鋼鐵燃?xì)忮仩t廢氣氮氧化物排放控制技術(shù)應(yīng)用探討

?；?， 原志勇， 江 波， 秦莉萍

(首鋼長(zhǎng)治鋼鐵有限公司環(huán)保處，山西 長(zhǎng)治 046031)

1 燃?xì)忮仩t氮氧化物形成機(jī)理

1.1 燃?xì)忮仩t構(gòu)成和工作原理

燃?xì)忮仩t包括燃?xì)馊紵O(shè)備和鍋爐本體兩部分。燃?xì)馊紵O(shè)備主要包括爐膛、燃燒器及與燃燒過(guò)程有關(guān)的其他設(shè)備，其工作原理是將一定數(shù)量的可燃?xì)怏w和空氣通入燃燒設(shè)備中，通過(guò)可燃?xì)怏w的燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽o鍋爐本體提供持續(xù)的熱能。

鍋爐本體是借助燃燒設(shè)備提供的熱能將水轉(zhuǎn)化為水蒸氣的設(shè)備。其工作原理就是將一定數(shù)量的可燃?xì)怏w和相應(yīng)數(shù)量的空氣送入爐內(nèi)燃燒，燃燒所發(fā)出的熱量傳遞給水，使水在定壓下汽化而形成一定壓力和溫度的水蒸氣。

1.2 燃?xì)忮仩tNOx的形成機(jī)理

相對(duì)于燃煤鍋爐而言，燃?xì)忮仩t具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，其顆粒物和SO2排放量大幅減少，有效降低了環(huán)境污染，燃?xì)忮仩t生成NOx類型可分為三類：燃料型NOx、快速型NOx和熱力型NOx。

燃料型NOx是指燃料中氮的有機(jī)化合物(C5H5N、C9H7N)在燃燒過(guò)程中氧化而生成的NOx；快速型NOx是指燃料中碳?xì)浠衔镌谌剂蠞舛容^高的區(qū)域燃燒時(shí)所產(chǎn)生的烴與燃燒空氣中的氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)，形成的HCN和CN等化合物繼續(xù)被氧化而生成的NOx；

熱力型NOx是指空氣中的N2在燃燒高溫下氧化生成的NOx。熱力型NOx的生成一般采用捷里道維奇機(jī)理：即當(dāng)溫度低于1 500 ℃時(shí)，熱力型NOx的生成量很少；高于1 500 ℃時(shí)，溫度每升高100 ℃，反應(yīng)速度將增大6倍～7倍。

2 鋼鐵燃?xì)忮仩t用煤氣的主要特點(diǎn)

鋼鐵企業(yè)使用的燃?xì)庵饕獮樽陨砩a(chǎn)工藝產(chǎn)生的三大煤氣，即高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣。各煤氣相關(guān)燃燒利用相關(guān)特性如下。

高爐煤氣產(chǎn)生量1 800 m3/t～2 000 m3/t(鐵)，主要燃燒成分為CO,體積分?jǐn)?shù)25%～30%，熱值3 349 kJ/m3～3 558 kJ/m3,著火溫度大于700 ℃,在空、煤氣不預(yù)熱，空氣系數(shù)為1.05時(shí)，燃燒溫度1 420 ℃～1 480 ℃。

表1為某企業(yè)高爐煤氣成分指標(biāo)。

表1 高爐煤氣成分指標(biāo)

1)轉(zhuǎn)爐煤氣

根據(jù)鐵水成分不同，冶煉一噸鋼可產(chǎn)生轉(zhuǎn)爐煤氣90 m3～130 m3，轉(zhuǎn)爐煤氣主要燃燒成分為CO,含量50%～70%，熱值8 371 kJ/m3～9 209 kJ/m3,空氣、煤氣不預(yù)熱，空氣系數(shù)為1.05時(shí)，燃燒溫度為1 500 ℃～1 600 ℃(轉(zhuǎn)爐一次除塵工藝采用濕法時(shí)燃燒溫度低一些)，表2為某企業(yè)轉(zhuǎn)爐煤氣成分指標(biāo)。

