鋼鐵工業(yè)NOx控制技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用

劉文權(quán)，王則武

（1.冶金工業(yè)規(guī)劃研究院，北京 100711；2.中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會，北京 100037）

鋼鐵工業(yè)NOx控制技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用

劉文權(quán)1，王則武2

（1.冶金工業(yè)規(guī)劃研究院，北京 100711；2.中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會，北京 100037）

介紹了鋼鐵工業(yè)NOx排放現(xiàn)狀及NOx排放新標(biāo)準(zhǔn)；闡述了5種鋼鐵工業(yè)NOx減排控制技術(shù)—EOS、LEEP、EPOSINT、區(qū)域性廢氣循環(huán)和燒結(jié)廢氣余熱循環(huán)技術(shù)；分析了鋼鐵工業(yè)NOx減排控制技術(shù)存在的主要問題，指出采用綜合性燒結(jié)污染物減排技術(shù)是實(shí)現(xiàn)燒結(jié)NOx減排的最佳途徑。

燒結(jié)煙氣；減排NOx；循環(huán)利用技術(shù)

1 鋼鐵工業(yè)NOx排放現(xiàn)狀

鋼鐵工業(yè)燒結(jié)工序中伴隨燃料的燃燒，會產(chǎn)生大量的氮氧化物（NOx），氮氧化物是當(dāng)今主要的大氣污染物之一。燒結(jié)工序排放的NOx占鋼鐵行業(yè)NOx總排放量的50%以上（見圖1所示）。因此，燒結(jié)NOx減排是鋼鐵行業(yè)NOx減排的重中之重。

燒結(jié)廠是鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的污染大戶，燒結(jié)煙氣排放的SO2、NOx及粉塵污染最為嚴(yán)重。近幾年來，燒結(jié)SO2的治理已收到顯著成效，NOx的減排也逐漸被提上議程。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國燒結(jié)NOx排放濃度一般在200～450mg/m3，也有部分實(shí)測濃度達(dá)到過700mg/m3，排放濃度主要與原燃料中的氮含量有關(guān)。有的雖然排放濃度不是很高，但煙氣排放總量大，以495m2燒結(jié)機(jī)為例，其主排氣的煙氣排放量就高達(dá)250萬m3/h。國內(nèi)除活性炭吸附工藝和有機(jī)催化煙氣綜合清潔技術(shù)外，鮮有其它燒結(jié)煙氣脫硝報道的實(shí)例，所以我國燒結(jié)NOx減排形勢仍然很嚴(yán)峻。

2011年鋼鐵工業(yè)重點(diǎn)企業(yè)SO2排放總量達(dá)75.39萬噸（占工業(yè)總排放量的3.7%）、工業(yè)煙（粉）塵排放總量達(dá)到46.45萬噸（占工業(yè)粉塵總排放量的4.2%）、NOx排放量46.56萬噸（占工業(yè)NOx總排放量的1.9%），其它未在統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)的小型企業(yè)其能耗更高、污染物排放也更嚴(yán)重。

圖1 2011年鋼鐵工業(yè)各工序廢氣NOx排放比例（%）

2 鋼鐵工業(yè)NOx排放新標(biāo)準(zhǔn)

2012年，國家環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染物防治“十二五”規(guī)劃》和《鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，不僅對粉塵和SO2排放濃度限值更加嚴(yán)格，同時新增了NOx、氟化物和二英的排放濃度限值。

我國與德國、澳大利亞的燒結(jié)煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)對比見表1，鋼鐵工業(yè)氮氧化物排放新舊標(biāo)準(zhǔn)的對比見表2。

表1 我國與其他國家的燒結(jié)煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)對比

表2 鋼鐵工業(yè)氮氧化物排放濃度新舊標(biāo)準(zhǔn)對比 （單位：mg/m3）

3 鋼鐵工業(yè)NOx減排控制技術(shù)

根據(jù)燒結(jié)工藝的特點(diǎn)，燒結(jié)過程產(chǎn)生的NOx可從以下三個方面進(jìn)行污染物進(jìn)行協(xié)同控制：源頭管理（原料管控）、過程控制（燒結(jié)廢氣循環(huán)）、末端治理（協(xié)同控制）[1]。

3.1 源頭管理（原料管控）

燒結(jié)工序產(chǎn)生的NOx主要為燃料型NOx，90%以上由燒結(jié)燃料（煤粉、焦粉）燃燒產(chǎn)生。因此，控制所用焦粉中氮元素含量及其存在形式，可有效控制NOx排放量。

