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燒結(jié)過程中影響生成氮氧化物的因素及控制

2020-07-03 07:04郭會良亓海燕谷璐璐紀(jì)召毅
山東冶金 2020年3期
關(guān)鍵詞:焦粉堿度氮氧化物

郭會良,亓海燕,劉 榮,谷璐璐,紀(jì)召毅

(山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南271100)

1 概 述

燒結(jié)是高能耗高污染的行業(yè),其綜合能耗在鋼鐵行業(yè)排第2位。工序能耗較之前有所下降,但基本維持在≤55 kgce/t。高污染主要表現(xiàn)在燒結(jié)過程產(chǎn)生的廢氣上,燒結(jié)產(chǎn)生的廢氣量占鋼鐵行業(yè)總廢氣量的40%左右,且煙氣中含有多種重污染物,如硫氧化物、氮氧化物、二噁英、呋喃、重金屬等。我國氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)是300 mg/m3,但是由于原料及工藝的限制,各燒結(jié)廠的排放普遍偏高,維持在400 mg/m3以上,治理過程不容樂觀。氮氧化物不僅能影響呼吸系統(tǒng),還是造成光化學(xué)煙霧、酸雨的主要原因,能產(chǎn)生持續(xù)性大范圍的環(huán)境污染,對其嚴(yán)格控制是利國利民之計(jì)。

目前,燒結(jié)行業(yè)主要的發(fā)展方向是節(jié)能減排與廢氣的治理[1-2],尤其對氮氧化物的治理,雖然國內(nèi)外專家不乏創(chuàng)新性成果,但對氮氧化物的生成機(jī)理與控制因素研究甚少。以燒結(jié)過程的影響因素為主要切入點(diǎn),研究了不同環(huán)境下氮氧化物的排放規(guī)律,為燒結(jié)節(jié)能減排與廢棄物的治理提供依據(jù)。

2 燒結(jié)過程中氮氧化物的排放規(guī)律

2.1 原材料對氮氧化物排放規(guī)律的影響

燒結(jié)過程中氮氧化物的產(chǎn)生主要有3種類型[3-5]:1)燃料型氮氧化物,即燃料中原先含有的氮化合物受熱分解,再與氧氣化合生成氮氧化物。2)熱力型氮氧化物,即空氣中的氮?dú)馀c氧氣在高溫下化合,生成氮氧化物。3)快速型氮氧化物,它是通過燃料產(chǎn)生CH原子團(tuán)撞擊空氣中的氮?dú)夥肿?,生成CN化合物,進(jìn)而燃燒生成氮氧化物。

燒結(jié)過程中產(chǎn)生的氮氧化物主要為燃料型氮氧化物,空氣中雖然存在大量的氮元素,但是在燒結(jié)過程中很難轉(zhuǎn)化成氮氧化物,因此,廢氣中的氮氧化物主要來自于燒結(jié)原材料,即鐵礦粉和焦炭(焦粉)。燒結(jié)用鐵礦粉主要有磁鐵礦和赤鐵礦,將兩種鐵礦粉與焦粉單獨(dú)進(jìn)行燒結(jié),其產(chǎn)生氮氧化物的關(guān)系如圖1所示。

圖1 原材料對氮氧化物排放規(guī)律的影響

從圖1中可以看出,磁鐵礦與赤鐵礦單獨(dú)燒結(jié)時(shí)幾乎不產(chǎn)生氮氧化物,而焦粉單獨(dú)燒結(jié)時(shí)會產(chǎn)生大量的氮氧化物,因此,在實(shí)際燒結(jié)中燃料是產(chǎn)生氮氧化物的主要方面。據(jù)有關(guān)分析,焦粉中的氮元素主要存在于吡咯、吡啶、氮四等官能團(tuán)中,在高溫下分解并與氧氣化合產(chǎn)生氮氧化物。

