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烧结烟气环保节能处理的工艺设计

钢铁生产过程中约有51%~62%的SO2及48%的NOx来自烧结工序,烧结已是SO2和NOx的最大产生源[1],而目前对于烧结烟气污染物的脱除大部分采取针对某种污染物单独的末端处理工艺,随着国家对烟气中污染物限制排放种类的增多及排放量的要求越发严格,单一污染物的末端处理工艺配置越来越复杂,占地越来越大,造成建设投资及生产运行成本不断攀升。烧结工序余热也是单一部位的回收利用,同样造成了设备投资运行、场地占用等多方面的浪费。


烧结生产过程中,原燃料中存在的硫被高温氧化成气态的SO2,而燃料中存在的氮氧化物被高温氧化成气态的NOx。据潘建博士等科研人员的研究结论,在不同的烧结区段,随着烧结气氛中O2和COx浓度的变化,烟气中SO2和NOx浓度随着料温不断升高也产生了相应的变化[2]。


1 烧结烟气中SO2、NOx、COx浓度在烧结过程中分布特点


1.1 SO2的形成与烟气温度的关系


烧结烟气中的SO2主要是由含铁原料中的FeS2、FeS和燃料中的有机硫、FeS2、FeS氧化生成,还有部分来自硫酸盐的高温分解[3],存在于烧结生产的整个过程。在烧结生产过程中,烟气温度快速升高之前(即过湿带完全消失之前),烟气中SO2浓度一直处于较低且较稳定的状态;当烟气温度开始快速升高(即干燥带接近烧结料底层)时,料层原先吸附的SO2快速释放导致SO2浓度迅速升高;当燃烧带接近烧结料底层和达到烧结终点之前,SO2浓度达到最大值。


由此可以看出,烧结生产过程中的SO2浓度与烟气温度存在对应关系,但SO2浓度最大值出现的时间点比烟气温度最高点出现的时间点要提前一些[4]。


1.2 NOx形成与烟气温度的关系


烟气中NOx的形成主要有三种方式,燃料型、热力型及快速型,烧结烟气中NOx主要是由气体、固体燃料的燃烧产生,为燃料型NOx,而热力型及快速型NOx生成量很少。烟气中生成的NOx也主要以NO为主,只有很少量的NO2。


烧结过程的主要产物是铁酸钙,据有关研究发现,在CO还原NO的反应中铁酸钙起到显著的催化作用,它先被CO还原再被NO氧化,因此该反应属于自催化。同时铁酸钙催化NO还原还服从多相催化的吸附活化物理论,在铁酸钙催化剂活性部位发生NO分子吸附、离解、表面活性物种的重组和产物脱附的反应,在这两种反应机理共同作用下,该还原反应的活化能由246.68kJ/mol降到138.80kJ/mol,且加快了反应速度。铁酸钙有3种,催化能效依次为CaO·Fe2O3>CaO·2Fe2O3>2CaO·Fe2O3。


因此,在烧结过程中应尽可能的产生铁酸钙系粘结相,在烧结矿表层形成铁酸钙,以便达到铁酸钙自催化NOx还原的效果,这样不仅能减少烟气中NOx的排放,同时可降低NO排放浓度近44%,还可改善烧结产量质量指标


1.3 COx形成与烟气温度的关系


烧结烟气中的COx主要由气体及固体燃料的燃烧产生,由于固体燃料在混合料中分散分布,其燃烧规律介于单体焦粒燃烧与焦粒层燃烧之间,属非均相反应[2]。在点火阶段,烟气中的COx浓度快速上升,其中CO从0%升到约7%,CO2从0%升到14%左右;而烟气中的O2浓度从20.9%降到2%左右。


点火后,烧结过程中CO浓度快速降到2%左右后基本不变,CO2浓度则一直在14%左右波动;O2浓度波动方向均与CO2浓度的波动方向相反,这种现象一直持续到烧结终点前2~3min。当烧结烟气温度达到最高点时,O2浓度恢复至空气中O2浓度水平,CO浓度降至很低,而CO2浓度则几乎为零。


2 烧结烟气余热利用


烧结烟气余热主要来自以下两方面:


(1)冷却机高温段的废烟气温度约为350~420℃[5],这部分废烟气显热约占总热量的29.3%。近年来,冷却机高温废烟气余热回收技术(余热蒸汽用于发电或汽拖带动烧结主抽风机)已开始广泛应用推广。


(2)烧结机尾风箱高温段烟气温度约为320~400℃[5],这部分烟气显热约占总热量的23.6%,目前主要用于烟气循环烧结或烟气余热回收产蒸汽。烧结生产采用热风烧结、点火保温工艺后,可降低燃料消耗,促进产物中铁酸钙的形成,防止台车中的烧结矿在出点火器后表层温度骤降造成强度变差,增加烧结返矿率。因此热风烧结能有效提高烧结矿强度,改善烧结矿质量,降低燃料消耗。