燒結(jié)機(jī)NOx排放控制對策有：

（1）使用低氮焦炭是控制焦粉中氮元素含量最直接有效的方法

選用含氮量較低的焦粉作為燒結(jié)燃料時需考慮經(jīng)濟(jì)性問題。一方面，這增加了選煤的難度，含氮量較低焦粉的供給量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到燒結(jié)需求量；另一方面，含氮較低的焦粉價格高于普通焦粉，會增加燒結(jié)成本。

（2）控制NOx的生成與燒結(jié)操作制度有關(guān)

燒結(jié)NOx脫除與燒結(jié)溫度、料層厚度、燒結(jié)料粒徑及堿度等因素有關(guān)。礦石粒徑越小，越有利于脫氮反應(yīng)的進(jìn)行；料層厚度越大，NOx的生成量越低；提高燒結(jié)礦堿度有利于脫氮反應(yīng)的進(jìn)行；燒結(jié)前對上層燒結(jié)料進(jìn)行微波加熱預(yù)處理，也可以降低NOx的排放量。

（3）在燒結(jié)原料中加入添加劑以降低NOx生成量

有研究表明，在燒結(jié)原料中加入一定量的生石灰可抑制NOx的產(chǎn)生；添加碳?xì)浠衔铮ㄤ從?、稻殼、甘蔗渣等）也可顯著抑制NOx的生成。

（4）改善燒結(jié)點(diǎn)火燃燒器

點(diǎn)火爐采用線型燃燒器可以降低點(diǎn)火煤氣消耗量，達(dá)到節(jié)能和控制NOx產(chǎn)生的目的。

3.2 過程控制（廢氣循環(huán)）

NOx主要產(chǎn)生于燒結(jié)過程，所以對燒結(jié)工藝參數(shù)加以科學(xué)控制能有效降低NOx的生成量。控制燃料燃燒過程N(yùn)Ox生成的常用方法有：低NOx燃燒法、低氧燃燒法、分級燃燒法、煙氣循環(huán)法（FGR）等。由于燒結(jié)過程需要保持特定的溫度以及氧氣濃度，為了保證燒結(jié)產(chǎn)品質(zhì)量，一般不采用低NOx燃燒法、低氧燃燒法和分級燃燒法，而采用煙氣循環(huán)法。

煙氣循環(huán)法是通過收集部分風(fēng)箱的燒結(jié)煙氣循環(huán)返回至燒結(jié)料層，使煙氣中的SO2、NOx以及粉塵等污染物被燒結(jié)層分解、轉(zhuǎn)化、吸附的工藝。典型的燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)有EOS工藝、LEEP工藝和Eposint工藝、區(qū)域性廢氣循環(huán)和燒結(jié)廢氣循環(huán)利用技術(shù)等[2-5]。

3.2.1 能量優(yōu)化燒結(jié)技術(shù)EOS

EOS（Emission Optimized Sintering）技術(shù)由Outotec開發(fā)成功，外循環(huán)工藝于1995年在荷蘭克魯斯艾莫伊登（CORUS NL）的3臺燒結(jié)機(jī)上實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，2002年在安賽樂法國敦刻爾克廠應(yīng)用。德國蒂森·克虜伯、日本新日鐵及荷蘭霍戈文等3個燒結(jié)廠都有使用EOS技術(shù)降低燒結(jié)過程煙氣排放的報道。EOS工藝將主抽風(fēng)機(jī)排出的大約50%的煙氣引回到燒結(jié)機(jī)上的熱風(fēng)罩內(nèi)，剩余約50%煙氣外排。熱風(fēng)罩將燒結(jié)機(jī)全長都罩起來，在燒結(jié)過程中，為調(diào)整循環(huán)煙氣的氧含量，鼓入少量新鮮空氣與循環(huán)廢氣混合。這樣僅需對外排的約50%的燒結(jié)煙氣進(jìn)行處理，灰塵、NOx減少約45%，二英減少約70%，達(dá)到了環(huán)保要求。EOS工藝流程見圖2。

