn)而燒結(jié)料層的高溫區(qū)也會隨著變寬，從而導(dǎo)致燒結(jié)料層的熱態(tài)透氣性變差；同時燃料中的氮與氧結(jié)合生成NOx的速率是與燃料的燃燒速率正相關(guān)，即焦炭中的氮是隨著燃料的燃燒而逐步產(chǎn)生的。因此，燒結(jié)生產(chǎn)中燃料粒度過大或者過小都對燒結(jié)過程有影響，應(yīng)把燃料的粒度控制在適宜的范圍內(nèi)。 燃料粒級應(yīng)有一個適應(yīng)當(dāng)前生產(chǎn)工藝條件、設(shè)備狀態(tài)的合理控制范圍，利于有效降低固體燃料的消耗。根據(jù)實際試驗結(jié)果以及生產(chǎn)實效，逐步對燃料破碎粒級小于3 mm的粒級比例適度放寬，由原要求小于3 mm粒級比例控制下線77%，適應(yīng)性調(diào)整至小于3 mm粒級比例下線控制值為73%左右進(jìn)行實績運(yùn)行控制。不同燃料粒級所對應(yīng)的燒結(jié)指標(biāo)情況如表1所示。

3)降低煤粉比例。遼寧科技大學(xué)關(guān)于燒結(jié)煙氣NOx與固體燃料成分相關(guān)性的試驗結(jié)果顯示[8]：NOx的排放量與燃料中煤的配用量成正比。

表1 不同燃料粒級所對應(yīng)的燒結(jié)指標(biāo)

由上述結(jié)果可知，穩(wěn)定并降低煤的配比可以降低NOx的排量。2015年三鐵的固體燃料煤焦配比主要由高爐篩下返焦量決定。由于高爐爐況的變化以及焦炭質(zhì)量的影響，篩下返焦量也隨著波動。2016年為降低且穩(wěn)定配比，高爐篩下返焦量過大時，外排料堆儲備，利用料條備焦調(diào)節(jié)，保證煤的配比在20%～30%之間，降低煤的配用量，有效降低了氮的帶入量。2015年與2016年燃料用量與無煙煤的配比如表2所示。

表2 2015年與2016年燃料用量(t)與無煙煤的配比(%)

2.1.2 降低氣體燃料消耗

降低氣體燃料消耗可以有效的降低氣體燃料中氮的帶入量，從源頭上能夠減少NOx的生成。對電火爐火嘴進(jìn)行改造，有效的降低煤氣的消耗。

三鐵總廠380 m2燒結(jié)機(jī)進(jìn)行了點火爐的改型和優(yōu)化。采用了幕簾式新型點火爐(如下圖2所示)，點火爐整體密封性較好，點火均勻、效率高，為厚料層燒結(jié)點火效果提升創(chuàng)造了有力條件。新型點火爐采用了MLS型燒嘴(如下圖3所示)，采用了擴(kuò)散式二次燃燒方式、火焰穩(wěn)定、不回火、不脫火，幕簾狀火焰的寬度為300～400 mm，火焰長度為0.3～0.5 m。同時新型點火爐爐膛高度由原來的350mm高度下降為280 mm。新點火爐使用空氣預(yù)熱系統(tǒng)，在點火爐保溫段使用熱交換器，對點火空氣進(jìn)行加熱，點火助燃空氣溫度由常溫提高至現(xiàn)場測量的約60～80 ℃從而進(jìn)一步節(jié)約了煤氣使用量。新點火爐采用了幕簾風(fēng)隔熱技術(shù)，使得點火爐內(nèi)溫度保持在較高的水平且溫度不外泄，使得煤氣使用量進(jìn)一步減少。

圖2 幕簾式點火爐示意圖

圖3 幕簾式燒嘴

2.2 從燒結(jié)過程中減少NOx的生成

潘建、張英[9-10]等的研究認(rèn)為：影響燒結(jié)過程中的NOx的生成因素主要有，水分的影響、燒結(jié)料層厚度、燒結(jié)的溫度、風(fēng)量負(fù)壓的影響。

水分的影響。燒結(jié)過程中的水具有助燃、潤滑、導(dǎo)熱和制粒作用。隨著水分的增加，煙氣中NOx的濃度也隨之增高，燒結(jié)速度也有所加快。燒結(jié)的水分控制由原來的6.05%逐步調(diào)整至5.95%控制，其有利于減少固耗的降低和NOx的減排。

燒結(jié)料層厚度的影響。隨燒結(jié)料層厚度增加，煙氣中NOx濃度也會大幅度的減少。由于厚料層的自動蓄熱作用，可以延長高溫區(qū)的停留時間，液相的形成起到促進(jìn)作用，因此，可以有效的降低燒結(jié)過程中固體燃料的消耗，降固耗的的同時也降低了氮的帶入量，煙氣中生成的NOx也得到有效的降低；同時降低燃料配比有利于提高料層局部的氧位，可對鐵酸鈣的形成起促進(jìn)作用，也有利于減少NOx的生成；此外，燒結(jié)料層增厚，料層透氣性也會隨之變差，單位時間和單位面積上通過的風(fēng)量減少，料層中氧含量有所降低，這又可減緩NOx的形成。因此，高料層燒結(jié)可減少NOx的排放。因此三鐵燒結(jié)采用900 mm厚料層操作，即有利于降耗又有利煙氣NOx的減排。

小風(fēng)量低負(fù)壓操作。眾所周知在燒結(jié)實際生產(chǎn)中，料層的厚度與成品率成正比，但隨著料層厚度的增加，也會增加通過料層風(fēng)量的阻力，氣流不通暢，因此，提高料層就必須提高負(fù)壓；漏風(fēng)率也會隨著負(fù)壓的增大而提高，進(jìn)而大幅度的增加主抽風(fēng)機(jī)電耗。與此同時，過高的負(fù)壓，也會惡化透氣性，反而降低生產(chǎn)率。三鐵燒結(jié)通過對風(fēng)量分布進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)尾部及兩側(cè)風(fēng)量過剩，通過對其研究以及生產(chǎn)經(jīng)驗，采取了技術(shù)措施，即燒結(jié)料面沿臺車前進(jìn)方向進(jìn)行“風(fēng)量再分配”。其控制思路是在透氣性較差的階段采用較高抽風(fēng)負(fù)壓，而在過濕層消失后透氣性較好階段采用低負(fù)壓燒結(jié)，以形成了“低壓、恒速、均風(fēng)、超厚料層”燒結(jié)的操作模式。小風(fēng)量的同時也會減少風(fēng)中氧的含量，進(jìn)而降低NOx的的生成。

3 效果

三鐵燒結(jié)2015年與2016年NOx排放如下表3所示，2016年NOx排放總量為2067390.99 kg，比2015年減少273987.16 kg。平均濃度由182.01 mg/m3下降到136.26 mg/m3。

表3 2015年與2016年NOx排放情況

通過對源頭的把控與過程的控制，實現(xiàn)了NOx減排的目的，同時降低能量的消耗，響應(yīng)了國家節(jié)能減排的號召，并取得了一定效果，同比上一年減少NOx排放294 t。

4 結(jié)論

1.實現(xiàn)了燒結(jié)礦滿足高爐用礦的情況下降低燒結(jié)燃料消耗，取得了顯著的效果，實現(xiàn)了固體燃耗由53.5 kg/t水平到52 kg/t水平。

2.通過對源頭與過程的控制，降低NOx的生成，2016年同比2015年NOx減排294 t。

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