表2 轉(zhuǎn)爐煤氣成分指標(biāo)

2)焦?fàn)t煤氣

每煉1 t焦可生產(chǎn)出300 m3～320 m3焦?fàn)t煤氣，其主要成分是55%～58%氫氣、25%～27%甲烷，熱值16 743 kJ/m3～18 836 kJ/m3,在空、煤氣不預(yù)熱，空氣系數(shù)為1.05時(shí)，焦?fàn)t煤氣的燃燒溫度1 950 ℃～2 020 ℃。表3為某企業(yè)焦?fàn)t煤氣成分指標(biāo)。

表3 焦?fàn)t煤氣成分指標(biāo)

3 影響燃?xì)忮仩t氮氧化物排放值因素分析

3.1 煤氣特性影響

1)高爐煤氣為鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生量最大的煤氣，占煤氣總量的90%以上，煤氣中有機(jī)物含量很小，所以在燃?xì)忮仩t燃燒中約2%燃燒成分為CO,高爐煤氣燃燒溫度低于1 500 ℃，正常配燒空氣不會(huì)導(dǎo)致廢氣中NOx超標(biāo)。

2)轉(zhuǎn)爐煤氣燃燒溫度稍高于1 500 ℃，多在1 500 ℃～1 600 ℃，單獨(dú)燃燒可能會(huì)導(dǎo)致廢氣中NOx超標(biāo)；但由于其在鋼鐵企業(yè)煤氣產(chǎn)生量中最小，一般與其他煤氣配合使用，不是導(dǎo)致廢氣中NOx超標(biāo)主要因素。

3)焦?fàn)t煤氣燃燒溫度在鋼鐵三大煤氣中最高，基本在1 800 ℃以上，同時(shí)煤氣成分中有碳?xì)浠衔锖秃扇嘉?，屬于?dǎo)致廢氣中NOx超標(biāo)的主要燃?xì)狻?/p>

3.2 燃燒制度的影響

1)燃?xì)忮仩t的氮氧化物指標(biāo)監(jiān)測(cè)規(guī)范。

2019年4月生態(tài)環(huán)境部等五部委對(duì)鋼鐵企業(yè)燃?xì)忮仩t的要求如表4。

表4 鋼鐵企業(yè)燃?xì)忮仩t指標(biāo) mg/m3

同時(shí)，根據(jù)2014年《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13271-2014)中大氣污染物基準(zhǔn)含氧量排放濃度折算方法，燃?xì)忮仩t基準(zhǔn)含氧量為3.5%，并規(guī)定了折算方法，因此廢氣中氧含量高低是影響排放濃度的一個(gè)主要內(nèi)容。

2)煤氣燃燒溫度與配燒的助燃?xì)獾呐浔群秃趿棵芮邢嚓P(guān)?？諝膺^(guò)剩系數(shù)過(guò)大或過(guò)小時(shí)，煤氣燃燒溫度降低；助燃風(fēng)氧含量大于21%，燃燒溫度增高，助燃風(fēng)氧含量降低，燃燒溫度降低。

4 鋼鐵燃?xì)忮仩t煙氣氮氧化物治理技術(shù)應(yīng)用情況

根據(jù)燃?xì)忮仩tNOx產(chǎn)生的機(jī)理及其影響因素，目前實(shí)現(xiàn)燃?xì)忮仩tNOx達(dá)標(biāo)排放有兩種方式，即低氮燃燒和煙氣脫硝。

4.1 低氮燃燒

低氮燃燒技術(shù)屬于源頭治理，通過(guò)采用新型燃燒方式和生產(chǎn)工藝，對(duì)燃燒過(guò)程中燃燒條件和燃燒器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，達(dá)到在燃燒過(guò)程中控制NOx產(chǎn)生量的目的。低氮燃燒技術(shù)一般可使NOx的排放量降低30%～60%。

