劉 磊 魏 堯 和 冰 張 申
（唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司）
摘要 為達(dá)到“碳達(dá)峰、碳中和”的環(huán)保目標(biāo)，鋼鐵行業(yè)需要正視節(jié)能減排，燒結(jié)工序作為鋼鐵行業(yè)污染物排放大戶，亟需解決污染物排放問題。從燒結(jié)工序的源頭減排、過程控制、末端治理三個方面，研究了污染物排放規(guī)律，實施了相應(yīng)的有效措施。2021 年全年，燒結(jié)作業(yè)區(qū)總排放出口粉塵、SO2、NOX 在線監(jiān)測濃度數(shù)據(jù)分別低于 5mg/m3 、15mg/m3 、30mg/m3 ，符合政府超低排放的要求，取得了良好的效果。
關(guān)鍵詞 燒結(jié) 源頭減排 過程控制 末端治理
正文
0 引言
2019 年 1 月，河北省環(huán)境保護(hù)廳發(fā)布實施鋼鐵企業(yè)燒結(jié)球團(tuán)工序粉塵、SO2、NOX 在線監(jiān)測濃度數(shù)據(jù)不得高于 10mg/m3 、35mg/m3 、50mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn) ；2019 年 8 月，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)重污染天氣應(yīng)對夯實應(yīng)急減排措施的指導(dǎo)意見》，對鋼鐵、焦化、鑄造、玻璃、石化等 15個行業(yè)明確了績效分級（A、B、C、D）指標(biāo)以及差異化應(yīng)急減排措施 ；2020 年 9 月，中國在聯(lián)合國大會上向世界宣布了 2030 年前實現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年前實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。為響應(yīng)國家環(huán)保政策的號召，公司新設(shè)計并已投產(chǎn)的兩臺360m2 燒結(jié)機(jī)，采用了目前國內(nèi)最先進(jìn)的綠色燒結(jié)技術(shù)助力公司超低排放，燒結(jié)生產(chǎn)近一年多來，各項排放與節(jié)能指標(biāo)均達(dá)到了業(yè)內(nèi)先進(jìn)水平。筆者從源頭減排、過程控制、末端治理三個方面進(jìn)行了介紹，以供同行之間交流學(xué)習(xí)。
1 源頭減排
1.1 物料運(yùn)輸流程清潔化
港口物料需經(jīng)皮帶通廊運(yùn)輸至封閉料庫，其他鐵礦物料利用氫能源重型卡車運(yùn)至礦石卡車槽，在經(jīng)封閉皮帶通廊運(yùn)至封閉料庫。熔劑料用氫能源重型卡車運(yùn)至熔劑卡車槽后，經(jīng)皮帶通廊運(yùn)至熔劑貯倉。封閉料庫物料用半門式取料機(jī)取料，料庫上部設(shè)計霧化裝置，降低粉塵外溢，物料經(jīng)皮帶通廊運(yùn)輸至混勻配料槽，而熔劑通過貯倉底部皮帶運(yùn)至混勻配料槽，配料圓盤按照預(yù)先計算的配比進(jìn)行下料，經(jīng)過全封閉皮帶運(yùn)輸至混勻料場，采用定終點，變起點的堆料方式進(jìn)行堆料，再經(jīng)料場混取料機(jī)、皮帶通廊運(yùn)送至燒結(jié)作業(yè)區(qū)配料系統(tǒng)。物料采用全程封閉運(yùn)輸，同時皮帶關(guān)鍵卸料點以及倉頂都設(shè)有除塵系統(tǒng)，除塵灰利用吸排罐車運(yùn)至混勻配料槽除塵灰倉，實現(xiàn)了物料清潔循環(huán)利用。與此同時，公司還是全國第一家利用氫能源重型卡車運(yùn)輸鐵前物料的企業(yè)，真正實現(xiàn)了物料運(yùn)輸過程的綠色清潔化。物料運(yùn)輸流程以及燒結(jié)工藝如圖 1所示。
