劉長江，高培程，康丙路，賈國利

(北京首鋼股份有限公司煉鐵作業(yè)部,河北 唐山 064400)

0 引言

首鋼股份球團鏈箅機-回轉(zhuǎn)窯球團生產(chǎn)線，在2010年未采取煙氣脫硫脫硝、使用全水廠精礦粉生產(chǎn)的情況下，球團礦產(chǎn)量最高達到383 萬t。2019年實施超低排放，導致球團產(chǎn)量大幅度下滑；其次，使用秘細粉和大石河加工秘魯?shù)V粉，球團成球性能下降、表面粉末增多，回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈明顯，球團產(chǎn)量明顯下降。2016年兩條鏈箅機-回轉(zhuǎn)窯球團總產(chǎn)量僅335 萬t。在大量使用秘細粉和實施超低排放條件下，提高鏈箅機-回轉(zhuǎn)窯球團產(chǎn)量對提高遷鋼高爐熟料，減少外購熟料，降低鐵成本至關重要。

1 技術及裝備改進探索

1.1 鏈箅機熱工制度優(yōu)化

在實驗室研究了預熱溫度和時間對干球強度及粉末率的影響。表1是生球原料配比。對兩種配比的生球進行了不同預熱溫度和時間的試驗，測定預熱球的抗壓強度和粉末率，見表2。

表1 生球原料配比 %

表2 預熱球強度及干球粉末率

從試驗結(jié)果看，隨著預熱溫度的提高，預熱球抗壓強度提高，預熱溫度950 ℃，預熱時間15 min時，預熱球強度是518 N/P左右。預熱溫度繼續(xù)提高時，預熱球抗壓強度提高，粉末率降低，有利于減少回轉(zhuǎn)窯的結(jié)圈。

結(jié)合以上試驗結(jié)果，采取適當提高鏈箅機煙罩溫度和窯頭窯尾溫度的方法提高預熱球強度、降低粉末率。一系列和二系列鏈箅機溫度調(diào)整情況見表3、表4。

表3 一系列提產(chǎn)前后熱工參數(shù)控制情況對比

表4 二系列提產(chǎn)前后熱工參數(shù)控制情況對比

提產(chǎn)后，一系列除機速、料厚略有提升外，系統(tǒng)各點位溫度變化不大。煤氣升高后，在鏈箅機溫度基本不變的情況下，二系列窯尾溫度較前期高37.5 ℃，窯頭溫度較前期低15.4 ℃。

結(jié)合生球表面質(zhì)量改善、鏈箅機預熱制度優(yōu)化等一系列實驗室及工業(yè)試驗下的結(jié)論，首次提出了鏈箅機預熱模型中表征生球質(zhì)量參數(shù)—干球粉末率，為主控操作評價提供了直觀量化指標。

其中：

式中：σ—干球粉末率，%；M1—經(jīng)過圓桶勻速旋轉(zhuǎn)5 min后產(chǎn)生粉末質(zhì)量，g；M0—試驗取得的預熱球質(zhì)量，g。

結(jié)合圖1，以預熱溫度945～950 ℃、預熱時間13～15 min條件下的粉末率定義為合格操作，具體實施如下：

圖1 預熱時間及預熱溫度對預熱球強度、干球粉末率的影響

σ=4.2%～4.7%，主控操作良好，窯況發(fā)展能夠得到較好的控制；

σ=3.5%～4.0%，主控操作鏈箅機機速低，預熱時間過長，對鏈箅機達產(chǎn)不利；

σ=5.0%～5.9%，主控操作鏈箅機速過快，預熱球質(zhì)量變差，粉末入窯增多，結(jié)圈加速發(fā)展。

1.2 回轉(zhuǎn)窯熱工制度優(yōu)化

燃燒器是回轉(zhuǎn)窯球團生產(chǎn)中重要的燃燒設備，優(yōu)化燃燒器性能不僅可以降低燃料的消耗、減少NOx等有害氣體產(chǎn)生，同時也有助于回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈控制以及球團礦質(zhì)量的提高，為窯況的穩(wěn)定控制創(chuàng)造條件。

回轉(zhuǎn)窯燃燒器采用HP型四通道燃燒器，由于2018年以來燃燒器燃料結(jié)構由煤粉(主要)+焦爐煤氣變更為焦爐煤氣(主要)+煤粉，煤粉及焦爐煤氣在密度、氣相擴散能力方面的差異導致燃燒器各通道通量及壓升不能滿足生產(chǎn)要求，窯內(nèi)出現(xiàn)了擴散型的火焰(見圖2)，引發(fā)了回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈、生產(chǎn)燃料消耗較高等問題。

