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钢铁超低排放难点在烧结 烧结工序超低排放有哪些绝招?

2019-06-06信息来源 : 冶金技术网

在实现烧结烟气超低排放新闻专题">烧结烟气超低排放的同时,要警惕不惜代价以达到超低排放的误区。烧结烟气超低排放应满足全生命周期低资源能源消耗、低污染物排放和低生态破坏的要求。因此,开发源头及过程减排和末端治理相结合的技术体系,对于实现烧结烟气超低排放具有重要意义。

1 烧结烟气及污染物减量技术

1.1 降低烧结系统漏风技术

烧结机漏风量的大小与风箱系统的内外压差△P及移动台车与风箱间结合面的间隙δ有关。△P决定于风箱内负压的大小,风箱内负压的大小又决定于烧结混合料的阻力大小。δ与间隙位置、密封结构、加工制造、运行工况等息息相关。可见,通过加强原料准备、强化混匀制粒等措施改善烧结料层透气性,开发先进的密封技术以减小设备动静结合面漏风间隙是降低烧结系统漏风量的关键。

1.1.1 降低烧结料层阻力技术

1)生石灰双级双螺旋搅拌消化技术。

常规的生石灰消化系统存在消化能力差、时间短、除尘难度大等问题,限制了该技术的应用。双级双螺旋搅拌生石灰消化技术及装备,将整个消化过程分为两级(一级预消化、二级充分消化,如图1所示),延长了消化时间,完善了消化过程,提高了消化率。它在单螺旋的基础上,增加一个螺旋转子,形成双轴搅拌形式,具有搅拌、粉碎结块和自清理等多重作用与功效,大幅提高了搅拌频率和消化反应速度。
 

      
       针对生石灰消化过程产生的粉尘强黏结性、亲水性、高分散性及水硬性等几大特点,开发出复合湿式除尘技术。

双级双螺旋搅拌生石灰消化器及配套复合湿式除尘器已于2016年底在新余钢铁6号烧结机投入运行,与烧结机同步作业,消化率达87.5%,混合料制粒效果改善,年增产烧结矿8万吨,粉尘排放浓度低至9.87mg/m3,配料室环境明显改善,消化系统除尘废水实现“零”排放。

2)强化混匀制粒技术。

强力混匀装备根据结构不同,可分为卧式和立式强力混合机。卧式强力混合机在工作过程中,筒体固定,主轴旋转带动犁头运动,使物料产生对流运动、混合充分。立式强力混合机在工作过程中,转动的混合桶体和高速旋转的搅拌桨配合,使混合料进行剧烈的对流、剪切、扩散运动,混匀更为充分。中冶长天成功开发出具有自主知识产权的卧式和立式强力混合机,其中,立式强力混合机(如图2所示)与进口爱立许的相比,一次性投资成本可降低40%,运行成本可降低20%,且耐磨件使用寿命更长。
 


       1.1.2 烧结机高效综合密封技术

烧结机漏风部位中,头、尾端部漏风最为严重,也最难治理。负压吸附式端部密封技术(如图3所示)以负压作为密封动力,迫使风箱密封板与烧结机台车底板侧部贴合,达到接合部的密封,巧妙地解决压差与密封的矛盾。顶部密封板由分体式改为整板式,彻底消除了传统分体式浮动密封体之间的间隙所导致的漏风,而且省去了灰箱。

    

 该技术在国内外得到了广泛应用,其中宝钢湛江2号550m2烧结机初期测试漏风率仅为17.8%,日本和歌山185m2烧结机测试漏风率仅为16.7%。烧结机漏风率降低,有助于降低烧结机主抽风机功率及烧结烟气末端治理负荷。

1.2 烧结烟气循环技术

烧结烟气循环工艺是将一部分烧结过程产生的烟气返回烧结机台车料面进行循环烧结的方法。这种方法一方面,可以明显减少废气的排放量,从而降低脱硫脱硝装置的投资和运行成本;另一方面,循环烧结过程中烧结烟气的部分显热和潜热将被回收利用,一定程度上可以降低焦粉的配比。此外,循环烟气中的部分粉尘会被吸附并滞留于烧结料层中;PCDD/Fs和NOx在通过烧结料层时,部分经过热分解得到减排;SO2得以富集,有利于提高脱硫系统的脱硫效率。

