燒結煙氣CO、NOx及二噁英的協同處理技術

燒結工序節能減排必要性

燒結工序能耗約佔整個鋼鐵工業能耗的15%以上；汙染物排放量約佔整個鋼鐵工業的40%左右。

燒結的節能減排對鋼鐵工業的可持續發展具有重要意義。近年來，燒結工序的環冷機餘熱回收技術、燒結煙氣迴圈技術、豎式冷卻爐的餘熱回收技術等持續進步。在減排方面，燒結機機頭煙氣脫硫技術已日趨成熟，煙氣中NOx的脫除處理技術得到迅速發展。在降低煙氣中CO和二噁英的排方面出現了燒結機料面噴蒸汽的技術等。

整體來看，燒結工序的節能減排工作雖取得長足進步，但結果並不能使人滿意。主要表現在如下幾個方面：

1、燒結工序餘熱回收率低，整體回收利用率不足30%；

2、近期快速發展的燒結煙氣脫硫脫硝技術造成能源和成本的急劇增加；

3、目前燒結煙氣中CO的治理基本是一空白，作為能源白白浪費，作為汙染物沒有得到有效治理。

從燒結工序熱平衡表可以看出，燒結工序理論上可以回收利用的熱量主要有以下幾個方面：

1、燒結餅的顯熱，約佔總能量的35%

2、燒結煙氣的顯熱，約佔總能量的15%

3、燒結煙氣中的不完全燃燒的化學熱，約佔總能量的15%

目前只有部分燒結廠對燒結餅的部分顯熱能夠回收利用，但總體回收利用率較低。剩餘的熱量仍然以各種形式排放到大氣中。

造成目前這種尷尬的局面的主要原因是：

1、燒結煙氣溫度在130-150℃，目前餘熱回收技術對其回收價值不大，況且目前脫硫脫硝技術基本以該溫度設計，如果對其回收將造成脫硫脫硝效率下降；

2、燒結煙氣中雖然含有大量CO，但在煙氣中的濃度只有5000-15000mg/m3，在如此低的濃度下使其轉化成CO2並釋放出其攜帶的化學熱難度很大。

3、燒結餅顯熱的回收技術對顯熱的回收利用率低。

如果我們能夠使煙氣中的CO攜帶的化學熱得到釋放，透過最佳化工藝設計，對以上三種熱量疊加回收，其餘熱回收效率將會大幅度提高。

CO脫除技術

燒結廢氣中CO的產生及組成

燒結過程中CO產生的原因，不外為燃燒不充分（包括C+0。5O2=CO的反應溫度低），C和CO2反應生成CO（波多反應），氧化鐵的直接還原和水煤氣反應等化學反應所致。

由於燒結廢氣中CO的存在，使燃燒的熱值受到相當大的損失，如廢氣中含CO比例為1-2%，熱損失佔總熱收入的10-25%，燒結廢氣組成通常用CO2、CO比值，和燃燒比［CO/（CO+CO2）］來評價。

下圖為燒結試驗過程中測得的廢氣中O2、CO2和CO分含量和絕對含量的變化，試驗所用燃料量為7%。從燒結開始直到燒結終點的前兩分鐘CO2和CO逐漸增加，然後迅速降到零，但CO2比CO晚一分鐘消失。最初廢氣中O2約9%，試驗快結束時又升到與空氣中的O2量一致。

燒結煙氣中CO濃度的影響因素

燒結廢氣中CO/（CO+CO2）隨燃料粒度增大而減小，但隨混合料中的燃料的用量增大而增大。負壓提高，廢氣燃燒比亦增加，但幅度較小。亦與料層的厚度，返礦量，燃燒溫度和燃料的反應性等有關。

隨著燃料粒度變細，燃料量增加和溫度提高而使燃燒比增加是由於波多反應的結果；料層加厚和返礦減少，引起燃燒比的增加是由於燒結時間延長和溫度提高，以及燃料分佈密度增大的結果；負壓增大使反應過冷，所以負壓增大燃燒比也增大。CO比CO2提早一分鐘消失，是由於波多反應CO+0。5O2=CO2反應過冷的結果。

