一、原料參數(shù)對(duì)NOx排放的影響規(guī)律

針對(duì)2014年某鋼廠1號(hào)燒結(jié)機(jī)的煙氣NOx排放與實(shí)際生產(chǎn)原料條件參數(shù)，采用SPSS軟件的相關(guān)性分析功能模塊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[5]，以確定顯著影響燒結(jié)煙氣NOx排放的主要原料條件參數(shù)，并明確其影響規(guī)律，以便為控制燒結(jié)過(guò)程煙氣NOx排放水平提供支持。

1、礦物類型對(duì)NOx排放的影響

鐵礦粉是燒結(jié)的主要原料，不同礦物類型的鐵礦粉因其具有不同的高溫特性，從而對(duì)NOx的生成及還原作用產(chǎn)生不同的影響。將1號(hào)燒結(jié)機(jī)混勻礦大堆所使用的主要礦種比例與燒結(jié)煙氣中NOx濃度進(jìn)行相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果列于表1中。

表1混勻礦中鐵礦粉的礦物類型與煙氣中NOx質(zhì)量濃度的相關(guān)分析

相關(guān)性分析的研究結(jié)果表明[6]，赤鐵礦、褐鐵礦的使用比例與燒結(jié)煙氣中NOx質(zhì)量濃度呈較弱的正相關(guān)關(guān)系，表明提高混勻礦中赤鐵礦、褐鐵礦的使用比例可能不利于控制燒結(jié)煙氣中NOx質(zhì)量濃度處于較低水平;而半褐鐵礦的使用比例與煙氣中NOx質(zhì)量濃度呈較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，在一定程度上說(shuō)明保持半褐鐵礦的使用比例在較高水平時(shí)，有利于降低NOx的排放水平。

分析原因，一方面是由于半褐鐵礦是1種同化溫度較低的鐵礦粉，即在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)較早地產(chǎn)生鐵酸鈣等低熔點(diǎn)液相，而鐵酸鈣具有促進(jìn)NOx還原的作用，因此降低了NOx的排放[7];另一方面，相較于赤鐵礦其熔化產(chǎn)生液相所需的熱量更少，因此所需燃料量更少，從而減少NOx的生成。

褐鐵礦因其含有大量的結(jié)晶水，而結(jié)晶水揮發(fā)需要消耗熱量，因此所需燃料量亦增多，從而使得NOx的排放增加。

2、熔劑結(jié)構(gòu)類型對(duì)NOx排放的影響

某鋼廠1號(hào)燒結(jié)機(jī)中使用的熔劑主要有石灰石、生石灰、白云石，按照熔劑的主要成分可以分為鈣質(zhì)熔劑與鎂質(zhì)熔劑。表2為該鋼廠的各種熔劑的使用比例與燒結(jié)煙氣中NOx質(zhì)量濃度的相關(guān)性分析結(jié)果。

表2熔劑結(jié)構(gòu)類型與NOx濃度的相關(guān)分析

根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果，鈣質(zhì)熔劑使用比例與NOx的質(zhì)量濃度呈負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性系數(shù)較高;鎂質(zhì)熔劑白云石的使用比例與NOx質(zhì)量濃度呈正相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)較低。有研究表明，CaO本身對(duì)燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的NOx具有還原作用;此外，也有研究表明在燒結(jié)過(guò)程中鐵酸鈣類礦物對(duì)CO還原NOx具有較強(qiáng)的促進(jìn)作用。鐵酸鈣(CaO·Fe2O3)是高堿度燒結(jié)礦的主要粘結(jié)相，燒結(jié)礦中的CaO含量在一定程度上可以反映其鐵酸鈣類礦物的含量。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果表明鈣質(zhì)熔劑比例與成品燒結(jié)礦中CaO含量呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性系數(shù)為0.567，說(shuō)明二者之間有較強(qiáng)的相關(guān)性。因此，提高鈣質(zhì)熔劑比例將有利于鐵酸鈣的生成，從而促進(jìn)NOx的還原作用，可達(dá)到降低煙氣中NOx質(zhì)量濃度水平的目的。

3、固體燃料類型對(duì)NOx排放的影響

燃料型NOx的生成受到燃料類別、氮元素含量及燃料粒度等因素的影響。某鋼廠1號(hào)燒結(jié)機(jī)所用固體燃料主要為焦粉和無(wú)煙煤，由于燒結(jié)混合料中固體燃料配比相對(duì)穩(wěn)定、變化較小，導(dǎo)致固體燃料使用比例與燒結(jié)煙氣中NOx質(zhì)量濃度之間的Pearson相關(guān)系數(shù)僅為0.063，近似等于0，呈現(xiàn)不相關(guān)關(guān)系。