1.2 燒結(jié)工序粉料處理封閉化
粉料氣力輸送主要包括燒結(jié)系統(tǒng)除塵灰氣力輸送和生石灰氣力打灰上料。除堿金屬含量較高的燒結(jié)機(jī)機(jī)頭 3、4 電場除塵灰進(jìn)行單獨(dú)處理外，配料室倉上和倉下除塵、混合制粒除塵、成品篩分除塵、機(jī)尾除塵、機(jī)頭 1 電場和 2 電場除塵，這些系統(tǒng)產(chǎn)生的除塵灰以壓縮空氣為動力，利用管道氣力輸送至燒結(jié)配料室除塵灰倉進(jìn)行單獨(dú)配加。
為安全起見，燃破除塵系統(tǒng)除塵灰以氮?dú)庾鳛闅饬斔徒橘|(zhì)運(yùn)至焦灰倉，再經(jīng)密閉皮帶通廊運(yùn)至燒結(jié)配料室焦粉倉。而 NO.5、NO.6、NO.7、NO.8燒結(jié)礦轉(zhuǎn)運(yùn)站、1#—10# 成品倉、礦石受料槽等這些布袋除塵器，利用吸排罐車進(jìn)行周期性排灰，之后再通過管道輸送的形式配加至原料倉中參與預(yù)配料。生石灰通過大型封閉罐車運(yùn)輸至燒結(jié)配料室，再通過管道進(jìn)行氣力打灰上料。
1.3 配料室密封改造粉塵防溢化
針對配料室粉塵濃度大的情況，在燒結(jié)作業(yè)區(qū)對配料區(qū)域進(jìn)行了密封改造，利用鐵板制作成密封罩子，置于配料室皮帶秤上方防止粉塵外溢，同時密封罩上方開設(shè)一小門孔方便崗位作業(yè)。皮帶秤密封罩外再制作尺寸更大的密封罩，把皮帶秤整個包圍在里面，同時開設(shè)一平開門便于崗位作業(yè)，這樣就形成了配料室下料過程的雙密封機(jī)制，使粉塵外溢量進(jìn)一步降低，同時配料秤上方設(shè)置集塵罩，而收集的粉塵通過氣力輸送方式重新回到燒結(jié)配料室除塵灰倉。
2 過程控制
2.1 提高混合料溫
在燒結(jié)生產(chǎn)中，燒結(jié)混合料溫是影響燒結(jié)生產(chǎn)的重要因素之一。點火前的料溫如過低，水汽就會從料層中冷凝析出，低于露點溫度（約 60~65 ℃）時就會在下部凝結(jié)成水，形成過濕帶，過濕帶的形成和增厚會使料層阻力大幅增加，使料層透氣性變壞，降低垂直燒結(jié)速度，燒結(jié)利用系數(shù)下降，固體燃料單耗上升，還會導(dǎo)致燒結(jié)礦產(chǎn)量和質(zhì)量的波動 [1,2]?；旌狭蠝囟却笥?65 ℃時，過濕層基本消失?；旌狭系臒崃縼碓粗饕袃煞矫?，一是生石灰消化過程放熱 ；二是外部供熱。外部供熱切入點主要是一次和二次混合工序，以及混合料槽。一次混合機(jī)加水方式有配加污泥漿液（煉鋼污泥）和廠內(nèi)循環(huán)水，利用公司管網(wǎng)蒸汽和脫硫脫硝系統(tǒng)外排蒸汽預(yù)熱污泥和循環(huán)水，而二次混合機(jī)根據(jù)混合料水分大小來控制熱水添加量，以此來提高混合料溫。混合料槽增加蒸汽預(yù)熱裝置，采取環(huán)形布置，多點噴射多點控制的方式調(diào)控蒸汽流量。通過采用以上措施，目前在布料圓輥取料測得混合料溫度可達(dá)到 60 ℃以上。
2.2 料面噴灑蒸汽
有資料表明 [3]，在燒結(jié)料面噴吹水蒸氣，使其參與燒結(jié)過程的燃燒反應(yīng)，可以有效降低燒結(jié)煙氣中殘余的 CO，同時改善燒結(jié)料層的傳熱機(jī)制，利于燒結(jié)料層上部的熱量傳遞和蓄積到燒結(jié)高溫區(qū)，進(jìn)而改善燒結(jié)料層溫度場分布，有效抑制 NOX 和二噁英的生成與排放。同時，料面噴吹適宜的蒸汽可起到 CO 減排和改善燒結(jié)礦質(zhì)量的效果 [4]。燒結(jié)作業(yè)區(qū)在 4—7 號風(fēng)箱位置臺車料面上方噴水蒸汽，設(shè)備可拆卸，采用密集布置，多點噴射的方式進(jìn)行，與煙氣循環(huán)系統(tǒng)相結(jié)合，有利于降低固體燃耗和改善燒結(jié)礦質(zhì)量，具體如圖2 所示。
