一、原料參數對NOx排放的(de)影響(xiang)規律

針對2014年某鋼廠1號燒(shao)結(jie)機的煙(yan)氣(qi)NOx排(pai)放(fang)與實際生(sheng)產原料條件參數(shu)，采用SPSS軟(ruan)件的相關性分析功能模塊進行統計分析[5]，以確(que)定顯著影響燒(shao)結(jie)煙(yan)氣(qi)NOx排(pai)放(fang)的主要原料條件參數(shu)，并明確(que)其影響規律，以便為控制燒(shao)結(jie)過程煙(yan)氣(qi)NOx排(pai)放(fang)水平(ping)提供支(zhi)持。

1、礦物類(lei)型對NOx排放的影響

鐵(tie)礦粉是燒結的(de)(de)(de)(de)主要原(yuan)料，不(bu)(bu)同(tong)(tong)礦物類型的(de)(de)(de)(de)鐵(tie)礦粉因其具(ju)有不(bu)(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)高溫特性，從而對NOx的(de)(de)(de)(de)生成及還原(yuan)作用產生不(bu)(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響。將1號燒結機混勻(yun)礦大堆所使用的(de)(de)(de)(de)主要礦種比例與(yu)燒結煙氣中NOx濃度進行相關(guan)性統計分析(xi)，結果列(lie)于表(biao)1中。

表1混勻(yun)礦中(zhong)鐵礦粉的(de)礦物類(lei)型與煙氣中(zhong)NOx質量濃度的(de)相關分析

相(xiang)(xiang)關(guan)性分(fen)析(xi)的(de)(de)(de)研究結果表(biao)明(ming)[6]，赤鐵礦、褐鐵礦的(de)(de)(de)使(shi)(shi)用(yong)比例(li)與(yu)燒(shao)結煙(yan)氣中NOx質量(liang)濃(nong)度呈較弱的(de)(de)(de)正相(xiang)(xiang)關(guan)關(guan)系，表(biao)明(ming)提高混勻礦中赤鐵礦、褐鐵礦的(de)(de)(de)使(shi)(shi)用(yong)比例(li)可(ke)能不利于控(kong)制燒(shao)結煙(yan)氣中NOx質量(liang)濃(nong)度處于較低水平;而半褐鐵礦的(de)(de)(de)使(shi)(shi)用(yong)比例(li)與(yu)煙(yan)氣中NOx質量(liang)濃(nong)度呈較強的(de)(de)(de)負相(xiang)(xiang)關(guan)關(guan)系，在(zai)一定(ding)程度上(shang)說明(ming)保持(chi)半褐鐵礦的(de)(de)(de)使(shi)(shi)用(yong)比例(li)在(zai)較高水平時(shi)，有利于降(jiang)低NOx的(de)(de)(de)排(pai)放水平。

分析(xi)原因(yin)，一方面是(shi)由于半褐鐵(tie)礦是(shi)1種(zhong)同化(hua)溫度較(jiao)低(di)的(de)鐵(tie)礦粉，即在燒(shao)結(jie)過程(cheng)中會較(jiao)早地產生鐵(tie)酸鈣等(deng)低(di)熔點液相，而鐵(tie)酸鈣具有促(cu)進NOx還原的(de)作用，因(yin)此降低(di)了NOx的(de)排放(fang)[7];另一方面，相較(jiao)于赤(chi)鐵(tie)礦其熔化(hua)產生液相所(suo)需的(de)熱量更少(shao)，因(yin)此所(suo)需燃料量更少(shao)，從而減少(shao)NOx的(de)生成。

褐(he)鐵礦因其含(han)有大量(liang)的結晶水，而(er)結晶水揮發需要消(xiao)耗(hao)熱量(liang)，因此(ci)所(suo)需燃料量(liang)亦增多，從而(er)使得(de)NOx的排(pai)放(fang)增加。

2、熔劑結構類型對(dui)NOx排放(fang)的影響

某(mou)鋼廠(chang)1號燒結(jie)機中使(shi)用(yong)的(de)(de)熔(rong)(rong)劑(ji)主要有石(shi)灰石(shi)、生(sheng)石(shi)灰、白云石(shi)，按照(zhao)熔(rong)(rong)劑(ji)的(de)(de)主要成(cheng)分可以分為鈣質(zhi)熔(rong)(rong)劑(ji)與(yu)鎂質(zhi)熔(rong)(rong)劑(ji)。表2為該鋼廠(chang)的(de)(de)各種熔(rong)(rong)劑(ji)的(de)(de)使(shi)用(yong)比例(li)與(yu)燒結(jie)煙氣中NOx質(zhi)量濃度的(de)(de)相(xiang)關性(xing)分析結(jie)果。

