刘 磊 魏 尧 和 冰 张 申
（唐山钢铁集团有限责任公司）
摘要 为达到“碳达峰、碳中和”的环保目标，钢铁行业需要正视节能减排，烧结工序作为钢铁行业污染物排放大户，亟需解决污染物排放问题。从烧结工序的源头减排、过程控制、末端治理三个方面，研究了污染物排放规律，实施了相应的有效措施。2021 年全年，烧结作业区总排放出口粉尘、SO2、NOX 在线监测浓度数据分别低于 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。
关键词 烧结 源头减排 过程控制 末端治理
正文
0 引言
2019 年 1 月，河北省环境保护厅发布实施钢铁企业烧结球团工序粉尘、SO2、NOX 在线监测浓度数据不得高于 10mg/m3 、35mg/m3 、50mg/m3的排放标准 ；2019 年 8 月，生态环境部印发了《关于加强重污染天气应对夯实应急减排措施的指导意见》，对钢铁、焦化、铸造、玻璃、石化等 15个行业明确了绩效分级（A、B、C、D）指标以及差异化应急减排措施 ；2020 年 9 月，中国在联合国大会上向世界宣布了 2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和的目标。为响应国家环保政策的号召，公司新设计并已投产的两台360m2 烧结机，采用了目前国内最先进的绿色烧结技术助力公司超低排放，烧结生产近一年多来，各项排放与节能指标均达到了业内先进水平。笔者从源头减排、过程控制、末端治理三个方面进行了介绍，以供同行之间交流学习。
1 源头减排
1.1 物料运输流程清洁化
港口物料需经皮带通廊运输至封闭料库，其他铁矿物料利用氢能源重型卡车运至矿石卡车槽，在经封闭皮带通廊运至封闭料库。熔剂料用氢能源重型卡车运至熔剂卡车槽后，经皮带通廊运至熔剂贮仓。封闭料库物料用半门式取料机取料，料库上部设计雾化装置，降低粉尘外溢，物料经皮带通廊运输至混匀配料槽，而熔剂通过贮仓底部皮带运至混匀配料槽，配料圆盘按照预先计算的配比进行下料，经过全封闭皮带运输至混匀料场，采用定终点，变起点的堆料方式进行堆料，再经料场混取料机、皮带通廊运送至烧结作业区配料系统。物料采用全程封闭运输，同时皮带关键卸料点以及仓顶都设有除尘系统，除尘灰利用吸排罐车运至混匀配料槽除尘灰仓，实现了物料清洁循环利用。与此同时，公司还是全国第一家利用氢能源重型卡车运输铁前物料的企业，真正实现了物料运输过程的绿色清洁化。物料运输流程以及烧结工艺如图 1所示。
1.2 烧结工序粉料处理封闭化
粉料气力输送主要包括烧结系统除尘灰气力输送和生石灰气力打灰上料。除碱金属含量较高的烧结机机头 3、4 电场除尘灰进行单独处理外，配料室仓上和仓下除尘、混合制粒除尘、成品筛分除尘、机尾除尘、机头 1 电场和 2 电场除尘，这些系统产生的除尘灰以压缩空气为动力，利用管道气力输送至烧结配料室除尘灰仓进行单独配加。
为安全起见，燃破除尘系统除尘灰以氮气作为气力输送介质运至焦灰仓，再经密闭皮带通廊运至烧结配料室焦粉仓。而 NO.5、NO.6、NO.7、NO.8烧结矿转运站、1#—10# 成品仓、矿石受料槽等这些布袋除尘器，利用吸排罐车进行周期性排灰，之后再通过管道输送的形式配加至原料仓中参与预配料。生石灰通过大型封闭罐车运输至烧结配料室，再通过管道进行气力打灰上料。
1.3 配料室密封改造粉尘防溢化
