申明強(qiáng) （河鋼邯鋼煉鐵部，河北邯鄲 056015）
摘 要：燒結(jié)機(jī)頭煙氣中含有大量的 CO，目前尚無(wú)治理措施。CO 的無(wú)組織排放不僅造成了環(huán)境的污染，更造成 了能源的浪費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，燒結(jié)煙氣中CO 攜帶能量約占燒結(jié)消耗總能量的 15%~20%，如果采取措施使其氧化成 CO2， 將其攜帶的能量釋放到燒結(jié)煙氣中正好滿足 SCR 及二噁英的脫除溫度要求，從而實(shí)現(xiàn)燒結(jié)煙氣污染物的同步脫除。 把脫除 CO、NOx及二噁英后的煙氣熱量進(jìn)行回收，將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益，切實(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：燒結(jié)煙氣；CO；NOx；二噁英；脫除
Co-treatment of CO, NOx and Dioxins in Sintering Flue Gas Shen Mingqiang (Iron-making Department of HBIS Group Hansteel Company, Handan 056015, China) Abstract: There is a large amount of CO in the flue gas of sintering machine head, and no control measure at present. The non-organized emission of CO not only pollutes the environment, but also wastes energy. According to statistics, the energy carried by CO in sintering flue gas accounts for about 15%~20% of the total energy consumed by sintering. If measures are taken to oxidize it into CO2, the energy carried by it will be released into sintering flue gas to meet the requirements of SCR and dioxin removal temperature, thus achieving the simultaneous removal of pollutants in sintering flue gas. Recovery of flue gas heat after removal of CO, NOx and dioxins will produce significant economic benefits and achieve the goal of energy saving and emission reduction. Key words: sintering flue gas; CO; NOx; dioxin; removal
在當(dāng)今全球變暖、生態(tài)環(huán)境惡化的背景下，燒結(jié)的節(jié)能減排對(duì)鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。據(jù)統(tǒng)計(jì)，燒結(jié)工序能耗約占整個(gè)鋼鐵工業(yè)能耗的 15%以上，污染物排放量約占整個(gè)鋼鐵工業(yè)的 40%左右。近 年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的日益關(guān)注，在燒結(jié)領(lǐng)域燒結(jié)機(jī)機(jī)頭煙氣脫硫技術(shù)已日趨成熟，并且隨著國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提高，相繼出現(xiàn)了燒結(jié)煙氣 NOx 的處理技術(shù)。目前燒結(jié)機(jī)頭煙氣污染物處理技術(shù)雖取得長(zhǎng)足進(jìn)步， 但結(jié)果并不能使人滿意。主要原因是在煙氣污染物處理過(guò)程中需要消耗大量的能源，在降低污染物排放的同時(shí)造成了電能和其他能源的大量消耗，對(duì)社會(huì)資源也是一種極大的浪費(fèi)。
1 CO 脫除對(duì)燒結(jié)煙氣脫硝工藝的積極意義
1.1 目前燒結(jié)煙氣脫硝工藝比較 為了實(shí)現(xiàn)燒結(jié)煙氣中 NOx 排放降低到 50mg/m3以下，近期發(fā)展出臭氧氧化法、低溫催化還原法（SCR） 和活性炭脫硫脫硝等多種脫硝工藝。以上工藝雖能實(shí)現(xiàn)燒結(jié)煙氣中 NOx 的達(dá)標(biāo)排放，但都存在一定問(wèn)題制約其發(fā)展，主要存在以下幾個(gè)方面：
（1）活性炭脫硫脫硝工藝：1）一次性投資成本及后期運(yùn)行維護(hù)成本高；2）活性炭用煤資源量有限，將來(lái)面臨無(wú)活性炭可用的境地。
