烧结烟气循环工艺中的元素富集问题探讨

解海波

(北京首钢国际工程技术有限公司，北京 100043)

0 引言

近年来，烟气循环技术被国内强烈关注。从实验模拟、数值模拟、生产测试、烟气性质、风量影响、风氧平衡研究等方面[1-3]确立了烟气循环工艺的基础理论和工艺路线。在烟气循环的应用方面，也开展了创新实践，如高压变频器在风机中的应用、风箱自控切换阀选型、烟气强化加速技术、上罩节能均热技术、上罩密封技术、上罩数值模拟与结构优化的研究等[4-7]。裴元东等人[8]认为烟气循环应保证循环废气的含氧量和含湿量，将品质差的废气循环到机尾。李惠莹等人[9]认为对拟建脱硫脱硝设施的烧结机适用于EOS模式，混用机头机尾烟气保证氧含量，回用机尾烟气保证温度，料层降解和吸附中部有害成分高的烟气。首秦烧结由于烟气中K2O、Na2O的富集，导致电除尘器芒刺板形成很难清除的絮状集灰，除尘效率下降。烟气循环工艺中的元素富集问题应该提出并特别关注。

1 烧结过程质能转化分析

烧结物化反应很复杂,人们多关注影响较大的主要化学元素及其物化反应[2-4]，而对影响力较小的微量元素关注不多，对元素富集状况不够重视。

从烧结过程来看，混匀料中54%～56%的成分是铁元素，从点火前到烧结终点后，这部分物质不会因机械故障而散逸或因生成气态物质而发生量的变化，TFe占混匀料或烧结矿质量的二分之一以上。同时，标志碱度的元素如SiO2、MgO、CaO、Al2O3等，前后质量也不发生变化，混匀料中占比42%～43%。微量物质TiO2、V2O5等化合物在反应前后质量也保持不变。这些烧结工程中的主要物质都完整地保留在了烧结饼中。

从混匀矿到烧结饼，物质前后质量的变化主要由少数几个规则物化反应引起。除此之外，全部是对完成烧结影响很小的微量元素的变化和小概率事件[10]。烧结前后物质质量、烟气品质的变化(即烧损)只由S(多以FeS2化合态存在)氧化后90%脱除，物理水、结晶水全脱除(结晶水的损失归在烧损项中)，碳酸盐全部分解，FeO的前后量化氧化，C的燃烧引起和决定。其他因素只引起烟气热焓的变化，与烟气成分、质量的变化无关，这同时也决定了混匀矿对参与烧结的烟气品质的要求。空气中只有O2参与上述物化反应，导致反应前后烧结烟气成分发生变化。前后其它各项损失为0。重点考虑CO2、CO、O2、H2O和烟气温度。比热容由烟气各组分的比例决定，不主要取决于温度。前后烟气品质、物料温度、烧损、成矿量、循环耐热风机流量与负压、FeO氧化量，可逐类实测得出。点火保温段、烟气循环与露天烧结遵循同一规律。点火煤气、助燃空气配烧，生成的烟气再参与混匀矿的烧结物化反应。烟气、水、物料等任何物质都带有原始物理热。

烧结过程中，由混匀料到烧结饼，质的转变通过物化反应发生，而物化反应主要发生在燃烧带。物化反应需要什么样的烟气，烧结过程就需要什么样的烟气。有什么样的物料，对应发生什么样的物化反应。不同的物化反应对烟气内不同成分的要求不同。

在1 050～1 250℃下，混匀料的物化反应是完全的，有严格要求的是氧气，别的组分不要求。生成的新烟气改变了原来烟气的成分。烧结烟气成分变化见图1～3 。

图1 点火器下烟气烧结物化反应示意图

图2 空气烧结物化反应示意图

图3 循环烟气烧结物化反应示意图

物质变化的方向、进度由主要影响因素来决定。生产过程动态波动，烧结设计的规则都是生产过程抽象的理想化，能够贴切地描述或模拟烧结生产过程。设计规则预先架设生产过程，生产过程在设计规则附近波动。对设计来说，抽象的理想化的设计原则是常态。从极限发展的角度来看，烧结过程中物化反应皆可量化。定量品质的烟气生成另一种定量品质的烟气。各物化反应、各带物料的变化，都是通过事前事后操控来达到无限完全的目的。

