CN113390270A - 一种降低硫化物和氮化物排放的铁矿烧结方法及装置 - Google Patents

一种降低硫化物和氮化物排放的铁矿烧结方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种降低硫化物和氮化物排放的铁矿烧结方法及装置，将烧结燃料预处理与烧结烟气循环相结合，通过烧结烟气循环系统进行烧结烟气循环利用，机尾段烟气和中间段烟气进入烟气控温混匀装置升温并充分混匀；混匀的高温烟气经氧气配加器补充氧气和氨气配加器配加氨气后，进入氮氧化物预处理器与氨气反应脱除部分氮氧化物；未反应完的氨气与烧结烟气一起通过烟气密封罩进入烧结料层；进入料层的氨气在铁质催化剂的作用下与燃料燃烧产生的氮氧化物反应。本发明一方面可以改善烧结矿质量，降低固体燃耗；另一方面可以从根源上减少烧结工序硫化物和氮化物的产生量和排放量，降低烧结烟气排放量和处理成本。

Description

一种降低硫化物和氮化物排放的铁矿烧结方法及装置
技术领域
本发明属于炼铁生产技术领域，涉及到烧结生产技术，特别涉及一种降低硫化物和氮化物排放的铁矿烧结方法及装置。
背景技术
钢铁工业可持续发展就必须减少对环境的污染，减少硫化物和氮化物的排放是钢铁工业减少环境污染的关键环节之一，其中减少烧结工序硫化物和氮化物排放则是其重点。烧结烟气中的硫化物和氮化物主要由燃料燃烧产生的。固体燃料中的硫和氮大多以有机硫和有机氮的形式存在，这种硫和氮的分解需要在较高的温度下进行。
在预热区燃料经过迅速升温的热解过程，大部分的硫分解析出：一部分有机硫以CS2和H2S类气体析出，一部分无机硫以元素硫的形式随着焦粉燃烧时碳的晶阵破坏而同步析出，然后与O2反应立即变为SO2气体。几乎90％以上的硫化物在干燥预热区和烧熔区被氧化成硫的气态化合物而释放，85％左右的硫酸盐在热分解过程中被脱除。烧结工序NOx主要为燃料型，由固体燃料中燃料氮在高温下与氧气反应形成，固体燃料的燃烧行为必将对烧结过程NOx排放产生影响；NOx穿过烧结料层时，在铁系氧化物的催化作用下通过反应4xNH3+6NOx＝(2x+3)N2+6xH2O可以进行脱除，其机理为氨吸附在Fe2O3铁的Lewis酸性位上，NH3分子的1个H原子与Fe2O3表面的晶格氧反应，来自氨气中N原子的1个电子被吸附在Fe2O3上；电子在吸附和被吸附物种之间相互转移。电子转移后形成的电子洞被吸附态氨气产生的NH2自由基转变的NH2-占据，被吸附了NH3的1个N中的一个电子转向Fe2O3中的铁离子，形成的NH2自由基和来自气态中的NO反应产生NH2NO中间产物，中间产物然后分解为N2和H2O，然后2价铁离子被氧气重新氧化到3价铁离子。
烧结燃料的配加量、粒度组成和燃烧性质直接影响烧结料层的温度与热量分布、燃烧带的厚度以及料层的透气性、烧结气氛等各个方面。燃料的种类、配加量固定时，燃料粒度的大小就成为影响烧结过程的重要因素。以粗颗粒形式存在的固体燃料，被铁矿石和生石灰附着时，会降低烧结时的着火温度，加快其燃烧速率；以细颗粒形式存在的固体燃料则不会发生变化；而以复合颗粒存在的固体燃料，尤其是与生石灰黏附在一起的固体燃料，通常反应性会更加活跃。若固定燃料的粒度过大，会使燃烧速度变慢，燃烧带变宽，烧结最高温度降低，烧结过程透气性变差，垂速和利用系数下降；反之，固体燃料的粒度过小，会使燃烧速度过快，液相反应进行得不完全，烧结矿强度变差，成品率和利用系数也下降。
