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    燒結煙氣分段式綜合處理新工藝的設計

       日期:2018-09-27     來源:冶金技術網    瀏覽:89    評論:0    

      燒結是鋼鐵冶煉過程中SO2和NOx最大的產生源,約有51%~62%的SO2及48%的NOx來自燒結工序,因此燒結廠成為鋼鐵企業環境治理的重中之重。目前燒結煙氣中污染物的脫除基本采取單一末端處理工藝。這種處理工藝存在煙氣處理量大、污染物濃度偏低、受生產過程波動影響較大等弊端。隨著國家對煙氣中污染物限制排放種類的增多及排放量的要求越發嚴格,單一污染物的末端處理工藝設備配置越來越復雜,占地越來越大,勢必造成建設投資及生產運行成本不斷攀升。

      潘建博士等科研人員的研究成果顯示,在不同的燒結區段,隨著燒結氣氛中O2和COx濃度的變化,煙氣中SO2和NOx的濃度隨著料溫不斷升高也產生相應變化。據此類研究結論,并結合有關燒結機尾煙氣熱風燒結的實踐,本文以210m2燒結機為例,設計一種選擇性的燒結煙氣分段式綜合處理工藝。該工藝是將熱風燒結生產工藝與煙氣脫硫脫硝分段治理工藝有機結合的燒結煙氣環保減排綜合處理工藝。

      1燒結煙氣中SO2、NOx、COx濃度在燒結過程中分布特點

      1.1燒結過程中SO2的形成及分布特點

      燒結煙氣中的SO2主要是由含鐵原料中的FeS2,FeS和燃料中的有機硫,FeS2或FeS氧化生成,還有部分來自硫酸鹽的高溫分解。

      SO2的產生存在于燒結生產的整個過程。在燒結生產過程中,煙氣溫度快速升高之前(即過濕帶完全消失之前),煙氣中SO2濃度一直處于較低且較穩定狀態;當煙氣溫度開始快速升高(即干燥帶接近燒結料底層時),料層原先吸附的SO2快速釋放導致SO2濃度迅速升高;當燃燒帶接近燒結料底層和達到燒結終點之前,SO2濃度達到最大值。由此可以看出,燒結生產過程中的SO2濃度與煙氣溫度存在對應關系,但SO2濃度最大值出現的時間點比煙氣溫度最高點的時間要提前一些。

      1.2燒結過程中NOx形成及鐵酸鈣的催化作用

      燒結煙氣中NOx主要由燒結生產過程中氣體、固體燃料的燃燒產生。煙氣中生成的NOx主要以NO為主,只有很少量NO2。高堿度燒結礦生產過程中其主要礦物相是鐵酸鈣。據有關研究發現,在CO還原NO的反應中,鐵酸鈣起顯著催化作用,它先被CO還原再被NO氧化,因此該反應屬于自催化;同時鐵酸鈣催化NO還原還服從多相催化的吸附活化物理論,在鐵酸鈣催化劑活性部位發生NO分子吸附、離解、表面活性物種的重組和產物脫附的反應,在這2種反應機理共同作用下,該還原反應的活化能由246.68kJ/mol降到138.80kJ/mol,且加快了反應速度。鐵酸鈣有3種不同種類,其催化能效排序依次為CaO˙Fe2O3>CaO˙2Fe2O3>2CaO˙Fe2O3。因此,在燒結過程中希望盡可能的產生鐵酸鈣系粘結相,在燒結礦表層形成鐵酸鈣,以便達到鐵酸鈣自催化NOx還原的效果,這樣不僅能減少煙氣中NOx的排放,同時可降低NO排放濃度近44%,還可改善燒結產質量指標。

      1.3燒結過程中COx形成及分布特點

      燒結煙氣中的COx主要由氣體及固體燃料的燃燒產生,由于固體燃料在混合料中分散分布,其燃燒規律介于單體焦粒燃燒與焦粒層燃燒之間,屬非均相反應。

      在點火階段,煙氣中的COx濃度快速上升,其中φ(CO)從0升到約7%,φ(CO2)從0升到14%左右;而煙氣中的φ(O2)從20.9%降到2%左右。點火后燒結過程中φ(CO)快速降到2%左右后基本不變,φ(CO2)則一直在14%左右波動;O2濃度波動方向均與CO2濃度的波動方向相反,這種現象一直持續到燒結終點前2~3min。當燒結煙氣溫度達到最高點時,O2濃度恢復至空氣中O2濃度水平,而CO濃度降至很低,CO2濃度則下降到幾乎為0,因此燒結煙氣中的COx以CO2為主,只含有少量CO和O2。

