转炉炉气高效燃烧低污染排放控制机制研究

炼钢转炉炉气燃烧排放时，经常发生CO浓度过高，且烟气中含有较高的SO2、NOx、HF污染气体等。目前，针对转炉炉气通过燃烧控制实现高效燃烧、低污染排放研究目前还没有报道。本课题研究了转炉炉气燃烧混合特性，分析了转炉烟尘中金属及金属氧化物（Fe、FeO、Fe2O3、CaO等）在不同燃烧气氛对NOx催化还原、CO催化氧化、固硫固氟的影响，探索转炉烟尘对CO、SO2、 NOx和HF排放影响机理分析其 “协同效应”，得到了如下重要结论： （1）转炉炉气与漏入冷却烟道中的空气具有较差的混合特性，必须避免大量的过剩空气漏入冷却烟道；为了降低NO排放，燃烧化学当量比和温度必须有效控制；为了改善转炉炉炉气与空气混合，燃烧空气有效组织切向进入烟道，可使得炉气与空气得到充分混合，混合强烈。 （2）高温转炉烟气扩散燃烧时，NOx排放随过量空气系数（SR）增大略有降低；而当温度大于1500 K时，NOx排放随温度的升高而快速增大；SR<1,过量空气系数和和温度对CO燃尽都具有重要的影响，而当SR>1，炉气温度对CO燃尽影响较小。 （3）CaO对CO还原NO具有明显的催化作用，在700-950℃区间其催化还原能力高，在800℃左右其催化还原贡献率可达42%；烟气中H2O和CO2浓度增大，不利于CaO对CO还原。 （4）气态Fe和FeO对CO可以有效地促进CO的燃烧，过量空气系数减小时，其催化作用更加明显。气态铁化物催化CO氧化的反应路径主要如下：Fe O2=FeO O, FeO2 O=FeO O2, Fe O2=FeO2, FeO CO=Fe CO2. 在这个循环反应过程中，铁化物以Fe-FeO/FeO2-Fe 的形式催化CO氧化。 （5）在还原气氛下，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；当温度大于1100K时，CaF2开始分解。在氧化气氛下，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；当温度大于1473K时，转炉烟尘脱硫能力急剧下降。 以上研究结论为转炉炉气低污染高效燃烧利用应用提供了理论支持和和重要的试验数据，为污染物排放控制提供了依据。

炼钢转炉炉气燃烧时，常发生CO排放浓度过高，且烟气排放中含有较高的SO2、NOx、HF污染气体等，这不仅造成能源浪费，而且对环境产生二次污染。通过燃烧主动控制实现转炉炉气高效燃烧、低污染排放的研究目前尚未见有报道。因此，本课题研究转炉炉气高效燃烧及其过程中气态污染物控制机制；根据炉气高温、高含尘特点，研究布风结构参数和气动力学参数对燃烧气流浓度场和流场分布的影响，分析火焰中CO和NOx分布规律，得到控制气流混合、燃烧气氛的机制，实现高温低氧燃烧，提高CO燃尽率，抑制NOx生成；研究不同燃烧气氛时转炉烟尘（Fe、FeO、Fe2O3、CaO等）对NOx催化还原、CO催化氧化、固硫固氟的能力，探索烟尘对CO、SO2、 NOx和HF排放影响机理，分析其 协同效应，有效发挥烟尘对气体污染物催化还原、脱除能力；得到转炉炉气高效燃烧、低污染排放控制机制，为转炉炼钢的升级换代提供重要的基础数据和方法。

转炉煤气在烟罩内完全燃烧，再经余热锅炉回收热量使废气降温，再进行除尘的方法。

为了克服空气侧吹转炉炼钢热效率低、钢中含氮量高的缺点，用氧气代替空气吹炼是惟一的出路，但一般耐火材料喷嘴承受不了吹氧炼钢时的强烈侵蚀。1973年，中国东北工学院(冶金系、沈阳第一钢厂、唐山钢厂参照氧气底吹转炉使用油、氧喷嘴的经验，将侧吹转炉的风嘴改为油、氧喷嘴，解决了吹氧炼钢的喷嘴寿命问题。于是空气侧吹碱性转炉炼钢法被改造成为氧气侧吹转炉炼钢法。氧气侧吹转炉炼钢的工艺操作和空气侧吹碱性转炉炼钢基本相同。只是由于不再把空气中大量的氮吹入炉内，热效率提高，原料中废钢比可达10%～25%，钢铁料消耗降低30～100kg/t钢，铁损减少使炉龄也有了提高。油、氧喷嘴的构造如图4所示。它由两根同心套管组成，外管为无缝钢管，内管为紫铜管。铜管内通氧气，外壁切削出几条细的螺旋油槽，和外层钢管构成轻柴油的通路。轻柴油和氧同时吹入炉内，轻柴油在喷嘴出口受热气化和裂解，吸收了很多热量，使喷嘴受到冷却，喷嘴出口温度保持在200～250℃，使喷嘴能正常吹氧而保持较长的寿命。

从1974年到1976年，中国有26座空气侧吹碱性转炉改造成氧气侧吹转炉，总容量达150_t。在推广应用吹氧后，发现氧气侧吹转炉容量仍然不能增大。侧吹转炉的除尘设备大(因为需要在吹炼时倾动炉身，8t侧吹转炉和25t顶吹转炉的除尘设备相当);氧气侧吹转炉消耗轻柴油4～8L/t;钢铁料消耗比顶吹转炉高10～20kg/t。由于存在这些缺点，到90年代初，除唐山钢厂一个氧气侧吹转炉车间还在继续生产外，其余的氧气侧吹转炉或改为顶吹氧气转炉，或者停止了生产。

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转炉煤气

转炉炼钢过程中，铁水中的碳在高温下和吹入的氧生成一氧化碳和少量二氧化碳的混合气体。回收的顶吹氧转炉炉气含一氧化碳60～80%，二氧化碳15～20%，以及氮、氢和微量氧。转炉煤气的发生量在一个冶炼过程中并不均衡，成分也有变化。通常将转炉多次冶炼过程回收的煤气输入一个储气柜，混匀后再输送给用户。