根据烧结烟气的来源,循环工艺又分为内循环和外循环。内循环是从主抽风机前的风箱支管取风进行循环;外循环是从主抽风机后的烟道取风进行循环。鉴于烧结烟气中O2含量不满足烧结生产要求(通常不宜低于18%),而环冷机中低温段冷却废气(O2含量与空气类似)的开发利用困难,可通过兑入部分冷却废气,来实现烧结烟气富氧。

目前,我国已将烧结烟气循环技术列为钢铁行业清洁生产的重点推广技术。宝武2号600m2新建烧结工程即采用了该技术,设计过程中除了充分考虑烧结系统的风量平衡、压力平衡、氧量平衡之外,还借助ANSYS软件对循环系统的烟气混合器、分配器及循环罩三大核心部件进行建模、流场仿真及结构优化,工程投产后预计烧结烟气外排量减少25%,NOx和二噁英排放量降低20%,吨矿工序能耗降低1-2kgce。

1.3 清洁燃气料面顶吹低C低NOx烧结技术

燃气料面顶吹技术是在烧结点火炉后适当位置的烧结料面顶部喷入一定量的燃气,使其在烧结负压的作用下被抽入料层内,并在燃烧层上部燃烧放热。首先从热值等量置换角度来讲,该工艺是以燃气代替部分固体燃料;其次,通过喷气位置的控制,实现烧结料层顶部靠点火煤气+固体燃耗、中上部靠顶吹燃气+固体燃耗、下部料层靠自蓄热+固体燃耗的梯级供热方式,使整个烧结料层内的热量分布更合理、热量利用率更高,从而在整体上降低固体燃料消耗,相应的烧结COx、SOx、NOx等污染物的生成量也相应减少。烧结料层内热量分布更合理,将产生更多优质复合铁酸钙,也有助于抑制NOx的产生。

中冶长天开发的清洁燃气料面顶吹低C低NOx 烧结技术和成套装备已在韶钢360m2烧结机上成功投运(如图4所示)。烧结料面喷入1Nm3燃气,可减少焦粉量1.5-1.8kg,降低CO2排放2%,降低SO2排放5%,降低NOx排放10%,提高烧结矿转鼓强度0.15%,提高烧结矿成品率0.3%。值得注意的是,采用该技术后,5-10mm粒径的烧结矿比例降低1.46%,这对高炉冶炼是非常有利的。

 2 烧结烟气多污染物协同深度净化技术

国内外工业烟气治理都经历了从单一除尘,到除尘及脱硫复合控制,最后到除尘及多污染物协同治理的过程。通过考察各种技术路线的多污染高效协同脱除效率、副产物的资源化程度、运行可靠性及性价比后,普遍认为活性炭法烟气净化技术和中低温SCR技术比较适应钢铁烧结烟气超低排放技术要求。当然,还有一些其他方法如氧化法等也在不断探索之中。

2.1活性炭法烟气净化技术

2.1.1 活性炭对不同污染物脱除机理

活性炭脱硫原理是:利用活性炭的吸附特性和催化特性,使烟气中SO2与烟气中的水蒸气和氧反应生成H2SO4吸附在活性炭的表面,吸附SO2的活性炭加热再生,释放出高浓度SO2气体,再生后的活性炭循环使用,高浓度SO2气体可被加工成硫酸、单质硫等多种化工产品。脱硝原理是:通过活性炭催化氮氧化物和氨反应的特性,实现氮氧化物的脱除。脱汞原理是:利用活性炭的吸附性能脱除烟气中的汞等重金属。除尘原理是:与常规过滤集尘一样,活性炭层通过碰撞、遮挡及扩散捕集来实现除尘功能。脱二噁英原理是:固体状与雾状的二噁英会附着或者吸附在废气中灰尘粒子表面,而在通过活性炭层时被过滤除去,气状的二噁英则可通过活性炭层时的化学吸附作用而被从烟气中除去;然后,当活性炭进行高温解吸时,吸附的二噁英会发生解吸并裂解为无毒性物质。

2.1.2 活性炭法烟气净化典型工艺

活性炭法具备同时脱除烟气中二氧化硫、氮氧化物、粉尘、二噁英类物质的优点。按吸附方式不同,分为交叉流工艺和逆流工艺,其中交叉流是指烟气与活性炭运动方向相互垂直;逆流是指烟气从下往上,活性炭从上往下移动。两种塔体物质流向,如图5所示。