      2煙氣熱風燒結

      燒結機尾高溫煙氣目前主要用于煙氣循環燒結或煙氣余熱回收產蒸汽。而在煙氣循環燒結方面,主要有熱風燒結、點火保溫及用于點火助燃風預熱等技術手段。燒結生產采用熱風燒結、點火保溫工藝后,可降低燃料消耗,促進產物中鐵酸鈣的形成,防止燒結臺車中的燒結礦在出點火器后表層溫度驟降造成強度變差,增加燒結返礦率。因此熱風燒結能有效提高燒結礦強度,改善燒結礦質量,降低燃料消耗。據有關熱風燒結生產的統計數據,采用熱風燒結工藝,燒結產量可提高2%,轉鼓指數提高1.5%,成品率提高2%,降低燃耗12%~15%固體燃耗降低2%~4%。而經過SCR脫硝處理的煙氣溫度完全能夠滿足熱風燒結。

      3選擇性燒結煙氣分段式綜合處理工藝

      依據上述有關燒結煙氣中SO2,NOx,COx濃度在燒結過程中分布的研究結論,結合有關燒結機尾煙氣熱風燒結的實踐及煙氣SCR法脫硝工藝中煙氣溫度的要求,設計了一種選擇性的燒結煙氣分段式綜合處理工藝。該工藝按燒結煙氣中的各污染物分布特點將燒結過程分為4個部分,有選擇性的將燒結煙氣以不同手段進行分段處理:將SO2、NOx濃度低的煙氣除塵后直接排放;將SO2濃度高的煙氣經煙氣循環燒結將SO2富集后,再集中進行脫硫處理,達標后外排;將NOx濃度高的煙氣進行SCR脫硝處理達標后,利用該段煙氣的高溫余熱及煙氣中O2濃度較高進行熱風燒結,從而實現將燒結煙氣脫硫、脫硝分段治理工藝與熱風燒結生產工藝有機結合的燒結煙氣環保減排綜合處理手段。

      3.1工藝方案

      以210m2燒結機為例,該燒結機共22個2m風箱,從機頭開始設置3個風箱,中部設置17個3m風箱,尾部設置2個2m風箱,臺車寬3.5m,有效燒結長度61m。某燒結廠210m2燒結機各風箱檢測風溫見表1。依據上述研究結論,將燒結機風箱沿臺車運行方向分為4個區域,設計一種選擇性的分段式燒結煙氣綜合處理工藝,如圖1所示。

    燒結煙氣分段式綜合處理新工藝的設計

      區域①(燒結煙氣點火區域):由1號~3號風箱組成,本區域內燒結煙氣SO2,CO濃度較高,NOx濃度很低;

      區域②(燒結煙氣直排區域):由4號~11號風箱組成,本區域內燒結煙氣中SO2濃度較低。

      將區域④煙氣引至本區域進行熱風燒結既能利用熱煙氣的物理熱減少燃料消耗,同時又能利用混合料層對SO2的強烈吸附作用及燒結料層中鐵酸鈣對NOx的自催化還原作用,進一步降低直排煙氣中SO2,NOx濃度;

      區域③(燒結煙氣脫硫區域):由12號~19號風箱組成,本區域內燒結煙氣中SO2濃度很高,同時由于將區域①煙氣(煙氣中SO2、CO濃度較高)引至本區域進行煙氣循環燒結,一方面將區域煙氣中SO2和本區域煙氣中SO2匯集,實現SO2富集后進行煙氣脫硫;另一方面區域①煙氣中CO濃度較高,可以利用燒結料層中鐵酸鈣對NOx的自催化還原作用,進一步降低脫硫煙氣中NOx的濃度;

      區域④(燒結煙氣脫硝區域):由20號~22號風箱組成,本區域內燒結煙氣溫度在320℃以上,煙氣中NOx、O2含量濃度很高,、COx濃度SO2很低,煙氣溫度高,煙氣中O2含量接近空氣中O2含量水平,因此本區域內燒結煙氣完全可以進行煙氣SCR法脫硝,脫硝后的熱煙氣進行煙氣熱風燒結。