因此，在探討固體燃料類型對(duì)NOx排放的影響規(guī)律時(shí)，將固體燃料比例固定，研究焦粉和無(wú)煙煤的比例變化對(duì)煙氣NOx排放的影響規(guī)律。根據(jù)固體燃料比例樣本數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，選取具有代表性的固體燃料比例為3.3%～3.5%的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析研究，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3固體燃料類型與NOx質(zhì)量濃度的相關(guān)分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果表明，在固體燃料配比保持不變的情況下，提高燒結(jié)燃料結(jié)構(gòu)中焦粉的比例、降低無(wú)煙煤的比例，有利于降低煙氣中NOx的質(zhì)量濃度。產(chǎn)生這一結(jié)果主要有以下兩方面的原因。

①燃料的氮含量及其分配的影響

隨著燃料中氮含量的增加，燃燒過(guò)程生成NOx的速率和質(zhì)量濃度都將增加，對(duì)于燒結(jié)固體燃料焦粉與無(wú)煙煤而言均如此。

煤中的氮元素以環(huán)狀含氮有機(jī)化合物形式存在，燃燒過(guò)程中首先隨同揮發(fā)分從燃料中析出的含氮化合物，稱之為揮發(fā)分N。殘留在焦炭中的含氮化合物稱之為焦炭N。揮發(fā)分N中最主要的氮化合物是HCN和NH3，二者氧化生成NOx。焦炭N的析出比較復(fù)雜，與其在焦炭中N-C、N-H之間的結(jié)合狀態(tài)有關(guān)。由焦炭N生成的NOx占燃料型NOx的20%～40%[8-10]。

煤的w(N)一般為0.4%～2.9%。該鋼廠燒結(jié)用無(wú)煙煤的w(N)大多小于1.4%，焦炭的w(N)則基本在1%以下。而燃料中揮發(fā)分N轉(zhuǎn)化為NOx所需要的前驅(qū)體化合物HCN，NH3決定于揮發(fā)分含量和氫含量。因此，結(jié)合燃料型NOx生成機(jī)理可知，要控制固體燃料燃燒生成的NOx，不僅要關(guān)注燃料中的氮含量，還應(yīng)關(guān)注其揮發(fā)分和氫含量。

②燃燒粒度對(duì)NOx生成特性的影響

研究表明，焦粉粒度1～3mm時(shí)，NOx的生成量和燃料N的轉(zhuǎn)化速度均為最高;其次是3～5mm和0.5～1.0mm;而小于0.5mm和大于5mm粒級(jí)焦粉的NOx生成量和燃料N轉(zhuǎn)化率均低于前述粒級(jí)。而燒結(jié)用焦粉粒度控制一般為-3mm粒級(jí)比例占85%以上，且燒結(jié)理論要求焦粉粒度為0.5～3.0mm。因此，燒結(jié)生產(chǎn)中應(yīng)跟蹤和控制焦粉中3～5mm和大于5mm粒級(jí)的比例，即避免焦粉跑出，有助于減少燃料NOx的生成。

燒結(jié)用無(wú)煙煤由于可磨性低于焦炭，破碎后的無(wú)煙煤粉粒度要小于焦粉，一般可達(dá)1mm以上。有試驗(yàn)研究表明[11]，無(wú)煙煤在熱解過(guò)程中，隨著粒度的細(xì)化，揮發(fā)分氮轉(zhuǎn)化率增加，但不超過(guò)45%;相應(yīng)地，焦炭氮轉(zhuǎn)化率有所降低，并保持55%以上。由此可見(jiàn)，在燒結(jié)過(guò)程中，盡管無(wú)煙煤粉由揮發(fā)分氮生成NOx的量小于焦炭氮的生成量，但是因其粒度細(xì)仍將有較高比例的揮發(fā)分氮轉(zhuǎn)化為NOx。

綜上所述，燒結(jié)固體燃料不僅在用量上，而且在品種和結(jié)構(gòu)上對(duì)煙氣中NOx質(zhì)量濃度均有一定影響。因此，從控制燃料NOx生成角度，燒結(jié)固體燃料應(yīng)優(yōu)先選擇焦粉，而不用無(wú)煙煤。如果使用無(wú)煙煤，則應(yīng)選擇氮含量、氫含量和揮發(fā)分均較低的煤種。