催化氧化法

目前，催化氧化法由於具有起燃溫度低，節省能源、處理效率高、無二次汙染等特點，已經成為工業上常用的脫除汙染物方法。以貴金屬 Pt 作為活性組分的催化劑研究比較成熟，其中將貴金屬以高度分散的奈米級顆粒狀分散於載體表面的負載型催化劑，由於其接觸面積大，氣流壓降小，已成為化工工業 CO 催化脫除的重要選擇。目前主要採用貴金屬催化劑和透過新增少量過渡族金屬元素或稀土元素以及載體改性等手段來提高催化劑的活性。然而 CO 催化氧化脫除的效果除了與催化劑特性有關外，在實際工程應用中，工況也是影響催化效果又一重要因素。

對於燒結工序來說，複雜的煙氣成分和較大的工況波動對目前用於化工等其他領域的催化氧化法是一巨大挑戰，也是我們下一步研究的重點。

無焰燃燒氧化法

採用目前技術相對成熟的廢氣焚燒爐，利用輔助燃料燃燒所發生熱量，把含有CO的燒結煙氣的溫度提高到反應溫度，從而發生氧化分解。

CO燃燒過程不僅有最低的啟燃溫度要求，而且存在啟燃區域限制，在最低的啟燃溫度以下，CO不可能發生劇烈燃燒；但在啟燃區域以內，啟燃速度隨溫度升高而增加，繼續升高溫度，轉化率曲線由平緩過渡到陡直，即存在一個轉折點。CO燃燒過程經歷了一個由不燃（<639℃）到啟燃以致劇烈燃燒的過程。燒結煙氣CO的啟燃溫度為639℃，而爆燃溫度為700-710℃，639℃到700℃為啟燃階段。據相關資料顯示，CO在爆燃溫度（710℃）以上的燃燒僅需0。05s，工程設計時可按照1～2s設計。

廢氣焚燒爐的幾個鮮明的特點:

（1） 廢氣焚燒技術的發展正趨向於完善化，隨著廢氣處理新技術的廣泛應用，焚燒裝置結構不斷改進，由於許多高新技術應用於焚燒系統，促使廢氣焚燒技術向高新技術發展。同時，應用先進的自控技術和科學新穎的外觀設計，使廢氣焚燒技術趨於完善。

（2） 焚燒技術正向著多功能方向發展。現代焚燒系統不僅具有處理廢氣的功能，還有發電、供電、供熱、供氣等多種功能。

（3） 焚燒技術正向著資源利用率方向發展。利用焚燒產生的餘熱進行發電和生產過熱蒸汽不僅可以解決用電和用氣需求，還可以節約能源，實現能源再利用。同時，節約能源是國內外焚燒廠所追求的目標。如提高焚燒爐燃燒效率及餘熱鍋爐的熱回收率，減少排煙過程中的熱量損失，從而提高能源的利用效率。

兩種CO脫除工藝比較

相對於催化氧化技術而言，利用廢氣焚燒技術對燒結煙氣中CO脫除更具有優越性。主要體現在：

1）可以適應更加複雜的燒結煙氣成分，避免了燒結煙氣中的有害成分造成的催化劑中毒；

2）透過對焚燒爐入口煙氣中CO濃度進行監測，合理調節輔助燃料用量可以保持廢氣焚燒爐出口煙氣溫度的相對穩定；

3）在焚燒爐燃燒室內可同步脫除燒結煙氣中的二噁英，達到同步脫除多種汙染物的效果。

基於目前的餘熱回收技術及燒結煙氣的汙染物處理技術，可以按照如下技術思路對煙氣進行處理及對餘熱的回收利用：

專利技術1、

燒結煙氣+CO脫除+SCR脫硝+餘熱回收+脫硫技術

專利號：201810355189.4，

專利名稱：一種燒結煙氣汙染物脫除以及熱量利用的協同處理工藝

工藝原理

把從燒結主抽風機出來的煙氣送進CO脫除爐內，該CO脫除爐以高爐煤氣（或焦爐煤氣）為能源，在爐內形成700℃以上的高溫，使煙氣中的CO和二噁英氧化分解，反應後的熱量連同CO脫除爐本身的煤氣燃燒釋放熱量一同進入燒結煙氣中，此時煙氣將會被加熱到300-350℃。被加熱後煙氣透過SCR裝置，實現對煙氣中NOx的脫除。透過SCR脫硝工藝後煙氣透過換熱器進行換熱，在產生高溫高壓蒸汽的同時煙氣溫度將會降低到130℃左右。此時把燒結煙氣送回到現有的脫硫工藝中，實現對煙氣中SO2的脫除。