2.3 煙氣循環(huán)
燒結(jié)煙氣循環(huán)是把燒結(jié)過程中產(chǎn)生的廢氣循環(huán)至燒結(jié)料面上進(jìn)行再利用的過程。采用煙氣循環(huán)方式為內(nèi)循環(huán)，該方式具有很多優(yōu)點 ：（1）能夠利用燒結(jié)廢氣熱量，降低燒結(jié)過程中的固體燃耗 ；（2）廢氣循環(huán)能夠降低煙氣中粉塵濃度含量，降低后續(xù)除塵系統(tǒng)的壓力；（3）改善燒結(jié)料層溫度分布，有利于燒結(jié)過程中液相的充分形成，從而提高燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量 ；（4）燒結(jié)煙氣循環(huán)能夠降低通往脫硫脫硝系統(tǒng)的煙氣量，提高系統(tǒng)的脫出效率。
公司 360m2 燒結(jié)機(jī)采用雙主抽風(fēng)機(jī)雙煙道布置，一共設(shè)置 22個風(fēng)箱。燒結(jié)機(jī)南北兩側(cè)各配備 1 臺循環(huán)風(fēng)機(jī)，同時每臺循環(huán)風(fēng)機(jī)前配備 1 臺高溫多管除塵系統(tǒng)，用于降低循環(huán)煙氣中粉塵濃度。燒結(jié)機(jī)的機(jī)頭和機(jī)尾煙氣中 SO2濃度低，中部煙氣中 SO2 濃度高。NOX 濃度在點火之后開始迅速上升，在燒結(jié)過程中始終處于較高水平，波動較小無明顯峰值，直到燒結(jié)終點后 NOX 濃度才開始迅速下降 [5]。根據(jù)燒結(jié)煙氣中 CO、O2、NOX、SO2 氣體含量在燒結(jié)生產(chǎn)過程中的分布規(guī)律，同時考慮到后續(xù)脫硫脫硝系統(tǒng)脫除效率，選取 4—7 號、20—22 號共七個風(fēng)箱煙氣進(jìn)行循環(huán)，在 8—19 號風(fēng)箱位置料面上方安裝密封罩。環(huán)冷三段的煙氣溫度為150 ～ 250 ℃，且具有灰塵少、風(fēng)量足、氧氣含量高的特點，其利用方式有兩種 ：一是采用與循環(huán)煙氣混合，能夠提高循環(huán)煙氣含氧量和溫度 ；二是引至多管除塵器進(jìn)行除塵，再由風(fēng)機(jī)送至點火爐用作點火爐助燃風(fēng)和保溫使用，同時又不影響高溫區(qū)余熱回收。循環(huán)風(fēng)機(jī)前主管道上設(shè)置冷風(fēng)閥，根據(jù)儀表顯示循環(huán)煙氣含氧量來調(diào)節(jié)開度，以保證料面氧含量大于 18%。循環(huán)煙氣氧含量控制在 18% 以上，既有利于燒結(jié)礦轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度的提高，又有助于保持或增加燒結(jié)礦產(chǎn)量 [6]。密封煙罩上方支管管道設(shè)置泄壓閥門，防止密封罩內(nèi)正壓造成煙氣外溢。其中，循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)量可達(dá)到 5 500 m3 /min，根據(jù)燒結(jié)煙氣量計算，煙氣循環(huán)效率約為 18%~23%。
2.4 環(huán)冷水密封技術(shù)
