轉(zhuǎn)爐爐氣高效燃燒低污染排放控制機制研究

煉鋼轉(zhuǎn)爐爐氣燃燒排放時，經(jīng)常發(fā)生CO濃度過高，且煙氣中含有較高的SO2、NOx、HF污染氣體等。目前，針對轉(zhuǎn)爐爐氣通過燃燒控制實現(xiàn)高效燃燒、低污染排放研究目前還沒有報道。本課題研究了轉(zhuǎn)爐爐氣燃燒混合特性，分析了轉(zhuǎn)爐煙塵中金屬及金屬氧化物（Fe、FeO、Fe2O3、CaO等）在不同燃燒氣氛對NOx催化還原、CO催化氧化、固硫固氟的影響，探索轉(zhuǎn)爐煙塵對CO、SO2、 NOx和HF排放影響機理分析其 “協(xié)同效應”，得到了如下重要結(jié)論： （1）轉(zhuǎn)爐爐氣與漏入冷卻煙道中的空氣具有較差的混合特性，必須避免大量的過剩空氣漏入冷卻煙道；為了降低NO排放，燃燒化學當量比和溫度必須有效控制；為了改善轉(zhuǎn)爐爐爐氣與空氣混合，燃燒空氣有效組織切向進入煙道，可使得爐氣與空氣得到充分混合，混合強烈。 （2）高溫轉(zhuǎn)爐煙氣擴散燃燒時，NOx排放隨過量空氣系數(shù)（SR）增大略有降低；而當溫度大于1500 K時，NOx排放隨溫度的升高而快速增大；SR<1,過量空氣系數(shù)和和溫度對CO燃盡都具有重要的影響，而當SR>1，爐氣溫度對CO燃盡影響較小。 （3）CaO對CO還原NO具有明顯的催化作用，在700-950℃區(qū)間其催化還原能力高，在800℃左右其催化還原貢獻率可達42%；煙氣中H2O和CO2濃度增大，不利于CaO對CO還原。 （4）氣態(tài)Fe和FeO對CO可以有效地促進CO的燃燒，過量空氣系數(shù)減小時，其催化作用更加明顯。氣態(tài)鐵化物催化CO氧化的反應路徑主要如下：Fe O2=FeO O, FeO2 O=FeO O2, Fe O2=FeO2, FeO CO=Fe CO2. 在這個循環(huán)反應過程中，鐵化物以Fe-FeO/FeO2-Fe 的形式催化CO氧化。 （5）在還原氣氛下，氟主要以SiF4(g)、CaF2(s)、HF和CaF2(g)存在，硫主要以FeS2(s)、 FeS(s)、COS(g)、SO(g)、SO2(g)和S2(g)形式存在；當溫度大于1100K時，CaF2開始分解。在氧化氣氛下，氟主要以SiF4(g)、HF和CaF2(g)形式存在，硫主要以Fe2(SO4)3(s), CaSO4(s)、SO2(g) 和SO3(g) 形式存在；當溫度大于1473K時，轉(zhuǎn)爐煙塵脫硫能力急劇下降。 以上研究結(jié)論為轉(zhuǎn)爐爐氣低污染高效燃燒利用應用提供了理論支持和和重要的試驗數(shù)據(jù)，為污染物排放控制提供了依據(jù)。

