鋼鐵企業(yè)燒結(jié)煙氣脫硝工藝的探討

摘要：燒結(jié)煙氣是鋼鐵企業(yè)的重要污染物，為了響應(yīng)國家去產(chǎn)能、減排政策的實施，燒結(jié)煙氣脫硝已成為國內(nèi)外脫硝研究領(lǐng)域的一個熱點。本文結(jié)合實際工程，從鋼鐵企業(yè)燒結(jié)煙氣目前存在的問題入手，對現(xiàn)今主要脫硝技術(shù)進行分析對比，并指出臭氧氧化脫硝是燒結(jié)煙氣脫硝的一種新思路，脫硝效率達到了70%以上，為鋼鐵企業(yè)燒結(jié)煙氣脫硝治理指引了新的研究方向。

關(guān)鍵詞：燒結(jié)煙氣；脫硝；臭氧氧化

中圖分類號：X701 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2018）05-0082-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.05.049

Abstract： The sintering flue gas is the major pollutant in steel enterprises. The flue gas denitration is a hotpot due to the national policy. This paper discussed the problems of sintering flue gas treatments and flue gas denitration technology combined with the actual situation， then points out that the ozone oxidation is a new method of sintering flue gas denitration. The denitration efficiency reached more than 70%， pointing out developing direction in this field.

Key words： Sintering flue gas； Denitration； Ozone oxidation

近年來，大氣污染備受關(guān)注，二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）是煙氣中主要的空氣污染物，它會引起人類和動物的呼吸系統(tǒng)疾病，也會導(dǎo)致一系列的環(huán)境問題，如光化學(xué)煙霧、酸雨和臭氧破壞，這對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民的身體健康造成了嚴重的影響[1，2]。其污染源主要是燃煤發(fā)電行業(yè)和鋼鐵行業(yè)，燃煤行業(yè)的脫硫脫硝已有比較成熟的工藝，而鋼鐵行業(yè)的煙氣處理尚未得到足夠的重視。據(jù)統(tǒng)計，在鋼鐵工業(yè)的各種生產(chǎn)過程中，燒結(jié)煙氣過程中NOX排放約占鋼鐵廠NOX排放總量的一半左右[3]，盡管燒結(jié)煙氣脫硫在技術(shù)上已經(jīng)成熟，方法也有多種，但在燒結(jié)煙氣脫硝的建設(shè)方面進展不大。

2012年，國家環(huán)保部頒發(fā)的《鋼鐵燒結(jié)、球團工業(yè)大氣污染物排放標準》（GB 28662-2012）和煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標準-GB16171》要求現(xiàn)有企業(yè)和新建企業(yè)的SO2、NOX排放限制分別為200 mg/m3、300 mg/m3[3]。隨著NOX和SO2的排放標準的要求越來越嚴格，繼電廠煙氣處理后，對鋼鐵企業(yè)燒結(jié)煙氣同時脫硫脫硝的新技術(shù)開發(fā)將是一個具有挑戰(zhàn)性和迫切性的問題，使得燒結(jié)煙氣中NOX的控制成為繼煙（粉）塵和SO2脫硫之后鋼鐵企業(yè)環(huán)保治理的重點，并且越來越多的工作致力于開發(fā)更高效的NOx去除技術(shù)，這彰顯著對燒結(jié)煙氣脫硝處理刻不容緩。

1 鋼鐵企業(yè)燒結(jié)煙氣目前存在的問題

鋼鐵行業(yè)中燒結(jié)煙氣是將置于燒結(jié)臺車上的各種粉狀（含鐵原料）、燃料和溶劑點火熔化，在高溫?zé)Y(jié)成型過程中所產(chǎn)生的含有多種污染成分的氣體，其中包含的主要大氣污染物有SO2、NOX、重金屬和二噁英等有害物質(zhì)，因此燒結(jié)煙氣的治理與凈化是鋼鐵行業(yè)大氣污染物減排工作的重中之重。目前，濕法煙氣脫硫（FGD）是鋼鐵工業(yè)中較為成熟、應(yīng)用最廣泛的一種控制二氧化硫排放的技術(shù)，靜電除塵對Pb、Cd、Cr的去除率均為50%以上，選擇靜電除塵結(jié)合濕法脫硫裝置，可以達到協(xié)同去除重金屬效果。國際上（包括中國）常用的去除煙氣中二噁英的技術(shù)是活性炭噴射加布袋除塵器，這種技術(shù)可以比較方便地運用于實際工程，也可較容易的實現(xiàn)煙氣中二噁英的濃度低于0.1ngI-TEQ/m3的排放標準[4]。南方某大型鋼鐵企業(yè)已具備循環(huán)流化床脫硫塔，流化床對NOX有一定的脫除作用，但脫除率僅在10%左右，不能夠?qū)崿F(xiàn)較好的脫硝效率，故擬在3號燒結(jié)脫硫入口煙道增設(shè)脫硝裝置。在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的NOx主要包括NO和NO2，其中90%以上是NO，5%-10%是NO2，把這些有害的化合物轉(zhuǎn)化成無害的氮。在它們排放到大氣中之前是非常必要的。然而，由于燒結(jié)煙氣中的NOX主要以不溶于水的低價氧化物形式存在[5]，因此吸收塔對氮氧化物的吸收作用不大。由于燒結(jié)煙氣的特殊性，每個行業(yè)應(yīng)結(jié)合自身工程特點，開發(fā)出適合的脫硝技術(shù)路線。