表(biao)2熔劑結構(gou)類型與NOx濃度的相關分析

根據相關(guan)(guan)性分析結(jie)果，鈣質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)熔劑使(shi)用(yong)(yong)比例與NOx的質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)量濃(nong)(nong)度(du)呈負相關(guan)(guan)，且相關(guan)(guan)性系數較高;鎂質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)熔劑白云石(shi)的使(shi)用(yong)(yong)比例與NOx質(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)量濃(nong)(nong)度(du)呈正相關(guan)(guan)，相關(guan)(guan)性系數較低。有(you)(you)研究(jiu)表(biao)明(ming)，CaO本身對燃燒(shao)(shao)過程中產(chan)生的NOx具(ju)有(you)(you)還原(yuan)作用(yong)(yong);此外，也有(you)(you)研究(jiu)表(biao)明(ming)在燒(shao)(shao)結(jie)過程中鐵酸鈣類礦物對CO還原(yuan)NOx具(ju)有(you)(you)較強的促進作用(yong)(yong)。鐵酸鈣(CaO·Fe2O3)是高堿度(du)燒(shao)(shao)結(jie)礦的主要(yao)粘結(jie)相，燒(shao)(shao)結(jie)礦中的CaO含量在一定(ding)程度(du)上可以反映其鐵酸鈣類礦物的含量。

根據統計(ji)分析的(de)結(jie)果表明(ming)鈣質熔劑比例與成品燒結(jie)礦中CaO含量(liang)呈正相(xiang)關(guan)關(guan)系(xi)，相(xiang)關(guan)性系(xi)數為0.567，說明(ming)二者之間有較強的(de)相(xiang)關(guan)性。因此，提(ti)高鈣質熔劑比例將有利于鐵酸鈣的(de)生成，從而促進NOx的(de)還原作用，可(ke)達到降低煙氣中NOx質量(liang)濃度水平的(de)目的(de)。

3、固體燃料類型對NOx排放的影(ying)響

燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)型(xing)NOx的生成(cheng)受(shou)到燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)類(lei)別(bie)、氮元素含量(liang)及燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)粒度等因素的影(ying)響。某鋼廠1號燒結(jie)機所用固(gu)體(ti)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)主要為(wei)焦粉和(he)無(wu)煙煤，由于燒結(jie)混合料(liao)(liao)(liao)中(zhong)(zhong)固(gu)體(ti)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)配比相對穩定、變(bian)化較小(xiao)，導致固(gu)體(ti)燃(ran)(ran)料(liao)(liao)(liao)使用比例與燒結(jie)煙氣中(zhong)(zhong)NOx質(zhi)量(liang)濃度之間(jian)的Pearson相關系數僅為(wei)0.063，近似等于0，呈現不相關關系。

因(yin)此(ci)，在探討固(gu)(gu)體燃料(liao)(liao)類(lei)型對(dui)NOx排(pai)放(fang)的(de)影(ying)響(xiang)規(gui)(gui)律時，將(jiang)固(gu)(gu)體燃料(liao)(liao)比(bi)例(li)固(gu)(gu)定(ding)，研究焦粉和無(wu)煙煤(mei)的(de)比(bi)例(li)變化對(dui)煙氣NOx排(pai)放(fang)的(de)影(ying)響(xiang)規(gui)(gui)律。根據固(gu)(gu)體燃料(liao)(liao)比(bi)例(li)樣本(ben)(ben)數據的(de)分(fen)布(bu)規(gui)(gui)律，選取具有(you)代(dai)表性的(de)固(gu)(gu)體燃料(liao)(liao)比(bi)例(li)為3.3%～3.5%的(de)樣本(ben)(ben)數據進(jin)行(xing)相關(guan)性分(fen)析研究，結果見表3。

表3固體燃料類型(xing)與NOx質量(liang)濃(nong)度(du)的相關分(fen)析

根據統計(ji)分析的(de)結果表明，在固體燃料配比保持不(bu)變的(de)情況下，提高燒結燃料結構中焦粉的(de)比例(li)、降低無煙煤的(de)比例(li)，有利(li)于降低煙氣中NOx的(de)質量濃度。產生這一結果主要有以下兩(liang)方(fang)面的(de)原因。