      3.2工藝配置

      1)燒結機。有效抽風面積213.5m2,欄板高度700mm,臺車寬度3.5m。

      2)環冷機。有效冷卻面積為228m2,欄板高度1500mm,臺車寬度3.2m。

      3)燒結煙氣1段(區域①)。煙氣參數:風量2100m3/min(工況),風溫100~120℃,風壓-10~-12kPa;主要工藝設備:1號多管除塵器、1號循環風機、機頭煙氣循環管道及相應管道閥門。

      4)燒結煙氣2段(區域②)。煙氣參數:風量8400m3/min(工況),風溫90~110℃,風壓-16.5kPa;主要工藝設備:燒結電除塵器(有效除塵面積150m2)、燒結主抽風機(功率3200kW)、直排煙氣管道及相應管道閥門。

      5)燒結煙氣3段(區域③)。煙氣參數:風量8400m3/min(工況),風溫120~180℃,風壓-16.5kPa;主要工藝設備:脫硫電除塵器(有效除塵面積150m2)、脫硫風機(參數視具體脫硫方式而定)、煙氣脫硫設施、脫硫煙氣管道及相應管道閥門。

      6)燒結煙氣4段(區域④)。煙氣參數:風量2500m3/min(工況),風溫320~400℃,風壓-8~-10kPa;主要工藝設備:2號多管除塵器、2號循環風機、煙氣脫硝設施(SCR)、脫硝煙氣管道、機尾熱風燒結煙氣管道及相應管道閥門。

      4新工藝與常規煙氣系統工藝配置對比

      新工藝的工藝配置與常規工藝配置中燒結機及點火器等燒結主體設備配置完全相同,主要區別在于燒結煙氣系統的工藝配置。常規煙氣系統工藝配置如下:

      1)燒結主抽風系統(2個煙道分為2個系統配置)。主要煙氣參數(單個):風量11000m3/min(工況),風溫80~120℃,風壓-17kPa;主要工藝設備:1號機頭除塵器(有效除塵面積200m2)、1號燒結主抽風機(功率4200kW)、2號機頭除塵器(有效除塵面積200m2)、2號燒結主抽風機(功率4200kW)、大煙道及相應管道閥門。

      2)燒結煙氣脫硫系統。主要煙氣參數:風量22000m3/min(工況),風溫80~120℃,風壓視具體脫硫方式而定;主要工藝設備:除塵器、脫硫增壓風機、脫硫煙氣管道及煙氣擋板閥門等相應煙氣閥門。

      相對于常規工藝的煙氣參數和主要工藝設備配置,新工藝有以下改進:

      1)將燒結機頭及機尾部分煙氣進行煙氣循環燒結,相對常規燒結煙氣全排工藝,新工藝整體外排煙氣量減少23.6%,相應的電除塵器及燒結主抽風機配置減小,燒結主抽風機功率減少23.8%;

      2)將燒結機頭煙氣循環至燒結中部脫硫段,煙氣中硫富集后將脫硫段煙氣引出脫硫,相對常規燒結煙氣全脫工藝,新工藝脫硫煙氣處理量減少61.8%,脫硫煙氣中φ(SO2)提高50%左右,同時減少NOx的排放濃度,相應的脫硫除塵器、脫硫風機配置減小,燒結煙氣脫硫、脫硝設施的設備投資和生產成本分別減少40%左右;

      3)依據燒結煙氣中NOx濃度分布特點,有針對性的進行SCR脫硝,在滿足即將執行的新環保排放要求的前提下,減少脫硝設施配置及設備占地,實現降低投資建設及運行成本。

      5結論

      1)設計的選擇性燒結煙氣分段式綜合處理工藝是將熱風燒結生產工藝與煙氣脫硫脫硝分段治理工藝進行有機結合的燒結煙氣環保減排綜合處理工藝。

      2)與傳統工藝相比,新工藝預計可使燒結煙氣脫硫、脫硝時處理煙氣量減少40%~60%,煙氣中SO2、NOx體積分數提高50%左右,同時減少煙氣脫硫、脫硝設施的設備投資和生產成本40%左右。

     
    標簽: 煙氣脫硫
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