烧结烟气循环作为一项重要的减排方案早已受到业界关注。烧结烟气循环工艺是将部分风箱支管的烧结烟气或大烟道总管上一部分烧结烟气循环到烧结机台车上部密封罩中，在主抽风机的作用下，循环废气重新参与烧结。烧结烟气循环的目的是为了回收烟气中的显热和潜热，降低燃料消耗，减少烟气污染物排放；烟气循环到烧结料层时，其中的粉尘部分会被吸附并滞留于烧结料层中，NOx被部分降解，二噁英在高温下会被热解，CO和CH化合物等在烧结过程中会发生二次燃烧，可降低固体燃耗，进一步降低NOx和SO2等的排放，该工艺具有明显的节能减排优势：(1)烧结大烟道烟气温度约为150℃，烧结机后部风箱烟气温度可达到350－400℃，循环烟气中的显热可以得到利用；(2)烧结烟气中CO体积浓度约为0.4－1.0％，此外还有一定数量的其它可燃有机物，这些物质的潜热可以得到利用；(3)由于烧结烟气循环，使得最终排放到大气的烟气量可减少20～30％，脱硫设施的投资和运行能耗可显著降低；(4)烟气循环使用的风机电机将消耗部分电能，这部分烟气如果不循环就要通过脱硫设施烟囱排放，将消耗更多的电能。
目前烧结机烟气循环技术方案分为两种：烟气内循环技术和烟气外循环技术。烟气内循环技术特点为：考虑烧结机各风箱烟气污染物及温度分布特征，使污染物在烧结料层中发生一系列复杂化学反应过程，包括CO的二次燃烧放热、二噁英的高温分解等，理论上会降低SO2、NOx等其他一些污染物的排放浓度。但由于烧结过程伴随着众多物理、化学反应，过程非常复杂，因此内循环并未达到预期效果，并且还带来了一些其他问题。烟气外循环技术特点为：(1)在烧结主抽风机后烟道取烟气，工程改动量小，固定投资低；在业内推广程度上，比烟气内循环系统更好；(2)工艺流程简单、阀门、仪表数量少，检修工作量小；(3)由于烧结主抽风机后烟气温度低(一般在130-150℃之间)，热量利用效果一般；烟气含氧量相对较低，使烧结烟气减排率较低(30％左右)。尽管烧结烟气循环具有节能、减排效果，但烧结机实际运行中，进行烧结烟气循环时，其减排效果差异也很大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降低硫化物和氮化物排放的铁矿烧结方法及装置，该方法将烧结燃料预处理与烧结烟气循环相结合，一方面可以改善烧结矿质量，降低固体燃耗；另一方面可以从根源上减少烧结工序硫化物和氮化物的产生量和排放量，降低烧结烟气排放量和处理成本。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种降低硫化物和氮化物排放的铁矿烧结方法，该方法将烧结燃料预处理与烧结烟气循环相结合，具体包括：
1)将固体燃料破碎加工成烧结燃料粉，其中粒度小于3mm所占比例大于等于85％；将生石灰破碎加工成生石灰粉，其中粒度小于3mm所占比例大于等于90％；
2)将烧结燃料粉、生石灰粉、铁质催化剂和制氧剂一起送到混匀设备中进行充分混匀制粒获得预处理燃料；所述生石灰粉的添加方式为：60wt％～70wt％的生石灰粉直接配加到烧结燃料粉中，30wt％～40wt％的生石灰粉通过消化器消化成乳化悬浮液，在预处理燃料的制粒过程中喷洒到燃料表面；
3)含铁原料、烧结熔剂和预处理燃料混匀造球制成烧结混合料，将烧结混合料布加到台车，点火抽风进行烧结；烧结过程燃料燃烧产生的硫化物及氮化物和燃料表面包裹的生石灰反应，固结在烧结料层中，减少硫化物和氮化物排放；
4)通过烧结烟气循环系统进行烧结烟气循环利用，机尾段烟气和中间段烟气分别在第一循环风机和第二循环风机的作用下进入烟气控温混匀装置升温并充分混匀；混匀的高温烟气经氧气配加器补充氧气和氨气配加器配加氨气后，进入氮氧化物预处理器与氨气反应脱除部分氮氧化物；未反应完的氨气与烧结烟气一起通过烟气密封罩进入烧结料层；进入烧结料层烟气的硫化物与烧结熔剂反应，减少硫化物的排放；进入烧结料层的氨气在铁质催化剂的作用下与燃料燃烧产生的氮氧化物反应，减少氮氧化物的产生和排放。
