鋼鐵生產過程中約有51%～62%的SO2及48%的NOx來自燒結工序，燒結已是SO2和NOx的最大產生源[1]，而目前對于燒結煙氣污染物的脫除大部分采取針對某種污染物單獨的末端處理工藝，隨著國家對煙氣中污染物限制排放種類的增多及排放量的要求越發(fā)嚴格，單一污染物的末端處理工藝配置越來越復雜，占地越來越大，造成建設投資及生產運行成本不斷攀升。燒結工序余熱也是單一部位的回收利用，同樣造成了設備投資運行、場地占用等多方面的浪費。

燒結生產過程中，原燃料中存在的硫被高溫氧化成氣態(tài)的SO2，而燃料中存在的氮氧化物被高溫氧化成氣態(tài)的NOx。據潘建博士等科研人員的研究結論，在不同的燒結區(qū)段，隨著燒結氣氛中O2和COx濃度的變化，煙氣中SO2和NOx濃度隨著料溫不斷升高也產生了相應的變化[2]。

1 燒結煙氣中SO2、NOx、COx濃度在燒結過程中分布特點

1.1 SO2的形成與煙氣溫度的關系

燒結煙氣中的SO2主要是由含鐵原料中的FeS2、FeS和燃料中的有機硫、FeS2、FeS氧化生成，還有部分來自硫酸鹽的高溫分解[3]，存在于燒結生產的整個過程。在燒結生產過程中，煙氣溫度快速升高之前(即過濕帶完全消失之前)，煙氣中SO2濃度一直處于較低且較穩(wěn)定的狀態(tài);當煙氣溫度開始快速升高(即干燥帶接近燒結料底層)時，料層原先吸附的SO2快速釋放導致SO2濃度迅速升高;當燃燒帶接近燒結料底層和達到燒結終點之前，SO2濃度達到最大值。

由此可以看出，燒結生產過程中的SO2濃度與煙氣溫度存在對應關系，但SO2濃度最大值出現的時間點比煙氣溫度最高點出現的時間點要提前一些[4]。

1.2 NOx形成與煙氣溫度的關系

煙氣中NOx的形成主要有三種方式，燃料型、熱力型及快速型，燒結煙氣中NOx主要是由氣體、固體燃料的燃燒產生，為燃料型NOx，而熱力型及快速型NOx生成量很少。煙氣中生成的NOx也主要以NO為主，只有很少量的NO2。

燒結過程的主要產物是鐵酸鈣，據有關研究發(fā)現，在CO還原NO的反應中鐵酸鈣起到顯著的催化作用，它先被CO還原再被NO氧化，因此該反應屬于自催化。同時鐵酸鈣催化NO還原還服從多相催化的吸附活化物理論，在鐵酸鈣催化劑活性部位發(fā)生NO分子吸附、離解、表面活性物種的重組和產物脫附的反應，在這兩種反應機理共同作用下，該還原反應的活化能由246.68kJ/mol降到138.80kJ/mol，且加快了反應速度。鐵酸鈣有3種，催化能效依次為CaO·Fe2O3>CaO·2Fe2O3>2CaO·Fe2O3。

因此，在燒結過程中應盡可能的產生鐵酸鈣系粘結相，在燒結礦表層形成鐵酸鈣，以便達到鐵酸鈣自催化NOx還原的效果，這樣不僅能減少煙氣中NOx的排放，同時可降低NO排放濃度近44%，還可改善燒結產量質量指標。

1.3 COx形成與煙氣溫度的關系

燒結煙氣中的COx主要由氣體及固體燃料的燃燒產生，由于固體燃料在混合料中分散分布，其燃燒規(guī)律介于單體焦粒燃燒與焦粒層燃燒之間，屬非均相反應[2]。在點火階段，煙氣中的COx濃度快速上升，其中CO從0%升到約7%，CO2從0%升到14%左右;而煙氣中的O2濃度從20.9%降到2%左右。