（2）臭氧氧化法脫硝工藝：1）電耗成本較高，臭氧轉(zhuǎn)化率偏低；2）對(duì)脫硫后布袋具有強(qiáng)氧化作用，影響到除塵布袋壽命；3）臭氧作為大氣污染物的一種，造成新的大氣污染。
（3）低溫催化還原脫硝工藝（SCR）：1）低溫脫硝效率偏低；2）需要消耗大量能源對(duì)煙氣進(jìn)行加熱。
1.2 中溫催化還原脫硝工藝
中溫催化還原脫硝工藝（SCR）（300~420℃）在火電廠應(yīng)用相當(dāng)廣泛，并且有較高的脫硝效率。該技術(shù) 是利用脫硝還原劑（液氨、氨水、尿素等），在催化劑作用下選擇性地將煙氣中的 NOx（主要是 NO、NO2） 還原成氮?dú)猓?/span>N2）和水（H2O），從而達(dá)到脫除 NOx 的目的。該工藝具有技術(shù)成熟，脫硝效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，但在夠脫除燒結(jié)煙氣中的 CO，使其轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為 CO2，不僅可以消除 CO 污染，其釋放的能量將會(huì)把 燒結(jié)煙氣提高 150℃左右，如果再少量輔以其他熱量，將可以使燒結(jié)煙氣適應(yīng)中溫催化脫硝工藝（300~420℃）， 必將推動(dòng)燒結(jié)煙氣脫硝工藝的巨大發(fā)展。另外，如果對(duì)脫硝后燒結(jié)工藝中一直不能得到推廣，主要原因是燒 結(jié)煙氣溫度低（110~160℃），將煙氣溫度達(dá)到該工藝所需工況條件需要消耗大量的能源，導(dǎo)致脫硝成本高昂。
1.3 CO 脫除的必要性
燒結(jié)煙氣中含有約 1%~2%的 CO（約 8000~20000mg/m3），已經(jīng)成為燒結(jié)煙氣亟需治理的污染物之一。據(jù)有關(guān)資料顯示，在燒結(jié)過(guò)程中大概有 1/4 的 C 最終以不完全燃燒的形式排放，由此造成了約 15%~20%的 能量以燒結(jié)煙氣中 CO 的形式排放，造成了巨大的能源浪費(fèi)。
1.4 CO 脫除對(duì)脫硝工藝的積極影響
如果能的高溫?zé)煔膺M(jìn)行余熱回收，將可能在脫除污染物的同時(shí)產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。
2 燒結(jié)過(guò)程 CO 產(chǎn)生機(jī)理
2.1 燒結(jié)燃燒特性
燒結(jié)料層炭的燃燒特性，燒結(jié)料層是典型的固定床，但與一般固定床燃料燃燒相比又有很大的不同。
（1）燒結(jié)料層中碳含量少、粒度細(xì)而且分散，按重量計(jì)燃料只占總料重的 3%~5%，按體積計(jì)不到總料 體積的 10%。
（2）燒結(jié)料層中的熱交換十分有利，固定碳顆粒燃燒迅速，且在一個(gè)厚度不大（一般為30~40mm）的 高溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行，高溫廢氣降低很快，二次燃燒反應(yīng)不會(huì)有明顯的發(fā)展。
（3）燒結(jié)料層中一般空氣過(guò)剩系數(shù)較高（常為 1.4~1.5）故廢氣中均含一定數(shù)量的氧。燃燒帶的特征是一種“嵌晶”結(jié)構(gòu)，即炭粒是在周圍沒(méi)有含炭的惰性物粒包圍下進(jìn)行的。在靠近燃料顆 粒附近，最高溫度和還原性氣氛占優(yōu)勢(shì)，氧氣不足，特別是燒結(jié)塊形成時(shí)，燃料被熔融場(chǎng)包裹時(shí)氧更顯得不足。但空氣抽過(guò)鄰近不含炭的區(qū)域，溫度就低得多，具有明顯氧化氣氛。
2.2 燒結(jié)廢氣中 CO 的發(fā)生及組成
燒結(jié)過(guò)程中 CO 產(chǎn)生的原因，不外為燃燒不充分（包括 C+0.5O2=CO 的反應(yīng)溫度低），C 和 CO2反應(yīng)生 成 CO（波多反應(yīng)），氧化鐵的直接還原和水煤氣反應(yīng)等化學(xué)反應(yīng)所致。由于燒結(jié)廢氣中 CO 的存在，使燃燒的熱值受到相當(dāng)大的損失，如廢氣中含 CO1%~2%，熱損失占總熱 收入的 15%~20%，燒結(jié)廢氣組成通常用 CO2、CO 比值，和燃燒比[CO/(CO+CO2)]來(lái)評(píng)價(jià)[1]。
2.3 燒結(jié)煙氣中 CO 濃度的影響因素 燒結(jié)廢氣中 CO/(CO+CO2)隨燃料粒度增大而減小但隨混合料中的燃料的用量增大而增大。負(fù)壓提高，廢氣燃燒比亦增加，但幅度較小。亦與料層的厚度，返礦量，燃燒溫度和燃料的反應(yīng)性等有關(guān)。隨著燃料粒度變細(xì)，燃料量增加和溫度提高而使燃燒比增加是由于波多反應(yīng)的結(jié)果；料層加厚和返礦減少，引起燃燒比的增加是由于燒結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)和溫度提高，以及燃料分布密度增大的結(jié)果；負(fù)壓增大使反應(yīng)過(guò)冷，所以負(fù)壓增大燃燒比也增大。CO 比 CO2提早 1min 消失，是由于波多反應(yīng) CO+0.5O2=CO2反應(yīng)過(guò)冷的 結(jié)果。