上述步骤2)的预处理燃料中烧结燃料粉的质量分数为75％～80％，生石灰粉的质量分数为5％～12％，铁质催化剂的质量分数为7％～13％，制氧剂的质量分数为3％～8％。
上述步骤2)中的铁质催化剂是由冶金粉尘和铁红粉充分混匀制成，其中冶金粉尘的质量分数为30％～40％，铁红粉的质量分数为60％～70％。
上述步骤2)中的制氧剂为高锰酸钙、锰酸钙、高锰酸钾中的一种或两种的混合。
所述烧结燃料粉为焦粉和煤粉中的一种或两种的混合。
一种降低硫化物和氮化物排放的铁矿烧结方法采用的装置，包括烧结机、循环主管道系统、烟气外排净化系统，所述烧结机的机头段烟道连接所述烟气外排净化系统，所述烧结机的中间段烟道同时连接所述循环主管道系统和烟气外排净化系统，所述烧结机的机尾段烟道连接循环主管道系统，所述循环主管道系统包括烟气控温混匀装置、氨气配加器、氧气配加器、烟气循环主管道、氮氧化物预处理器、烟气密封罩、烟气循环分配管，所述烟气控温混匀装置的入口分别连接中间段烟道和机尾段烟道，烟气控温混匀装置的出口连接烟气循环主管道，烟气循环主管道再依次连接氧气配加器和氮氧化物预处理器，所述氮氧化物预处理器连接氨气配加器，所述氮氧化物预处理器的烟气出口连接烟气循环主管，烟气循环主管连接烟气循环分配管，所述烟气循环分配管连接安装在烧结机上的烟气密封罩。
所述烟气外排净化系统包括电除尘器、脱销反应器、脱硫反应器、烟囱，所述电除尘器、脱销反应器、脱硫反应器通过管道连接，经脱硫脱硝后的烟气经烟囱排出。
烟气外排净化系统前部设置外排烟气引风机，机头段烟气在外排烟气引风机的作用下通过烟气外排净化系统直接排放。
所述中间段烟道利用烟气管道经过第一控制阀与外排烟气引风机连接，外排烟气引风机与烟气外排净化系统连接；所述中间段烟道利用烟气管道经过第二控制阀与第二循环风机连接，第二循环风机与烟气控温混匀装置连接，烟气控温混匀装置与烟气循环主管道连接；通过调节第一控制阀和第二控制阀，来调整中间段烟气的循环量。
机尾段烟道利用烟气管道与第一循环风机连接，第一循环风机与烟气控温混匀装置连接。
所述烟气密封罩设有氧气浓度分析仪和压力检测装置，所述烟气循环分配管上设有烟气调节阀。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明对烧结燃料预处理，将烧结燃料与生石灰、铁质催化剂进行预混，可以从根源上减少硫氧化物和氮氧化物的产生量。
2)本发明对烧结燃料预处理，将烧结燃料与制氧剂进行预混，可以提高燃料的燃烧率，弥补烟气循环导致的料层含氧不足，降低烧结固体燃耗，改善烧结矿质量。
3)本发明在烧结烟气循环段向循环烟道中补充氨气，一方面对高温含尘烟气中的氮化物进行预处理，降低氮氧化物的循环量；另一方面未反应完的氨气进入料层，在燃料表面催化剂的作用下与燃料周围的氮氧化物反应，降低氮氧化物排放量和处理成本。
附图说明
图1是本发明一种降低硫化物和氮化物排放的铁矿烧结方法采用装置的结构示意图。
