聶紹昌

( 新余鋼鐵集團有限公司，江西 新余 338001)

摘 要: 鋼鐵廠燒結工序是有害氣體 NO_x 的主要來源之一，減少燒結煙氣中 NO_x 的排放，對環境保護具有重要意義。本文針對目前新鋼燒結過程 NO_x 排放濃度高的問題，結合新鋼實際燒結過程中原燃料條件參數、工藝條件參數對煙氣中 NO_x排放濃度的影響規律，提出了一些有效的燒結過程 NO_x 減排控制方法，并在生產過程中采取從源頭降低原燃料帶入 N、降低固體燃料配比、強化制粒改善料層透氣性、提高料層厚度等措施抑制燒結過程中 NO_x 的產生。結果表明，文中采取的措施皆有利于減少燒結煙氣中 NO_x 的排放，排放濃度可以降低 10% ～20%。

關鍵詞: 燒結； NOx；煙氣減排；過程控制

1 前 言

燒結工序是鋼鐵企業主要的 NO_x 排放源之一，約占排放總量的一半。因此，控制和減少燒結工序 NO_x 的產生與排放是整個鋼鐵行業NO_x 減排的關鍵環節，其已成為鋼鐵企業污染物治理的重點。在燒結生產過程中，煙氣中產生的大量有毒有害物質主要包括顆粒物、硫氧化物、NO_x 、二噁英等。全國燒結過程排放的NO_x 總量每年有100 萬 t 左右，約占總排放量的6%^［1］ 。NO_x 不僅容易形成光化學煙霧，危害人體健康，而且易形成酸雨，污染生態環境。我國從上世紀 90 年代起，開始重視燒結過程煙氣脫硫的問題，使得燒結煙氣 SO 2 的排放得到有效控制，但對于脫硝問題，與發達國家相比仍存在很大差距，日本燒結機 90% 進行煙氣脫硝處理，而我國僅有幾家燒結廠對煙氣脫硝進行了處理^［2］。隨著環保要求日益嚴苛，燒結煙氣中 NO_x 的減排治理已經擺上鋼鐵企業環保治理日程。本文闡述了燒結過程中 NO_x 產生的原因，同時結合新鋼生產實際，給出了一些生產中減少 NO_x 產生的措施，以供同行借鑒與參考。

2 新鋼燒結生產條件及 NO_x 的排放現狀分析

新鋼燒結原料配料情況如表 1 所示，主要的幾種固體燃料如表 2 所示，新鋼燒結生產主要的工藝參數如表 3 所示。

由表 1 可知，新鋼燒結生產采用的熔劑有四種，其中生料熔劑有石灰石粉和白云石粉，熟料熔劑有鈣石灰 ( 鈣質生石灰) 和鎂石灰( 鎂質生石灰) ; 固體燃料為焦粉和無煙煤按一定比例混用。且由表 2 可知，新鋼燒結生產采用的燃料中含 N 較高的為固體燃料，其中煤粉N 含量最高，來源品種不同 N 含量差異較大，同一品種在不同時間 N 含量也有差異。

為了找出新鋼燒結生產條件下 NO_x 的排放規律，調取了 2018 年 4 ～ 5 月份 6 # 燒結機脫硫出口煙氣中 NO_x 的排放數據 ( 環保局測試結果) ，結果如圖 1 所示。

從圖 1 可以看出，4 ～5 月份 NO x 實測濃度平均約為 271 mg/m 3 ，相應工況條件下排放煙氣中氧氣含量為 15. 64%左右，出口煙氣的 NO_x排放數據處于高位，且 NO_x 實測濃度瞬時值波動較大，有時出現短時超過 300 mg/m³ 的情況。結合新鋼生產實際，分析出口煙氣 NO_x 濃度較高的原因主要有: ①新鋼為降低成本采用了較多的低價高 N 無煙煤，有的無煙煤 N 含量甚至超過 1%; ②由于點火爐下方的 1 # 、2 # 和 3 # 風箱結構有缺陷、維護不善導致密封效果差，燒結點火負壓較高; ③燒結礦堿度控制在 1. 85，有時低至 1. 7，未達到高堿度燒結礦適宜的堿度水平; ④混合料水分較高，有時超過8. 33%，料層厚度也偏低，不到 700 mm，有時甚至低至600 mm，沒 有 鋪 滿 布 料; ⑤ 燒 結 礦 FeO 在8. 5%左右，燒結溫度處在較高的水平。