點火后，燒結過程中CO濃度快速降到2%左右后基本不變，CO2濃度則一直在14%左右波動;O2濃度波動方向均與CO2濃度的波動方向相反，這種現象一直持續(xù)到燒結終點前2～3min。當燒結煙氣溫度達到最高點時，O2濃度恢復至空氣中O2濃度水平，CO濃度降至很低，而CO2濃度則幾乎為零。

2 燒結煙氣余熱利用

燒結煙氣余熱主要來自以下兩方面:

(1)冷卻機高溫段的廢煙氣溫度約為350～420℃[5]，這部分廢煙氣顯熱約占總熱量的29.3%。近年來，冷卻機高溫廢煙氣余熱回收技術(余熱蒸汽用于發(fā)電或汽拖帶動燒結主抽風機)已開始廣泛應用推廣。

(2)燒結機尾風箱高溫段煙氣溫度約為320～400℃[5]，這部分煙氣顯熱約占總熱量的23.6%，目前主要用于煙氣循環(huán)燒結或煙氣余熱回收產蒸汽。燒結生產采用熱風燒結、點火保溫工藝后，可降低燃料消耗，促進產物中鐵酸鈣的形成，防止臺車中的燒結礦在出點火器后表層溫度驟降造成強度變差，增加燒結返礦率。因此熱風燒結能有效提高燒結礦強度，改善燒結礦質量，降低燃料消耗。

據有關統計數據，采用熱風燒結工藝，燒結產量可提高2%，轉鼓指數提高1.5%，成品率提高2%，燃耗降低12%～15%，固體燃耗降低2%～4%[6]。

燒結工序這兩塊余熱目前大都只是單一回收利用，從實現能源梯級利用的高效性和經濟性角度分析，將這兩塊余熱進行綜合回收處理是最大限度提高有效余熱利用的發(fā)展方向。

3 選擇性燒結煙氣分段式綜合處理工藝

依據上述有關燒結煙氣中SO2、NOx、COx濃度在燒結過程中分布的研究結論，結合有關燒結機尾煙氣熱風燒結的實踐，以210m2燒結機為例，設計一種選擇性的燒結煙氣分段式綜合處理工藝。該工藝是將熱風燒結生產工藝與煙氣脫硫脫硝分段治理工藝有機結合的燒結煙氣環(huán)保減排綜合處理工藝。

3.1 工藝方案

210m2燒結機共22個風箱，其中燒結機機頭開始設置3個2m風箱，中部設置17個3m風箱，尾部設置2個2m風箱，有效燒結長度61m。某燒結廠210m2燒結機各風箱檢測風溫見表1。

表 1210m2燒結機各風箱煙氣溫度

依據上述研究結論，將燒結機風箱沿臺車運行方向分為四個區(qū)域，加上環(huán)冷機高溫段廢煙氣區(qū)域共五個區(qū)域，如圖1所示。

圖1分段式燒結煙氣環(huán)保節(jié)能處理工藝示意圖

區(qū)域①(燒結煙氣點火區(qū)域):由No.1～No.3風箱組成，燒結煙氣SO2、CO濃度較高，NOx濃度很低;區(qū)域②(燒結煙氣直排區(qū)域):由No.4～No.11風箱組成，燒結煙氣中SO2濃度較低;區(qū)域③(燒結煙氣脫硫區(qū)域):由No.12～No.19風箱組成，燒結煙氣中SO2濃度很高;區(qū)域④(燒結煙氣脫硝區(qū)域):由No.20～No.22風箱組成，燒結煙氣溫度在320℃以上，煙氣中NOx、O2含量濃度很高，SO2、COx濃度很低;區(qū)域⑤(冷卻機高溫煙氣區(qū)域):包含環(huán)冷機一冷段及部分二冷段廢煙氣。

該工藝流程為:

(1)將區(qū)域①燒結煙氣匯集到機頭煙氣循環(huán)管道，煙氣經機頭多管除塵器除塵后由機頭煙氣循環(huán)風機引至燒結機的煙氣循環(huán)罩⑧進行煙氣循環(huán)燒結。如此一方面將區(qū)域①和區(qū)域③煙氣中的SO2匯集，實現SO2富集后進行煙氣脫硫;另一方面區(qū)域①煙氣中CO濃度較高，可以利用燒結料層中鐵酸鈣對NOx的自催化還原作用，進一步降低區(qū)域③脫硫煙氣中NOx的濃度;

(2)將區(qū)域②和熱風燒結煙氣匯集到燒結煙氣直排管道，經燒結電除塵器除塵后，由燒結主抽風機引至燒結主煙囪直接排放;

(3)將區(qū)域③和循環(huán)燒結煙氣匯集到脫硫煙氣管道，煙氣經脫硫電除塵器除塵后進入脫硫設施進行脫硫處理，然后由脫硫風機引至燒結煙氣直排管道匯集，最終由主煙囪排放;

(4)將區(qū)域④燒結煙氣匯集到脫硝煙氣管道，煙氣經機尾多管除塵器除塵后進入脫硝設施進行SCR法脫硝處理，然后由脫硝風機引至熱煙氣混合風箱和區(qū)域⑤的煙氣匯集形成混合熱煙氣，該煙氣經余熱利用設施后由熱風循環(huán)風機引至燒結機的煙氣循環(huán)罩⑦進行熱風燒結。這部分煙氣溫度高，且O2含量接近空氣中的水平，如此既能利用熱煙氣的物理熱減少燃料消耗，又能利用混合料層對SO2的強烈吸附作用及燒結料層中鐵酸鈣對NOx的自催化還原作用，進一步降低直排煙氣中SO2、NOx濃度。

3.2 工藝配置

(1)燒結機:有效抽風面積為213.5m2，欄板高度700mm，臺車寬度3.5m;

(2)環(huán)冷機:有效冷卻面積為228m2，欄板高度1500mm，臺車寬度3.2m;

(3)燒結煙氣1段(區(qū)域①):煙氣參數:風量2100m3/min(工況)，風溫100～120℃，風壓(-10～-12)kPa;主要工藝設備:機頭多管除塵器、機頭煙氣循環(huán)風機、機頭煙氣循環(huán)管道及相應的管道閥門;

(4)燒結煙氣2段(區(qū)域②):煙氣參數:風量8400m3/min(工況)，風溫90～110℃，風壓-16.5kPa;主要工藝設備:燒結電除塵器(有效除塵面積150m2)、燒結主抽風機(功率3200kW)、燒結煙氣直排管道及相應管道閥門;

(5)燒結煙氣3段(區(qū)域③):煙氣參數:風量8400m3/min(工況)，風溫120～180℃，風壓-16.5kPa;主要工藝設備:脫硫電除塵器(有效除塵面積150m2)、脫硫風機(參數視具體脫硫方式而定)、煙氣脫硫設施、脫硫煙氣管道及相應管道閥門;

(6)燒結煙氣4段(區(qū)域④):煙氣參數:風量2400m3/min(工況)，風溫320～400℃，風壓(-8～-10)kPa;主要工藝設備:機尾多管除塵器、脫硝風機、煙氣脫硝設施(SCR)、脫硝煙氣管道及相應管道閥門;

(7)燒結煙氣5段(區(qū)域⑤):煙氣參數:風量35萬m3/h，風溫360～420℃;主要工藝設備:環(huán)冷機高溫廢煙氣管道及相應管道閥門;

(8)燒結煙氣6段(煙氣余熱綜合利用部分):煙氣參數:風量42萬m3/h，風溫360～400℃;主要工藝設備:熱煙氣混合風箱、熱風循環(huán)風機、煙氣余熱利用設施、熱風循環(huán)煙氣管道及相應管道閥門。