 交叉流的优点是两相流(即固相流和气相流)互不干扰、接触均匀;活性炭层呈整体流均匀连续下料,且下料口少,易于控制;烟气中氟、氯等元素对料流影响小,系统无滞料现象,作业率高;活性炭输送过程倒运次数少,损耗小;还原剂可实现分层分级喷入吸附塔,污染物净化效率高等。这是一种更高效、更经济、更安全的活性炭烟气净化方法,在国内外获得了广泛应用。

2.1.3 活性炭法烟气多污染物协同高效净化关键技术

1)分层吸附技术。

基于活性炭对污染物吸附规律研究,SO2和粉尘的吸附速率大于NOx的吸附速率,即约80%的SO2和粉尘吸附在沿气流方向活性炭床层前部,由于SO2吸附为放热反应,会导致床层前部大量热量累积;同时吸附粉尘后,会降低床层透气性,增加系统阻损,因此床层前部活性炭需尽快排出。通过研究床层后部活性炭下料速度对出口粉尘浓度、脱硝率的影响,发现下料速度慢有利于降低出口粉尘浓度,但会导致系统压力损失急剧增大和脱硝率降低。为解决上述矛盾,开发了分层错流吸附技术,即吸附层分为前、中、后三层:前层脱硫+除尘,活性炭快速排出;中层进一步脱硫+除尘+脱硝,活性炭排料速度次之;后层深度脱硫+脱硝+抑尘,活性炭慢速排出,从而实现以不同运行参数适应不同污染物的高效协同脱除。

为实现各层活性炭的分别控制,基于活性炭物料的特性,开发了长轴辊式排料结构(如图6所示),精确保证前、中、后料层下料速度满足分层吸附速度控制的要求。此外,该结构可以保证迎风面上的活性炭下料速度相同,避免了漏斗流现象,实现活性炭与烟气充分均匀接触,提升了系统运行的安全性、高效性及经济性。

 

2)高效再生技术。

活性炭在吸附污染物后,需通过高温解吸以恢复活性炭活性,同时实现资源回收和分解有害物质。开发了顺流与逆流、温度与时间相耦合的解吸技术,强化了SO2析出及NOx、二噁英无害化处理,提高了解吸气体纯度及SO2资源化利用效率,实现了对二次污染物的有效控制。

3)活性炭低耗损技术。

活性炭的耗损分为化学耗损和机械耗损,化学耗损主要与污染物浓度度及净化要求有关,机械损耗主要是颗粒之间、物料与设备之间及物料翻转过程中的机械磨损。为了减少甚至消除运输过程中的机械磨损,开发了低耗损输送机技术(如图7所示)和低耗损卸料阀技术。

 4)系统安全运行技术。

活性炭为可燃物质,因此采用安全措施及技术至关重要。如整体流下料技术,保障了在吸附塔内烟气与活性炭均匀接触,无滞料、局部升温现象。此外,烟温调控技术,吸附塔、解吸塔温度监测及控制系统,输送机高温灶实时觅出技术(如图8所示)等的采用与设置,可确保系统安全运行,作业率与烧结机100%同步。

 

5)余氨循环利用及废水“零排放”技术。

针对SO2资源化过程中产生的制酸洗涤废水难以处置的瓶颈,分析了废水中汞、氨氮、氟、氯等的浓度,开发了废水预处理后蒸发的工艺流程,实现了废水中重金属污泥的微量化、余氨循环利用、废水“零排放”,并同时实现了对烟气温度调控的多重目的。

6)系统组成及应用。

活性炭法烧结烟气多污染物协同净化技术系统包括烟气系统、吸附系统、解吸系统、活性炭输送系统、废水处理系统等。目前,已应用于宝武湛江钢铁、宝武本部、安阳钢铁等国内大型钢铁企业配套烧结烟气净化工程。
其中,双级多污染物协同治理技术于2016年11月在宝钢三烧成功应用,脱硝效率提高到90%。系统投产以来,运行稳定,与烧结系统同步作业率达100%,实现了烟气出口污染物浓度SO2<10mg/ Nm3、NOx<50mg/Nm3、二噁 英<0.05ng-TEQ/Nm3、粉尘<10mg/Nm3、氟化物<0.06mg/Nm3,Hg基本全脱除,达到了超低排放。图9为宝武本部组合式双级净化系统建成实景。