3 燒結(jié)煙氣中 CO 脫除的可行性研究
3.1 燒結(jié)煙氣中 CO 的燃燒條件
燒結(jié)煙氣中的 CO 含量很低，本身很難燃燒，需要外界創(chuàng)造一個(gè)高溫的條件和適宜的氧氣量，從而完成 燃燒過(guò)程。這個(gè)過(guò)程可能是燃燒過(guò)程，也可能是無(wú)焰的氧化過(guò)程，完成這個(gè)過(guò)程需要一定的時(shí)間。相關(guān)記載在 710℃完成燒結(jié)煙氣中 CO 的燃燒需要 0.05s，但工程中出于安全問(wèn)題考慮，一般設(shè)計(jì)煙氣在焚燒爐中高溫區(qū)的停留時(shí)間 1~2s。
CO 燃燒過(guò)程不僅有最低的啟燃溫度要求，而且存在啟燃區(qū)域限制，在最低的啟燃溫度以下，CO 不可 能發(fā)生劇烈燃燒；但在啟燃區(qū)域以內(nèi)，啟燃速度隨溫度升高而增加，繼續(xù)升高溫度，轉(zhuǎn)化率曲線由平緩過(guò)渡到陡直，即存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)隨操作條件的不同而略有變化，即與壓力、水蒸氣和 CO 濃度等因 素有關(guān)。由此可見，CO 燃燒過(guò)程經(jīng)歷了一個(gè)由不燃（<639℃）到啟燃以致劇烈燃燒的過(guò)程。燒結(jié)煙氣 CO的啟燃溫度為 639℃，而爆燃溫度為 700~710℃，639℃到 700℃為啟燃階段。
3.2 燒結(jié)煙氣 CO、NOx 及二噁英的協(xié)同處理工藝
把從燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)出來(lái)的煙氣送進(jìn)專門設(shè)計(jì)的 CO 脫除爐內(nèi)，該 CO 脫除爐以高爐煤氣（或焦?fàn)t煤氣） 為能源，在爐內(nèi)形成 800~1100℃的高溫，使煙氣中的 CO 和二噁英氧化分解，反應(yīng)后的熱量連同 CO 脫除爐 本身的煤氣燃燒釋放熱量一同進(jìn)入燒結(jié)煙氣中，此時(shí)煙 氣將會(huì)被加熱到 300~350℃。被加熱后煙氣通過(guò) SCR 裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣中 NOx 的脫除。通過(guò) SCR 脫硝工藝 后煙氣通過(guò)換熱器進(jìn)行換熱，在產(chǎn)生高溫高壓蒸汽的同 時(shí)煙氣溫度將會(huì)降低到 130℃左右。此時(shí)把燒結(jié)煙氣送 回到現(xiàn)有的脫硫工藝中，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣中 SO2的脫除。
4 燒結(jié)煙氣熱平衡計(jì)算
目前燒結(jié)煙氣溫度一般控制 130~170℃，對(duì)于大型燒結(jié)機(jī)煙氣溫度一般控制在 150℃。對(duì)于大型燒結(jié)機(jī) 而言，煙氣量一般為 1500Nm3 /t 礦，煙氣中含有的 CO 濃度約為 20000mg/m3 。CO 脫除爐設(shè)計(jì)高爐煤氣產(chǎn)生 熱值為 12%燒結(jié)總能耗（220.8×106J/t礦），在經(jīng)過(guò) CO 脫除爐時(shí)，由高爐煤氣及燒結(jié)煙氣中 CO 燃燒所產(chǎn)生 的熱量將會(huì)使燒結(jié)煙氣升高到 350℃以上，此時(shí)正好適合 SCR 脫硝反應(yīng)的進(jìn)行（最佳反應(yīng)溫度 300~420℃）。 經(jīng) SCR 脫硝后的高溫?zé)煔庠趽Q熱發(fā)電后將會(huì)降低到 130℃，把此煙氣返回到現(xiàn)有脫硫工藝中進(jìn)一步脫除煙 氣中 SO2等污染物。
5 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算
如果對(duì)脫硝后的煙氣熱量進(jìn)行回收，經(jīng)計(jì)算，僅 CO 產(chǎn)生熱量所轉(zhuǎn)化為電能約為 25kWh/t 礦，如果加上 CO 脫除爐產(chǎn)生熱量，預(yù)計(jì)總發(fā)電量將會(huì)達(dá)到 40kWh/t 礦。按照工業(yè)用電 0.6 元/kWh 計(jì)算，僅 CO 產(chǎn)生電能 將節(jié)約成本 15 元/t 礦。此項(xiàng)節(jié)約成本將可抵消整個(gè)脫硫脫硝工藝的運(yùn)行費(fèi)用。 6 結(jié)束語(yǔ) 該工藝的實(shí)施使燒結(jié)煙氣中 CO 從一種污染物變成了能源被回收利用，切實(shí)達(dá)到了節(jié)能減排的目的，同時(shí)在該工藝的基礎(chǔ)上增加 SCR 脫硝工藝，解決了目前燒結(jié)煙氣 SCR 脫硝工藝中所消耗煤氣能量不能回收利用的問(wèn)題，如果該工藝得以實(shí)施，必然會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
