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铁矿烧结烟气循环中SO_2和NO_x过程控制与节能减排的协同优化

于恒  
【摘要】:烧结工序是钢铁联合企业大气污染物排放的“重灾区”,目前SO2和NOx是减排的重点。烧结烟气循环是污染物“过程控制”的有效方法,同时可减少烟气排放量、回收热量。但是由于烧结烟气温度和成分沿烧结机的分布特征不同,因此不同的循环方式,其节能减排效果相差较大。此外,循环烟气中SO2和NOx对烧结过程的影响还不清楚,循环过程中SO2和NOx如何控制还需要进一步研究。因此,在协同考虑烟气减排、SO2和NOx过程控制、对烧结矿产量和质量影响以及热量回收的基础上,对烧结烟气循环进行优化是非常必要的。通过烧结杯实验,摸清了 SO2的产生规律及与料层的相互作用规律。结果表明:烧结过程SO2依次经历吸收、释放和扩散三个阶段。SO2吸收主要发生在预热层和干燥层,在氧化气氛、中性气氛、还原气氛下,与熔剂反应分别生成CaSO4、CaSO3和CaS。随着料层温度升高,SO2吸收反应的产物变化为CaSO3+CaS+CaSO4→CaS+CaSO4→CaSO4。当高于 CaSO4 的分解温度(约1173℃),S02开始释放,主要发生在燃烧层。随着燃烧层下降,SO2被反复吸收和释放,当燃烧层到达底部,SO2进入烟气并出现峰值。SO2扩散主要在烧结矿层。通过烧结原燃料中NOx产生的实验,分析了 NOx的影响因素和产生机理。结果表明:铁矿粉中NOx开始大量生成的温度较低,约300~400℃;NOx生成量与N含量、温度和02浓度成正比,与粒径成反比。铁矿粉加热生成的NOx主要是NO,NO生成界面反应表观速率的指前系数约0.210~0.346m/s,活化能约26322~32741J/mol;产物层中气体内扩散有效扩散系数的指前系数约(7.05~9.52)×10-9m2/s,原子移动活化能约 30629~44746J/mol。焦粉中 NOx开始大量生成的温度较高,约800~900℃。焦粉加热生成的NOx主要是NO,由于NO受到N氧化和C还原以及O2消耗等方面的作用,因此随着温度升高、反应时间延长、粒径增大,NOx浓度呈现先升高后降低的趋势。通过烧结杯实验结果表明:NOx主要在烧结中前段排放,没有明显峰值;NOx浓度波动受烟气负压影响明显。烧结烟气中NOx来源主要是铁矿粉和焦粉,其占比与N含量有关。通过烧结烟气循环模拟实验,研究了循环烟气中不同O02和NOx浓度对烧结工艺指标和烟气排放的影响。结果表明:循环烟气温度为常温时,随着循环烟气中SO2浓度升高,烧结矿成品率和平均粒径逐渐降低;当SO2体积浓度超过200×10-6,烧结矿中S含量随SO2浓度升高明显增加。这主要是由于熔剂对SO2的吸收,影响熔剂与铁矿粉的固相反应,从而减少液相生成量,使烧结矿结合力变弱,同时生成CaSO4,在高温下未完全分解而残留在烧结矿中使S含量升高。为减少对烧结矿S含量的影响,循环烟气中的SO2体积浓度应低于200×10-6。循环烟气中的NOx对烧结工艺指标和烧结矿冶金性能影响不大。根据以上研究结果,提出了烧结烟气循环协同优化的设计原则。通过烟气循环,SO2和NOx的过程控制应以富集为主。以唐钢210m2烧结机为对象,建立多目标协同优化数学模型,研究和制定烧结烟气循环优化方案。模型计算结果表明,三段式循环对各目标的协同效果较好,且SO2、NOx富集度的分布更优。优化方案达到了 SO2和NOx控制与余热利用、节能减排与烧结矿质量、烧结烟气与末端治理设备三方面的协同。该优化方案与未循环烧结工艺的烟气排放相比,烧结烟气总排放量可减少24.5%,脱硫烟气量减少83.1%~86.6%,脱硫烟气SO2浓度为未循环烧结工艺的2.91~3.09倍,脱硝烟气NOx浓度为未循环烧结工艺的1.51~1.53倍,生产每吨烧结矿回收热量约7.3kgce/t。与现有循环工艺(新日铁废气循环工艺、EOS、LEEP和EPOSINT)相比,优化方案具有循环烟气O2浓度高,对SO2和NOx有较大程度的富集等优点。


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