通過分析帶式燒結(jié)機煙氣中SO2,NOx濃度及煙氣溫度隨燒結(jié)機燒結(jié)過程進(jìn)行的變化規(guī)律，研究硫塵硝一體化技術(shù)應(yīng)用在燒結(jié)機煙氣治理中的可行性。提出工藝路線:將燒結(jié)機煙氣根據(jù)各風(fēng)箱的煙溫分為100℃以下的低溫部分、100℃以上的中高溫部分。中高溫部分煙氣可直接引入硫塵硝一體化設(shè)備進(jìn)行煙氣綜合治理，而低溫部分煙氣則可通過布袋除塵器等預(yù)除塵處理后作為冷卻機的冷空氣對熱鐵礦進(jìn)行冷卻處理，冷卻后的300~400℃高溫廢氣再匯入硫塵硝一體化設(shè)備，與燒結(jié)機中高溫部分煙氣一同進(jìn)行250~400℃的脫硫、除塵、脫硝一體化超凈處理。將硫塵硝一體化技術(shù)應(yīng)用于燒結(jié)煙氣治理中，是節(jié)能簡易且高效的超凈治理。
引言
隨著鋼鐵行業(yè)的快速發(fā)展，金屬填料天然富礦在產(chǎn)量和質(zhì)量上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足高爐冶煉的要求，而大量貧礦經(jīng)選礦后得到的精礦粉卻不能直接入爐冶煉，因此，往往通過人工方式將精礦粉制成塊狀的人造富礦供給高爐使用。目前生產(chǎn)人造富礦的方法主要有燒結(jié)法和球團法，其中鐵礦粉的燒結(jié)是目前最重要的造塊技術(shù)，因此燒結(jié)煙氣也不可避免地成為鋼鐵行業(yè)廢氣污染物的主要排放源。據(jù)《鋼鐵燒結(jié)煙氣多污染物的排放特征及控制技術(shù)》報道，鋼鐵燒結(jié)工序的粉塵排放量約占鋼鐵生產(chǎn)總排放量的20%,SO2占比高達(dá)60%，同時鋼鐵燒結(jié)煙氣粉塵排放濃度約為1000~5000mg/m3;SO2排放濃度約為300一10000mg/m3,SO2濃度變化大，平均排放濃度可達(dá)1575mg/m3。因此燒結(jié)煙氣的治理也是鋼鐵企業(yè)廢氣污染防治的重中之重。特別是GB28662-2012《鋼鐵燒結(jié)、球團工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的實施，對SO2,NOx、粉塵的排放均有非常嚴(yán)格的要求，可見燒結(jié)煙氣的治理將日漸嚴(yán)峻。
1常規(guī)治理工藝
目前，針對燒結(jié)煙氣的治理方式很多，然而燒結(jié)機機頭煙氣具有負(fù)壓高(最高達(dá)20000Pa)、含濕量大、含有SO2,H2S等腐蝕性氣體且粉塵比電阻較高等特點，給電除塵器的設(shè)計、選型帶來了很大困難。長期以來，中、小型燒結(jié)機機頭收塵系統(tǒng)都采用旋風(fēng)、多管等除塵效率較低、故障率較高的除塵器，嚴(yán)重影響了燒結(jié)機的正常生產(chǎn)和環(huán)保治理。而針對燒結(jié)煙氣的脫硫處理，截至2012年底，我國已建成投運燒結(jié)脫硫設(shè)施389臺，而全國燒結(jié)機共超1200臺，脫硫覆蓋率不足1/3。