据有关统计数据,采用热风烧结工艺,烧结产量可提高2%,转鼓指数提高1.5%,成品率提高2%,燃耗降低12%~15%,固体燃耗降低2%~4%[6]。


烧结工序这两块余热目前大都只是单一回收利用,从实现能源梯级利用的高效性和经济性角度分析,将这两块余热进行综合回收处理是最大限度提高有效余热利用的发展方向。


3 选择性烧结烟气分段式综合处理工艺


依据上述有关烧结烟气中SO2、NOx、COx浓度在烧结过程中分布的研究结论,结合有关烧结机尾烟气热风烧结的实践,以210m2烧结机为例,设计一种选择性的烧结烟气分段式综合处理工艺。该工艺是将热风烧结生产工艺与烟气脱硫脱硝分段治理工艺有机结合的烧结烟气环保减排综合处理工艺。


3.1 工艺方案


210m2烧结机共22个风箱,其中烧结机机头开始设置3个2m风箱,中部设置17个3m风箱,尾部设置2个2m风箱,有效烧结长度61m。某烧结厂210m2烧结机各风箱检测风温见表1。


表 1210m2烧结机各风箱烟气温度

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依据上述研究结论,将烧结机风箱沿台车运行方向分为四个区域,加上环冷机高温段废烟气区域共五个区域,如图1所示。


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图1分段式烧结烟气环保节能处理工艺示意图


区域①(烧结烟气点火区域):由No.1~No.3风箱组成,烧结烟气SO2、CO浓度较高,NOx浓度很低;区域②(烧结烟气直排区域):由No.4~No.11风箱组成,烧结烟气中SO2浓度较低;区域③(烧结烟气脱硫区域):由No.12~No.19风箱组成,烧结烟气中SO2浓度很高;区域④(烧结烟气脱硝区域):由No.20~No.22风箱组成,烧结烟气温度在320℃以上,烟气中NOx、O2含量浓度很高,SO2、COx浓度很低;区域⑤(冷却机高温烟气区域):包含环冷机一冷段及部分二冷段废烟气。


该工艺流程为:


(1)将区域①烧结烟气汇集到机头烟气循环管道,烟气经机头多管除尘器除尘后由机头烟气循环风机引至烧结机的烟气循环罩⑧进行烟气循环烧结。如此一方面将区域①和区域③烟气中的SO2汇集,实现SO2富集后进行烟气脱硫;另一方面区域①烟气中CO浓度较高,可以利用烧结料层中铁酸钙对NOx的自催化还原作用,进一步降低区域③脱硫烟气中NOx的浓度;


(2)将区域②和热风烧结烟气汇集到烧结烟气直排管道,经烧结电除尘器除尘后,由烧结主抽风机引至烧结主烟囱直接排放;


(3)将区域③和循环烧结烟气汇集到脱硫烟气管道,烟气经脱硫电除尘器除尘后进入脱硫设施进行脱硫处理,然后由脱硫风机引至烧结烟气直排管道汇集,最终由主烟囱排放;


(4)将区域④烧结烟气汇集到脱硝烟气管道,烟气经机尾多管除尘器除尘后进入脱硝设施进行SCR法脱硝处理,然后由脱硝风机引至热烟气混合风箱和区域⑤的烟气汇集形成混合热烟气,该烟气经余热利用设施后由热风循环风机引至烧结机的烟气循环罩⑦进行热风烧结。这部分烟气温度高,且O2含量接近空气中的水平,如此既能利用热烟气的物理热减少燃料消耗,又能利用混合料层对SO2的强烈吸附作用及烧结料层中铁酸钙对NOx的自催化还原作用,进一步降低直排烟气中SO2、NOx浓度。


3.2 工艺配置


(1)烧结机:有效抽风面积为213.5m2,栏板高度700mm,台车宽度3.5m;


(2)环冷机:有效冷却面积为228m2,栏板高度1500mm,台车宽度3.2m;


(3)烧结烟气1段(区域①):烟气参数:风量2100m3/min(工况),风温100~120℃,风压(-10~-12)kPa;主要工艺设备:机头多管除尘器、机头烟气循环风机、机头烟气循环管道及相应的管道阀门;


(4)烧结烟气2段(区域②):烟气参数:风量8400m3/min(工况),风温90~110℃,风压-16.5kPa;主要工艺设备:烧结电除尘器(有效除尘面积150m2)、烧结主抽风机(功率3200kW)、烧结烟气直排管道及相应管道阀门;


