燒結(jié)過(guò)程添加尿素對(duì)SO2減排及燒結(jié)礦質(zhì)量的影響

謝春帥

（河鋼集團(tuán)邯鋼公司煉鐵部，河北 邯鄲056015）

鋼鐵是國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的主要材料，對(duì)交通、國(guó)防、建筑、機(jī)械制造及汽車工業(yè)的發(fā)展起到了支撐作用，是不可替代的工業(yè)基礎(chǔ)原材料，同時(shí)鋼鐵工業(yè)是世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可或缺的支柱產(chǎn)業(yè)[1]。但在鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中，特別是燒結(jié)過(guò)程中煙氣量大，SO2的濃度高[2]，脫硫設(shè)備建設(shè)、運(yùn)行費(fèi)用高，運(yùn)行負(fù)荷大，副產(chǎn)品利用價(jià)值低[3]，成為鋼鐵生產(chǎn)的瓶頸之一。

燒結(jié)煙氣脫硫的方式主要包括源頭治理、過(guò)程治理、末端治理。其中，源頭治理是通過(guò)使用硫含量較低的含鐵原料、熔劑和燃料來(lái)降低燒結(jié)煙氣中的SO2，但會(huì)造成噸鋼成本增加，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力下降；過(guò)程治理主要是使用煙氣循環(huán)工藝，SO2能夠降低25%左右[4-5]；末端治理主要采用鈣法，但在此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量二次污染物——脫硫廢灰。

實(shí)驗(yàn)室研究表明[6]，通過(guò)加入一定量的尿素，借助燒結(jié)過(guò)程能夠脫除煙氣中的部分SO2，且沒(méi)有二次污染物產(chǎn)生，是一項(xiàng)值得推廣的技術(shù)。筆者以邯鋼新435 m2燒結(jié)機(jī)配加0.04%的尿素為研究對(duì)象，探究了尿素對(duì)燒結(jié)過(guò)程中SO2減排及燒結(jié)礦質(zhì)量的影響，作為尿素?zé)Y(jié)法工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 燒結(jié)混合料配礦結(jié)構(gòu)

邯鋼新435 m2燒結(jié)機(jī)所用含鐵原料主要為PB粉、紐曼、楊迪、巴卡、巴混和南非等。燒結(jié)混勻料配料結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

1.2 尿素

實(shí)驗(yàn)使用的尿素為普通工業(yè)尿素，GB/T 2440—2017，總氮（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）≥46.0%，尿素顆粒粒度1.18～3.35mm。

表1 配礦結(jié)構(gòu)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

1.3 試驗(yàn)方法

在新435 m2燒結(jié)機(jī)進(jìn)行添加尿素試驗(yàn)。試驗(yàn)期間綜合上料量800 t/h，機(jī)速2.02 m/min，日產(chǎn)燒結(jié)礦13 700 t。固體顆粒尿素采用人工均勻撒在燒結(jié)機(jī)圓輥處，隨混合料鋪在燒結(jié)臺(tái)車上（如圖1所示）。尿素加入量為0.04%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。采用新435 m2燒結(jié)機(jī)脫硫脫硝在線數(shù)據(jù)平臺(tái)連續(xù)測(cè)定相關(guān)數(shù)據(jù)，將時(shí)間段內(nèi)的平均值做為燒結(jié)煙氣SO2密度，避免了間斷測(cè)量產(chǎn)生的偶然誤差。未添加尿素的燒結(jié)礦質(zhì)量采用最近6組數(shù)據(jù)（一天時(shí)間內(nèi)）的平均數(shù)，添加尿素的燒結(jié)礦分兩次取樣，分別記做“添加1”和“添加2”。