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國燒結(jié)煙氣脫硫市場混亂，簡單模仿、低質(zhì)低價、惡性競爭現(xiàn)象普遍;防腐、外保溫、副產(chǎn)物處理等環(huán)節(jié)缺失;普遍缺乏有效的運營維護(hù)，設(shè)備故障率高，投運率低。依據(jù)2012年相關(guān)環(huán)保部門核查結(jié)果顯示，全國平均綜合脫硫效率僅為38.6%。針對燒結(jié)煙氣的脫硝處理，由于燒結(jié)煙氣平均溫度為150℃左右，而往往脫硝催化反應(yīng)要求的反應(yīng)溫度為260~380℃，過低的反應(yīng)溫度將顯著提高副反應(yīng)的發(fā)生，如生成(NH4)2SO4或NH4HSO4附著在催化劑表面，堵塞催化劑的通道和微孔，從而大大降低催化劑的活性。因此，燒結(jié)煙氣的綜合治理不僅要脫除粉塵、SO2,NOx和二噁英等有害物質(zhì)，還應(yīng)對煙氣凈化產(chǎn)物進(jìn)行無害化處理，消除二次污染并節(jié)約資源及經(jīng)濟成本。目前，燒結(jié)煙氣的常規(guī)治理工藝中典型的超低排放技術(shù)路徑有
1)以活性炭吸附法脫硫脫硝處理為主的靜電除塵器+活性炭吸附法+袋式除塵器工藝，從脫硫適應(yīng)性、有無二次污染及脫硝等方面，能夠取得較好的脫硫脫硝效果，并可同時脫除二噁英，但存在系統(tǒng)投資非常大，運行維護(hù)成本高，占地面積大，系統(tǒng)較為復(fù)雜等諸多問題。
2)以中高溫選擇性催化還原法(SCR)脫硝處理及濕法脫硫處理為主的靜電除塵器+煙氣加熱+中高溫SCR+煙氣換熱+石灰石石膏濕法脫硫+濕式電除塵+煙氣脫白霧裝置工藝，雖然技術(shù)相對成熟，具有較高的脫硝效率，在燃煤電廠也已得到廣泛應(yīng)用，但應(yīng)用在燒結(jié)煙氣治理系統(tǒng)則需要經(jīng)歷先升溫后降溫的處理，能耗高，同時濕法脫硫后產(chǎn)生的大量廢水也需要進(jìn)行二次處理，整體運行成本非常高。為此，開發(fā)一套適合燒結(jié)煙氣的多污染物超低排放工藝迫在眉睫。
燒結(jié)煙氣的常規(guī)工藝往往以煙氣平均溫度150℃左右為出發(fā)點進(jìn)行相應(yīng)的工藝設(shè)計，從而采用低溫的濕法脫硫、布袋除塵、電除塵、活性炭脫硫脫硝等方式進(jìn)行煙氣處理，而有著優(yōu)異脫硝性能的SCR技術(shù)處理則需要通過燃燒器等升溫再通過煙氣再熱器(GGH)等降溫的配合才能實現(xiàn)煙氣的達(dá)標(biāo)排放。通過利用燒結(jié)煙氣的余熱產(chǎn)生蒸汽進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)早已存在，以濟南第二燒結(jié)廠為例，其余熱回收段煙氣溫度為300~400℃，該段煙氣通過進(jìn)人高效余熱鍋爐，加熱鍋爐內(nèi)的水能夠產(chǎn)生375℃的過熱蒸汽和0.37MPa的低壓飽和蒸汽供給汽輪機發(fā)電。因此，燒結(jié)煙氣也能找到更高的溫度段進(jìn)行多污染物的超低排放綜合治理，從而避免低溫處理帶來的諸多弊端。
2燒結(jié)工藝分析