2.2 组合脱硫脱硝技术

虽然活性炭烟气净化技术在多污染物协同治理及副产物资源化方面具有独特的优势,但对于不同的工况条件、历史状况、地理及资源条件,活性炭法烟气净化技术很难说是最佳选择。因此,基于企业已有的各种脱硫脱硝技术,列举了3种组合式的技术方案,以使企业从中选择资源消耗最低的、性价比最高的烟气深度净化技术方案。

2.2.1 单级活性炭法耦合中低温SCR技术

早期的活性炭烟气净化工程中,环保要求较低,一般采用单级塔,NOx排放难以达到50mg/Nm3以下。同时工程现场中,往往场地受限,总图位置上不具备增加二级吸附塔的空间。此时,要进行超低排放环保升级改造,可以利用SCR脱硝效果高、占地较小的优点,在活性炭烟气净化后串联SCR脱硝反应装置,进一步降低NOx排放浓度。

该工艺能深度协同脱除SO2、NOx、二噁英、粉尘、重金属及其他有机污染物,使烟气排放达到超低排放标准,并实现SO2的资源化。但也存在如下缺点:① 当采用高温SCR技术时,运行成本偏高,能耗较大;② 如果未来二噁英的排放限值大幅下调,采用低温SCR技术时,要注意二噁英排放的达标问题,同时低温催化剂的脱硝效果、寿命还需要经过实际工程实践的考验;③ 催化剂作为危废,处理难度较高、成本较大。

2.2.2干(半)法脱硫耦合单级活性炭法技术

该方法主要适应于已经建成的干(半)法脱硫装置,且装置运行良好,脱硫副产物有出路,不会增加环境负荷的场合。值得注意的是,要保证原烟气系统中能够引出部分高温低硫烟气,以便确保活性炭装置入口的烟气温度不会太低,同时,要保证进入活性炭装置中的烟气粉尘不宜太高,最好小于30mg/Nm3。

该工艺为已建成的干(半)法脱硫装置改造升级为深度净化提供了一条路径,且能实现SO2、NOx、二噁英、粉尘及其他有机污染物的协同治理,烟气排放可以达到超低排放标准,且升级改造后不会产生新的有害副产物,同时投资较省,运行成本适中、能耗低。但此方法虽然没有产生新的有害副产物,但也没有解决原干(半)法中存在的副产物问题,如果整体环保标准提高,导致原干(半)法的副产物不允许产生,那么采用此方法将存在风险。

2.2.3 干(半)法、湿法脱硫耦合中低温SCR技术

该方法适用于已建成干(半)法、湿法脱硫装置,且运行良好,现场场地条件较紧张,原烟气中NOx浓度偏高的工况条件。需要注意的是,前段脱硫工序必须保证SO2的排放浓度<35mg/Nm3,粉尘排放浓度<10mg/Nm3。

该工艺能够实现SO2、NOx、粉尘等多种污染物协同脱除,烟气排放能达到超低排放标准,且投资成本相对较低。但存在如下缺点:① 副产物较复杂,不但有原干(半)法存在的脱硫副产物,而且有新增的SCR法定期废弃的催化剂;② 此方法需把烟气整体升温,运行成本较高,能耗高;③ 二噁英脱除较难,如环保标准进一步提高,可能有风险。

3 对铁矿烧结烟气超低排放新闻专题">烧结烟气超低排放技术发展的思考

1)目前我国超低排放改造对NOx的要求很高,为全世界最严格的,但对二噁英的排放要求低于国际水平,这是由于NOx是形成PM2.5和雾霾的前驱体。近些年,我国雾霾严重,优先控制NOx排放有一定的合理性。但二噁英毒性大,也应引起高度重视,在烟气治理技术路线的选择时务必考虑周全。

2)对超低排放技术的评价,不能仅仅看排放指标,而要从全生命周期环境负荷和综合性价比来评价。

3)对钢铁企业来讲,不能仅仅看污染物排放浓度指标,更要关注其排放总量,要从烟气排放总量减少和排放浓度减少方面双管齐下;就粉尘减排来说,不仅要关注其质量浓度减排,更要关注数量浓度减排。