根據(jù)具體方式它又分為低氮燃燒控制、低氮燃燒器、煙氣再循環(huán)燃燒法。

4.1.1 低氮燃燒控制

低氮燃燒控制分三個(gè)方面，一是控制煤氣中含氮有機(jī)物的生成，如，焦?fàn)t煤氣中氰化物和氨氣的定期檢測(cè)和前端控制，控制燃料型氮氧化物生成；高爐煤氣入爐焦炭、噴煤控制，減少煤氣中含氮有機(jī)物生成，控制快速型氮氧化物生成。二是根據(jù)高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣和焦?fàn)t煤氣的燃燒特性，對(duì)影響執(zhí)力型氮氧化物生成不同的焦?fàn)t煤氣和高爐、轉(zhuǎn)爐煤氣進(jìn)行合理配比，通過(guò)合理混燒，減少氮氧化物生成。三是控制煤氣和空氣的配比，避免燃燒中空氣過(guò)剩，增加廢氣中的氧含量，導(dǎo)致廢氣中氮氧化物濃度超標(biāo)。

4.1.2 低氮燃燒器

低氮燃燒器是低氮燃燒在燃燒結(jié)構(gòu)形式和數(shù)量布置上的具體應(yīng)用，總的來(lái)說(shuō)，在保證鍋爐工藝性能(爐膛溫度)前提下，在爐膛中，為了抑制NOx的生成，除了降低爐內(nèi)平均溫度外，還必須設(shè)法使?fàn)t內(nèi)溫度分布均勻，避免局部高溫。

4.1.2.1 燃?xì)夂涂諝夥旨?jí)供給

一級(jí)燃燒區(qū)為火焰中心區(qū)域，二級(jí)燃燒區(qū)為火焰外圍區(qū)域。在一級(jí)燃燒區(qū)，一級(jí)燃?xì)獾膹较驓饬髋c一級(jí)空氣的旋轉(zhuǎn)氣流相交形成了旋轉(zhuǎn)火焰，縮短了煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間降低火焰中心溫度；在二級(jí)燃燒區(qū)，二級(jí)燃?xì)夂投?jí)空氣為軸向氣流，形成平行氣流混合，減弱了燃?xì)夂涂諝獾幕旌希档腿紵俣?，拉長(zhǎng)火焰，增大火焰與爐膛的輻射換熱面積，充分利用了爐膛水冷壁的冷卻作用，增加火焰散熱量，降低了火焰溫度，同時(shí)爐膛內(nèi)形成較均勻的溫度場(chǎng)，避免形成局部高溫。

4.1.2.2 分割火焰燃燒

在二級(jí)燃燒區(qū)，二級(jí)燃?xì)鈬婎^由多個(gè)軸向氣流火孔組成，形成多個(gè)火焰，使火焰散熱面積增大，降低火焰溫度。同時(shí)，由于多個(gè)火焰，使火焰變小，縮短了氮和氧在火焰中的停留時(shí)間。

4.1.3 煙氣再循環(huán)

煙氣再循環(huán)技術(shù)是指將燃燒產(chǎn)生的一部分煙氣抽回，不排放進(jìn)大氣，而是與新鮮空氣及燃?xì)饣旌希纬苫旌蠚怏w送入爐膛內(nèi)部，共同參與燃燒。因煙氣混合稀釋了氧濃度,使燃燒速度和爐內(nèi)溫度降低。煙氣再循環(huán)技術(shù)的實(shí)質(zhì)是改變參與燃燒的混合氣體中氧、氮的占比，使其有良好的燃燒效率同時(shí)降低NOx排放量。

煙氣再循環(huán)的效果與燃料種類、燃燒器負(fù)荷和再循環(huán)的煙氣量有關(guān)。再循環(huán)煙氣量與未采用煙氣再循環(huán)時(shí)的煙氣總量之比，稱為煙氣再循環(huán)率。煙氣再循環(huán)率的增大可降低NOx的生成率，煙氣再循環(huán)率一般控制在20%以下。