技術創新點

1、實現了燒結煙氣中CO、NOx、SO2、二噁英的同步脫除；

2、實現了燒結煙氣中CO的資源化利用；

3、增加了CO脫除爐，解決了各種燒結工況尤其是燒結機開停機的工況條件下的CO、NOx、SO2及二噁英的脫除；

4、和現有脫硝工藝相比在能脫除NOx的同時產生經濟效益。

工藝流程圖

燒結煙氣熱平衡計算

目前燒結煙氣溫度一般控制130-170℃，對於大型燒結機煙氣溫度一般控制在150℃，煙氣量一般為1500Nm3/t礦，煙氣中含有的CO濃度約為10000mg/m3。CO脫除爐設計高爐煤氣產生熱值為12%燒結總能耗（220。8*106J/t礦），在經過CO脫除爐時，由高爐煤氣及燒結煙氣中CO燃燒所產生的熱量將會使燒結煙氣升高到350℃以上，此時正好適合SCR脫硝反應的進行（最佳反應溫度300-420℃）。經SCR脫硝後的高溫煙氣在換熱發電後將會降低到130℃，把此煙氣返回到現有脫硫工藝中進一步脫除煙氣中SO2等汙染物。

經濟效益計算

如果對脫硝後的煙氣熱量進行回收，經計算，僅CO產生熱量所轉化為電能約為25kwh/t礦，如果加上CO脫除爐產生熱量，預計總髮電量將會達到40kwh/t礦。按照工業用電0。6元/kwh計算，僅CO產生電能將節約成本15元/t礦。此項節約成本將可抵消整個脫硫脫硝工藝的執行費用。

專利技術2、燒結煙氣+豎式冷卻爐+CO脫除+SCR脫硝+餘熱回收+脫硫技術

專利號：201810355829.1，

專利名稱：一種燒結礦餘熱以及燒結煙氣汙染物的協同處理工藝

技術創新點

1、實現了燒結煙氣中CO、NOx、SO2、二噁英的同步脫除；

2、對燒結煙氣中CO進行資源化利用；

3、採用了以豎式冷卻爐配套燒結煙氣的逆流換熱工藝，解決了環冷機密封效果差、換熱率低、冷卻煙氣量與燒結煙氣量不匹配的問題；

4、增加了CO脫除爐，解決了各種燒結工況尤其是燒結機開停機的工況條件下的CO、NOx、SO2及二噁英的脫除。

5、不影響正常的燒結生產，對原有燒結系統不產生不利影響。

6、對燒結餘能進行回收率達到40%以上，經濟效益大幅度提高。

7、在脫除NOx時不用額外對煙氣進行加熱，降低了能源消耗。

工藝原理

利用目前已成熟的燒結礦豎式冷卻爐，透過把從燒結抽風煙道出來的煙氣引入到密閉爐中對燒結礦進行冷卻，從而把燒結煙氣溫度提升到400℃以上，當燒結煙氣透過750℃以上的燒結餅時可以使CO再燃燒，達到部分脫除CO的目的。

把從豎式冷卻爐出來的煙氣透過CO脫除爐，使煙氣中的CO全部燃燒，實現對CO的脫除，並使CO攜帶能量釋放到煙氣中。由於燒結餅的平均溫度為750℃，部分燒結餅溫度可達1000℃以上，燒結煙氣中的二噁英在透過熱燒結礦及CO脫除爐時會發生分解。而煙氣在與燒結礦相遇時由於燒結礦的多孔結構，可實現對重金屬的部分吸附。

工藝流程圖

熱平衡計算：

1t燒結礦從750℃降低到150℃釋放的熱量為504*106J

1t燒結礦所產生煙氣升高1℃所需熱量為：2。14*106J

1t燒結礦釋放熱量可使煙氣提升溫度為：235℃

據查閱資料，C在燒結過程中約有1/4轉化為CO，1t燒結礦所產生CO量攜帶熱量為：276。01*106J

1t燒結礦所產生煙氣中CO完全燃燒釋放熱量增加煙氣溫度為：103℃

按照每臺點火爐燃燒產生熱量為燒結熱量的6%計算，每經過一次點火爐煙氣溫升60℃

經濟效益計算

透過理論計算，該工藝對燒結餘能的利用率將達到43%，而目前的環冷餘熱回收對燒結餘能的回收率在10%左右。因此該工藝在實現燒結煙氣超低排放的同時實現了對餘熱回收的最大化，取得了顯著的經濟和社會效益。