煉鋼轉(zhuǎn)爐爐氣燃燒時，常發(fā)生CO排放濃度過高，且煙氣排放中含有較高的SO2、NOx、HF污染氣體等，這不僅造成能源浪費，而且對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。通過燃燒主動控制實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐爐氣高效燃燒、低污染排放的研究目前尚未見有報道。因此，本課題研究轉(zhuǎn)爐爐氣高效燃燒及其過程中氣態(tài)污染物控制機制；根據(jù)爐氣高溫、高含塵特點，研究布風結(jié)構(gòu)參數(shù)和氣動力學參數(shù)對燃燒氣流濃度場和流場分布的影響，分析火焰中CO和NOx分布規(guī)律，得到控制氣流混合、燃燒氣氛的機制，實現(xiàn)高溫低氧燃燒，提高CO燃盡率，抑制NOx生成；研究不同燃燒氣氛時轉(zhuǎn)爐煙塵（Fe、FeO、Fe2O3、CaO等）對NOx催化還原、CO催化氧化、固硫固氟的能力，探索煙塵對CO、SO2、 NOx和HF排放影響機理，分析其 協(xié)同效應，有效發(fā)揮煙塵對氣體污染物催化還原、脫除能力；得到轉(zhuǎn)爐爐氣高效燃燒、低污染排放控制機制，為轉(zhuǎn)爐煉鋼的升級換代提供重要的基礎數(shù)據(jù)和方法。

轉(zhuǎn)爐煤氣在煙罩內(nèi)完全燃燒，再經(jīng)余熱鍋爐回收熱量使廢氣降溫，再進行除塵的方法。

為了克服空氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼熱效率低、鋼中含氮量高的缺點，用氧氣代替空氣吹煉是惟一的出路，但一般耐火材料噴嘴承受不了吹氧煉鋼時的強烈侵蝕。1973年，中國東北工學院(冶金系、沈陽第一鋼廠、唐山鋼廠參照氧氣底吹轉(zhuǎn)爐使用油、氧噴嘴的經(jīng)驗，將側(cè)吹轉(zhuǎn)爐的風嘴改為油、氧噴嘴，解決了吹氧煉鋼的噴嘴壽命問題。于是空氣側(cè)吹堿性轉(zhuǎn)爐煉鋼法被改造成為氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法。氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼的工藝操作和空氣側(cè)吹堿性轉(zhuǎn)爐煉鋼基本相同。只是由于不再把空氣中大量的氮吹入爐內(nèi)，熱效率提高，原料中廢鋼比可達10%～25%，鋼鐵料消耗降低30～100kg/t鋼，鐵損減少使爐齡也有了提高。油、氧噴嘴的構(gòu)造如圖4所示。它由兩根同心套管組成，外管為無縫鋼管，內(nèi)管為紫銅管。銅管內(nèi)通氧氣，外壁切削出幾條細的螺旋油槽，和外層鋼管構(gòu)成輕柴油的通路。輕柴油和氧同時吹入爐內(nèi)，輕柴油在噴嘴出口受熱氣化和裂解，吸收了很多熱量，使噴嘴受到冷卻，噴嘴出口溫度保持在200～250℃，使噴嘴能正常吹氧而保持較長的壽命。

從1974年到1976年，中國有26座空氣側(cè)吹堿性轉(zhuǎn)爐改造成氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐，總?cè)萘窟_150_t。在推廣應用吹氧后，發(fā)現(xiàn)氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐容量仍然不能增大。側(cè)吹轉(zhuǎn)爐的除塵設備大(因為需要在吹煉時傾動爐身，8t側(cè)吹轉(zhuǎn)爐和25t頂吹轉(zhuǎn)爐的除塵設備相當);氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐消耗輕柴油4～8L/t;鋼鐵料消耗比頂吹轉(zhuǎn)爐高10～20kg/t。由于存在這些缺點，到90年代初，除唐山鋼廠一個氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐車間還在繼續(xù)生產(chǎn)外，其余的氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐或改為頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐，或者停止了生產(chǎn)。

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轉(zhuǎn)爐煤氣

轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，鐵水中的碳在高溫下和吹入的氧生成一氧化碳和少量二氧化碳的混合氣體。回收的頂吹氧轉(zhuǎn)爐爐氣含一氧化碳60～80%，二氧化碳15～20%，以及氮、氫和微量氧。轉(zhuǎn)爐煤氣的發(fā)生量在一個冶煉過程中并不均衡，成分也有變化。通常將轉(zhuǎn)爐多次冶煉過程回收的煤氣輸入一個儲氣柜，混勻后再輸送給用戶。