2.2 燒結(jié)氣體對氮氧化物排放規(guī)律的影響

燒結(jié)過程其實(shí)是高溫下的氧化反應(yīng),在這一過程中伴隨著氣體的變化,其主要的變化過程如圖2所示。

圖2 燒結(jié)過程中主要?dú)怏w的變化規(guī)律

燒結(jié)過程中主要的反應(yīng)氣體是O2,在燒結(jié)一開始就急劇下降,進(jìn)而保持一個(gè)穩(wěn)定的較低水平,等到燒結(jié)結(jié)束后才上升恢復(fù)到正常水平。而生成物主要為C、S、N元素的氧化物,這些氣體在燒結(jié)前幾乎為零,剛剛開始燒結(jié)前3~5 min急劇升高并長期穩(wěn)定在較高水平,待到燒結(jié)結(jié)束便一起下降到未燒結(jié)的水平。

因此,整個(gè)燒結(jié)過程的氮氧化物主要是燃料型,而且在燒結(jié)一開始就持續(xù)增加并穩(wěn)定,待到燒結(jié)結(jié)束后才下降。燒結(jié)過程是連續(xù)的生產(chǎn)過程,在外部空氣持續(xù)性通入的同時(shí)氮氧化物的產(chǎn)生也是穩(wěn)定的,即維持在較高的水平。

3 生成氮氧化物的影響因素

3.1 水分的影響

水分是燒結(jié)過程重要的影響因素,適宜的水分不僅使造球的合格率升高,而且能產(chǎn)生儲熱作用,提高熱量的利用率。選用單一鐵礦粉,在不同水分下進(jìn)行燒結(jié)試驗(yàn)。從圖3中可以看出,不同水分的燒結(jié)礦在燒結(jié)時(shí)有相同的變化規(guī)律,即在燒結(jié)開始時(shí)氮氧化物的排放速率迅速升高并穩(wěn)定在較高的水平,待全部燒結(jié)完畢后又迅速下降。其燃料中氮元素的轉(zhuǎn)化率(見圖4)呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,這是由于隨著水分的增加,造球較為容易,料層的透氣性升高,燃料燃燒充分,當(dāng)水分太高時(shí)料層透氣性下降,燃燒不充分,而且大量的熱被水分吸收,形成水蒸氣,惡化了燒結(jié)過程。3.2 焦粉配比的影響

圖3 不同水分下氮氧化物的排放速率

圖4 不同水分下燃料氮的轉(zhuǎn)化率

焦粉是產(chǎn)生氮氧化物的重要原料,幾乎90%以上的氮氧化物通過燃料型轉(zhuǎn)化的。不同燃料配比下氮氧化物的排放速率見圖5,其規(guī)律是迅速上升、穩(wěn)定、迅速下降的趨勢,而燃料氮的轉(zhuǎn)化率在圖6中表現(xiàn)出現(xiàn)升高后降低的趨勢。在空氣量足夠的前提下料層中增加焦粉的量會使得N與O接觸的幾率增加,進(jìn)而轉(zhuǎn)化率增加,當(dāng)焦粉持續(xù)增加時(shí)空氣過剩量下降,燃料的不完全燃燒程度增大;另外,產(chǎn)生的大量CO也抑制了氮氧化物的生成,使得燃料氮的轉(zhuǎn)化率下降。3.3 堿度的影響

圖5 不同燃料配比下氮氧化物的排放速率

圖6 不同燃料配比下燃料氮的轉(zhuǎn)化率

堿度即混合料中堿性氧化物的量,通常添加的堿性氧化物為生石灰,堿度的增加也是生石灰配比的增加,其影響規(guī)律見圖7。從圖7中看出,不同堿度下燒結(jié)礦中氮氧化物在前5 min內(nèi)具有基本重合的排放速率,在5~17 min內(nèi)基本處于穩(wěn)定的排放階段,堿度越低,排放速率越高。在燒結(jié)末尾,高堿度的物料中氮氧化物的排放速率率先下降,最后達(dá)到燒結(jié)前水平,因此,低堿度下能增加燃料氮的轉(zhuǎn)化率。高堿度下有利于生成鐵酸鈣,這些低熔點(diǎn)的物質(zhì)是氮氧化物被還原降解的催化劑,抑制氮氧化物的排放。3.4 料層厚度的影響

