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邯钢西区关于烧结烟气中SO2与NOx的影响因素的研究与生产实践

文章出处:人气:127发表时间:2018-3-19 9:03:16

来源::中国铁链网


  西区炼铁厂烧结车间包括2台360m2烧结机,1#烧结机2008年3月投产,2#烧结机同年11月投产,为两座3200m3高炉的配套工程,满足高炉75%烧结矿的配矿需求。设计烧结矿产量726万吨,烧结矿转鼓指数≥79%,主抽风机工况风量2×18000m3/min,共有风箱24个。2014年9月底,按照相关环保要求,将脱硫烟气旁路进行彻底封堵,脱硫系统将作为主生产设施,这样脱硫的运行状态将直接影响烧结生产,烧结风机风门的调整也同样制约脱硫的运行。2015年1月1日起现有及新建烧结机烟气颗粒物及SO2的排放限值分别为50mg/m3和200mg/m3,其中京津冀排放限值执行特别限值为40mg/m3和180mg/m3,新增NOx排放限值为300mg/m3。污染物排放总量约束指标及污染物排放浓度限值对大气污染治理提出了新的要求,由原来对粉尘、SO2单一污染物的治理,变为对多污染物的综合治理。


  1烧结烟气污染物排放特征


1.1二氧化硫


烟气中的SO2主要来源于铁矿石和固体燃料(无烟煤、焦粉与焦化除尘灰)(1)。铁矿石中的硫通常以硫化物(FeS2、CuFeS2等)、硫酸盐(BaSO4、CaSO4、MgSO4等)的形式存在,燃料中的硫多以有机硫的形式存在,硫化物与有机硫分解后很快和O2反应而氧化为SO2,而硫酸盐在分解反应中释放出SO2。每生产1t烧结矿需要燃料约35~55kg,烧结烟气中的SO2主要来源于烧结用固体燃料。(1)(4)


1.2氮氧化物


烧结过程产生的NOx主要包括NO和NO2,90%以上为NO,5%~10%为NO2,还有微量N2O。NOx来源主要有两部分:一是烧结点火阶段,二是固体燃料燃烧和高温反应阶段﹝3﹞。NOx产生途径主要有3种:在燃烧条件下,空气中的N2和O2反应生成热力型NOx;燃烧过程中,空气中的N2和燃料中的碳氢基团反应生成的HCN、CN等NO前驱物又被进一步氧化成为NOx,为快速型NOx(4);燃料中的氮在燃烧过程中被氧化成为燃料型NOx。(4)已有研究表明,烧结过程产生的NOx有80%~90%来源于燃料中的氮,为燃料型NOx,热力型和快速型NOx生成量很少。低于1500℃时,热力型NOx的生成量很少;高于1500℃时,随着反应温度升高,其生成速率按指数规律增加,生成量明显升高,烧结燃烧温度为1200~1400℃,燃料中氮的热分解温度低于燃烧温度,在600~800℃时生成燃料型NOx。NOx生成量受到燃料氮含量、氮的存在形态、燃料粒度、空气过剩系数、烧结混合料中金属氧化物等成分的影响。(4)生产1t烧结矿产生NOx约0.4~0.65kg,烧结烟气中NOx的浓度一般在200~300mg/m3。


  2邯钢烧结机烟气分析数据


2.1烧结机风箱烟气浓度与污染物浓度分析


我们于2017年2月对烧结机风箱烟气浓度与污染物烟气浓度进行测量。烧结机为双烟道设计,分高硫、低硫烟道。西侧烟道收纳了机尾东侧烟道三个风箱的烟气,东侧烟道则收纳了机头西侧烟道的5个风箱烟气,中间各烟道互相混合交叉,通过该设计实现高硫低硫烟道区分。烟道内径为5m,监测数据如下表1:(中科院过程所测试数据)


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图1中SO2和NOx的浓度随烧结机位置的不同而变化:机头和机尾烟气SO2浓度低,中部烟气SO2浓度高;NOx浓度沿烧结方向的变化趋势与SO2不同,在机头浓度最高,自烧结机中部到机尾,开始逐渐下降至最低值。烧结工艺特有的SO2浓度分布特性源于烧结过程中SO2析出、再吸收和再析出的复杂过程。SO2的再吸收与烧结机的湿润带相对应,在该区域由于烧结原料中碱性熔剂(生石灰)、弱酸盐(石灰石、白云石、菱镁石等)和液态水的存在,大部分SO2被吸收。随着烧结过程的推进,其吸收能力和容纳能力逐步降低,在烧结末期该区域消失;同时,在该区域生成的不稳定的亚硫酸盐在通过干燥预热带时会发生分解,再次释放出SO2。SO2浓度沿烧结机方向呈现两头低中间高的特点。


