聂绍昌

( 新余钢铁集团有限公司，江西 新余 338001)

摘 要: 钢铁厂烧结工序是有害气体 NO_x 的主要来源之一，减少烧结烟气中 NO_x 的排放，对环境保护具有重要意义。本文针对目前新钢烧结过程 NO_x 排放浓度高的问题，结合新钢实际烧结过程中原燃料条件参数、工艺条件参数对烟气中 NO_x排放浓度的影响规律，提出了一些有效的烧结过程 NO_x 减排控制方法，并在生产过程中采取从源头降低原燃料带入 N、降低固体燃料配比、强化制粒改善料层透气性、提高料层厚度等措施抑制烧结过程中 NO_x 的产生。结果表明，文中采取的措施皆有利于减少烧结烟气中 NO_x 的排放，排放浓度可以降低 10% ～20%。

关键词: 烧结； NOx；烟气减排；过程控制

1 前 言

烧结工序是钢铁企业主要的 NO_x 排放源之一，约占排放总量的一半。因此，控制和减少烧结工序 NO_x 的产生与排放是整个钢铁行业NO_x 减排的关键环节，其已成为钢铁企业污染物治理的重点。在烧结生产过程中，烟气中产生的大量有毒有害物质主要包括颗粒物、硫氧化物、NO_x 、二噁英等。全国烧结过程排放的NO_x 总量每年有100 万 t 左右，约占总排放量的6%^［1］ 。NO_x 不仅容易形成光化学烟雾，危害人体健康，而且易形成酸雨，污染生态环境。我国从上世纪 90 年代起，开始重视烧结过程烟气脱硫的问题，使得烧结烟气 SO 2 的排放得到有效控制，但对于脱硝问题，与发达国家相比仍存在很大差距，日本烧结机 90% 进行烟气脱硝处理，而我国仅有几家烧结厂对烟气脱硝进行了处理^［2］。随着环保要求日益严苛，烧结烟气中 NO_x 的减排治理已经摆上钢铁企业环保治理日程。本文阐述了烧结过程中 NO_x 产生的原因，同时结合新钢生产实际，给出了一些生产中减少 NO_x 产生的措施，以供同行借鉴与参考。

2 新钢烧结生产条件及 NO_x 的排放现状分析

新钢烧结原料配料情况如表 1 所示，主要的几种固体燃料如表 2 所示，新钢烧结生产主要的工艺参数如表 3 所示。

由表 1 可知，新钢烧结生产采用的熔剂有四种，其中生料熔剂有石灰石粉和白云石粉，熟料熔剂有钙石灰 ( 钙质生石灰) 和镁石灰( 镁质生石灰) ; 固体燃料为焦粉和无烟煤按一定比例混用。且由表 2 可知，新钢烧结生产采用的燃料中含 N 较高的为固体燃料，其中煤粉N 含量最高，来源品种不同 N 含量差异较大，同一品种在不同时间 N 含量也有差异。

为了找出新钢烧结生产条件下 NO_x 的排放规律，调取了 2018 年 4 ～ 5 月份 6 # 烧结机脱硫出口烟气中 NO_x 的排放数据 ( 环保局测试结果) ，结果如图 1 所示。

从图 1 可以看出，4 ～5 月份 NO x 实测浓度平均约为 271 mg/m 3 ，相应工况条件下排放烟气中氧气含量为 15. 64%左右，出口烟气的 NO_x排放数据处于高位，且 NO_x 实测浓度瞬时值波动较大，有时出现短时超过 300 mg/m³ 的情况。结合新钢生产实际，分析出口烟气 NO_x 浓度较高的原因主要有: ①新钢为降低成本采用了较多的低价高 N 无烟煤，有的无烟煤 N 含量甚至超过 1%; ②由于点火炉下方的 1 # 、2 # 和 3 # 风箱结构有缺陷、维护不善导致密封效果差，烧结点火负压较高; ③烧结矿碱度控制在 1. 85，有时低至 1. 7，未达到高碱度烧结矿适宜的碱度水平; ④混合料水分较高，有时超过8. 33%，料层厚度也偏低，不到 700 mm，有时甚至低至600 mm，没 有 铺 满 布 料; ⑤ 烧 结 矿 FeO 在8. 5%左右，烧结温度处在较高的水平。

3 烧结过程 NO_x 生成的影响因素

烧结过程中，自点火后原料开始进行烧结，自上而下可以分为烧结矿带、燃烧带、干燥预热带、过湿带和原始烧结料带 ^［3］。烧结过程中，烧结带自上而下逐层推进，燃料中的 NO_x 在预热层开始大量生成^［4］，烧结带以下各断面 NO_x浓度基本相同，不同高度位置处最大 NO_x 浓度相差不大，未出现 NO_x 积聚现象。当 O₂ 浓度开始下降，CO₂ 和 CO 的量开始上升时，表明碳开始燃烧，此时 NO_x 的浓度随之升高; 当碳剧烈燃烧，CO₂ 和 CO 含量升至较高水平时，NO_x 浓度同时也上升至较高水平，并且保持较高水平的时间段与CO₂ 和 CO 保持较高水平的时间段相对应; 烧结接近终点时，O₂含量开始上升，CO₂ 和 CO 含量开始下降，而 NO 含量亦随之下降。烧结过程产生的 NO_x ，以燃料型 NO_x 为主^［5］。影响烧结过程 NO_x 形成的因素很多，结合新钢生产实际可知，其主要受烧结原燃料、烧结工艺参数等因素的影响比较多。