①燃料的(de)氮含量及其分配的(de)影響

隨著燃(ran)(ran)料中(zhong)氮含量(liang)的增(zeng)加(jia)，燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)過(guo)程生(sheng)成NOx的速率和(he)質量(liang)濃度都將增(zeng)加(jia)，對于燒(shao)(shao)結固體燃(ran)(ran)料焦粉(fen)與無(wu)煙煤而(er)言均如(ru)此。

煤中(zhong)(zhong)(zhong)的氮元素以(yi)環狀含(han)氮有機化(hua)(hua)(hua)(hua)合物(wu)形式存在(zai)，燃燒過程中(zhong)(zhong)(zhong)首(shou)先隨同揮(hui)發分(fen)從燃料(liao)(liao)中(zhong)(zhong)(zhong)析出的含(han)氮化(hua)(hua)(hua)(hua)合物(wu)，稱(cheng)之為揮(hui)發分(fen)N。殘留在(zai)焦炭中(zhong)(zhong)(zhong)的含(han)氮化(hua)(hua)(hua)(hua)合物(wu)稱(cheng)之為焦炭N。揮(hui)發分(fen)N中(zhong)(zhong)(zhong)最主要的氮化(hua)(hua)(hua)(hua)合物(wu)是HCN和NH3，二者(zhe)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)生(sheng)成NOx。焦炭N的析出比較復雜，與其在(zai)焦炭中(zhong)(zhong)(zhong)N-C、N-H之間的結合狀態有關。由(you)焦炭N生(sheng)成的NOx占(zhan)燃料(liao)(liao)型NOx的20%～40%[8-10]。

煤的w(N)一般為0.4%～2.9%。該鋼廠燒結(jie)用無(wu)煙煤的w(N)大多小于1.4%，焦炭(tan)的w(N)則基本在1%以下。而燃料中揮(hui)(hui)(hui)發分N轉化(hua)為NOx所需要(yao)的前驅體化(hua)合(he)物(wu)HCN，NH3決定(ding)于揮(hui)(hui)(hui)發分含量(liang)(liang)和氫含量(liang)(liang)。因此，結(jie)合(he)燃料型NOx生成機理(li)可知，要(yao)控制固體燃料燃燒生成的NOx，不(bu)僅要(yao)關注燃料中的氮含量(liang)(liang)，還應關注其(qi)揮(hui)(hui)(hui)發分和氫含量(liang)(liang)。

②燃燒粒度(du)對(dui)NOx生成特性的(de)影(ying)響

研究表(biao)明，焦(jiao)(jiao)粉(fen)(fen)(fen)粒(li)(li)度1～3mm時，NOx的(de)(de)生成量(liang)和(he)燃料N的(de)(de)轉(zhuan)化速度均為(wei)最高;其次是3～5mm和(he)0.5～1.0mm;而小于0.5mm和(he)大于5mm粒(li)(li)級(ji)焦(jiao)(jiao)粉(fen)(fen)(fen)的(de)(de)NOx生成量(liang)和(he)燃料N轉(zhuan)化率均低于前述粒(li)(li)級(ji)。而燒結(jie)用焦(jiao)(jiao)粉(fen)(fen)(fen)粒(li)(li)度控制一般為(wei)-3mm粒(li)(li)級(ji)比(bi)例(li)(li)占(zhan)85%以(yi)上，且燒結(jie)理論要求焦(jiao)(jiao)粉(fen)(fen)(fen)粒(li)(li)度為(wei)0.5～3.0mm。因此，燒結(jie)生產中(zhong)應跟蹤和(he)控制焦(jiao)(jiao)粉(fen)(fen)(fen)中(zhong)3～5mm和(he)大于5mm粒(li)(li)級(ji)的(de)(de)比(bi)例(li)(li)，即避免焦(jiao)(jiao)粉(fen)(fen)(fen)跑出，有助于減(jian)少燃料NOx的(de)(de)生成。