圖1 人工添加尿素

2 結(jié)果與討論

2.1 添加尿素對(duì)燒結(jié)過(guò)程SO2減排的影響

在尿素加入前，燒結(jié)機(jī)機(jī)頭煙氣中的ρ（SO2）為1 100 mg/m3。在加入尿素45 min后，即含有尿素的混合料完全到達(dá)燒結(jié)機(jī)機(jī)尾時(shí)，ρ（SO2）的濃度降低到550 mg/m3，即SO2減排量為50%。尿素加入前后機(jī)頭煙氣的SO2濃度對(duì)比如圖2所示。

圖2 尿素加入前后機(jī)頭煙氣SO2濃度對(duì)比

在添加尿素的燒結(jié)過(guò)程中，發(fā)生了一系列物理和化學(xué)反應(yīng)，建立起SO2的排放屏障。尿素具有熱不穩(wěn)定性，在150～160℃時(shí)分解產(chǎn)生氨氣，氨氣與燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的SO2在氧化氣氛下反應(yīng)，生成（NH4）2SO4。尿素在燒結(jié)SO2減排過(guò)程中發(fā)生的反應(yīng)主要有：

2.2 添加尿素對(duì)燒結(jié)礦質(zhì)量的影響

轉(zhuǎn)鼓指數(shù)是評(píng)價(jià)燒結(jié)礦常溫強(qiáng)度的一項(xiàng)重要指標(biāo)。未添加尿素與添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.04%尿素?zé)Y(jié)后，燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)見(jiàn)表2。

表2 添加尿素對(duì)燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)的影響

從表2可以看出，未添加尿素的燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)為77.47%，小于5 mm的為2.47%；添加尿素的燒結(jié)礦的轉(zhuǎn)鼓指數(shù)分別為77.20%和77.47%，小于5 mm的分別為3.37%和2.29%，平均粒度分別為24.68 mm和25.12 mm。通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐得知，添加尿素對(duì)燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度的影響可以忽略不計(jì)，不會(huì)對(duì)高爐的生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響。

向燒結(jié)混合料中添加0.04%的尿素，在燒結(jié)過(guò)程中，尿素分解，造成燒結(jié)料孔隙度增加，但在燒結(jié)過(guò)程中形成液相，通過(guò)液相的流動(dòng)將尿素分解生成的多數(shù)孔洞填補(bǔ)，從而保證了燒結(jié)礦的粒度和強(qiáng)度。如果要提高燒結(jié)礦的強(qiáng)度，降低孔隙率，那么可以通過(guò)適當(dāng)降低壓料器的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

從圖3可以看出，在未添加尿素的生產(chǎn)過(guò)程中，燒結(jié)礦中的硫含量為0.022%；添加尿素后，取得兩組試樣，硫含量分別為0.023%和0.022%。從而可以得出，添加尿素的燒結(jié)過(guò)程中生成的（NH4）2SO4是以一定狀態(tài)隨煙氣進(jìn)入大煙道，而不是存在于燒結(jié)礦中，保證了高爐生產(chǎn)過(guò)程鐵水中的硫含量。

圖3 添加尿素對(duì)燒結(jié)礦中硫元素含量的影響

3 結(jié)論

通過(guò)在燒結(jié)混合料中添加尿素，可以形成SO2的排放屏障。當(dāng)混合料中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%的尿素時(shí)，燒結(jié)機(jī)機(jī)頭煙氣中的SO2質(zhì)量濃度由1 100 mg/m3降低到550 mg/m3，減排量為50%。

尿素?zé)Y(jié)法對(duì)燒結(jié)礦的質(zhì)量影響不大。在混合料中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%的尿素時(shí)，燒結(jié)礦中的硫含量沒(méi)有變化，燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓指數(shù)略有變化，但不會(huì)影響高爐生產(chǎn)。

通過(guò)尿素?zé)Y(jié)法可以大幅度降低煙氣中的SO2濃度，這樣可以在不增加脫硫設(shè)備負(fù)荷的條件下，使用一些硫含量較高的低價(jià)料，使鐵前獲得更有利的成本優(yōu)勢(shì)。