燒結(jié)是指在一定的高溫作用下，使部分鐵礦粉顆粒表面發(fā)生軟化和熔化，產(chǎn)生一定量的液相，并與其他未熔礦石顆粒作用，冷卻后液相將礦粉顆粒藏結(jié)成塊的過程。其中，帶式燒結(jié)機是我國冶金鋼鐵企業(yè)使用最為廣泛的一種燒結(jié)機型號，其技術(shù)先進(jìn)、可靠且實用，適用于大、中型規(guī)模燒結(jié)廠的鐵礦粉燒結(jié)處理。本文將以帶式燒結(jié)機為研究對象，進(jìn)行工藝分析。
帶式燒結(jié)機主要組成部分有燒結(jié)機驅(qū)動裝置、點火裝置、走行軌、導(dǎo)軌、滑道、風(fēng)箱、密封裝置等。
帶式燒結(jié)機是由鋪設(shè)在鋼結(jié)構(gòu)上的封閉軌道和在軌道上連續(xù)運動的一系列燒結(jié)臺車組成。首先將燒結(jié)礦中分出的鋪底料(10-20mm)加至臺車上，以保護(hù)臺車箅條并減少廢氣中的含灰量，然后再將燒結(jié)混合料經(jīng)布料機加至臺車上，并保持規(guī)定的高度。隨之進(jìn)行抽風(fēng)點火燒結(jié)，隨著臺車的前進(jìn)，通過抽風(fēng)助燃，燒結(jié)過程將由料層表面向下不斷進(jìn)行，將混合料由上至下燒透，生成燒結(jié)礦。至機尾時燒結(jié)完成，臺車翻轉(zhuǎn)而將燒結(jié)餅傾卸。燒結(jié)餅經(jīng)破碎和篩出熱反礦后，送至冷卻機冷卻?？张_車沿下部軌道繼續(xù)運行回?zé)Y(jié)機頭部，進(jìn)行新一輪的加料點火燒結(jié)過程，如此循環(huán)。而燒結(jié)廢氣則由料層中抽出至臺車下的風(fēng)箱從而并入集氣總管及煙道，經(jīng)處理后排向煙囪。
帶式燒結(jié)機的抽風(fēng)燒結(jié)過程是自上而下的，燒結(jié)料層依據(jù)高度溫度變化可分為燒結(jié)礦帶、燃燒帶、干燥預(yù)熱帶和過濕帶。這4個分帶的厚度體現(xiàn)了燒結(jié)過程所有熱狀態(tài)特性，同時導(dǎo)致各帶產(chǎn)生的燒結(jié)煙氣溫度也存在明顯差異。其煙氣溫度分布規(guī)律大致為:
1)燒結(jié)礦帶:燒結(jié)礦層經(jīng)高溫點火后，燒結(jié)料中燃料燃燒釋放大量的熱使表面料層中礦物產(chǎn)生熔融，由于燃燒層下移及冷空氣的通過，生成的熔融液相將被冷卻而再結(jié)晶(1000~1100℃)凝固成網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的燒結(jié)礦。
2)燃燒帶:燃料在該層燃燒，溫度高達(dá)1350~1600℃，使礦物軟化熔融粘結(jié)成塊，該層除燃燒反應(yīng)外，還發(fā)生固體物料的熔化、還原、氧化以及石灰石和硫化物的分解等反應(yīng)。
3)預(yù)熱干燥帶:經(jīng)燃燒層的高溫廢氣，把混合料很快預(yù)熱到著火溫度，一般為400~800℃，此層內(nèi)開始進(jìn)行固相反應(yīng)，結(jié)晶水及部分碳酸鹽、硫酸鹽分解、磁鐵礦局部被氧化。廢氣下行并繼續(xù)將下層物料加熱，使下部料層溫度很快上升到100℃以上，料層中的游離水大量蒸發(fā)。
4)過濕帶:經(jīng)預(yù)熱干燥層的熱廢氣含有大量水分，料溫低于水蒸氣的露點時，廢氣中的水蒸氣會重新凝結(jié)，使混合料中水分大量增加而形成過濕層，此層水分過多，使料層透氣性變差，降低燒結(jié)速度。
