烧结工序节能减排必要性

烧结工序能耗约占整个钢铁工业能耗的15%以上；污染物排放量约占整个钢铁工业的40%左右。

烧结的节能减排对钢铁工业的可持续发展具有重要意义。近年来，烧结工序的环冷机余热回收技术、烧结烟气循环技术、竖式冷却炉的余热回收技术等持续进步。在减排方面，烧结机机头烟气脱硫技术已日趋成熟，烟气中NOx的脱除处理技术得到迅速发展。在降低烟气中CO和二噁英的排方面出现了烧结机料面喷蒸汽的技术等。

整体来看，烧结工序的节能减排工作虽取得长足进步，但结果并不能使人满意。主要表现在如下几个方面：

1、烧结工序余热回收率低，整体回收利用率不足30%；

2、近期快速发展的烧结烟气脱硫脱硝技术造成能源和成本的急剧增加；

3、目前烧结烟气中CO的治理基本是一空白，作为能源白白浪费，作为污染物没有得到有效治理。

从烧结工序热平衡表可以看出，烧结工序理论上可以回收利用的热量主要有以下几个方面：

1、烧结饼的显热，约占总能量的35%

2、烧结烟气的显热，约占总能量的15%

3、烧结烟气中的不完全燃烧的化学热，约占总能量的15%

目前只有部分烧结厂对烧结饼的部分显热能够回收利用，但总体回收利用率较低。剩余的热量仍然以各种形式排放到大气中。

造成目前这种尴尬的局面的主要原因是：

1、烧结烟气温度在130-150℃，目前余热回收技术对其回收价值不大，况且目前脱硫脱硝技术基本以该温度设计，如果对其回收将造成脱硫脱硝效率下降；

2、烧结烟气中虽然含有大量CO，但在烟气中的浓度只有5000-15000mg/m3，在如此低的浓度下使其转化成CO2并释放出其携带的化学热难度很大。

3、烧结饼显热的回收技术对显热的回收利用率低。

如果我们能够使烟气中的CO携带的化学热得到释放，通过优化工艺设计，对以上三种热量叠加回收，其余热回收效率将会大幅度提高。

CO脱除技术

烧结废气中CO的产生及组成

烧结过程中CO产生的原因，不外为燃烧不充分（包括C+0.5O2=CO的反应温度低），C和CO2反应生成CO（波多反应），氧化铁的直接还原和水煤气反应等化学反应所致。

由于烧结废气中CO的存在，使燃烧的热值受到相当大的损失，如废气中含CO比例为1-2%，热损失占总热收入的10-25%，烧结废气组成通常用CO2、CO比值，和燃烧比[CO/(CO+CO2)]来评价。

下图为烧结试验过程中测得的废气中O2、CO2和CO分含量和绝对含量的变化，试验所用燃料量为7%。从烧结开始直到烧结终点的前两分钟CO2和CO逐渐增加，然后迅速降到零，但CO2比CO晚一分钟消失。最初废气中O2约9%，试验快结束时又升到与空气中的O2量一致。

烧结烟气中CO浓度的影响因素

随着燃料粒度变细，燃料量增加和温度提高而使燃烧比增加是由于波多反应的结果；料层加厚和返矿减少，引起燃烧比的增加是由于烧结时间延长和温度提高，以及燃料分布密度增大的结果；负压增大使反应过冷，所以负压增大燃烧比也增大。CO比CO2提早一分钟消失，是由于波多反应CO+0.5O2=CO2反应过冷的结果。

催化氧化法

目前，催化氧化法由于具有起燃温度低，节省能源、处理效率高、无二次污染等特点，已经成为工业上常用的脱除污染物方法。以贵金属 Pt 作为活性组分的催化剂研究比较成熟，其中将贵金属以高度分散的纳米级颗粒状分散于载体表面的负载型催化剂，由于其接触面积大，气流压降小，已成为化工工业 CO 催化脱除的重要选择。目前主要采用贵金属催化剂和通过添加少量过渡族金属元素或稀土元素以及载体改性等手段来提高催化剂的活性。然而 CO 催化氧化脱除的效果除了与催化剂特性有关外，在实际工程应用中，工况也是影响催化效果又一重要因素。