3 燒結過程 NO_x 生成的影響因素

燒結過程中，自點火后原料開始進行燒結，自上而下可以分為燒結礦帶、燃燒帶、干燥預熱帶、過濕帶和原始燒結料帶 ^［3］。燒結過程中，燒結帶自上而下逐層推進，燃料中的 NO_x 在預熱層開始大量生成^［4］，燒結帶以下各斷面 NO_x濃度基本相同，不同高度位置處最大 NO_x 濃度相差不大，未出現 NO_x 積聚現象。當 O₂ 濃度開始下降，CO₂ 和 CO 的量開始上升時，表明碳開始燃燒，此時 NO_x 的濃度隨之升高; 當碳劇烈燃燒，CO₂ 和 CO 含量升至較高水平時，NO_x 濃度同時也上升至較高水平，并且保持較高水平的時間段與CO₂ 和 CO 保持較高水平的時間段相對應; 燒結接近終點時，O₂含量開始上升，CO₂ 和 CO 含量開始下降，而 NO 含量亦隨之下降。燒結過程產生的 NO_x ，以燃料型 NO_x 為主^［5］。影響燒結過程 NO_x 形成的因素很多，結合新鋼生產實際可知，其主要受燒結原燃料、燒結工藝參數等因素的影響比較多。

3. 1 燒結原燃料條件的影響

燒結原料中的 N 含量最高的為煤粉，其次為焦粉、除塵灰、鐵精粉。原料中 N 含量越高，燒結過程生成的 NO_x 量越大。因此，要盡可能減少原燃料帶入的 N。此外，隨著燃料揮發分含量的增加，NO_x 排放濃度和燃料 N 的轉化率逐漸上升: 隨著燃料反應性的升高，NO_x 排放濃度和燃料 N 的轉化率逐漸下降^［5］。根據現場實際生產情況分析可知，其影響因素主要有以下幾個方面:

( 1) 水含量的影響。燒結料中加入適量的水分，有助于提升制粒效果，改善料層透氣性，從而提高燃燒過程中的過剩空氣系數，促進 N向 NO_x 的轉化。此外，燒結中的水分具有提高燒結料導熱性及傳熱速率的作用，在合理范圍內增加水分會提高燒結溫度，促進 N 的氧化。當水分過高導致料層透氣性變差、料層溫度下降、過剩空氣系數變低時，原料 N 的轉化率降低。

( 2) 煤粉配比的影響。由于原料中煤粉的含 N 量較高，隨著煤粉配比的增加，原料中的N 含量增加，所以燒結過程中形成的 NO_x 量也會增加。此外，隨著煤粉配比的增加，燒結溫度也有相應的提高，熱力型 NO_x 的生成會增加。因此，原料中應盡量使用含氮量少的焦粉來代替煤粉。

( 3) 返礦配比的影響。有研究表明鐵酸鈣對于 CO－NO 的同相還原反應有較強的催化作用^［6］，返礦是成品燒結礦經破碎后粒徑較小，不能直接冶煉還需要二次燒結的成品礦，它的主要成分為鐵酸鈣。因此，適量增加返礦含量有利于減少燒結過程中 NO_x 的排放。

( 4) 堿度的影響。堿度即燒結礦中堿性氧化物與酸性氧化物的比值。提高料層中 CaO 含量，一方面有利于在較低溫度下 ( 500 ～700 ℃左右) 生成鐵酸鈣，而鐵酸鈣可以催化 NO_x 向N₂ 的還原; 另一方面還可以降低燃燒區的溫度，使燒結過程中 NO_x 的排放濃度降低。因此，控制原料的堿度有利于減少燒結過程中 NO_x 的排放。