燒結(jié)結(jié)束后所獲得的熱燒結(jié)礦，溫度高達(dá)600~1000℃，必須經(jīng)過冷卻機吸人的冷空氣冷卻至150℃以下才能由帶式輸送機運往高爐，冷卻廢氣溫度約為300~400℃。
3燒結(jié)煙氣多污染物排放特征
研究表明，燒結(jié)煙氣中SO2的主要來源于鐵礦石中的硫化物、硫酸鹽等分解及固體燃料(如煤粉)的燃燒;NOx的主要來源為燒結(jié)點火過程、固體燃料燃燒及高溫反應(yīng)階段。結(jié)合燒結(jié)工藝可知，燒結(jié)過程廢氣污染物成分會隨燒結(jié)料層分帶而不同，而燃燒帶及干燥預(yù)熱帶很可能是廢氣中SO2,NOx的主要來源。燒結(jié)過程始于機頭的高溫點火，并隨臺車前進(jìn)，在抽風(fēng)機作用下由料層表面向下不斷進(jìn)行并于機尾完成。而燒結(jié)廢氣則由料層中抽出至臺車下的風(fēng)箱從而并入集氣總管及煙道，經(jīng)處理后排向煙囪。因此，通過對不同的風(fēng)箱進(jìn)行不同的煙氣處理，將可能找到燒結(jié)煙氣更為適合的超低排放工藝。
通過朱廷飪等對某鋼鐵企業(yè)燒結(jié)煙氣中SO2及NOx濃度沿?zé)Y(jié)方向的變化研究，及其與濟鋼集團400m2燒結(jié)機、福建省三鋼(集團)180m2燒結(jié)機測試結(jié)果的對比可以發(fā)現(xiàn):SO2與NOx的濃度隨燒結(jié)機位置的不同而變化，中后部煙氣SO2濃度高，機頭濃度幾乎為0;NOx濃度沿?zé)Y(jié)方向的變化與SO2不同，NOx在機頭最高，而中部及機尾濃度低;同時，風(fēng)箱煙氣溫度也隨燒結(jié)方向不同而變化，前端和中段溫度較低，約50~100℃，而中段及末端溫度較高，約100~400℃，兩者風(fēng)箱數(shù)比例約1:1。
4硫塵硝一體化技術(shù)(LongkingSCR+)
LonkingSCR+是近年來龍凈環(huán)保股份有限公司從國外引進(jìn)并優(yōu)化整合出的一套新型煙氣中高溫干法超凈治理工藝，工藝特點為
1)采用循環(huán)流化床煙氣脫硫技術(shù)(CFB-FGD)對煙氣進(jìn)行250~400℃的干法脫硫處理，其依托于傳統(tǒng)CFB-FGD技術(shù)的循環(huán)流化床原理，能夠使吸收劑在反應(yīng)器內(nèi)多次再循環(huán)，延長了吸收劑與煙氣的接觸時間，從而大大提高了吸收劑的利用率。不但具有一般干法脫硫工藝的諸多優(yōu)點，如流程簡單、占地少、投資低以及副產(chǎn)品可以綜合利用等，而且能在鈣硫比很低(Ca/S=1.1—1.2)的情況下達(dá)到與濕法脫硫工藝相當(dāng)?shù)拿摿蛐?95%左右)。