圖2 EOS工藝流程

3.2.2 環(huán)境型優(yōu)化燒結(jié)Eposint

由西門子奧鋼聯(lián)和位于奧地利林茨的奧鋼聯(lián)鋼鐵公司聯(lián)合開發(fā)的內(nèi)循環(huán)工藝Eposint（Environmentally Optimized Sintering），減少了SO2和NOx的絕對排放量，而且大幅度降低了廢氣中二英和汞的濃度，并減少了焦粉的單耗量，提高了燒結(jié)機(jī)的產(chǎn)量。2005年5月在西門子奧鋼聯(lián)林茨Voestalpine Stahl鋼鐵公司燒結(jié)廠5號燒結(jié)機(jī)上使用，其使用效果為：1）循環(huán)廢氣來自溫度最高、污染物（有害氣體、粉塵、重金屬、堿金屬、氯化物等）濃度最高的風(fēng)箱位置，同時還包括部分冷卻機(jī)熱廢氣；2）循環(huán)廢氣占廢氣總量的35%，O2濃度為13.5%，機(jī)罩占燒結(jié)機(jī)的75%；3）具有最高SO2濃度的煙氣循環(huán)進(jìn)入燒結(jié)料層，過剩硫被固定到燒結(jié)礦。Eposint工藝流程見圖3。

圖3 Eposint工藝流程

3.2.3 低排放能量優(yōu)化燒結(jié)工藝LEEP

LEEP（Low Emisson & Energy Optimised Sinter Process）工藝由德國HKM公司開發(fā)，并在其燒結(jié)機(jī)上實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。該燒結(jié)機(jī)設(shè)有兩個廢氣管道，一個管道只從機(jī)尾處回收熱廢氣，另一個管道回收燒結(jié)機(jī)前段的冷廢氣。通過噴入活性褐煤來進(jìn)一步減少剩余的二英。燒結(jié)機(jī)罩的設(shè)計(jì)不同于EOS裝置，這個機(jī)罩沒有完全覆蓋燒結(jié)機(jī)，有意允許一部分空氣漏進(jìn)來補(bǔ)充氣體中氧含量的不足，從而無需額外補(bǔ)給新鮮空氣。其運(yùn)行效果如下：1）選擇性利用機(jī)尾污染物含量偏高的煙氣，循環(huán)比例47%，O2濃度16%～18%；2）將冷煙氣（65℃）和熱煙氣（200℃）進(jìn)行熱交換；3）機(jī)罩沒有完全覆蓋燒結(jié)機(jī)，漏入部分空氣補(bǔ)充含氧量；4）廢氣可減排45%，燒結(jié)燃料消耗降低5kg/t，占燃料配比的12.5%。LEEP工藝流程見圖4。

圖4 LEEP工藝流程

3.2.4 區(qū)域性廢氣循環(huán)技術(shù)

區(qū)域性廢氣循環(huán)工藝在新日鐵公司戶畑廠3號480m2燒結(jié)機(jī)上使用，廢氣循環(huán)率約25%，循環(huán)廢氣的氧濃度19%，水分含量3.6%，對燒結(jié)礦質(zhì)量無不利影響。區(qū)域性廢氣循環(huán)工藝流程見圖5。

圖5 區(qū)域性廢氣循環(huán)工藝流程

3.2.5 燒結(jié)廢氣余熱循環(huán)利用技術(shù)

寶鋼寧波鋼鐵公司430m2燒結(jié)機(jī)上成功應(yīng)用燒結(jié)煙氣循環(huán)系統(tǒng)，這是國內(nèi)首套燒結(jié)廢氣余熱循環(huán)利用的節(jié)能減排項(xiàng)目，填補(bǔ)了國內(nèi)大型燒結(jié)機(jī)廢氣循環(huán)利用和多種污染物深度凈化空白，被列為國家發(fā)改委低碳技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目，其使用效果如下：1）非選擇性與選擇性循環(huán)并存，綜合利用主煙道和冷卻熱廢氣；2）固體燃料降低6%，粉塵和SO2排放量大幅度降低，NOx排放量少量降低。燒結(jié)廢氣余熱循環(huán)利用技術(shù)工藝流程見圖6。

圖6 燒結(jié)廢氣余熱循環(huán)利用技術(shù)工藝流程

上述5種主要煙氣循環(huán)利用技術(shù)的節(jié)能減排效果比較見表3。

表3 燒結(jié)煙氣循環(huán)利用技術(shù)的節(jié)能減排效果比較 （%）

3.3 末端治理（協(xié)同控制）

當(dāng)燒結(jié)原料含氮量過高或前、中端治理未能達(dá)標(biāo)時，對燒結(jié)煙氣的處理就顯得尤為重要，這是確保NOx達(dá)標(biāo)排放的最終保障。目前，世界上脫硝工程使用的主要工藝有選擇性非催化還原法（SNCR）和選擇性催化還原法（SCR）。