图中：1、烧结机；2、机头段烟道；3、中间段烟道；4、机尾段烟道；5、烟气密封罩；6、氧气浓度分析仪；7、第一控制阀；8、压力检测装置；9、第二控制阀；10、烟气循环分配管；11、烟气循环主管道；12、烟气调节阀；13、氮氧化物预处理器；14、氨气配加器；15、氧气配加器；16、氧气缓冲罐；17、烟气控温混匀装置；18、烟气管道；19、脱硫反应器；20、脱硝反应器；21、硫化物与氮化物检测分析仪；22、电除尘器；23、烟囱；24、第一循环风机；25、第二循环风机；26、外排烟气引风机。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行更详细的描述，这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何的限制。
实施例1：
一种降低硫化物和氮化物排放的铁矿烧结方法，该方法将烧结燃料预处理与烧结烟气循环相结合。将焦块破碎加工成烧结用焦粉，其粒度小于3mm所占比例大于等于90％；将生石灰破碎加工成生石灰粉，其粒度小于3mm所占比例大于等于90％。
将焦粉、部分生石灰、铁质催化剂和制氧剂一起送到混匀设备中进行充分混匀制粒获得预处理燃料，其中焦粉的质量分数为76％，生石灰质量分数为9％，铁质催化剂质量分数为11％，制氧剂质量分数为4％。铁质催化剂由冶金粉尘和铁红粉充分混匀制成，其中冶金粉尘的质量分数为33％，铁红粉的质量分数为67％；制氧剂为高锰酸钙和高锰酸钾混合物。生石灰参与焦粉预处理的方式为两种，质量分数62％的生石灰直接配加到焦粉中，质量分数38％的生石灰通过消化器消化成乳化悬浮液，在预处理燃料的混匀制粒过程中喷洒到燃料表面。
含铁原料、烧结熔剂和预处理燃料充分混匀、造球制成烧结混合料；将烧结混合料布加到台车，点火抽风进行烧结；烧结过程燃料燃烧产生的硫化物及氮化物和燃料表面包裹的生石灰反应，固结在烧结料层中，减少硫化物和氮化物排放。同时进行烧结烟气循环利用，机尾段烟气和中间段烟气分别在第一循环风机24和第二循环风机25的作用进入烟气控温混匀装置17升温并充分混匀；混匀的高温烟气经氧气配加器15补充氧气和氨气配加器14配加氨气后，进入氮氧化物预处理器13与氨气反应脱除部分氮氧化物；未反应完的氨气与烧结烟气一起通过烟气密封罩5进入烧结料层；进入烧结料层烟气的硫化物与烧结熔剂反应，减少硫化物的排放；进入料层的氨气在铁质催化剂的作用下与燃料燃烧产生的氮氧化物反应，减少氮氧化物的产生和排放。
见图1，机头段烟道2通过烟气管道18与烟气外排净化系统连接，烟气外排净化系统前部设置外排烟气引风机26，机头段烟气在外排烟气引风机26的作用下通过烟气外排净化系统直接排放；烟气外排净化系统按烧结烟气流向从前到后依次为电除尘器22、脱硫反应器19、脱硝反应器20、硫化物与氮化物检测分析仪21和烟囱23。
中间段烟道3利用烟气管道经过第一控制阀7与外排烟气引风机26连接，外排烟气引风机26与烟气外排净化系统连接；中间段烟道3利用烟气管道经过第二控制阀9与第二循环风机25连接，第二循环风机25与烟气控温混匀装置17连接，烟气控温混匀装置17与循环主管道系统连接；调节第一控制阀7和第二控制阀9，60％～70％的中间段烟气参与循环。机尾段烟道4利用烟气管道与第一循环风机24连接，第一循环风机24连接循环主管道系统；循环主管道系统按烧结烟气流向从前到后包括烟气控温混匀装置17、烟气循环主管道11、氧气缓冲罐16、氧气配加器15、氨气配加器14、氮氧化物预处理器13、烟气密封罩4；烟气密封罩4上设有氧气浓度分析仪6和压力检测装置8，通过烟气循环分配管10与烟气循环主管道11连接，烟气循环分配管10上设有烟气调节阀12。
本实施例的降低硫化物和氮化物排放的烧结生产方法应用后，烧结固体燃耗降低到34.2kg/t，约降低8kg/t；烧结矿转鼓强度达到90.75％，约提高8个百分点；烧结烟气氮氧化物和硫化物排放降低60％～70％，脱硫脱硝成本降低40％～50％。