而NOx的浓度点火后从第3个风箱开始,浓度在200---300ppm之间,到15#风箱其浓度开始逐步降低,到机尾达到最低。同时也证实了我们的分析,烟气中NOx的主要来源于烧结点火与固体燃料的燃烧与高温反应阶段。


2.2烧结原料中S与N含量分析


为了研究烧结过程烟气中SO2与NOx的含量及来源,我们对烧结原料中含量进行测量如表所示:


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从上表中我们发现,烧结中硫的重要带入为混匀料与燃料,而氮的主要带入为燃料与点火用焦炉煤气与空气。我们对烧结过程中所产生的污染物硫与氮的检测如下表:



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其中我们对烧结混匀料中大量配加的瓦斯灰与污泥等固体废弃物的含S与N的具体情况未进行过检测。但是我们在生产实践中发现,在变堆后,若加入大量的瓦斯灰与污泥,在烧结过程中对烟气中SO2与NOx的浓度波动很大。


  3烧结烟气处理工艺


3.1石灰石—石膏湿法烟气脱硫工艺


车间现有的两台烧结机在烟气末端处理工艺采用石灰石—石膏湿法烟气脱硫工艺技术,整套系统由SO2吸收系统、烟气系统、石灰石浆液制备系统、工艺水系统、事故处理系统、石膏处理系统、废水处理系统、排空系统等子系统组成。


其工作原理:烧结机产生的烟气,通过增压风机升压经冷却除氟装置降温进入脱硫塔。在塔内烟气与脱硫浆液接触,烟气中SO2与浆液中的碳酸钙发生系列化学反应,生成亚硫酸钙,亚硫酸钙经脱硫塔底部鼓入的空气强制氧化后最终结晶为石膏(CaSO4•2H2O),将烟气中的SO2脱除。与此同时,在脱硫浆液的水洗作用下,烟气中残余的粉尘得到进一步的清除。经脱硫和进一步除尘的烟气,经由上升管进入脱硫塔上部,并排出(见图2)。


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  3.2存在的问题


(1)为进一步降低铁前工艺成本,高炉停止配吃球团矿,这样要求烧结矿的配吃比例由之前的75%提高到80%以上,迫切要求提高两台烧结机的产能水平;


(2)从2014年到2015年,利用大修机会对两台烧结机进行了扩容改造,有效烧结面积由之前的360m2提高到405m2,烧结矿产量提高了10%以上。但脱硫增压风机功率较小的问题越来越突出,脱硫入口增压风机增压太高,主抽风机风门开度不能达到生产最大化要求,对烟气中SO2的脱除可达95%,可以满足烟气中SO2排放限值180mg/nm3的要求;


(3)为达到应对雾霾天气所规定的限值小于100mg/nm3的要求,必须要提高液位。但是增压风机出口压力增加,烧结有效风量降低,烧结过程后移,降低料层厚度并降机速与综合上料量,从而造成烧结矿的产质量水平降低等恶性循环;


(4)没有脱除烟气中NOx的末端处理工艺。为达到环保烟气限值300mg/nm3的要求,只能前移烧结过程终点温度与BPT位置,并长时间开东西两侧冷风阀,对烟气中NOx浓度进行稀释,使烧结有效风量进一步降低,料层从之前可达800mm以上,目前最高到750mm,并且随着BPT位置的前移,环冷机余热发电水平连续下降,日发电量41kwh降低为现在的32kwh,提高了烧结过程的能耗水平。所以近两年来固体燃耗居高不下,由之前48kg/t到现在53kg/t,烧结矿转鼓指数有所降,80.33%降低到现在的79.33%。


    4应对措施


4.1优化烧结燃料结构,降低源头物料S、N含量


(1)烧结工序中产生的NOx有90%以上是由燃料燃烧产生的。控制燃料中氮元素含量,最直接有效的方法是选用含氮量较低的焦粉作为烧结燃料。


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(2)西区烧结车间烧结用固体燃料由无烟煤、焦粉和焦化除尘灰组成。煤粉与焦粉为单品种配加,根据料场两个品种燃料的库存情况,不定期进行煤和焦粉的切换,单吃一种燃料。


若单配焦粉的情况下,烧结烟气中SO2的排放量过高,出口SO2不易控制;单配煤粉时烧结烟气中NOx排放浓度达不到要求。为了满足环保要求,我厂采取了煤焦分破,并在配料室分仓,各按比例配加的方法。而在破碎的过程中多有煤焦混合,这样造成NOx排放量长期偏高。为解决这个问题,对破碎下料仓进行优化调整,实现了煤焦的有效分离。并且可以根据焦粉库存与NOx排放量情况,调整煤焦的配吃比例,这样有效地控制了含氮高的无烟煤的配入量,也解决了焦粉库存紧张的问题。