3. 2 燒結工藝參數的影響

( 1) 點火時間與負壓的影響。生產發現，隨著點火時間的延長，上層燒結礦溫度提高，燃燒帶厚度增加。但是由于蓄熱理論以及燃料偏析，使得中下層燒結溫度呈現梯級變化，焦粉的劇烈燃燒，造成 NO_x 總量增大。另外，隨著點火負壓提高，點火器中火焰被拉長，使得火焰穿透料層更深，表層燒結混合料中的焦粉快速燃燒，從而造成 NO_x 的增加。因此，應適當控制點火時間和點火負壓。目前，大多數工廠已采用微負壓或零負壓點火，從而減小了其對 NO_x 排放的影響。

( 2) 溫度的影響。溫度對 NO_x 的生成有決定性的影響，溫度越高，NO_x 的最大生成濃度和速度越大。尤其在溫度超過 1 300 ℃后，NO_x的生成量大幅增加。因此，應盡量采用低溫燒結技術。

( 3) 料層高度的影響。厚料層作業有利于發揮料層的自蓄熱作用，節約燃料用量，因而減少了燃料帶進的 N 量; 料層越厚透氣性越差，氧含量會有所降低，抑制 N 向 NO_x 的氧化。此外，厚料層作業還能延長高溫保持時間，有利于鐵酸鈣的形成，鐵酸鈣可以促進 NO_x 向 N₂ 的還原。所以，高料層燒結可減少 NO_x 的排放。

4 燒結過程 NO_x 控制措施

新鋼根據燒結過程中產生的煙氣具有 NO_x濃度低但排放量大、溫度波動大、粉塵含量高、含濕量大、含腐蝕性及有毒氣體、排放不穩定等特點。針對燒結過程中 NO_x 的生成機理及產生的煙氣特點，對NO_x 排放控制主要從以下幾方面進行: 控制原燃料帶入的氮含量、優化配礦弱化 NO_x 的生成條件、改善工藝條件降低NO_x 生成、末端治理減少 NO_x 排放。

4. 1 原燃料控制

燒結過程中，生成的 NO_x 大部分為燃料型NO_x ，所以從源頭上來控制NO_x 的產生至關重要。一方面在不影響燒結過程的前提下，應盡可能減少原燃料帶入的氮 ( 如: 采用低氮含量的焦粉代替煤粉、使用揮發分低的煤粉、焦炭提前脫氮等，無煙煤在固體燃料中的占比由50%降至 20%) ; 另一方面應加強對原燃料粒度的控制，粒度小于 0. 5 mm 或粒度大于 5 mm的焦粉燃燒過程中，其NO_x 產生量較少。但就燒結工藝本身而言，還需考慮燃料粒度對燃燒帶厚度、燒結溫度以及料層透氣性的影響，一般要求粒度為 1 ～3 mm。因此，需要綜合考慮，選擇合適的燃料粒度。新鋼燒結燃料破碎采用反擊式破碎加四輥破的工藝，燃料粒度 0% ～3%控制在 85%，在實踐中對降低NO_x 排放濃度起到了積極效果。

4. 2 配料控制

在合理范圍內，控制較高燒結礦堿度可有效地減少 NO_x 的生成。新鋼燒結礦堿度由 1. 8提高到 2. 0，隨著堿度的提高，CaO 含量增加，有助于低溫下 CaO 與 Fe₂O₃ 的固相反應，鐵酸鈣的生成量增加，而固相反應生成的低熔點物質的融化，可使燃燒區溫度降低 100 ℃ 以上。此外，鐵酸鈣對 NO_x 的還原具有催化作用，在鐵酸鈣存在的情況下，局部還原氣氛中 CO 還原 NO_x 的能力有明顯的提高，隨燒結礦堿度提高，NO x 排放濃度和排放總量略有降低，其檢測結果如圖 2 所示。

此外，提高鈣質熔劑中石灰石的使用比例，石灰石比例由 5%提高到 7. 5%，鎂質熔劑配比由3. 0%降低至 1. 5%，加強篩子的維護，適量增加返礦配比，返礦由 20% 增加到 23%，通過配礦調整可減少燒結過程中 NO_x 的排放。