圖2 回轉(zhuǎn)窯擴散型火焰示意圖

1.2.1 燃燒器改進

在保持現(xiàn)有送煤羅茨風機、凈風羅茨風機以及相應管道不變的前提下，對燃燒器的結(jié)構進行改進和優(yōu)化，使燃料能在窯內(nèi)充分燃燒，保持理想的火焰長度和形狀，并使回轉(zhuǎn)窯內(nèi)具有合適的氣體流場和溫度場，達到降低燃料消耗和減少回轉(zhuǎn)窯內(nèi)結(jié)圈的目的。

1)增大燃燒器的直徑。改進后的燃燒器必須滿足使用大流量焦爐煤氣的要求，焦爐煤氣流量的設計最大值提高到了8 000 m3/h，瘦精煤粉的設計使用最大保持不變。改進后的燃燒器直徑由原來的377 mm增大到了500 mm。燃燒器尺寸增大以后，兩種燃料的最大使用量數(shù)值如表5。

表5 燃燒器改進后設計量

2)改進燃燒器的風道結(jié)構。改造后的燃燒器以焦爐煤氣為主要燃料，煤粉為輔助燃料，在現(xiàn)有風機及管道不變的前提下，為使燃燒器出口火焰更加細長，將煤氣通道置于燃燒器的內(nèi)、外風之間，煤粉通道置于中心，同時將燃燒器的一次助燃風內(nèi)、外風出口面積由改造前的50:50優(yōu)化為35:65，達到燃料能在窯內(nèi)充分燃燒，更好地保證火焰長度和形狀，減少窯內(nèi)結(jié)塊產(chǎn)生的目的。

煤風通道置于燃燒器的中心，煤風通道以外再分別設置一次風內(nèi)風通道、焦爐煤氣通道、一次風外風通道見圖3。

圖3 回轉(zhuǎn)窯燃燒器風道結(jié)構改造示意圖

3)熱工參數(shù)探索。生產(chǎn)中，通過調(diào)節(jié)燃燒器內(nèi)風閥門和外風閥門的開度，改變?nèi)紵餍黠L和軸向風的風量大小，可以控制燃燒火焰在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的噴射距離，使窯內(nèi)的高溫點往復移動，避免局部長時間高溫而導致的回轉(zhuǎn)窯結(jié)瘤。經(jīng)過探索，將外風閥門開度保持100%不動，內(nèi)風閥門開度在15%和40%之間進行調(diào)整，每3～6個小時倒換一次，對應的一次助燃風流量為2 800～4 800 m3/h，保持一次助燃風壓力40～45 kPa，讓窯內(nèi)火焰高溫點不斷發(fā)生移動，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的結(jié)塊在熱脹冷縮的過程中自行脫落，可以較好地起到控制結(jié)塊增長的目的。

2 焙燒過程污染物煙氣控制探索

2.1 SNCR脫硝技術

2.1.1 反應原理

采用NH3作為還原劑，在溫度為900～1 100 ℃的范圍內(nèi)，還原NOx的化學反應方程式主要為：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO+2O2→3N2+6H2O

8NH3+6NO2→7N2+12H2O

SNCR 還原 NO的反應對于溫度條件非常敏感，溫度窗口的選擇，是SNCR還原NO效率高低的關鍵[2]。一般認為理想的溫度范圍為 700～1 100 ℃, 并隨反應器類型的變化而有所不同。當反應溫度低于溫度窗口時，由于停留時間的限制，往往使化學反應進行的程度較低反應不夠徹底，從而造成 NO 的還原率較低，同時未參與反應的 NH3增加也會造成氨氣泄漏。而當反應溫度高于溫度窗口時，NH3的氧化反應開始起主導作用：

4NH3+5O2→4NO+6H2O

SNCR 還原 NO的過程是上述兩類反應相互競爭、共同作用的結(jié)果。選取合適的溫度條件同時兼顧減少還原劑的泄漏是SNCR技術成功應用的關鍵。

2.1.2 SNCR脫硝效率的影響因素

在SNCR技術設計和應用中，影響脫硝效果的主要因素包括：

1)溫度窗口。當溫度高于1 000 ℃時，NOx的脫除率由于氨氣的熱分解而降低；溫度低于1 000 ℃時，NH3的反應速率下降，還原反應進行得不充分，NOx脫除率下降，同時氨氣的逸出量也在增加[3]。產(chǎn)線實際溫度控制范圍在750～850 ℃，由于溫度分布受到負荷、煤種等多種因素的影響，溫度窗口隨著負荷的變化而變動。

