烟气循环对烧结机脱硫脱硝的影响

文_苏晖 沈淼 孙芳婷

1.浙江海元环境科技有限公司； 2.浙江德创环保科技股份有限公司杭州分公司； 3.聚光科技(杭州)股份有限公司

1 烟气循环烧结工艺简介

烧结是钢铁生产中的一个关键工序。SO2排放量占总排放量的40%～60%，其能耗占钢铁联合企业总能耗的50%。烧结过程是钢铁生产中的一个重要过程，但也是高污染排放的一个环节。烧结烟气不同于锅炉燃煤烟气，它具有烟气量大、二氧化硫和氮氧化物含量低、成分复杂、水分含量高的特点。因此，尽管就烟气处理技术而言这不是问题，但是由于投资成本大、运行成本高和处理困难，烧结烟气的净化处理进展缓慢。为了解决烧结烟气的余热利用和净化处理问题，日本在20世纪70年代提出了烟气循环烧结的设想。

烟气循环烧结法是将烧结过程中产生的部分废气返回烧结机上的密封罩进行循环烧结的方法。这种方法的优点是：①改善了烧结材料层的温度分布，降低了表面材料层的温降率，从而克服了普通烧结过程中表面温度不足、烧结强度低、粉末多的缺点；②由于高温时间长，冷却速度慢，烧结层中液相的形成增加，有利于烧结体的沉淀和生长，同时避免了因快速冷却而产生热应力；③能充分利用烧结废气中存在的显热和潜热，降低固体燃料的消耗，降低烧结矿中的FeO含量，提高烧结矿质量；④由于部分低SO2浓度的烧结烟气被回收，减少了待处理的烟气量，同时也丰富了烟气中的SO2，提高了SO2浓度，在一定程度上降低了脱硫过程的运行成本和脱硫效率。

2 烟气循环烧结工艺设计思路

烟气循环烧结工艺根据烧结过程中烟气成分的变化规律，从根本上解决了烧结过程中污染环境的问题。 烟气中COx的减少主要是通过减少固体燃料的消耗来实现。由于气体与烧结材料之间良好的热交换条件，回收部分烧结烟气参与烧结可以充分利用烟气中的物理热。此外，烟气中的一小部分一氧化碳也可以在循环过程中燃烧产生热量，因此通过烟气循环烧结过程可以减少固体燃料的消耗，同时降低烧结固体燃料的消耗也可以减少烧结过程中燃料燃烧产生的SO2和COx。

为了保证烧结过程的顺利进行，参与烧结气体介质的O2含量必须高于18%。SO2含量低于500×10-6。从常规烧结过程的数值模拟结果可以看出，烧结至1300s后，烟气温度急剧上升，烟气中O2浓度呈上升趋势，SO2浓度从500×10-6以上降至0。烟气用作循环烧结烟气。根据烧结机的尺寸和台车的运行速度，可以推断烟气循环用的风箱为19～24号。

为了使参与烧结的气体介质中的氧含量达到18%，有必要补充环形冷却器的一部分冷却气体。从前面可以看出，抽出的烟气流量为70518m3/h，O2含量为15.08%。选择环冷机非余热利用区后的6%区域作为补氧烟气抽取区，废气温度为466K。混合后的烟气温度和主要成分含量如表1所示。

表1 混合烟气主要成分含量

为了详细了解烟气循环烧结过程的特点，利用Fluent6.3仿真计算平台，在烧结混合料中焦炭含量只有变化(从42%到40%)的情况下，改变烟气循环烧结。进行模拟计算，并使用模拟结果检查烟气循环烧结过程对烧结过程的影响。

3 设计工况边界及初值条件

由于设计条件中增加了烟气烧结部分，该区域的边界条件与常规烧结相同。烧结机的前两个风箱为点火段和保温段，因此烟气烧结段对应的风箱数量为3～13个，对应的烧结时间为150～975s。根据计算，烟气入口速度为104m/s，速度方向垂直于入口表面，入口湍流边界条件为进气水力直径0.5m，湍流强度为0.05。烟气成分和温度如表1所示。烟气出口压力为-15kPa。

4 仿真结果及分析

4.1 设计工况温度场仿真结果及分析

循环烧结工艺下t=1700sX轴上各截面固、气体温度如图1所示。由图1可知，在循环烧结条件下，烧结至1700s时，横截面为X=0mm、200mm、400mm的固体和气体温度分布与常规烧结条件下的温度场相比，设计条件和气体温度分布无显著差异。从图中可以看出，r料层的焦炭含量降低，烧结终点提前。在17：00，固体和气体的最高温度降低(1615K)，但是材料层的高温区域的厚度没有改变。

图1 循环烧结工艺下t=1700sX轴上各截面固、气体温度

4.2 设计工况烟气仿真结果及分析

与传统烧结一样，废气在设计条件下的温度上升点约为1200℃。1200s以前，出口烟气温度基本在340K，没有因入口风温的变化而升高。这是因为烧结原料层具有高含水量，并且大部分烟气的显热被材料层吸收，吸收用于水蒸发。在温度上升点之后，烟气温度迅速上升，最高温度为1032℃。与常规烧结相比，最高温度值降低了64K，出现时间提前了约120s，这意味着设计条件得到了加速。由于床中焦炭含量的减少，烧结速度和最大烟气温度降低。

设计条件下烧结烟气中SO2的峰值超过常规工艺烟气中SO2含量的最大值380×10-6，出现时间提前60s，说明设计条件可以使SO2在烧结过程中富集。因此，待处理的烟气中的SO2含量增加，并且排放的烟气量大大减少，从而降低了脱硫系统的运行成本。从图中还可以看出，SO2含量在第2个峰值后迅速下降，到1440s降至0。

对于烟气中的H2O和CO含量，设计条件下的变化规律与常规烧结下的变化规律基本一致。从点火保温阶段结束到烧结结束，H2O含量在7% ～8%范围内变化，到1260s降至0；一氧化碳含量保持在10%～2%，并在1580s降至0。

对于烟道气中CO2和O2的含量，在入口条件改变的烟道气循环段中，CO2含量基本保持在12%～15%，O2在8%～9%之间波动。在烟气烧结循环结束后，CO2和O2的含量基本上与常规烧结过程中的相同。1580s时二氧化碳含量降至0，1600s时二氧化碳含量增加到21%。设计工况中CO2、CO含量在1580s时降至为0，与常规工艺相比提前了约120s，这说明烧结终点也提前了120s。

5 结论

通过设计烟气循环烧结工艺，研究新工艺对烧结热过程的影响，得出以下结论：

①选择19～24号风箱废气为循环烟气，加氧空气选自环冷机非余热利用区，循环烟气总流量为139155m3/h，循环气体介质中O2、CO2、CO、SO2含量分别为18.02%、3.54%、0.41%、49×10-6。气体温度为592K。

②设计条件下的气体和固体温度分布与常规工艺条件下的温度分布规律有一定差异。新工艺中，气体和固体的最高温度降至1620K：烟气循环烧结段的料层表面温度保持在600～700K，烟气循环结束后，表面温度逐渐降至常温；同时，由于入口条件的变化，材料层的垂直烧结速度加快。

③设计工况下的烟气升温点与常规工艺相同，出现在1200s左右；但是最高温度低于常规工艺，并且出现时间大约早120s。

③设计条件下烧结烟气中SO2含量的峰值为1704×10-6，超过了常规烧结下SO2含量的最大值380×10-6，表明烟气循环烧结工艺可以有效提高烟气中SO2的含量。