圖7 不同堿度下氮氧化物的排放速率

料層厚度是影響燒結(jié)產(chǎn)量和質(zhì)量的指標(biāo)之一,很多廠家在燒結(jié)用厚料層追求產(chǎn)量的同時(shí)忽略了質(zhì)量,導(dǎo)致燒結(jié)指標(biāo)下降,不同料層下氮氧化物的排放規(guī)律見圖8、圖9。從圖8中可以看出,在燒結(jié)的前15 min內(nèi)不同料層有著相同的氮氧化物排放規(guī)律,但是薄料層的氮氧化物排放速率可以穩(wěn)定在較高水平,燒結(jié)完畢后薄料層的廢氣量也會下降。圖9中,隨著料層厚度的增加燃料氮的轉(zhuǎn)化率下降,這是由于料層越厚,透氣性越差,下層中含氧量嚴(yán)重不足,氮元素的氧化反應(yīng)受到抑制,而且厚料層的保溫性能好,使得生成的鐵酸鈣增加,促進(jìn)了已生成的氮氧化物向氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化。

圖8 不同料層厚度下氮氧化物的排放速率

圖9 不同料層厚度下燃料氮的轉(zhuǎn)化率

4 對現(xiàn)場生產(chǎn)的啟示

通過上述研究可知,燒結(jié)過程中氮氧化物的排放是貫穿整個(gè)流程的,并非只在燒結(jié)的某個(gè)階段;而且氮氧化物的排放與氧氣的含量有著非常明確的對應(yīng)關(guān)系。因此,燒結(jié)過程中氮氧化物的除雜工作應(yīng)與燒結(jié)同步,并且確保合適的風(fēng)量以滿足燒結(jié)對氧氣的需求。

焦粉是產(chǎn)生氮氧化物的直接因素。據(jù)研究,在生產(chǎn)過程中焦粉的存在位置對氮氧化物的排放有著一定的影響,焦粉均勻分布在料層中或存在于造粒小球的表面,其氮元素的轉(zhuǎn)化率較高;而焦粉若被鐵礦粉包裹時(shí)其轉(zhuǎn)化率明顯下降。因此,如何確定焦粉的位置并在造球時(shí)精確的控制是現(xiàn)場需要解決的問題。

另外,不同堿度的礦粉配比也起到至關(guān)重要的作用,而現(xiàn)場中常用的方法是均勻制粒,即小球的各個(gè)位置均勻分布。但據(jù)研究,當(dāng)小球外層堿度高內(nèi)層堿度低時(shí),具有良好的燒結(jié)指標(biāo),而且燃料氮的轉(zhuǎn)化率較低,起到很好的降低氮氧化物的作用,對尾氣的達(dá)標(biāo)排放有好處。

解決上述問題的方法主要是進(jìn)行預(yù)制粒技術(shù),通過兩段造球機(jī)后得到合格的小球,在后段造球機(jī)內(nèi)加入不含焦粉的鐵礦粉或堿度較高的鐵礦粉以達(dá)到包裹的要求,現(xiàn)場實(shí)施的關(guān)鍵點(diǎn)是配比的確定和原料的分配。除此之外,鐵礦粉的種類、粒度分布、焦粉質(zhì)量等也能影響燒結(jié)中氮氧化物的排放。

5 結(jié)論

5.1 燒結(jié)過程中氮氧化物的排放貫穿在整個(gè)流程中,其排放速率與氧氣的含量呈反比,與碳氧化物的含量成正比,氮氧化物幾乎全部來自于焦粉的燃燒,且屬于燃料型氮氧化物。

5.2 水分是影響燃料氮轉(zhuǎn)化率的重要因素,適宜的水分能提高氮的排放速率。

5.3 燃料氮的轉(zhuǎn)化率隨著焦粉配比的增加而增加,但高配比又會使得氮的轉(zhuǎn)化率下降。高堿度和低堿度都能使氮的轉(zhuǎn)化率下降,適宜的堿度能提高氮的轉(zhuǎn)化率。

5.4 料層越厚,燃料氮的轉(zhuǎn)化率越低。

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