4.2 煙氣脫硝

煙氣脫硝通過(guò)增加尾部煙氣處理裝置，即對(duì)燃燒后的煙氣中的NOx進(jìn)行處理，利用物理、化學(xué)等工藝技術(shù)對(duì)生成的煙氣進(jìn)行脫硝工藝的處理，使之生成不具有污染性質(zhì)的物質(zhì)，主要包括：選擇性催化還原(SCR)技術(shù)、選擇性非催化還原(SNCR)技術(shù)液體吸收技術(shù)、固體吸附技術(shù)等。

1)選擇性催化還原(SCR)技術(shù)。選擇性催化還原法(SCR)脫硝技術(shù)是利用NH3在催化劑(如鐵、釩、鉻、鉬等)、燃燒溫度200 ℃～450 ℃條件下，將NOx還原為氮?dú)?。SCR技術(shù)的脫硝率比較高，可以達(dá)到90%以上，是當(dāng)前應(yīng)用最多、技術(shù)最成熟的煙氣脫硝控制技術(shù)。

2)選擇性非催化還原(SNCR)技術(shù)。選擇性非催化氧化還原法(SNCR)脫硝技術(shù)是把含有NH3基的還原劑(如氨、尿素、可蘭素等)噴入燃燒反應(yīng)區(qū)，將NOx轉(zhuǎn)換為N2和H2O，其主要化學(xué)反應(yīng)原理與選擇性催化還原法(SCR)相同，不需要使用催化劑。缺點(diǎn)是產(chǎn)生副產(chǎn)物，另一種大氣污染物氨氣。

5 鋼鐵燃?xì)忮仩t氮氧化物治理建議

首先根據(jù)燃?xì)忮仩t環(huán)保排放要求和企業(yè)高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣和焦?fàn)t煤氣燃燒特性以及產(chǎn)生量采用不同的治理措施。

1)根據(jù)鋼鐵企業(yè)煤氣總平衡，如果能保證鋼鐵燃?xì)忮仩t用的焦?fàn)t煤氣占比不超高爐和轉(zhuǎn)爐煤氣總量的10%，應(yīng)采用源頭治理方式。

a)助燃風(fēng)的過(guò)剩系數(shù)按1.05～1.10控制。

b)根據(jù)鍋爐結(jié)構(gòu)優(yōu)先采用低氮燃燒方式，在滿足鍋爐爐膛溫度前提下，盡量避免鍋爐各個(gè)燃燒器運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)溫度。

c)配套煙氣循環(huán)。

2)如果企業(yè)用戶平衡后，焦?fàn)t煤氣富余多，難以保證氮氧化物排放指標(biāo)，可考慮輔助末端治理設(shè)施。

a)由于煙氣氮氧化物治理工藝多要產(chǎn)生氨，氨排放逐漸成為國(guó)家關(guān)注的重點(diǎn)大氣污染物，所以優(yōu)先選用氨排放較低的治理工藝-SCR脫硝。

b)應(yīng)用SCR脫硝工藝時(shí)，充分利用原煙氣熱能，將裝置盡量靠鍋爐高溫?zé)煔饣蛟谠邷責(zé)煔夤苈飞稀?/p>

3)燃?xì)忮仩t煤氣質(zhì)量異常指標(biāo)控制。

a)完善焦?fàn)t和高爐煤氣指標(biāo)體系，增加氨和氰化物指標(biāo)，并明確限值。

b)根據(jù)焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣產(chǎn)生工藝，制定相應(yīng)的高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣指標(biāo)保證措施，避免運(yùn)行濕熄焦工藝導(dǎo)致的煙氣氮氧化物排放值升高。

4)持續(xù)與同行業(yè)優(yōu)秀企業(yè)的交流學(xué)習(xí)，及時(shí)掌握實(shí)踐應(yīng)用中源頭治理新技術(shù)和先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，真正推進(jìn)企業(yè)減污降碳高質(zhì)量發(fā)展。