实施例2：
一种降低硫化物和氮化物排放的铁矿烧结方法，该方法将烧结燃料预处理与烧结烟气循环相结合。将燃料破碎加工成烧结燃料粉，其粒度小于3mm所占比例大于等于85％；将生石灰破碎加工成生石灰粉，其粒度小于3mm所占比例大于等于95％；烧结燃料粉为焦粉和煤粉的混合。
将烧结燃料粉、部分生石灰、铁质催化剂和制氧剂一起送到混匀设备中进行充分混匀制粒获得预处理燃料，其中烧结燃料粉的质量分数为78％，生石灰质量分数为7％，铁质催化剂质量分数为7％，制氧剂质量分数为8％。铁质催化剂由冶金粉尘和铁红粉充分混匀制成，其中冶金粉尘的质量分数为38％，铁红粉的质量分数为62％；制氧剂为高锰酸钙和高锰酸钾混合物。生石灰参与烧结燃料预处理的方式为两种，质量分数69％的生石灰直接配加到烧结燃料粉中，质量分数31％的生石灰通过消化器消化成乳化悬浮液，在预处理燃料混匀制粒过程中喷洒到燃料表面。
含铁原料、烧结熔剂和预处理燃料充分混匀、造球制成烧结混合料；将烧结混合料布加到台车，点火抽风进行烧结；烧结过程燃料燃烧产生的硫化物及氮化物和燃料表面包裹的生石灰反应，固结在烧结料层中，减少硫化物和氮化物排放。同时进行烧结烟气循环利用，机尾段烟气和中间段烟气分别在第一循环风机24和第二循环风机25的作用进入烟气控温混匀装置17升温并充分混匀；混匀的高温烟气经氧气配加器15补充氧气和氨气配加器14配加氨气后，进入氮氧化物预处理器13与氨气反应脱除部分氮氧化物；未反应完的氨气与烧结烟气一起通过烟气密封罩5进入烧结料层；进入烧结料层烟气的硫化物与烧结熔剂反应，减少硫化物的排放；进入料层的氨气在铁质催化剂的作用下与燃料燃烧产生的氮氧化物反应，减少氮氧化物的产生和排放。
见图1，机头段烟道2通过烟气管道18与烟气外排净化系统连接，烟气外排净化系统前部设置外排烟气引风机26，机头段烟气在外排烟气引风机26的作用下通过烟气外排净化系统直接排放；烟气外排净化系统按烧结烟气流向从前到后依次为电除尘器22、脱硫反应器19、脱硝反应器20、硫化物与氮化物检测分析仪21和烟囱23。
中间段烟道3利用烟气管道经过第一控制阀7与外排烟气引风机26连接，外排烟气引风机26与烟气外排净化系统连接；中间段烟道3利用烟气管道经过第二控制阀9与第二循环风机25连接，第二循环风机25与循环主管道系统连接；调节第一控制阀7和第二控制阀9，70％～80％的中间段烟气参与循环。机尾段烟道4利用烟气管道与第一循环风机24连接，第一循环风机与循环主管道系统连接；循环主管道系统按烧结烟气流向从前到后包括烟气控温混匀装置17、烟气循环主管道11、氧气缓冲罐16、氧气配加器15、氨气配加器14、氮氧化物预处理器13、烟气密封罩4；烟气密封罩14上设有氧气浓度分析仪6和压力检测装置8，通过烟气循环分配管10与烟气循环主管道11连接，烟气循环分配管10上设有烟气调节阀12。
本实施例的降低硫化物和氮化物排放的烧结生产方法应用后，烧结固体燃耗降低到35.7kg/t，约降低7kg/t；烧结矿转鼓强度达到90.1％，约提高7个百分点；烧结烟气氮氧化物和硫化物排放降低60％～70％，脱硫脱硝成本降低50％～60％。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种降低硫化物和氮化物排放的铁矿烧结方法，其特征在于，该方法将烧结燃料预处理与烧结烟气循环相结合，具体包括：
1)将固体燃料破碎加工成烧结燃料粉，其中粒度小于3mm所占比例大于等于85％；将生石灰破碎加工成生石灰粉，其中粒度小于3mm所占比例大于等于90％；