燒結(jie)用無(wu)(wu)煙(yan)(yan)(yan)煤由(you)(you)于(yu)可磨性低于(yu)焦炭，破碎后的無(wu)(wu)煙(yan)(yan)(yan)煤粉(fen)粒度要(yao)小(xiao)于(yu)焦粉(fen)，一般可達1mm以(yi)上。有試(shi)驗(yan)研究表明(ming)[11]，無(wu)(wu)煙(yan)(yan)(yan)煤在(zai)熱解過程中，隨著(zhu)粒度的細化(hua)(hua)，揮發(fa)(fa)分氮(dan)轉(zhuan)化(hua)(hua)率增(zeng)加，但(dan)不超過45%;相應地，焦炭氮(dan)轉(zhuan)化(hua)(hua)率有所降低，并保持55%以(yi)上。由(you)(you)此可見(jian)，在(zai)燒結(jie)過程中，盡管(guan)無(wu)(wu)煙(yan)(yan)(yan)煤粉(fen)由(you)(you)揮發(fa)(fa)分氮(dan)生成(cheng)NOx的量小(xiao)于(yu)焦炭氮(dan)的生成(cheng)量，但(dan)是因其(qi)粒度細仍將(jiang)有較高比例的揮發(fa)(fa)分氮(dan)轉(zhuan)化(hua)(hua)為(wei)NOx。

綜上所述，燒(shao)結(jie)(jie)固(gu)體(ti)(ti)燃料(liao)不(bu)僅在(zai)用量(liang)(liang)上，而(er)(er)且在(zai)品種(zhong)和(he)結(jie)(jie)構上對煙氣中NOx質量(liang)(liang)濃(nong)度均有一定影響。因此，從控制燃料(liao)NOx生成角度，燒(shao)結(jie)(jie)固(gu)體(ti)(ti)燃料(liao)應(ying)(ying)優先選擇焦粉，而(er)(er)不(bu)用無(wu)(wu)煙煤(mei)。如果(guo)使用無(wu)(wu)煙煤(mei)，則(ze)應(ying)(ying)選擇氮含(han)量(liang)(liang)、氫含(han)量(liang)(liang)和(he)揮發分均較低的(de)煤(mei)種(zhong)。

二(er)、工藝參數對NOx排(pai)(pai)放的影(ying)響(xiang)規律燒(shao)(shao)結工藝因素重點(dian)考察燒(shao)(shao)結礦(kuang)堿度(du)、冷態透氣性(xing)、料層(ceng)厚度(du)與燒(shao)(shao)結終點(dian)(BTP)位置4個(ge)參數對煙氣NOx排(pai)(pai)放的影(ying)響(xiang)。相關性(xing)分(fen)析(xi)結果列(lie)于表4中(zhong)。

表4工藝參數(shu)與(yu)NOx質量濃度(du)的相關(guan)分析

由相(xiang)關(guan)性分析的(de)結果可(ke)(ke)以(yi)看出(chu)，煙氣中NOx質量濃度與燒(shao)結礦堿(jian)度、冷態(tai)透氣性、BTP位置呈負(fu)相(xiang)關(guan)關(guan)系，即采取提高燒(shao)結礦堿(jian)度、改善料層透氣性、將燒(shao)結終(zhong)點位置適(shi)當提前等相(xiang)關(guan)的(de)工(gong)藝參數(shu)調整手段可(ke)(ke)以(yi)降低NOx的(de)排放。分析原因可(ke)(ke)知(zhi)，鐵酸鈣具有(you)催化NOx還原的(de)作(zuo)用。

在燒結體系(xi)中(zhong)鐵酸(suan)鈣(尤其是鐵酸(suan)一鈣CF)能(neng)夠催化CO還原NOx的反(fan)應(ying)，對于(yu)控制NOx排(pai)放(fang)有顯著(zhu)效果(guo)。由Fe2O3-CaO-SiO2三(san)元系(xi)相圖可知，當堿度(du)大于(yu)1.87時液(ye)相成分以(yi)鐵酸(suan)鹽為主(zhu)，當堿度(du)小于(yu)1.87時液(ye)相成分則以(yi)硅酸(suan)鹽為主(zhu)。

實際檢(jian)測該(gai)鋼廠燒結礦(kuang)(kuang)，在堿(jian)度1.85時(shi)，鐵(tie)(tie)酸鈣質量分數(20%～30%)已經大于硅酸鹽(10%～15%)，而提高(gao)堿(jian)度后更有利于鐵(tie)(tie)酸鈣的(de)生成。因此，燒結礦(kuang)(kuang)的(de)堿(jian)度與煙(yan)氣NOx排放(fang)呈負相關關系。

