降低鍋爐煙氣氮氧化物含量實現(xiàn)排放達標

張少杰，李連歡

（天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津301500）

0 引言

鋼鐵聯(lián)合企業(yè)高爐和轉(zhuǎn)爐冶煉過程中會產(chǎn)生副產(chǎn)品高、轉(zhuǎn)爐煤氣，除高、轉(zhuǎn)爐工序自用自外，仍有35%～40%的富余煤氣被送往高、轉(zhuǎn)爐煤氣柜，如果不能充分利用將要點火放散，既浪費能源又污染了環(huán)境。目前鋼鐵企業(yè)為了實現(xiàn)綠色和可持續(xù)發(fā)展，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟和資源綜合利用項目，主要采取的措施就是利用富余的高、轉(zhuǎn)爐煤氣進行發(fā)電。利用鍋爐燃燒煤氣發(fā)電可以有效回收和利用富余的煤氣，減少資源浪費，保護生態(tài)環(huán)境，提高企業(yè)綜合效益。

但發(fā)電鍋爐煤氣燃燒產(chǎn)生的氮氧化物又成為新的污染源，常規(guī)降低鍋爐煙氣氮氧化物排放的方法投資成本較高。因此本文通過對鍋爐運行參數(shù)和燃燒系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)和輔助設(shè)備的分析，制定了鍋爐煙氣氮氧化物的治理方案。生產(chǎn)實踐證明治理方案科學(xué)有效，通過鍋爐工藝參數(shù)的調(diào)整和設(shè)備的改造，使尾氣中氮氧化物排放值達到了超低排放標準，節(jié)省了治理成本。

1 高、轉(zhuǎn)爐煤氣

1.1 高爐煤氣

高爐煉鐵的過程中燒結(jié)礦等含鐵物料與焦炭等原燃料由爐頂裝入高爐，經(jīng)過一系列的氧化、還原反應(yīng)和渣鐵分離過程，最終形成液態(tài)鐵水、熔渣和煤氣三種產(chǎn)品。其中焦炭氧化燃燒時產(chǎn)生大量的CO2和CO，鼓風(fēng)帶入的水蒸汽在高溫和焦炭的作用下分解形成H2和CO[1]。焦炭氧化燃燒和蒸汽還原分解反應(yīng)方程式如下：

C+O2=CO2

2C+O2=2CO

H2O+C=2CO+H2

CO2+C=2CO

焦炭燃燒和水蒸汽還原反應(yīng)產(chǎn)物CO2、CO、H2及少量CH4和熱風(fēng)中的N2組成高爐煤氣的主要成分，其成分及熱值如表1所示。

表1 高爐煤氣組成及發(fā)熱值

1.2 轉(zhuǎn)爐煤氣

在轉(zhuǎn)爐吹氧煉鋼過程中，鐵水中的碳在氧的作用下，形成含CO2，CO的轉(zhuǎn)爐煤氣排出[2]。在此過程中，碳的氧化按下列反應(yīng)式進行：

2C+O2=2CO

C+O2=CO2

CO2+C=2CO

碳氧化得到的CO2、CO混合爐口吸進的空氣組成轉(zhuǎn)爐煤氣，其成分及熱值如表2所示。

2 高、轉(zhuǎn)爐煤氣的利用

表2 轉(zhuǎn)爐煤氣組成及發(fā)熱值

2.1 在主要生產(chǎn)工序的使用

（1）用于燒結(jié)工序作為點火燃料和活性白灰窯燃料；

（2）在煉鐵工序作為高爐熱風(fēng)爐燃料，鐵水包烘烤燃料；

（3）可用于轉(zhuǎn)爐煉鋼的鋼包烘烤、中間包烘烤等工序；

（4）軋鋼蓄熱式加熱爐燃料等。

2.2 在輔助工序的應(yīng)用

高、轉(zhuǎn)爐煤氣作為煉鐵及煉鋼工藝的附屬產(chǎn)品，受生產(chǎn)過程影響較大，其成分、發(fā)熱值、流量均不穩(wěn)定，整個煤氣系統(tǒng)總是處于動態(tài)變化之中。作為燃料供企業(yè)各生產(chǎn)工序使用，并不能充分利用，仍會產(chǎn)生部分煤氣放散。煤氣柜能夠削減由于煤氣供需不平衡引起的瞬時波動，在滿足在主要生產(chǎn)工序的使用后，富余的煤氣可用于廠區(qū)動力鍋爐和自備電廠發(fā)電。由于發(fā)電可以并網(wǎng)，因此發(fā)電量不受限制，可以消耗所有的剩余煤氣，實現(xiàn)高、轉(zhuǎn)爐煤氣零排放。

3 降低副產(chǎn)煤氣燃燒氮氧化物排放的方法

目前鋼鐵企業(yè)均對富余的高、轉(zhuǎn)爐煤氣進行綜合利用，主要方式通過燃氣鍋爐生產(chǎn)蒸汽，除滿足生產(chǎn)動力蒸汽需求外，其余蒸汽主要用于推動汽輪機發(fā)電，但是煤氣燃燒后產(chǎn)生的氮氧化物又成為新的污染源[3]。為達到環(huán)保要求，必須對煤氣燃燒后煙氣的氮氧化物含量進行控制。