煙氣脫硝工程中常用的SNCR、SCR工藝無法直接應(yīng)用于燒結(jié)煙氣脫硝，因此必須研發(fā)新型煙氣脫硝技術(shù)，以滿足日益嚴(yán)格的燒結(jié)NOx排放要求。

燒結(jié)是鋼鐵生產(chǎn)的主要工序，也是鋼鐵行業(yè)NOx的主要排放源。燒結(jié)煙氣中除了含有NOx，還含有二英、SO2等污染物，如果只針對NOx進(jìn)行單一減排，不僅投資大，能耗高，效果也不理想。因此，采取綜合性燒結(jié)污染物減排技術(shù)是實(shí)現(xiàn)燒結(jié)NOx減排的最佳途徑。

4 鋼鐵工業(yè)NOx控制技術(shù)的應(yīng)用和創(chuàng)新

4.1 活性炭吸附工藝

活性炭吸附工藝的應(yīng)用瓶頸為：1）場地條件限制，由于建設(shè)初期未預(yù)留煙氣凈化設(shè)備場地，受場地條件限制，這種流程長、占地大的工藝很難被采用；2）投資和運(yùn)行成本高；3）活性炭反復(fù)使用后吸附率降低，消耗大，活性炭再生能耗較高。

活性焦（炭）干法煙氣凈化技術(shù)目前已在國內(nèi)外多家大型鋼鐵企業(yè)的燒結(jié)脫硫項(xiàng)目中得到應(yīng)用。目前，采用活性焦（炭）干法燒結(jié)脫硫脫硝的大型鋼鐵公司有日本新日鐵、JFE、住友金屬和神戶制鋼，韓國浦項(xiàng)鋼鐵和現(xiàn)代制鐵，澳大利亞的博思格鋼鐵以及中國的太鋼（集團(tuán)）公司等?；钚越梗ㄌ浚└煞煔鈨艋夹g(shù)能一體化協(xié)同脫除SO2、NOx、二英、重金屬、鹵化氫和粉塵等污染物，煙氣處理量多數(shù)在（90～210）×104Nm3/h，運(yùn)行取得了良好的效果。

活性焦（炭）干法煙氣凈化技術(shù)目前尚存在運(yùn)行成本高、設(shè)備龐大且造價高、腐蝕問題突出、外圍系統(tǒng)復(fù)雜、系統(tǒng)長期運(yùn)行的穩(wěn)定性等問題。

4.2 有機(jī)催化煙氣綜合清潔技術(shù)[6]

有機(jī)催化煙氣綜合清潔技術(shù)來源于以色列Lextran公司，利用其生產(chǎn)的具有Lextran專利的催化氧化劑對煙氣中的SO2、NOx等酸性氣體進(jìn)行強(qiáng)力捕捉。當(dāng)煙氣與含有催化劑的循環(huán)液在吸收塔內(nèi)逆向流動接觸時，SO2、NOx就會被催化劑捕捉并且被氧化成為硫酸或硝酸。在加入中和劑（氨水）的情況下，最終反應(yīng)生產(chǎn)硫酸銨或硝酸銨化肥。在脫硫脫硝的同時，該催化氧化劑對汞等重金屬也具有極強(qiáng)的物理溶解吸附效果，從而去除煙氣中的汞等重金屬。所以，催化氧化法煙氣綜合清潔技術(shù)是低溫狀態(tài)下單一系統(tǒng)中能同時進(jìn)行脫硫、脫硝、脫汞、二次除塵多效合一的先進(jìn)技術(shù)。有機(jī)催化氧化煙氣綜合清潔技術(shù)工藝流程見圖7。

圖7 有機(jī)催化氧化煙氣綜合清潔技術(shù)工藝流程圖

有機(jī)催化煙氣綜合清潔技術(shù)的特點(diǎn)：1）脫硝效率高，出口SO2排放濃度≤50mg/Nm3；2）NOx的脫除效率在80%以上；3）Hg的脫除效率在90%以上； 4）催化氧化法綜合清潔技術(shù)屬于濕法，脫硝效率高，單位燒結(jié)礦運(yùn)行成本低，最終生產(chǎn)的是硫酸銨或硝酸銨化肥。

（1）技術(shù)優(yōu)勢

1）脫硫效率高，出口煙氣SO2可達(dá)到排放濃度＜50mg/Nm3；2）對于煙氣溫度、SO2濃度和煙氣量的適應(yīng)性強(qiáng)；3）系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，無管道堵塞、結(jié)垢現(xiàn)象；4）資源利用優(yōu)勢，利用焦化廠蒸氨后氨水，可實(shí)現(xiàn)以廢治廢；5）可降低焦化廠廢水的處理負(fù)荷；6）脫硫劑（催化氧化劑）可循環(huán)使用；7）對燒結(jié)機(jī)主系統(tǒng)無影響，與燒結(jié)機(jī)主系統(tǒng)的同步率在98%以上。