冷(leng)態透(tou)(tou)氣(qi)(qi)性在(zai)(zai)(zai)一定(ding)程(cheng)度上可(ke)(ke)以反映料(liao)層(ceng)在(zai)(zai)(zai)高(gao)(gao)溫狀(zhuang)態下的(de)(de)透(tou)(tou)氣(qi)(qi)性，通過適當調整混合(he)料(liao)的(de)(de)水(shui)分(fen)配給量(liang)(liang)、延長混合(he)制粒的(de)(de)時(shi)間等(deng)技術手(shou)段可(ke)(ke)使料(liao)層(ceng)透(tou)(tou)氣(qi)(qi)性得到(dao)改善，從(cong)而在(zai)(zai)(zai)負壓一定(ding)的(de)(de)條件(jian)下增(zeng)加了抽風量(liang)(liang)。雖然(ran)風量(liang)(liang)增(zeng)加會提高(gao)(gao)料(liao)層(ceng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)氧(yang)氣(qi)(qi)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)濃度促進(jin)燃料(liao)燃燒產生NOx，但相對于這方面，風量(liang)(liang)的(de)(de)增(zeng)加也起(qi)到(dao)稀(xi)釋煙氣(qi)(qi)中(zhong)(zhong)NOx質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)濃度的(de)(de)作用。因此，改善料(liao)層(ceng)冷(leng)態透(tou)(tou)氣(qi)(qi)性可(ke)(ke)以在(zai)(zai)(zai)一定(ding)程(cheng)度上降低燒結煙氣(qi)(qi)中(zhong)(zhong)NOx的(de)(de)排(pai)放。

燒結料出點火保溫爐后，風(feng)箱中NOx質(zhi)量濃度迅速上升并達到近600mg/m3的(de)最高(gao)水平，隨后經過兩段下降速度不同的(de)過程，在燒結廢氣溫度達最高(gao)(BTP)的(de)風(feng)箱后降至100mg/m3以下[12]。

NOx質量濃度(du)曲線(xian)中(zhong)較高(gao)的(de)幾個點(dian)(dian)可能與點(dian)(dian)火階(jie)段以及燒(shao)結(jie)初(chu)期空氣(qi)過剩系數較高(gao)有(you)關。因此，適當(dang)調(diao)整空氣(qi)過剩系數，縮短(duan)點(dian)(dian)火保溫爐至燒(shao)結(jie)終點(dian)(dian)(BTP)之(zhi)間的(de)距(ju)離，將燒(shao)結(jie)終點(dian)(dian)位置(BTP)提(ti)前，可以在一定程度(du)上降(jiang)低(di)NOx的(de)排放(fang)，但這(zhe)可能需(xu)要降(jiang)低(di)生產負荷(he)。

統(tong)計(ji)分析(xi)(xi)結(jie)(jie)果表明(ming)，料(liao)層厚度與NOx的排(pai)放(fang)之間呈(cheng)較弱的負相關(guan)關(guan)系，說明(ming)厚料(liao)層燒結(jie)(jie)有助于減少NOx的排(pai)放(fang)。分析(xi)(xi)可知，燒結(jie)(jie)料(liao)層高(gao)度提(ti)高(gao)對降低(di)燒結(jie)(jie)過程NOx排(pai)放(fang)有以下(xia)2個(ge)方面(mian)的作用(yong)：

一方(fang)面(mian)，由(you)于厚(hou)料(liao)(liao)層燒(shao)結的(de)自(zi)動(dong)蓄(xu)熱作用(yong)，有利(li)于高溫保(bao)持時間延(yan)長和液(ye)相的(de)形成，故(gu)采用(yong)厚(hou)料(liao)(liao)層燒(shao)結技術(shu)可(ke)(ke)適當減(jian)少(shao)(shao)(shao)燒(shao)結燃(ran)料(liao)(liao)用(yong)量，即減(jian)少(shao)(shao)(shao)了(le)燃(ran)料(liao)(liao)N的(de)帶入量，從而(er)(er)使燒(shao)結過程中燃(ran)料(liao)(liao)型NOx的(de)產(chan)生相應(ying)減(jian)少(shao)(shao)(shao);另一方(fang)面(mian)，由(you)于燃(ran)料(liao)(liao)用(yong)量減(jian)少(shao)(shao)(shao)有利(li)于料(liao)(liao)層局部的(de)氧位提(ti)高，可(ke)(ke)促進鐵酸鈣的(de)形成，也(ye)有利(li)于NOx的(de)還(huan)原，從而(er)(er)降低其排放。

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