针对配料室粉尘浓度大的情况，在烧结作业区对配料区域进行了密封改造，利用铁板制作成密封罩子，置于配料室皮带秤上方防止粉尘外溢，同时密封罩上方开设一小门孔方便岗位作业。皮带秤密封罩外再制作尺寸更大的密封罩，把皮带秤整个包围在里面，同时开设一平开门便于岗位作业，这样就形成了配料室下料过程的双密封机制，使粉尘外溢量进一步降低，同时配料秤上方设置集尘罩，而收集的粉尘通过气力输送方式重新回到烧结配料室除尘灰仓。
2 过程控制
2.1 提高混合料温
在烧结生产中，烧结混合料温是影响烧结生产的重要因素之一。点火前的料温如过低，水汽就会从料层中冷凝析出，低于露点温度（约 60~65 ℃）时就会在下部凝结成水，形成过湿带，过湿带的形成和增厚会使料层阻力大幅增加，使料层透气性变坏，降低垂直烧结速度，烧结利用系数下降，固体燃料单耗上升，还会导致烧结矿产量和质量的波动 [1,2]。混合料温度大于 65 ℃时，过湿层基本消失。混合料的热量来源主要有两方面，一是生石灰消化过程放热 ；二是外部供热。外部供热切入点主要是一次和二次混合工序，以及混合料槽。一次混合机加水方式有配加污泥浆液（炼钢污泥）和厂内循环水，利用公司管网蒸汽和脱硫脱硝系统外排蒸汽预热污泥和循环水，而二次混合机根据混合料水分大小来控制热水添加量，以此来提高混合料温。混合料槽增加蒸汽预热装置，采取环形布置，多点喷射多点控制的方式调控蒸汽流量。通过采用以上措施，目前在布料圆辊取料测得混合料温度可达到 60 ℃以上。
2.2 料面喷洒蒸汽
有资料表明 [3]，在烧结料面喷吹水蒸气，使其参与烧结过程的燃烧反应，可以有效降低烧结烟气中残余的 CO，同时改善烧结料层的传热机制，利于烧结料层上部的热量传递和蓄积到烧结高温区，进而改善烧结料层温度场分布，有效抑制 NOX 和二噁英的生成与排放。同时，料面喷吹适宜的蒸汽可起到 CO 减排和改善烧结矿质量的效果 [4]。烧结作业区在 4—7 号风箱位置台车料面上方喷水蒸汽，设备可拆卸，采用密集布置，多点喷射的方式进行，与烟气循环系统相结合，有利于降低固体燃耗和改善烧结矿质量，具体如图2 所示。
2.3 烟气循环
烧结烟气循环是把烧结过程中产生的废气循环至烧结料面上进行再利用的过程。采用烟气循环方式为内循环，该方式具有很多优点 ：（1）能够利用烧结废气热量，降低烧结过程中的固体燃耗 ；（2）废气循环能够降低烟气中粉尘浓度含量，降低后续除尘系统的压力；（3）改善烧结料层温度分布，有利于烧结过程中液相的充分形成，从而提高烧结矿产质量 ；（4）烧结烟气循环能够降低通往脱硫脱硝系统的烟气量，提高系统的脱出效率。
公司 360m2 烧结机采用双主抽风机双烟道布置，一共设置 22个风箱。烧结机南北两侧各配备 1 台循环风机，同时每台循环风机前配备 1 台高温多管除尘系统，用于降低循环烟气中粉尘浓度。烧结机的机头和机尾烟气中 SO2浓度低，中部烟气中 SO2 浓度高。NOX 浓度在点火之后开始迅速上升，在烧结过程中始终处于较高水平，波动较小无明显峰值，直到烧结终点后 NOX 浓度才开始迅速下降 [5]。根据烧结烟气中 CO、O2、NOX、SO2 气体含量在烧结生产过程中的分布规律，同时考虑到后续脱硫脱硝系统脱除效率，选取 4—7 号、20—22 号共七个风箱烟气进行循环，在 8—19 号风箱位置料面上方安装密封罩。