3. 1 烧结原燃料条件的影响

烧结原料中的 N 含量最高的为煤粉，其次为焦粉、除尘灰、铁精粉。原料中 N 含量越高，烧结过程生成的 NO_x 量越大。因此，要尽可能减少原燃料带入的 N。此外，随着燃料挥发分含量的增加，NO_x 排放浓度和燃料 N 的转化率逐渐上升: 随着燃料反应性的升高，NO_x 排放浓度和燃料 N 的转化率逐渐下降^［5］。根据现场实际生产情况分析可知，其影响因素主要有以下几个方面:

( 1) 水含量的影响。烧结料中加入适量的水分，有助于提升制粒效果，改善料层透气性，从而提高燃烧过程中的过剩空气系数，促进 N向 NO_x 的转化。此外，烧结中的水分具有提高烧结料导热性及传热速率的作用，在合理范围内增加水分会提高烧结温度，促进 N 的氧化。当水分过高导致料层透气性变差、料层温度下降、过剩空气系数变低时，原料 N 的转化率降低。

( 2) 煤粉配比的影响。由于原料中煤粉的含 N 量较高，随着煤粉配比的增加，原料中的N 含量增加，所以烧结过程中形成的 NO_x 量也会增加。此外，随着煤粉配比的增加，烧结温度也有相应的提高，热力型 NO_x 的生成会增加。因此，原料中应尽量使用含氮量少的焦粉来代替煤粉。

( 3) 返矿配比的影响。有研究表明铁酸钙对于 CO－NO 的同相还原反应有较强的催化作用^［6］，返矿是成品烧结矿经破碎后粒径较小，不能直接冶炼还需要二次烧结的成品矿，它的主要成分为铁酸钙。因此，适量增加返矿含量有利于减少烧结过程中 NO_x 的排放。

( 4) 碱度的影响。碱度即烧结矿中碱性氧化物与酸性氧化物的比值。提高料层中 CaO 含量，一方面有利于在较低温度下 ( 500 ～700 ℃左右) 生成铁酸钙，而铁酸钙可以催化 NO_x 向N₂ 的还原; 另一方面还可以降低燃烧区的温度，使烧结过程中 NO_x 的排放浓度降低。因此，控制原料的碱度有利于减少烧结过程中 NO_x 的排放。

3. 2 烧结工艺参数的影响

( 1) 点火时间与负压的影响。生产发现，随着点火时间的延长，上层烧结矿温度提高，燃烧带厚度增加。但是由于蓄热理论以及燃料偏析，使得中下层烧结温度呈现梯级变化，焦粉的剧烈燃烧，造成 NO_x 总量增大。另外，随着点火负压提高，点火器中火焰被拉长，使得火焰穿透料层更深，表层烧结混合料中的焦粉快速燃烧，从而造成 NO_x 的增加。因此，应适当控制点火时间和点火负压。目前，大多数工厂已采用微负压或零负压点火，从而减小了其对 NO_x 排放的影响。

( 2) 温度的影响。温度对 NO_x 的生成有决定性的影响，温度越高，NO_x 的最大生成浓度和速度越大。尤其在温度超过 1 300 ℃后，NO_x的生成量大幅增加。因此，应尽量采用低温烧结技术。

( 3) 料层高度的影响。厚料层作业有利于发挥料层的自蓄热作用，节约燃料用量，因而减少了燃料带进的 N 量; 料层越厚透气性越差，氧含量会有所降低，抑制 N 向 NO_x 的氧化。此外，厚料层作业还能延长高温保持时间，有利于铁酸钙的形成，铁酸钙可以促进 NO_x 向 N₂ 的还原。所以，高料层烧结可减少 NO_x 的排放。

4 烧结过程 NO_x 控制措施

新钢根据烧结过程中产生的烟气具有 NO_x浓度低但排放量大、温度波动大、粉尘含量高、含湿量大、含腐蚀性及有毒气体、排放不稳定等特点。针对烧结过程中 NO_x 的生成机理及产生的烟气特点，对NO_x 排放控制主要从以下几方面进行: 控制原燃料带入的氮含量、优化配矿弱化 NO_x 的生成条件、改善工艺条件降低NO_x 生成、末端治理减少 NO_x 排放。