对于露天烧结，高温点火，负压抽风，混匀料自动按照“五带理论”[10]向下烧结，新进混匀料持续被点火器点燃。点火器内点火煤气和其助燃空气完全或不完全燃烧生成一定成分的高温烟气。这一定品质的烟气，参与混匀料的物化反应，生成新的一定品质的烟气；点火器之后，至倒数第二个风箱为止，空气参与混匀料的物化反应，生成一定品质的烟气；后两个风箱所对烧结矿，进风为空气，出风为经过加热的热空气。从机头至机尾，烧结机各段气体品质不同。按烧结各带物化反应完全、各带断面物料量规则可测为原则，则每部分烟气的成分都可以量化计算。

对于烟气循环烧结来说，与露天烧结的不同之处在于，料面进风不再是原来的成分固定的空气，而变成了具有一定高位焓值的成分固定的烟气。完成一定的反应过程，需要的热量是一定的。目前工艺下，烧结用热主要来源于混匀料中C的燃烧、FeO的氧化、S的氧化三个方面。烟气带来的热，代替部分C氧化反应热，从而减少配碳量。化石燃料的燃烧是烟气中SO2、NOx、二噁英等生成的主因，减碳减少了这些污染、致癌物质的生成。

烧结过程中的热烟气来源可以是风箱下固定成分的烟气及其组合，也可以是其它固定成分的热烟气，如单辊破碎机烟罩内的除尘烟气、环冷机二三段上罩来的烟气等，这都是比风箱下端烟气更洁净的热烟气来源。进一步，不限于烧结厂内的热源，高炉热风炉热风、烧结竖冷窑冷却风等也是很好的富氧洁净热源。

一定的物质流决定一定的能量流。定量的物质发生物化反应，吸放定量的热。烟气循环计算中，物质流与能量流的平衡不能分开来计算。从设计的观点来看，烧结过程中每一种物质、能量的变化是定向定值定量的，不存在盲目性。

2 典型烟气循环工艺元素富集分析

循环烟气上罩与取烟气风箱位置上下重合称为闭口循环。对于烟气循环烧结来说，循环风罩内烧结料面的进口烟气若从烧结机下部风箱来取，从量化的观点来看，就可能存在元素的叠加富集问题。

与空气成分不同，循环烟气的成分是经过一次烧结反应后生成的，成分也确定。一次烧结反应生成的烟气在充氧后，以固定成分再次完成烧结反应过程，发生的物化反应是相同的。则在原烟气成分基础上，又重复生成与第一次反应产物一样的烟气组分。若二次循环下，风箱烟气组分又量化地累积了一次。在不断循环下，则烟气中所有的组分含量都会累积增大，这是极端危险的。在不断恶化的氧化条件下烧结，也引起烧结矿对有害元素的吸附量加大。循环烟气中除CO、CO2、NOx、SO2外，还有K2O、Na2O、二噁英、HF、HCl、重金属及其它有害元素，都在不断富集。考虑结构设计的永久性，单股循环烟气只可以通过同一烧结料面一次。从这个角度来看，作为典型案例的EOS、LEEP、EPOSINT、联峰钢铁和兴澄特钢的外循环烟气循环工艺[9,12]，对烧结来说都不合理。其工艺流程分别见图4～7。

图4 EOS工艺流程图

图5 LEEP工艺流程图

图6 EPOSINT工艺流程图

图7 联峰钢铁和兴澄特钢的外循环工艺流程图

对烧结生产来说，密封不严，烟气利用不足，危险气体外泄，引起生态环境的恶化，伤害人的身心健康；密封太严则富集烟气得不到稀释，烧结矿质量会持续下降。

从元素富集的角度来说，完全或部分的闭口循环都不合理，无论在内循环还是外循环工艺中。烟气循环烧结不应单纯考虑氧元素的充足与否，不应单方面来考虑是否满足了烧结基本的物化反应。释放或生成的元素的循环富集效应，应引起重视并从技术路线上加以规避。相对于闭口循环，过料面一次的开口烟气循环工艺才合理。