对于烧结工序来说，复杂的烟气成分和较大的工况波动对目前用于化工等其他领域的催化氧化法是一巨大挑战，也是我们下一步研究的重点。

无焰燃烧氧化法

采用目前技术相对成熟的废气焚烧炉，利用辅助燃料燃烧所发生热量，把含有CO的烧结烟气的温度提高到反应温度，从而发生氧化分解。

CO燃烧过程不仅有最低的启燃温度要求，而且存在启燃区域限制，在最低的启燃温度以下，CO不可能发生剧烈燃烧；但在启燃区域以内，启燃速度随温度升高而增加，继续升高温度，转化率曲线由平缓过渡到陡直，即存在一个转折点。CO燃烧过程经历了一个由不燃（<639℃）到启燃以致剧烈燃烧的过程。烧结烟气CO的启燃温度为639℃，而爆燃温度为700-710℃，639℃到700℃为启燃阶段。据相关资料显示，CO在爆燃温度（710℃）以上的燃烧仅需0.05s，工程设计时可按照1～2s设计。

废气焚烧炉的几个鲜明的特点:

(1)废气焚烧技术的发展正趋向于完善化，随着废气处理新技术的广泛应用，焚烧设备结构不断改进，由于许多高新技术应用于焚烧系统，促使废气焚烧技术向高新技术发展。同时，应用先进的自控技术和科学新颖的外观设计，使废气焚烧技术趋于完善。

(2)焚烧技术正向着多功能方向发展。现代焚烧系统不仅具有处理废气的功能，还有发电、供电、供热、供气等多种功能。

(3)焚烧技术正向着资源利用率方向发展。利用焚烧产生的余热进行发电和生产过热蒸汽不仅可以解决用电和用气需求，还可以节约能源，实现能源再利用。同时，节约能源是国内外焚烧厂所追求的目标。如提高焚烧炉燃烧效率及余热锅炉的热回收率，减少排烟过程中的热量损失，从而提高能源的利用效率。

两种CO脱除工艺比较
相对于催化氧化技术而言，利用废气焚烧技术对烧结烟气中CO脱除更具有优越性。主要体现在：
1）可以适应更加复杂的烧结烟气成分，避免了烧结烟气中的有害成分造成的催化剂中毒；
2）通过对焚烧炉入口烟气中CO浓度进行监测，合理调节辅助燃料用量可以保持废气焚烧炉出口烟气温度的相对稳定；
3）在焚烧炉燃烧室内可同步脱除烧结烟气中的二噁英，达到同步脱除多种污染物的效果。

基于目前的余热回收技术及烧结烟气的污染物处理技术，可以按照如下技术思路对烟气进行处理及对余热的回收利用：

专利技术1、烧结烟气+CO脱除+SCR脱硝+余热回收+脱硫技术
专利号：201810355189.4，
专利名称：一种烧结烟气污染物脱除以及热量利用的协同处理工艺

工艺原理
把从烧结主抽风机出来的烟气送进CO脱除炉内，该CO脱除炉以高炉煤气（或焦炉煤气）为能源，在炉内形成700℃以上的高温，使烟气中的CO和二噁英氧化分解，反应后的热量连同CO脱除炉本身的煤气燃烧释放热量一同进入烧结烟气中，此时烟气将会被加热到300-350℃。被加热后烟气通过SCR装置，实现对烟气中NOx的脱除。通过SCR脱硝工艺后烟气通过换热器进行换热，在产生高温高压蒸汽的同时烟气温度将会降低到130℃左右。此时把烧结烟气送回到现有的脱硫工艺中，实现对烟气中SO2的脱除。