4. 1 原燃料控制

烧结过程中，生成的 NO_x 大部分为燃料型NO_x ，所以从源头上来控制NO_x 的产生至关重要。一方面在不影响烧结过程的前提下，应尽可能减少原燃料带入的氮 ( 如: 采用低氮含量的焦粉代替煤粉、使用挥发分低的煤粉、焦炭提前脱氮等，无烟煤在固体燃料中的占比由50%降至 20%) ; 另一方面应加强对原燃料粒度的控制，粒度小于 0. 5 mm 或粒度大于 5 mm的焦粉燃烧过程中，其NO_x 产生量较少。但就烧结工艺本身而言，还需考虑燃料粒度对燃烧带厚度、烧结温度以及料层透气性的影响，一般要求粒度为 1 ～3 mm。因此，需要综合考虑，选择合适的燃料粒度。新钢烧结燃料破碎采用反击式破碎加四辊破的工艺，燃料粒度 0% ～3%控制在 85%，在实践中对降低NO_x 排放浓度起到了积极效果。

4. 2 配料控制

在合理范围内，控制较高烧结矿碱度可有效地减少 NO_x 的生成。新钢烧结矿碱度由 1. 8提高到 2. 0，随着碱度的提高，CaO 含量增加，有助于低温下 CaO 与 Fe₂O₃ 的固相反应，铁酸钙的生成量增加，而固相反应生成的低熔点物质的融化，可使燃烧区温度降低 100 ℃ 以上。此外，铁酸钙对 NO_x 的还原具有催化作用，在铁酸钙存在的情况下，局部还原气氛中 CO 还原 NO_x 的能力有明显的提高，随烧结矿碱度提高，NO x 排放浓度和排放总量略有降低，其检测结果如图 2 所示。

此外，提高钙质熔剂中石灰石的使用比例，石灰石比例由 5%提高到 7. 5%，镁质熔剂配比由3. 0%降低至 1. 5%，加强筛子的维护，适量增加返矿配比，返矿由 20% 增加到 23%，通过配矿调整可减少烧结过程中 NO_x 的排放。

4. 3 工艺控制

通过改善烧结工艺、控制操作条件也可以减少NO_x 排放，对此新钢采取的措施主要包括控制燃烧气氛、优化配料、控制碱度、厚料层烧结等。稳定工艺操作，确保烧结过程负压、废气温度、终点温度等工艺参数指标适宜而稳定，减小烧结过程废气中NO_x 排放浓度的波动，防止短时期 NO_x排放浓度超标。烧结过程废气中NO_x 排放浓度因生产工艺稳定波动幅度减小，一般控制在 10 mg/m³ 波动范围，未出现NO_x排放浓度短时超标的情况。适当控制点火时间和点火负压，通过改造 1 # 、2 # 、3 # 风箱，完善点火炉下部风箱密封，坚持采用微负压或零负压点火，1 # 、2 # 、3 # 风箱的负压分别由 － 14. 3 kPa、14. 6 kPa 和 14. 7 kPa 降至 6. 6 kPa、6. 8 kPa 和6. 7 kPa，还可节约混合煤气用量约 20%。

优化燃料分布，通过改变燃料在制粒小球中的分布状态，来改善燃料的燃烧过程，减少NO_x的生成。有研究表明，燃料分布在小球内部时比燃料均匀分布和燃料分布在小球外层或以单独形式存在时，NO_x的排放浓度都低。这是由于燃料分布在小球内部时，燃料燃烧过程中 O₂ 向内扩散的阻力大，燃烧在相对贫氧的条件下进行，生成的主要为 CO，有利于 NO_x的还原; 加上小球内部 O₂ 含量较低，因此燃料氮向NO_x的转化过程受到抑制 ^［5］。

厚料层烧结降低 NO_x排放，料层增厚有利于发挥料层的自蓄热作用，从而可以减少燃料总量，由于燃料带入 N 的减少，以及局部高温火焰点变少，使得烧结过程NO_x减少。同时，随着料层厚度的提高，料层透气性变差，过剩空气系数减小，氧含量降低，导致 NO_x 的生成速率减缓。此外，厚料层作业还有助于提高铁酸钙的生成量，进而促进NO_x 向 N₂的还原，减少NO_x的排放量。新钢 360 m²烧结机料层通过检修密封，改善原料结构，强化制粒提高料层透气性，烧结料层由 650mm 提高到 750mm，随着烧结料层厚度的提高，烧结烟气中NO_x浓度降幅显著，结果如图 3 所示。

5 NO_x控制措施的应用效果

新钢采用降低固体燃料配比、提高石灰石和生石灰的比例、降低白云石配比、保持高碱度烧结、改善料层透气性、提高料层厚度等措施后，各烧结机出口NO_x排放浓度如表 4 所示，且调取了采取 NO_x控制措施后 6 # 烧结机脱硫出口烟气的排放数据 ( 环保局测试结果) 结果如图 4 所示。可见，使用 NO_x控制技术后，6 # 烧结机 脱 硫 出 口 烟 气 中NO_x实 测 浓 度 由271. 63 mg/m³ 降至 232. 30 mg/m³ ，烟气中氧气含量由 15. 64%降至 15. 11%; 烧结烟气中 NO_x的排放浓度可以降低 10% ～ 20%，减排效果显著。

参考文献

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