4. 3 工藝控制

通過改善燒結工藝、控制操作條件也可以減少NO_x 排放，對此新鋼采取的措施主要包括控制燃燒氣氛、優化配料、控制堿度、厚料層燒結等。穩定工藝操作，確保燒結過程負壓、廢氣溫度、終點溫度等工藝參數指標適宜而穩定，減小燒結過程廢氣中NO_x 排放濃度的波動，防止短時期 NO_x排放濃度超標。燒結過程廢氣中NO_x 排放濃度因生產工藝穩定波動幅度減小，一般控制在 10 mg/m³ 波動范圍，未出現NO_x排放濃度短時超標的情況。適當控制點火時間和點火負壓，通過改造 1 # 、2 # 、3 # 風箱，完善點火爐下部風箱密封，堅持采用微負壓或零負壓點火，1 # 、2 # 、3 # 風箱的負壓分別由 － 14. 3 kPa、14. 6 kPa 和 14. 7 kPa 降至 6. 6 kPa、6. 8 kPa 和6. 7 kPa，還可節約混合煤氣用量約 20%。

優化燃料分布，通過改變燃料在制粒小球中的分布狀態，來改善燃料的燃燒過程，減少NO_x的生成。有研究表明，燃料分布在小球內部時比燃料均勻分布和燃料分布在小球外層或以單獨形式存在時，NO_x的排放濃度都低。這是由于燃料分布在小球內部時，燃料燃燒過程中 O₂ 向內擴散的阻力大，燃燒在相對貧氧的條件下進行，生成的主要為 CO，有利于 NO_x的還原; 加上小球內部 O₂ 含量較低，因此燃料氮向NO_x的轉化過程受到抑制 ^［5］。

厚料層燒結降低 NO_x排放，料層增厚有利于發揮料層的自蓄熱作用，從而可以減少燃料總量，由于燃料帶入 N 的減少，以及局部高溫火焰點變少，使得燒結過程NO_x減少。同時，隨著料層厚度的提高，料層透氣性變差，過剩空氣系數減小，氧含量降低，導致 NO_x 的生成速率減緩。此外，厚料層作業還有助于提高鐵酸鈣的生成量，進而促進NO_x 向 N₂的還原，減少NO_x的排放量。新鋼 360 m²燒結機料層通過檢修密封，改善原料結構，強化制粒提高料層透氣性，燒結料層由 650mm 提高到 750mm，隨著燒結料層厚度的提高，燒結煙氣中NO_x濃度降幅顯著，結果如圖 3 所示。

5 NO_x控制措施的應用效果

新鋼采用降低固體燃料配比、提高石灰石和生石灰的比例、降低白云石配比、保持高堿度燒結、改善料層透氣性、提高料層厚度等措施后，各燒結機出口NO_x排放濃度如表 4 所示，且調取了采取 NO_x控制措施后 6 # 燒結機脫硫出口煙氣的排放數據 ( 環保局測試結果) 結果如圖 4 所示?？梢?，使用 NO_x控制技術后，6 # 燒結機 脫 硫 出 口 煙 氣 中NO_x實 測 濃 度 由271. 63 mg/m³ 降至 232. 30 mg/m³ ，煙氣中氧氣含量由 15. 64%降至 15. 11%; 燒結煙氣中 NO_x的排放濃度可以降低 10% ～ 20%，減排效果顯著。

參考文獻

［1］ 石磊，李咸偉． 燒結煙氣綜合治理技術現狀與展望［C］/ /第十屆中國鋼鐵年會暨第六屆寶鋼學術年會論文集． 上海: 寶鋼學術年會，2015: 1．

［2］ 趙春麗，吳鐵，伯鑫，等． 鋼鐵行業燒結煙氣脫硫現狀及協同治理對策建議［J］． 環境工程，2014，32( 10) : 76．

［3］ 傅菊英，姜濤，朱德慶． 燒結球團學［M］． 長沙: 中南工業大學出版社，1996．

［4］ 于恒，王海風，張春霞，等． 燒結原燃料中 N 的轉化及影響因素研究［J］． 燒結球團，2014，39( 6) : 45 －50．

［5］ 呂薇． 鐵礦燒結過程 NO_x生成行為及其減排技術［D］．長沙: 中南大學，2014．

［6］ 潘建． 鐵礦石燒結煙氣減量排放基礎理論與工藝研究［D］． 長沙: 中南大學，2007．