二、工藝參數(shù)對(duì)NOx排放的影響規(guī)律燒結(jié)工藝因素重點(diǎn)考察燒結(jié)礦堿度、冷態(tài)透氣性、料層厚度與燒結(jié)終點(diǎn)(BTP)位置4個(gè)參數(shù)對(duì)煙氣NOx排放的影響。相關(guān)性分析結(jié)果列于表4中。

表4工藝參數(shù)與NOx質(zhì)量濃度的相關(guān)分析

由相關(guān)性分析的結(jié)果可以看出，煙氣中NOx質(zhì)量濃度與燒結(jié)礦堿度、冷態(tài)透氣性、BTP位置呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即采取提高燒結(jié)礦堿度、改善料層透氣性、將燒結(jié)終點(diǎn)位置適當(dāng)提前等相關(guān)的工藝參數(shù)調(diào)整手段可以降低NOx的排放。分析原因可知，鐵酸鈣具有催化NOx還原的作用。

在燒結(jié)體系中鐵酸鈣(尤其是鐵酸一鈣CF)能夠催化CO還原NOx的反應(yīng)，對(duì)于控制NOx排放有顯著效果。由Fe2O3-CaO-SiO2三元系相圖可知，當(dāng)堿度大于1.87時(shí)液相成分以鐵酸鹽為主，當(dāng)堿度小于1.87時(shí)液相成分則以硅酸鹽為主。

實(shí)際檢測(cè)該鋼廠燒結(jié)礦，在堿度1.85時(shí)，鐵酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)(20%～30%)已經(jīng)大于硅酸鹽(10%～15%)，而提高堿度后更有利于鐵酸鈣的生成。因此，燒結(jié)礦的堿度與煙氣NOx排放呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

冷態(tài)透氣性在一定程度上可以反映料層在高溫狀態(tài)下的透氣性，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整混合料的水分配給量、延長(zhǎng)混合制粒的時(shí)間等技術(shù)手段可使料層透氣性得到改善，從而在負(fù)壓一定的條件下增加了抽風(fēng)量。雖然風(fēng)量增加會(huì)提高料層中的氧氣質(zhì)量濃度促進(jìn)燃料燃燒產(chǎn)生NOx，但相對(duì)于這方面，風(fēng)量的增加也起到稀釋煙氣中NOx質(zhì)量濃度的作用。因此，改善料層冷態(tài)透氣性可以在一定程度上降低燒結(jié)煙氣中NOx的排放。

燒結(jié)料出點(diǎn)火保溫爐后，風(fēng)箱中NOx質(zhì)量濃度迅速上升并達(dá)到近600mg/m3的最高水平，隨后經(jīng)過(guò)兩段下降速度不同的過(guò)程，在燒結(jié)廢氣溫度達(dá)最高(BTP)的風(fēng)箱后降至100mg/m3以下[12]。

NOx質(zhì)量濃度曲線中較高的幾個(gè)點(diǎn)可能與點(diǎn)火階段以及燒結(jié)初期空氣過(guò)剩系數(shù)較高有關(guān)。因此，適當(dāng)調(diào)整空氣過(guò)剩系數(shù)，縮短點(diǎn)火保溫爐至燒結(jié)終點(diǎn)(BTP)之間的距離，將燒結(jié)終點(diǎn)位置(BTP)提前，可以在一定程度上降低NOx的排放，但這可能需要降低生產(chǎn)負(fù)荷。

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，料層厚度與NOx的排放之間呈較弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明厚料層燒結(jié)有助于減少NOx的排放。分析可知，燒結(jié)料層高度提高對(duì)降低燒結(jié)過(guò)程N(yùn)Ox排放有以下2個(gè)方面的作用：

一方面，由于厚料層燒結(jié)的自動(dòng)蓄熱作用，有利于高溫保持時(shí)間延長(zhǎng)和液相的形成，故采用厚料層燒結(jié)技術(shù)可適當(dāng)減少燒結(jié)燃料用量，即減少了燃料N的帶入量，從而使燒結(jié)過(guò)程中燃料型NOx的產(chǎn)生相應(yīng)減少;另一方面，由于燃料用量減少有利于料層局部的氧位提高，可促進(jìn)鐵酸鈣的形成，也有利于NOx的還原，從而降低其排放。

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