环冷三段的烟气温度为150 ～ 250 ℃，且具有灰尘少、风量足、氧气含量高的特点，其利用方式有两种 ：一是采用与循环烟气混合，能够提高循环烟气含氧量和温度 ；二是引至多管除尘器进行除尘，再由风机送至点火炉用作点火炉助燃风和保温使用，同时又不影响高温区余热回收。循环风机前主管道上设置冷风阀，根据仪表显示循环烟气含氧量来调节开度，以保证料面氧含量大于 18%。循环烟气氧含量控制在 18% 以上，既有利于烧结矿转鼓强度的提高，又有助于保持或增加烧结矿产量 [6]。密封烟罩上方支管管道设置泄压阀门，防止密封罩内正压造成烟气外溢。其中，循环风机风量可达到 5 500 m3 /min，根据烧结烟气量计算，烟气循环效率约为 18%~23%。
2.4 环冷水密封技术
环形冷却机有效面积 415m2 ，处理能力达730~850t/h，采用上部、下部水密封技术，漏风率≤5%，冷却风机通过传统的大风箱进行供风，可以降低风阻，提高冷却效率。因环冷水密封技术的实施，能够减少粉尘外溢，同时冷却风与热矿进行充分的热交换，从而提高了余热烟罩热风温度，提高了余热发电量。其中，公司两台360 m2 烧结机配置两台余热锅炉和一台 22 MW 余热汽轮机组发电设备，2021 年吨矿平均发电量为 18.44 kW·h/t，1—12 月份吨矿余热发电量如图 3 所示。
2.5 环保筛分技术
成品筛分室共设计 3 个筛分系列，每个系列由 2 台环保型悬臂振动筛垂直串联组成，每条生产线对应 1 个系列，2 工 1 备，三个筛分系列均密封状态进行筛分。各烧结系统冷却后的烧结矿经车式三通分料器通过三条皮带机供至 3 个筛分系列，一次筛分机筛上为 10 ～ 20mm 粒级和大于20 mm 粒度的成品矿，筛下粒度≤ 10mm 进入二 次筛，>10 ～ 20mm 粒级经铺底料皮带机输送至烧结机作为铺底料使用。经二次筛分后，分出≤5mm、>5~10 mm 粒级成品矿，其中≤ 5mm 粒级作为冷返矿经各自系统的皮带机分别运至配料室返矿矿仓参加配料，>5~10mm 粒级作为小成品矿与＞ 10mm粒级合并经各自成品皮带输送至高炉。筛分效率要求≥ 85%，烧结矿中小于 5mm级别含量≤ 5%。现场情况如图 4 所示。
3 末端治理
3.1 烧结烟气循环流化床干式超净脱硫 + 中温 SCR 脱硝工艺公司 360m2 烧结机烟气流量 198×104m3 /h，烧结机配套 2 台双室四电场静电除尘器对烧结机烟气进行有效处理后，引入脱硫脱硝系统。脱硫脱硝系统采用循环流化床半干法脱硫与低压旋转反吹布袋除尘器 +SCR 脱硝结合工艺，双机（主抽风机）双塔布置。总工艺烟气处理流程为烧结机→电除尘器→主抽风机→吸收塔→布袋除尘器→ GGH 换热器→中温脱硝塔（包括热风系统）→引风机→烟囱排放。其中，设计电除尘器出口排放颗粒物浓度≤50mg/Nm3 ，脱硫脱硝系统入口 SO2 ≤ 1500mg/Nm3 ，脱硫脱硝入口NOX 浓度≤400mg/Nm3 。以在线监测装置分钟平均折算值为准（干标，16% 氧），设计烟气颗粒 - 物排放浓度≤5 mg/Nm3 ，二氧化硫排放浓度≤ 20 mg/Nm3 ，氮氧化物排放浓度≤30mg/Nm3 ，氨逃逸浓度≤ 2.5mg/Nm3 。其中，脱硫脱硝工艺 如图 5 所示。