環(huán)形冷卻機(jī)有效面積 415m2 ，處理能力達(dá)730~850t/h，采用上部、下部水密封技術(shù)，漏風(fēng)率≤5%，冷卻風(fēng)機(jī)通過傳統(tǒng)的大風(fēng)箱進(jìn)行供風(fēng)，可以降低風(fēng)阻，提高冷卻效率。因環(huán)冷水密封技術(shù)的實施，能夠減少粉塵外溢，同時冷卻風(fēng)與熱礦進(jìn)行充分的熱交換，從而提高了余熱煙罩熱風(fēng)溫度，提高了余熱發(fā)電量。其中，公司兩臺360 m2 燒結(jié)機(jī)配置兩臺余熱鍋爐和一臺 22 MW 余熱汽輪機(jī)組發(fā)電設(shè)備，2021 年噸礦平均發(fā)電量為 18.44 kW·h/t，1—12 月份噸礦余熱發(fā)電量如圖 3 所示。
2.5 環(huán)保篩分技術(shù)
成品篩分室共設(shè)計 3 個篩分系列，每個系列由 2 臺環(huán)保型懸臂振動篩垂直串聯(lián)組成，每條生產(chǎn)線對應(yīng) 1 個系列，2 工 1 備，三個篩分系列均密封狀態(tài)進(jìn)行篩分。各燒結(jié)系統(tǒng)冷卻后的燒結(jié)礦經(jīng)車式三通分料器通過三條皮帶機(jī)供至 3 個篩分系列，一次篩分機(jī)篩上為 10 ～ 20mm 粒級和大于20 mm 粒度的成品礦，篩下粒度≤ 10mm 進(jìn)入二 次篩，>10 ～ 20mm 粒級經(jīng)鋪底料皮帶機(jī)輸送至燒結(jié)機(jī)作為鋪底料使用。經(jīng)二次篩分后，分出≤5mm、>5~10 mm 粒級成品礦，其中≤ 5mm 粒級作為冷返礦經(jīng)各自系統(tǒng)的皮帶機(jī)分別運(yùn)至配料室返礦礦倉參加配料，>5~10mm 粒級作為小成品礦與＞ 10mm粒級合并經(jīng)各自成品皮帶輸送至高爐。篩分效率要求≥ 85%，燒結(jié)礦中小于 5mm級別含量≤ 5%。現(xiàn)場情況如圖 4 所示。
3 末端治理
3.1 燒結(jié)煙氣循環(huán)流化床干式超凈脫硫 + 中溫 SCR 脫硝工藝公司 360m2 燒結(jié)機(jī)煙氣流量 198×104m3 /h，燒結(jié)機(jī)配套 2 臺雙室四電場靜電除塵器對燒結(jié)機(jī)煙氣進(jìn)行有效處理后，引入脫硫脫硝系統(tǒng)。脫硫脫硝系統(tǒng)采用循環(huán)流化床半干法脫硫與低壓旋轉(zhuǎn)反吹布袋除塵器 +SCR 脫硝結(jié)合工藝，雙機(jī)（主抽風(fēng)機(jī)）雙塔布置。總工藝煙氣處理流程為燒結(jié)機(jī)→電除塵器→主抽風(fēng)機(jī)→吸收塔→布袋除塵器→ GGH 換熱器→中溫脫硝塔（包括熱風(fēng)系統(tǒng)）→引風(fēng)機(jī)→煙囪排放。其中，設(shè)計電除塵器出口排放顆粒物濃度≤50mg/Nm3 ，脫硫脫硝系統(tǒng)入口 SO2 ≤ 1500mg/Nm3 ，脫硫脫硝入口NOX 濃度≤400mg/Nm3 。以在線監(jiān)測裝置分鐘平均折算值為準(zhǔn)（干標(biāo)，16% 氧），設(shè)計煙氣顆粒 - 物排放濃度≤5 mg/Nm3 ，二氧化硫排放濃度≤ 20 mg/Nm3 ，氮氧化物排放濃度≤30mg/Nm3 ，氨逃逸濃度≤ 2.5mg/Nm3 。其中，脫硫脫硝工藝 如圖 5 所示。
循環(huán)流化床裝置吸收塔自下而上依次為進(jìn)口段、塔底排灰裝置、文丘里加速段、循環(huán)流化床反應(yīng)段（包括工藝水噴淋裝置）、頂部循環(huán)出口段，吸收塔為鋼體結(jié)構(gòu)。吸收塔入口段氣流分布均勻，設(shè)有導(dǎo)流裝置，以使氣流均勻經(jīng)過吸收塔。本脫硫系統(tǒng)以消石灰作為脫硫吸收劑，生石灰由粉罐車運(yùn)至廠內(nèi)→生石灰倉→三級干式消化器→氣力 輸送→消石灰倉→消石灰調(diào)節(jié)供料裝置→進(jìn)料斜槽→脫硫反應(yīng)塔。