（2）環(huán)保優(yōu)勢

1）無二次污染物和廢棄物排放；2）脫硫系統(tǒng)具有同步脫硝（燒結(jié)排煙溫度下低溫脫硝效率＞80%）及脫重金屬汞的能力，為今后的脫硝脫汞預(yù)留了空間；3）可對焦化廠產(chǎn)生的廢氨水進(jìn)行綜合治理，并生產(chǎn)出完全滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)用化肥硫酸銨；4）脫硫裝置可快速啟動投入，在運(yùn)行條件下能可靠并穩(wěn)定地連續(xù)運(yùn)行，并可滿足以后國家脫硫標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步升級的要求。

（3）成本優(yōu)勢

1）運(yùn)行成本低，在正常運(yùn)行狀況下的運(yùn)行成本與國內(nèi)其它脫硫工藝成本相比，可降低4～10元/噸燒結(jié)礦；2）系統(tǒng)便于操作維護(hù)，維護(hù)費(fèi)用較低；3）催化氧化劑可重復(fù)循環(huán)使用（催化氧化劑使用壽命在15年以上），并可生產(chǎn)高附加值的硫酸銨產(chǎn)品，在脫硫的同時幫助企業(yè)降低了生產(chǎn)成本。

（4）產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用瓶頸

目前國內(nèi)有機(jī)催化煙氣清潔技術(shù)剛推廣使用，有機(jī)催化劑需進(jìn)口，尚未國產(chǎn)化，價格較高。

5 鋼鐵工業(yè)NOx控制技術(shù)存在的主要問題

（1）企業(yè)目前的排放狀況無法滿足新標(biāo)準(zhǔn)的要求

（2）不同污染物分別治理向多污染物協(xié)同治理轉(zhuǎn)變

（3）企業(yè)缺乏足夠的利潤空間支撐環(huán)保投入

我國鋼鐵企業(yè)要滿足新排放標(biāo)準(zhǔn)的要求并達(dá)到世界先進(jìn)水平，噸鋼環(huán)保投資與運(yùn)行成本需要增加100元以上，再加上企業(yè)需要繳納的排污費(fèi)、環(huán)境稅等環(huán)保相關(guān)稅費(fèi)，這對于目前處于微利和虧損邊緣的鋼鐵行業(yè)來說無疑很困難。

國內(nèi)外多家鋼鐵企業(yè)采用燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)后的節(jié)能減排效果表明，在保障生產(chǎn)指標(biāo)不降低的情況下，燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)可減少燒結(jié)工藝生產(chǎn)的廢氣排放總量和污染物排放量，并能回收煙氣余熱、降低燒結(jié)生產(chǎn)能耗。因此，燒結(jié)廢氣循環(huán)利用技術(shù)可作為擬建燒結(jié)煙氣脫硫脫硝降低投資和已建燒結(jié)脫硫脫硝改造增產(chǎn)的手段，也是我國燒結(jié)機(jī)未來升級改造的主要方向。

[1] 蘇玉棟，李咸偉，范曉慧.燒結(jié)過程中NOx減排技術(shù)研究進(jìn)展[J].燒結(jié)球團(tuán)，2013（6）：41-44.

[2] 鄭綏旭.燒結(jié)煙氣循環(huán)工藝的必要性與可行性分析[C].//2013年中冶北方球團(tuán)技術(shù)研討會.遼寧大連，2013：1-24.

[3] 甘敏.煙氣循環(huán)燒結(jié)的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[C].//中國金屬學(xué)會.2013年全國燒結(jié)煙氣綜合治理技術(shù)研討會文集.山西大同，2013：1-42.

[4] 毛艷麗，張東麗，曲余玲.燒結(jié)主排煙氣減排與余熱高效回收技術(shù)[J].冶金能源，2011（5）：49-54.

[5] 楊曉東.節(jié)能環(huán)保新形勢下鋼鐵工業(yè)廢氣（PM2.5）污染防治[C].//中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會.2014年中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會2014年理事會會議.北京，2014：51.

[6] 2020年我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展愿景及若干重大問題研究[Z].中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會，2014.

Innovation and Application of NOxControl Technology in Iron and Steel Industry

LIU Wen-quan, WANG Ze-wu

X701

A

1006-5377（2014）11-0025-06