3.3 新工藝與常規(guī)煙氣系統工藝配置對比

新燒結工藝的工藝配置與常規(guī)配置在燒結機、環(huán)冷機等主體設備上完全相同，主要區(qū)別在于煙氣系統。

常規(guī)煙氣系統工藝配置如下:

(1)燒結主抽風系統(兩個煙道分為兩個系統配置):主要煙氣參數(單個):風量11000m3/min(工況)，風溫80～120℃，風壓-16.5kPa;主要工藝設備:1號煙道機頭除塵器(有效

除塵面積200m2)、1號煙道燒結主抽風機(功率4200kW)、2號煙道機頭除塵器(有效除塵面積200m2)、2號煙道燒結主抽風機(功率4200kW)、大煙道及相應管道閥門。

(2)燒結煙氣脫硫系統:主要煙氣參數:風量22000m3/min(工況)，風溫80～120℃，風壓視具體脫硫方式而定;主要工藝設備:脫硫除塵器、脫硫增壓風機、脫硫煙氣管道及煙氣擋板閥門等煙氣閥門。

新工藝的工藝配置有以下特點:

(1)將燒結機頭及機尾部分煙氣進行煙氣循環(huán)燒結，相對常規(guī)燒結煙氣全排工藝，新工藝整體外排煙氣量減少23.6%，相應的電除塵器及燒結主抽風機配置減小，燒結主抽風機功率減少23.8%;

(2)將燒結機頭煙氣循環(huán)至燒結中部脫硫段，煙氣中硫富集后將脫硫段煙氣引出脫硫，相對常規(guī)燒結煙氣全脫工藝，新工藝脫硫煙氣處理量減少61.8%，脫硫煙氣中SO2濃度提高50%左右，同時減少NOx的排放濃度，相應的脫硫除塵器、脫硫風機配置減少，燒結煙氣脫硫、脫硝設施的設備投資和生產成本分別減少40%左右;

(3)依據燒結煙氣中NOx濃度分布特點，有針對性的進行SCR脫硝，在滿足即將執(zhí)行的新環(huán)保排放要求的前提下，減少脫硝設施配置及設備占地，實現降低投資建設及運行成本;4)燒結機尾高溫段煙氣和環(huán)冷機高溫段廢煙氣整體綜合考慮，采用一套余熱利用設施，整體建設投資及設備占地相比以往大煙道煙氣余熱利用和環(huán)冷機煙氣余熱利用設施分別減少30%左右;

(5)若脫硫工藝采用氨法，可與脫硝SCR法所用氨原料統一考慮，實現脫硫脫硝原料來源、儲運、制備整體統一規(guī)劃，使建設投資及設備占地相比以往脫硫脫硝設施減少15%左右。

4 結論

依據有關燒結煙氣中SO2、NOx、COx濃度在燒結過程中分布的研究結論，結合有關燒結煙氣余熱利用的實踐，以210m2燒結機為例，設計一種選擇性的燒結煙氣分段式綜合處理工藝。與傳統工藝相比，可減少外排廢煙氣量23.6%，燒結電除塵器及燒結主抽風機配置型號相應減小，燒結主抽風機功率減少23.8%;脫硫時處理煙氣量減少40%～60%，脫硫煙氣中SO2濃度提高50%左右，同時減少NOx的排放濃度，燒結煙氣脫硫、脫硝的設施投資和生產成本分別減少40%左右。

而熱風燒結可使燒結礦產量提高2%，轉鼓指數提高1.5%，成品率提高2%，燃耗降低12%～15%，固體燃耗降低2%～4%;相對常規(guī)環(huán)冷機廢煙氣余熱發(fā)電每噸燒結礦可增發(fā)5kWh;余熱蒸汽用于汽拖燒結主抽風機相當于每噸燒結礦節(jié)省電耗25kWh，實現了燒結煙氣集中脫硫脫硝、余熱綜合利用及煙氣減排，降低投資及運營成本，符合循環(huán)經濟運行模式。