2)将烧结燃料粉、生石灰粉、铁质催化剂和制氧剂一起送到混匀设备中进行充分混匀制粒获得预处理燃料；所述生石灰粉的添加方式为：60wt％～70wt％的生石灰粉直接配加到烧结燃料粉中，30wt％～40wt％的生石灰粉通过消化器消化成乳化悬浮液，在预处理燃料的制粒过程中喷洒到燃料表面；
3)含铁原料、烧结熔剂和预处理燃料混匀造球制成烧结混合料，进行烧结；烧结过程燃料燃烧产生的硫化物及氮化物和燃料表面包裹的生石灰反应，固结在烧结料层中，减少硫化物和氮化物排放；
4)通过烧结烟气循环系统进行烧结烟气循环利用，机尾段烟气和中间段烟气进入烟气控温混匀装置升温并充分混匀；混匀的高温烟气经氧气配加器补充氧气和氨气配加器配加氨气后，进入氮氧化物预处理器与氨气反应脱除部分氮氧化物；未反应完的氨气与烧结烟气一起通过烟气密封罩进入烧结料层；进入烧结料层烟气的硫化物与烧结熔剂反应，减少硫化物的排放；进入烧结料层的氨气在铁质催化剂的作用下与燃料燃烧产生的氮氧化物反应，减少氮氧化物的产生和排放。
2.根据权利要求1所述的一种降低硫化物和氮化物排放的铁矿烧结方法，其特征在于，上述步骤2)的预处理燃料中烧结燃料粉的质量分数为75％～80％，生石灰粉的质量分数为5％～12％，铁质催化剂的质量分数为7％～13％，制氧剂的质量分数为3％～8％。
3.根据权利要求1所述的一种降低硫化物和氮化物排放的铁矿烧结方法，其特征在于，上述步骤2)中的铁质催化剂是由冶金粉尘和铁红粉充分混匀制成，其中冶金粉尘的质量分数为30％～40％，铁红粉的质量分数为60％～70％。
4.根据权利要求1所述的一种降低硫化物和氮化物排放的铁矿烧结方法，其特征在于，上述步骤2)中的制氧剂为高锰酸钙、锰酸钙、高锰酸钾中的一种或两种的混合。
5.根据权利要求1所述的一种降低硫化物和氮化物排放的铁矿烧结方法，其特征在于，所述烧结燃料粉为焦粉和煤粉中的一种或两种的混合。
6.一种如权利要求1-5其中任何一项所述的降低硫化物和氮化物排放的铁矿烧结方法采用的装置，其特征在于，包括烧结机、循环主管道系统、烟气外排净化系统，所述烧结机的机头段烟道连接所述烟气外排净化系统，所述烧结机的中间段烟道同时连接所述循环主管道系统和烟气外排净化系统，所述烧结机的机尾段烟道连接循环主管道系统，所述循环主管道系统包括烟气控温混匀装置、氨气配加器、氧气配加器、烟气循环主管道、氮氧化物预处理器、烟气密封罩、烟气循环分配管，所述烟气控温混匀装置的入口分别连接中间段烟道和机尾段烟道，烟气控温混匀装置的出口连接烟气循环主管道，烟气循环主管道再依次连接氧气配加器和氮氧化物预处理器，所述氮氧化物预处理器连接氨气配加器，所述氮氧化物预处理器的烟气出口连接烟气循环主管，烟气循环主管连接烟气循环分配管，所述烟气循环分配管连接安装在烧结机上的烟气密封罩。
7.根据权利要求6所述的一种降低硫化物和氮化物排放的铁矿烧结方法采用的装置，其特征在于，所述烟气外排净化系统包括电除尘器、脱销反应器、脱硫反应器、烟囱，所述电除尘器、脱销反应器、脱硫反应器通过管道依次连接，经脱硫脱硝后的烟气经烟囱排出。
8.根据权利要求6所述的一种降低硫化物和氮化物排放的铁矿烧结方法采用的装置，其特征在于，所述中间段烟道经过第一控制阀与烟气外排净化系统连接；所述中间段烟道经过第二控制阀与烟气控温混匀装置连接。
9.根据权利要求6所述的一种降低硫化物和氮化物排放的铁矿烧结方法采用的装置，其特征在于，所述烟气密封罩设有氧气浓度分析仪和压力检测装置，所述烟气循环分配管上设有烟气调节阀。
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