3.1 對鍋爐燃燒系統(tǒng)進行改造的方法

對鍋爐燃燒系統(tǒng)進行改造，更換低氮燃燒器，通過設(shè)計改變?nèi)紵绞胶涂杖急瓤梢越档偷趸锏纳闪?，使其排放達到環(huán)保標準，但是此方法投入成本較高，對于使用鍋爐較多的鋼鐵企業(yè)而言一次性投入較大并不經(jīng)濟。

3.2 對鍋爐的煙氣系統(tǒng)進行改造的方法

在鍋爐的煙氣系統(tǒng)中增加脫硝設(shè)備，比如有選擇性催化還原技術(shù)（SCR）、氧化脫硝技術(shù)等，此法對氮氧化物排放值的降低效果顯著，但同樣面臨增加大量的施工及設(shè)備投資成本的問題。

3.3 調(diào)整工藝和優(yōu)化輔助設(shè)備降低氮氧化物的排放的方法

高、轉(zhuǎn)爐煤氣燃燒后煙氣中的氮氧化物來源主要為熱力型NOx，即高溫燃燒過程中空氣中所含氮氣氧化產(chǎn)生，因此可以從降低燃燒溫度，控制過?？諝庀禂?shù)和氣體在高溫區(qū)的停留時間等幾個方面加以控制[4]。

3.3.1控制爐膛升溫速度

對比煙氣在線氮氧化物監(jiān)測數(shù)據(jù)與鍋爐運行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)鍋爐在增加負荷階段，爐膛溫度上升較快，相對應(yīng)的氮氧化物含量也隨之快速增加，針對此問題要求操作人員按照鍋爐升溫曲線穩(wěn)步增加煤氣燃燒量，使氮氧化物排放量保持穩(wěn)定，不會突然升高。

3.3.2 減少煤氣與氮氣接觸

氮氧化物中的氮主要來源于空氣、煤氣中所含的氮氣。減少鍋爐氮氣的使用量，可以減少尾氣中氮氧化物的生成量。因此，將原有工業(yè)攝像頭位置的冷卻氣體由氮氣改為凈壓縮空氣，減少不必要的氮氣輸入，可以有減少燃燒后氮氧化物的產(chǎn)生。

3.3.3 降低爐膛內(nèi)氧含量、控制爐溫

如果空氣系數(shù)大，爐膛內(nèi)氧氣含量高，也會造成氮氧化物的排放量增加。在保證煤氣能夠充分燃燒的情況下，將鍋爐空氣過剩系數(shù)控制在1.25左右，使爐膛含氧量由3%～5%降低到1.5%～2%，造成爐膛內(nèi)發(fā)生缺氧燃燒，延長燃燒時間和火焰長度，降低爐膛高溫段的溫度，使其達不到氮氧化物形成的溫度值，可以使氮氧化物的排放量進一步降低。

3.3.4 控制鍋爐增減負荷的速度

鍋爐增減負荷的速度過快，發(fā)生過燒現(xiàn)象也會提高氮氧化物的排放量。因此當供給鍋爐的煤氣壓力突然發(fā)生變化時，要協(xié)同汽機、發(fā)電機崗位及時調(diào)整負荷，減少過燒現(xiàn)象，從而減少氮氧化物的過量排放。

綜上所述，通過對鍋爐燃燒系統(tǒng)和煙氣系統(tǒng)進行改造減少氮氧化物排放的方法，改造工程量大、施工難度高和投資成本高，目前不宜作為企業(yè)減少氮氧化物排放的主要方式。而通過調(diào)整調(diào)整鍋爐操作工藝和優(yōu)化輔助設(shè)備配置減少氮氧化物排放的方法方式，簡單、經(jīng)濟，切實可行。

4 調(diào)整工藝和優(yōu)化輔助設(shè)備降低氮氧化物排放效果

對天鋼聯(lián)合特鋼燃氣鍋爐進行調(diào)整及優(yōu)化前后數(shù)據(jù)進行對比監(jiān)測，每隔1小時對鍋爐煙氣中氮氧化物的排放值進行監(jiān)測，各監(jiān)測24小時結(jié)果如圖1所示。

圖1 調(diào)整前后NOx排放值比較

調(diào)整工藝及優(yōu)化輔助設(shè)備前氮氧化物的排放值均在40.13～73.39 mg/Nm3之間，并且數(shù)值波動較大。經(jīng)過調(diào)整及優(yōu)化后氮氧化物排放值基本維持在20 mg/Nm3左右，完全符合現(xiàn)有環(huán)保排放要求且低于排放標準值。說明調(diào)整工藝和優(yōu)化輔助設(shè)備降低氮氧化物排放效果顯著。

5 結(jié)語

針對燃氣鍋爐煤氣燃燒所產(chǎn)生的氮氧化物含量超標問題，天鋼聯(lián)合特鋼確定了以調(diào)整工藝和優(yōu)化輔助設(shè)備配置作為降低鍋爐煙氣氮氧化物排放的主要方法，通過控制爐膛升溫速度，減少煤氣與氮氣接觸，降低爐膛內(nèi)氧含量，控制鍋爐高溫區(qū)爐溫，以及控制鍋爐增減負荷的速度等工藝調(diào)整及輔助設(shè)備配置優(yōu)化后，鍋爐煙氣氮氧化物的排放值從40.13～73.39 mg/Nm3降至20 mg/Nm3左右，達到了超低排放標準。實踐證明此方法科學(xué)、有效，即節(jié)省了設(shè)備改造的投資費用，又避免了使用脫硝設(shè)備后產(chǎn)生的二次污染風(fēng)險。