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改造后如图3所示,根据分叉漏斗的设计特点,坚持焦粉中一定不混入煤粉的原则,将直行漏斗对应配-7机的2#燃料仓用于存放焦粉;将两端分叉漏斗对应的1#然仓用于存放煤粉。这样当配-7皮带机停止后,燃料从两侧进入1#燃仓,保证了焦粉中不会混入煤粉。实现了煤焦粉的分离,从而从源头有降低了NOx的产生量。


(3)注意原料矿粉中硫的含量,在条件许可的情况下尽量少量配加,特别是固体冶金废料的配吃,要做到均匀。并严格控制每次变堆加入量,减少由于这些原料的配加引起烧结烟气中SO2与NOx浓度的突然变化,造成限值超标。


  4.2控制点火的空燃比,实现微负压点火,降低煤气引入N的浓度


通过生产实际的观察发现,认识到烧结机点火炉下方风箱调节阀的开度,与风箱之间的漏风情况对烧结过程与煤气的消耗有非常大的影响。


资料表明:点火负压一般为抽风负压的50%--60%,即6.0kPa--8.0kPa。高负压点火(与烧结抽风负压同值),会夯实整个烧结混合料层,严重降低混合料的透气性,降低垂直烧结速度,增加烧结机漏风率,推迟烧结终点,产生严重的烧结不均匀现象。点火负压过低,会造成点着的混合料表层热量不易往下引,影响整个台车的烧结正常进行。(2)(3)


在烧结操作中由于点火负压过低(≤5kPa),点火后烧结层热量不往下引,烧结机台车表层点火炉走出4米--5米还是呈现赤红色。结果到机尾烧结终点还未完烧,红火层高达400mm--500mm,造成成品率低,成品矿强度差。以上情况和分析说明,点火负压不能过高,也不能太低,应掌控一个合理值———既要保持原始料层的透气性,又要将固体燃料点着往下引,达到加快垂直烧结速度和均匀烧结的目的(4)。


所以我们在生产实践中,根据混合料的原始透气性情况,将烧结机1#~3#风箱负压控制在烧结抽风负压的50%~60%,这样有利于节约煤气的消耗,更有利于提高烧结料层的透气性,实现均匀烧结的目的。


4.3优化风箱风量分配,控制烧结终点位置和温度


生产过程中我们发现,若料层压入量太大、料层波动或混合料水分与成分波动、到机尾温度偏低,都会提前反应在烟气中SO2与NOx浓度上,偏离正常值。


所以,在操作中如出现这些情况,要提前采取措施,提前操作,以免错过控制时机,引起烟气中NOx浓度的波动。


在生产过程中根据各风箱位置烟道中SO2与NOx浓度的分布,优化风量配置。对含量相对高的位置采取关小或关闭相应风箱风量的控制开度,达到烧结风量在各风箱中的有效分配,最终降低污染物的排放浓度。在实际生产过程中,通过改善料层透气性,调整烧结过程中风箱风量的(的)分配,使烧结BTP位置前移在23#风箱左右,烧结终点温度不低于350℃。减少由于烧不透而增加主排烟道内NOx的浓度。


4.4将脱硫参数控制纳入主控考核标准化


将增加风机入口正压,出口NOx浓度与出口SO2浓度瞬时值与每小时平均值引入主控画面,便于及时控制,并将每小时NOx的值为主控主要控制参数,及时采取有效措施,超标进行严厉考核。


  5优化控制后效果


通过优化控制,正常生产过程烧结烟气中NOx排放量低于规定的每小时300mg/m3,不用再为了降低烟气中NOx浓度而采取降低综合上料量或开冷风阀来稀释,保证烧结生产的稳定性与连续性。从而提高了烧结矿的产质量水平。

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  6结语


(1)通过对烟气排放物特点的分析,和实验数据分析,得出影响烟气中SO2与NOx排放浓度的主要因素为,固体燃料与混匀料,及固体燃料与焦炉煤气、空气的燃烧带入。


(2)面对当前的生产情况,针对烟气末端只有脱硫治理工艺对烟气排放要求的制约,迫切需要提高烧结机产能的要求,我们通过以下几个方面采取有效措施;


①考察固体燃料中氮氧化物的含量,选择最优的配加方案


②改变之前煤焦混吃工艺,结合实际情况,实现无烟煤与焦粉按比例分别配加,使得烟气中SO2与NOx含量可控。


③结合烟道中SO2与NOx含量分布特点,优化烧结过程控制,优化风箱的风量配置,达到降低烟气中污染物的排放浓度。


④实现微负压烧结点火,既可以保证点火长度,又减少由于煤气与空气燃烧带入NOx的浓度。


⑤将脱硫参数控制纳入主控考核标准化。


(3)为进一步满足排放要求,并提高烧结机产能,需要对烧结烟气治理工艺中增加脱硝工艺,我们引进的第二代活性炭烟气逆流选择催化还原活性炭脱硫脱硝CSCR技术目前正在调试阶段,预计2018年年初投入运行。


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