相对于闭口循环，新日铁的烧结区域性废气循环技术、加古川制铁所的烧结烟气循环工艺、宁钢沙钢的烧结烟气内循环工艺从技术路线上规避了元素的循环富集现象，工艺就比较合理。各工艺流程[9]分别见图8～10。

图8 烧结区域性废气循环技术工艺流程图

图9 加古川制铁所烧结烟气循环工艺流程图

图10 宁钢沙钢的内循环工艺流程图

无烟煤、焦粉等化石燃料中含S含N，配量的减少降低了CO、SO2、NOx的生成。开口一次烟气循环工艺下，减排了部分烟气，而SO2、NOx富集，提高了脱硫脱硝效率。事实上，外排烟气中所有元素的浓度均同时增大了一个量值，平衡时处于一个高于常值的稳定的位值上。

3 规避富集烟气循环工艺成功案例分析

在详细研究既有典型烟气循环烧结工艺，规避烟气循环中的元素富集问题基础上，以京唐550 m2烧结机为例，来说明烟气循环工艺规避元素富集的可行性及对原烧结工艺的影响。京唐提出的烟气循环工艺见图11。

图11 京唐烧结烟气综合循环利用工艺流程图

京唐改造包括：在现有5～10号风箱位置上罩安装喷吹天然气；单烟道的外循环热烟气回到20～23号风箱位置；取25～27号风箱热烟气，通过余热锅炉及风机，回到12～19号风箱对应上罩位置。

风机性能之烟气流量Q、烟气压力P、功率N由烟气密度ρ、风机转数n、烟气温度T决定。

(1)

(2)

N=K·N1

(3)

式中：K—电机容量贮备系数；N1<0.5kW,0.5kW～1.0kW,1.0kW～2.0kW,2.0kW～5.0kW,>5.0kW时，分别取值1.5、1.4、1.3、1.2、1.15；η—全压效率，取值85%；η1—机械效率，直联取1.0，联轴器联结取0.98，三角带联结取0.95；N—风机驱动功率，单位kW；N1—轴功率，单位W；P—烟气净压力，单位Pa；Q—烟气流量，单位Nm3/h；烟气温度T单位K；转数n单位为rpm；烟气密度ρ单位g/m3。

在满足烧结负压相同的基础上，离心风机的风量与功率成正比例关系。

内循环取烟气45 万m3/h，温度360 ℃。通过过热器后，烟气均温170～200 ℃。计算得内循环风机风量为34 万m3/h，全压差21 000 Pa，风机功率为2 857 kW。在满足生产基础上，内循环风机入口压力取-20 000 Pa；外循环取烟气25 万m3/h，温度150 ℃。全压差3 000 Pa，出口压力+1 500 Pa，风机功率为375 kW；上中料层靠喷入天然气燃烧供热、下料层靠蓄热，在线异常工况识别与自处理。天然气正常用量350 Nm3/h，最大量525 Nm/h，压力为0.4～0.6 MPa，补充热量约0.26 GJ/m2·h。

上述改造下，京唐烧结效果良好。吨矿焦粉耗可降低3.4 kg，成品率提高1.5%，SO2、NOx、粉尘具有12%～15%的减排效益，CO外排总量减少20%，减去增加的电耗和天然气耗，单台550 m2烧结机烟气循环盈利890万元/a。

4 结语

综上所述，烧结厂在利用复合气体介质余热来实现烧结节能减排[11-12]的同时，循环复合气体介质中的元素富集问题很突出，需要引起注意。

1)反应中释放或生成的元素的循环富集，应从工艺路线上加以规避。

2)单股循环烟气只可以通过烧结料面一次，即开口烟气循环工艺才合理。

3)烟气循环设计可以通过循环理论计算来实现，不存在盲目性。

4)烧结烟气循环工艺规避元素富集是可行的。已成功实现了550 m2烧结机烟气循环盈利890 万元/a的好效果。