技术创新点
1、实现了烧结烟气中CO、NOx、SO2、二噁英的同步脱除；
2、实现了烧结烟气中CO的资源化利用；
3、增加了CO脱除炉，解决了各种烧结工况尤其是烧结机开停机的工况条件下的CO、NOx、SO2及二噁英的脱除；
4、和现有脱硝工艺相比在能脱除NOx的同时产生经济效益。

工艺流程图

烧结烟气热平衡计算

目前烧结烟气温度一般控制130-170℃，对于大型烧结机烟气温度一般控制在150℃，烟气量一般为1500Nm3/t矿，烟气中含有的CO浓度约为10000mg/m3。CO脱除炉设计高炉煤气产生热值为12%烧结总能耗（220.8*106J/t矿），在经过CO脱除炉时，由高炉煤气及烧结烟气中CO燃烧所产生的热量将会使烧结烟气升高到350℃以上，此时正好适合SCR脱硝反应的进行（最佳反应温度300-420℃）。经SCR脱硝后的高温烟气在换热发电后将会降低到130℃，把此烟气返回到现有脱硫工艺中进一步脱除烟气中SO2等污染物。

经济效益计算

如果对脱硝后的烟气热量进行回收，经计算，仅CO产生热量所转化为电能约为25kwh/t矿，如果加上CO脱除炉产生热量，预计总发电量将会达到40kwh/t矿。按照工业用电0.6元/kwh计算，仅CO产生电能将节约成本15元/t矿。此项节约成本将可抵消整个脱硫脱硝工艺的运行费用。

专利技术2烧结烟气+竖式冷却炉+CO脱除+SCR脱硝+余热回收+脱硫技术
专利号：201810355829.1，
专利名称：一种烧结矿余热以及烧结烟气污染物的协同处理工艺

技术创新点
1、实现了烧结烟气中CO、NOx、SO2、二噁英的同步脱除；
2、对烧结烟气中CO进行资源化利用；
3、采用了以竖式冷却炉配套烧结烟气的逆流换热工艺，解决了环冷机密封效果差、换热率低、冷却烟气量与烧结烟气量不匹配的问题；
4、增加了CO脱除炉，解决了各种烧结工况尤其是烧结机开停机的工况条件下的CO、NOx、SO2及二噁英的脱除。
5、不影响正常的烧结生产，对原有烧结系统不产生不利影响。
6、对烧结余能进行回收率达到40%以上，经济效益大幅度提高。
7、在脱除NOx时不用额外对烟气进行加热，降低了能源消耗。

工艺原理
利用目前已成熟的烧结矿竖式冷却炉，通过把从烧结抽风烟道出来的烟气引入到密闭炉中对烧结矿进行冷却，从而把烧结烟气温度提升到400℃以上，当烧结烟气通过750℃以上的烧结饼时可以使CO再燃烧，达到部分脱除CO的目的。

把从竖式冷却炉出来的烟气通过CO脱除炉，使烟气中的CO全部燃烧，实现对CO的脱除，并使CO携带能量释放到烟气中。由于烧结饼的平均温度为750℃，部分烧结饼温度可达1000℃以上，烧结烟气中的二噁英在通过热烧结矿及CO脱除炉时会发生分解。而烟气在与烧结矿相遇时由于烧结矿的多孔结构，可实现对重金属的部分吸附。

工艺流程图

热平衡计算：

1t烧结矿从750℃降低到150℃释放的热量为504*106J

1t烧结矿所产生烟气升高1℃所需热量为：2.14*106J

1t烧结矿释放热量可使烟气提升温度为：235℃

据查阅资料，C在烧结过程中约有1/4转化为CO，1t烧结矿所产生CO量携带热量为：276.01*106J

1t烧结矿所产生烟气中CO完全燃烧释放热量增加烟气温度为：103℃

按照每台点火炉燃烧产生热量为烧结热量的6%计算，每经过一次点火炉烟气温升60℃

经济效益计算

通过理论计算，该工艺对烧结余能的利用率将达到43%，而目前的环冷余热回收对烧结余能的回收率在10%左右。因此该工艺在实现烧结烟气超低排放的同时实现了对余热回收的最大化，取得了显著的经济和社会效益。