(5)烧结烟气3段(区域③):烟气参数:风量8400m3/min(工况),风温120~180℃,风压-16.5kPa;主要工艺设备:脱硫电除尘器(有效除尘面积150m2)、脱硫风机(参数视具体脱硫方式而定)、烟气脱硫设施、脱硫烟气管道及相应管道阀门;


(6)烧结烟气4段(区域④):烟气参数:风量2400m3/min(工况),风温320~400℃,风压(-8~-10)kPa;主要工艺设备:机尾多管除尘器、脱硝风机、烟气脱硝设施(SCR)、脱硝烟气管道及相应管道阀门;


(7)烧结烟气5段(区域⑤):烟气参数:风量35万m3/h,风温360~420℃;主要工艺设备:环冷机高温废烟气管道及相应管道阀门;


(8)烧结烟气6段(烟气余热综合利用部分):烟气参数:风量42万m3/h,风温360~400℃;主要工艺设备:热烟气混合风箱、热风循环风机、烟气余热利用设施、热风循环烟气管道及相应管道阀门。


3.3 新工艺与常规烟气系统工艺配置对比


新烧结工艺的工艺配置与常规配置在烧结机、环冷机等主体设备上完全相同,主要区别在于烟气系统。


常规烟气系统工艺配置如下:


(1)烧结主抽风系统(两个烟道分为两个系统配置):主要烟气参数(单个):风量11000m3/min(工况),风温80~120℃,风压-16.5kPa;主要工艺设备:1号烟道机头除尘器(有效除尘面积200m2)、1号烟道烧结主抽风机(功率4200kW)、2号烟道机头除尘器(有效除尘面积200m2)、2号烟道烧结主抽风机(功率4200kW)、大烟道及相应管道阀门。


(2)烧结烟气脱硫系统:主要烟气参数:风量22000m3/min(工况),风温80~120℃,风压视具体脱硫方式而定;主要工艺设备:脱硫除尘器、脱硫增压风机、脱硫烟气管道及烟气挡板阀门等烟气阀门。

新工艺的工艺配置有以下特点:


(1)将烧结机头及机尾部分烟气进行烟气循环烧结,相对常规烧结烟气全排工艺,新工艺整体外排烟气量减少23.6%,相应的电除尘器及烧结主抽风机配置减小,烧结主抽风机功率减少23.8%;


(2)将烧结机头烟气循环至烧结中部脱硫段,烟气中硫富集后将脱硫段烟气引出脱硫,相对常规烧结烟气全脱工艺,新工艺脱硫烟气处理量减少61.8%,脱硫烟气中SO2浓度提高50%左右,同时减少NOx的排放浓度,相应的脱硫除尘器、脱硫风机配置减少,烧结烟气脱硫、脱硝设施的设备投资和生产成本分别减少40%左右;


(3)依据烧结烟气中NOx浓度分布特点,有针对性的进行SCR脱硝,在满足即将执行的新环保排放要求的前提下,减少脱硝设施配置及设备占地,实现降低投资建设及运行成本;


(4)烧结机尾高温段烟气和环冷机高温段废烟气整体综合考虑,采用一套余热利用设施,整体建设投资及设备占地相比以往大烟道烟气余热利用和环冷机烟气余热利用设施分别减少30%左右;


(5)若脱硫工艺采用氨法,可与脱硝SCR法所用氨原料统一考虑,实现脱硫脱硝原料来源、储运、制备整体统一规划,使建设投资及设备占地相比以往脱硫脱硝设施减少15%左右。


4 结论


依据有关烧结烟气中SO2、NOx、COx浓度在烧结过程中分布的研究结论,结合有关烧结烟气余热利用的实践,以210m2烧结机为例,设计一种选择性的烧结烟气分段式综合处理工艺。与传统工艺相比,可减少外排废烟气量23.6%,烧结电除尘器及烧结主抽风机配置型号相应减小,烧结主抽风机功率减少23.8%;脱硫时处理烟气量减少40%~60%,脱硫烟气中SO2浓度提高50%左右,同时减少NOx的排放浓度,烧结烟气脱硫、脱硝的设施投资和生产成本分别减少40%左右。


而热风烧结可使烧结矿产量提高2%,转鼓指数提高1.5%,成品率提高2%,燃耗降低12%~15%,固体燃耗降低2%~4%;相对常规环冷机废烟气余热发电每吨烧结矿可增发5kWh;余热蒸汽用于汽拖烧结主抽风机相当于每吨烧结矿节省电耗25kWh,实现了烧结烟气集中脱硫脱硝、余热综合利用及烟气减排,降低投资及运营成本,符合循环经济运行模式。

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