2)停留時間。該時間指反應物在反應器內(nèi)停留的總時間；在此時間內(nèi)，NH3、尿素等還原劑與煙氣的混合、水的蒸發(fā)、還原劑的分解和NOx的還原等步驟必須完成；停留時間的大小取決于鏈箅機煙道尺寸和煙氣流速；SNCR系統(tǒng)中，停留時間一般為0.001～10 s。

3)反應劑和煙氣混合的程度?；旌铣潭龋阂l(fā)生還原反應，還原劑必須與煙氣分散和混合均勻；采取在鏈箅機機頭開口10個的方式，單獨控制每個噴氨截門來實現(xiàn)均勻布氣。

2.1.3 股份球團SNCR脫硝工藝

股份球團二系列通過加裝SNCR脫硝工藝，有效降低了煙氣中氮氧化物含量，NOx含量從110 mg/Nm3降低至30 mg/Nm3，其中NO含量從72 mg/Nm3降低至20 mg/Nm3，為下游活性炭脫硝系統(tǒng)降低了初始運行參數(shù)，保證了整套系統(tǒng)的環(huán)保、安全、穩(wěn)定、達標運行，改造效果明顯。股份球團外排指標見圖4。

圖4 股份球團氮氧化物指標

3 原料性能優(yōu)化探索

3.1 礦粉比表面積

一般認為，氧化球團礦在造球階段的生長及粘結(jié)主要由機械連鎖力及化學作用力提供，比表面積的提高是機械連鎖力增加的宏觀表現(xiàn)[4]。結(jié)合前期利用高壓輥磨處理秘細粉的試驗數(shù)據(jù)，輥磨前后秘細粉的比表面積變化見表6。

表6 秘細粉比表面積

輥磨后的秘細粉比表面積提高幅度在72～229 cm2/g，利用SEM電鏡成像分析可知，輥磨后礦粉顆粒中細粒級比例增加，顆粒外形種類更為復雜，視野中不規(guī)則、棱角狀顆粒比例明顯增加，成球性能升高，見圖5。

秘細粉磨前 秘細粉磨后圖5 秘細粉顆粒形貌

3.2 高壓輥磨參數(shù)優(yōu)化

高壓輥磨預處理鐵精礦對氧化球團生產(chǎn)具有重要意義。針對給料量、輥磨動輥、定輥電流、電機頻率等進行優(yōu)化，并分析了高壓輥磨參數(shù)對礦粉比表面積的改善作用。

選擇運行電流26～34 A、輥面間距18～22 mm分別進行試驗，由表7及圖6可知，隨著輥面間距減小及運行電流增加，比表面積增大。

表7 高壓輥磨參數(shù)及礦粉比表面積

圖6 電流、輥間距與礦粉比表面積的關系

根據(jù)試驗研究結(jié)果及生產(chǎn)經(jīng)驗，高壓輥磨的平均間隙從20 mm調(diào)整至18 mm，輥磨機料量控制在450～480 t/h，電流從20～26 A提高至28～34 A，輥磨效果得到提升，輥磨前后原料激光粒度分析見表8。

表8 激光粒度分布數(shù)據(jù) %

高壓輥磨后，礦粉細顆粒含量增加，6.31 μm含量從5.87%提高至10.01%，<42.38 μm含量從55.05%提高至67.46%，接近水高礦粉的粒度情況。說明高壓輥磨對秘礦產(chǎn)粉比表面積提高有顯著作用。

4 結(jié)語

在超低排放條件下，對現(xiàn)場設備、技術等進行革新，通過研發(fā)應用回轉(zhuǎn)窯燃燒器、鏈箅機應用SNCR脫硝裝置、高壓輥磨參數(shù)，優(yōu)化三方面的應用研究，從氮氧化物的產(chǎn)生、消耗角度進行了多步驟探索，達到了在達到超低排放的前提下，年產(chǎn)量提高41.2 萬t的目標，直接經(jīng)濟效益約為1 013.6 萬元，為行業(yè)在超低排放領域中生產(chǎn)技術的探索提供借鑒。