循环流化床装置吸收塔自下而上依次为进口段、塔底排灰装置、文丘里加速段、循环流化床反应段（包括工艺水喷淋装置）、顶部循环出口段，吸收塔为钢体结构。吸收塔入口段气流分布均匀，设有导流装置，以使气流均匀经过吸收塔。本脱硫系统以消石灰作为脱硫吸收剂，生石灰由粉罐车运至厂内→生石灰仓→三级干式消化器→气力 输送→消石灰仓→消石灰调节供料装置→进料斜槽→脱硫反应塔。
除尘器采用干法脱硫专用低压旋转脉冲布袋除尘器，主要由灰斗、过滤室、净气室、进口烟箱、出口烟箱、低压脉冲清灰装置、电控装置、阀门等部分组成，在脱硫工况下满足出口≤ 5 mg/Nm3 的排放要求，适合高浓度及高粘度粉尘过滤。它的工作原理是粉尘通过滤布时产生的筛分、惯性、粘附、扩散和静电等作用而被捕集。滤袋采用进口 PPS 滤料 +PTFE 表面处理，持续运行温度小于 150 ℃，瞬间可耐 200 ℃，单位重量不低于 580 g/m2 。
脱硝工艺处于半干法脱硫除尘工艺后，SCR 反应器系统主要由氨水储存供应系统、稀释及计量系统、氨水蒸发混合器及 SCR 反应器组成。布袋除尘器出口温度为 80 ℃左右，SCR 中温催化剂反应温度为 280~320 ℃。布袋除尘器出口的烟气需经过 GGH 换热和直燃炉加热，将温度提高到300 ℃左右，再进入 SCR 反应器脱硝，从而达到排放要求。反应器出口的净烟气经过 GGH 换热器，将热量换热给原烟气，净烟气温度降到 120 ℃左右，通过引风机进入烟囱排放。脱硝工艺反应原理示意如图 6 所示。
3.2 脱硫灰综合利用途径
钢铁行业烧结机脱硫系统所生产的脱硫副产物，亚硫酸钙含量在 50% 左右，氢氧化钙含量在25% 左右，碳酸钙含量在 25% 左右，此外还含有其他微量杂质。这种脱硫副产物产量大、活性低、溶解度小，不具有水硬性。从相关的分析规律来看，脱硫灰的中各种物质的成分含量均以化合物的状态呈现。利用马尔文激光粒度仪看，清楚的发现在脱硫灰中，总钙、残钙等都是以 CaO 的形式存在的，也就是氧化钙化合物。而亚硫酸根等是以SO3 2- 的根基形式存在，钢渣中含有大量的硅、锰、铁等氧化物。根据循环流化床脱硫灰、钢渣的特点，采用灰渣之卜作岚作用或碱激发作用等两种机制，利用其他固废物作为补助材料，如粉煤灰、炉石粉、钢渣、石灰等将二者综合利用，可用于以下两方面：（1）制造作为混凝土再生粗骨材 ；（2）制作各型砖包括一般民用砖，及具有功能性之透水砖，或 具有大量使用于河岸或高速两旁之护坡砖或路缘石等。
3.3 应用效果
烧结烟气经过末端脱硫脱硝系统净化后，排放烟气中颗粒物、SO2、NOX 浓度均达到了地方政府超低排放要求。其中，2021年 1—12月份环保在线监测月平均数据如图 7 所示。
4 结论
烧结工序通过源头减排、过程控制、末端治理三个方面对污染物进行综合治理，取得了不错的减排效果，达到了国内超低排放的水准。
（1）封闭通廊、配料室密封改造、除尘灰利用方式等都可以解决物料在输送过程中粉尘外溢的问题，这样不仅能够保护环境，同时也降低了物料资源的浪费，而氢能源重型卡车的投用，实现了车辆运行清洁化。
（2）提高混合料温度、料面喷洒水蒸汽、烟气循环都是通过改变能源利用方式而达到减排目的。环冷水密封技术不仅提高了环冷风机设备的利用效率，同时烧结矿余热也得到充分利用，提高了余热发电量。
（3）烧结烟气净化产生的副产品不应该造成二 次污染，而是通过循环利用，可持续发展的手段来解决。
5参考文献
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