2)采用帶脫硝催化劑型的復(fù)合陶瓷濾筒為核心元件進(jìn)行煙氣的脫硝、除塵一體化處理(以下簡稱塵硝一體化技術(shù))，該技術(shù)采用過濾式的除塵方式，通過陶瓷濾筒表面的篩濾和攔截作用對煙氣中粉塵進(jìn)行攔截，從而實現(xiàn)除塵;同時，由于復(fù)合濾筒內(nèi)部載有大量SCR脫硝催化劑，當(dāng)煙氣由濾筒表面進(jìn)人濾筒內(nèi)的除塵過程中，煙氣中的NOx也能夠在催化劑作用下與預(yù)先注人的氨進(jìn)行反應(yīng)生成N2，從而實現(xiàn)煙氣的除塵脫硝同步處理。塵硝一體化的優(yōu)勢在于其采用的陶瓷濾筒，表面覆膜孔徑小，可處理亞微米級顆粒物，具有非常高效的除塵效果，同時由于其本身為陶瓷耐火材料，最高能耐受近850℃高溫，從而確保其能在250~400℃的最佳脫硝反應(yīng)溫度下同步進(jìn)行高效除塵處理而不損壞濾料，進(jìn)一步節(jié)約設(shè)備投資及占地。
3)硫塵硝一體化技術(shù)集合了CFB-FGD煙氣脫硫技術(shù)與塵硝一體化技術(shù)，采用的中高溫+法治理工藝不產(chǎn)生污水等二次污染，也避免了煙囪的腐蝕。同時，其特殊的中高溫干法一體化處理方式既避免了干濕結(jié)合工藝中煙氣反復(fù)升溫降溫的弊端，還有利于凈煙氣的余熱回收。因此，若能找到燒結(jié)煙氣中合適的溫度段，則硫塵硝一體化技術(shù)優(yōu)勢明顯。
5硫塵硝一體化技術(shù)應(yīng)用在燒結(jié)煙氣治理的可行性
LongkingSCR+是以循環(huán)流化床脫硫、濾筒除塵及SCR脫硝為一體的250~400℃的中高溫干法綜合處理工藝，而燒結(jié)煙氣中NOx主要集中于前端的低溫段，SO2的排放主要集中于中后段的高溫段，因此若能提高燒結(jié)機前端的煙氣溫度，則能很好地使用該技術(shù)對燒結(jié)煙氣的SO2,NOx及粉塵進(jìn)行綜合的治理，從而減少廢水、煙囪腐蝕、煙氣再熱器(GGH)升溫降溫等。此外，燒結(jié)機燒結(jié)后還有一個必備的冷卻階段，需要通過吸人冷空氣將溫度高達(dá)600~1000℃的熱燒結(jié)礦冷卻至150℃以下才能運送至高爐使用，而冷卻廢氣高達(dá)300~400℃，這將為燒結(jié)機前端煙氣溫度的提高提供一個非常節(jié)能且便捷的方式。冷卻機廢氣也是目前燒結(jié)機余熱回收發(fā)電的主要余熱來源。
為此，針對燒結(jié)煙氣的綜合治理，最可行的工藝路線可能為將燒結(jié)機煙氣根據(jù)各風(fēng)箱的煙溫分為100℃以下的低溫部分、100℃以上的中高溫部分，中高溫部分煙氣可直接引人硫塵硝一體化設(shè)備進(jìn)行煙氣綜合治理，而100℃以下的低溫部分煙氣則可通過布袋除塵器等預(yù)除塵處理后作為冷卻機的冷空氣對熱鐵礦進(jìn)行冷卻處理，冷卻后的300~400℃高溫廢氣再匯入硫塵。
硝一體化設(shè)備，與燒結(jié)機中高溫部分煙氣一同進(jìn)行250一400℃的脫硫、除塵、脫硝一體化超凈處理。凈化后煙氣可再次經(jīng)過余熱回收后再排人煙囪(如圖1所示)。將硫塵硝一體化技術(shù)應(yīng)用于燒結(jié)煙氣超凈治理中有以下優(yōu)勢:
1)能夠通過直接利用燒結(jié)后的熱鐵礦余熱進(jìn)行煙氣的升溫而不需使用額外的加熱器等昂貴設(shè)備;
2)硫塵硝一體化技術(shù)能夠?qū)⒚摿?、除塵、脫硝同步進(jìn)行高效的超凈處理，大大簡化了工藝并再次節(jié)約了設(shè)備成本;
3)硫塵硝一體化技術(shù)的中高溫干態(tài)煙氣處理工藝，減少了廢水等二次污染，避免了煙囪腐蝕等問題，也有利于凈煙氣的余熱回收利用。