除塵器采用干法脫硫?qū)Ｓ玫蛪盒D(zhuǎn)脈沖布袋除塵器，主要由灰斗、過濾室、凈氣室、進(jìn)口煙箱、出口煙箱、低壓脈沖清灰裝置、電控裝置、閥門等部分組成，在脫硫工況下滿足出口≤ 5 mg/Nm3 的排放要求，適合高濃度及高粘度粉塵過濾。它的工作原理是粉塵通過濾布時產(chǎn)生的篩分、慣性、粘附、擴(kuò)散和靜電等作用而被捕集。濾袋采用進(jìn)口 PPS 濾料 +PTFE 表面處理，持續(xù)運(yùn)行溫度小于 150 ℃，瞬間可耐 200 ℃，單位重量不低于 580 g/m2 。
脫硝工藝處于半干法脫硫除塵工藝后，SCR 反應(yīng)器系統(tǒng)主要由氨水儲存供應(yīng)系統(tǒng)、稀釋及計量系統(tǒng)、氨水蒸發(fā)混合器及 SCR 反應(yīng)器組成。布袋除塵器出口溫度為 80 ℃左右，SCR 中溫催化劑反應(yīng)溫度為 280~320 ℃。布袋除塵器出口的煙氣需經(jīng)過 GGH 換熱和直燃爐加熱，將溫度提高到300 ℃左右，再進(jìn)入 SCR 反應(yīng)器脫硝，從而達(dá)到排放要求。反應(yīng)器出口的凈煙氣經(jīng)過 GGH 換熱器，將熱量換熱給原煙氣，凈煙氣溫度降到 120 ℃左右，通過引風(fēng)機(jī)進(jìn)入煙囪排放。脫硝工藝反應(yīng)原理示意如圖 6 所示。
3.2 脫硫灰綜合利用途徑
鋼鐵行業(yè)燒結(jié)機(jī)脫硫系統(tǒng)所生產(chǎn)的脫硫副產(chǎn)物，亞硫酸鈣含量在 50% 左右，氫氧化鈣含量在25% 左右，碳酸鈣含量在 25% 左右，此外還含有其他微量雜質(zhì)。這種脫硫副產(chǎn)物產(chǎn)量大、活性低、溶解度小，不具有水硬性。從相關(guān)的分析規(guī)律來看，脫硫灰的中各種物質(zhì)的成分含量均以化合物的狀態(tài)呈現(xiàn)。利用馬爾文激光粒度儀看，清楚的發(fā)現(xiàn)在脫硫灰中，總鈣、殘鈣等都是以 CaO 的形式存在的，也就是氧化鈣化合物。而亞硫酸根等是以SO3 2- 的根基形式存在，鋼渣中含有大量的硅、錳、鐵等氧化物。根據(jù)循環(huán)流化床脫硫灰、鋼渣的特點，采用灰渣之卜作嵐作用或堿激發(fā)作用等兩種機(jī)制，利用其他固廢物作為補(bǔ)助材料，如粉煤灰、爐石粉、鋼渣、石灰等將二者綜合利用，可用于以下兩方面：（1）制造作為混凝土再生粗骨材 ；（2）制作各型磚包括一般民用磚，及具有功能性之透水磚，或 具有大量使用于河岸或高速兩旁之護(hù)坡磚或路緣石等。
3.3 應(yīng)用效果
燒結(jié)煙氣經(jīng)過末端脫硫脫硝系統(tǒng)凈化后，排放煙氣中顆粒物、SO2、NOX 濃度均達(dá)到了地方政府超低排放要求。其中，2021年 1—12月份環(huán)保在線監(jiān)測月平均數(shù)據(jù)如圖 7 所示。
4 結(jié)論
燒結(jié)工序通過源頭減排、過程控制、末端治理三個方面對污染物進(jìn)行綜合治理，取得了不錯的減排效果，達(dá)到了國內(nèi)超低排放的水準(zhǔn)。
（1）封閉通廊、配料室密封改造、除塵灰利用方式等都可以解決物料在輸送過程中粉塵外溢的問題，這樣不僅能夠保護(hù)環(huán)境，同時也降低了物料資源的浪費(fèi)，而氫能源重型卡車的投用，實現(xiàn)了車輛運(yùn)行清潔化。
（2）提高混合料溫度、料面噴灑水蒸汽、煙氣循環(huán)都是通過改變能源利用方式而達(dá)到減排目的。環(huán)冷水密封技術(shù)不僅提高了環(huán)冷風(fēng)機(jī)設(shè)備的利用效率，同時燒結(jié)礦余熱也得到充分利用，提高了余熱發(fā)電量。
（3）燒結(jié)煙氣凈化產(chǎn)生的副產(chǎn)品不應(yīng)該造成二 次污染，而是通過循環(huán)利用，可持續(xù)發(fā)展的手段來解決。
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