2 結(jié)合鋼鐵企業(yè)燒結(jié)煙氣特點，選擇合理脫硝技術(shù)

鋼鐵企業(yè)燒結(jié)煙氣與普通電廠煙氣相比，有其自身的特點[6，7]：

煙氣量大且分布不均勻。每生產(chǎn)一噸燒結(jié)礦大約產(chǎn)生4000-6000m3煙氣，因透氣性差異和輔料不均等原因，最終倒是煙氣系統(tǒng)阻力變化較大，從而煙氣量變大。

溫度變化范圍大。一般為80-180℃，但達不到電廠鍋爐煙氣脫硝SCR反應(yīng)所需要的溫度350℃。

含氧量高。一般為15%-18%。

濕度大且不穩(wěn)定。為了提高燒結(jié)混合料的透氣性，混合料在燒結(jié)前必須加適量的水制成小球，所以水分含量一般為10%-13%。

污染物成分復(fù)雜。原料鐵礦石的運用，使煙氣中含有HCl、HF、NOX等腐蝕性氣體，粉塵濃度高，SO2含量大。

目前煙氣脫硝技術(shù)按照脫除原理可以分為催化分解、催化還原、非催化還原、吸收法、吸附法、電子束法等[8]，本文從下面幾種應(yīng)用較廣泛的脫硝技術(shù)中，結(jié)合鋼鐵企業(yè)燒結(jié)煙氣的特點，為本項目工程選擇合理的脫硝技術(shù)。

2.1 選擇性催化還原脫硝（SCR）

SCR工藝在20世紀70年代于日本率先實現(xiàn)工業(yè)化，主要應(yīng)用于工業(yè)鍋爐和電站鍋爐煙氣脫硝，是在催化劑作用下，以NH3為還原劑，在一定溫度范圍內(nèi)（一般為300-450℃），使NOX發(fā)生還原反應(yīng)，生成N2和H2O。該技術(shù)脫硝效率高，一般為70%-90%，不產(chǎn)生二次污染，系統(tǒng)穩(wěn)定。國內(nèi)約有300多家電廠采用SCR法，約占所有脫硝技術(shù)的98%[9] 。然而，由于我國燒結(jié)煙氣溫度較低，不能達到SCR的操作溫度且投資運行成本高，故無法直接應(yīng)用到燒結(jié)煙氣脫硝。

2.2 選擇性非催化還原脫硝（SNCR）

SNCR是指在一定溫度下，無催化劑存在，利用氨或尿素等氨基還原劑選擇性地將煙氣中的NOX還原為N2和H2O，而基本上不與煙氣中的氧氣作用。SNCR技術(shù)主要應(yīng)用于火電廠煙氣脫硝，該技術(shù)投資少、設(shè)備簡單、無催化劑，但脫硝效率相對較低，通常在40%左右，且反應(yīng)溫度較高，主要應(yīng)用于窯爐設(shè)施，因此不適用于燒結(jié)煙氣的工況。

2.3 活性炭脫硝

NOX在活性炭官能團的選擇性催化作用下被噴入的氨還原而被脫除，沒有氨氣的條件下為吸附脫除，脫硝效率為40%-60%。其優(yōu)點一是可以實現(xiàn)二氧化硫、氮氧化物、二噁英等多種污染物同時脫除；二是煙氣溫度能夠滿足脫硝反應(yīng)要求，不需要外加熱源；三是無需工藝水和廢水處理。截至目前，采用活性炭干法燒結(jié)脫硫脫硝的大型鋼鐵公司包括日本新日鐵住金、韓國浦項鋼鐵、澳大利亞的博思格鋼鐵以及中國太鋼等[10]。但活性炭裝置建設(shè)費用和運行費用十分高昂，是其他燒結(jié)煙氣治理裝置的3～5倍，活性炭消耗量大，噴射氨增加了粘附力，造成吸收塔內(nèi)氣流分布不均勻，再加上環(huán)保投入效益較低，難以普及。

2.4 臭氧氧化脫硝

臭氧氧化脫硝技術(shù)的基本機理是利用臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的強氧化性臭氧將難溶于水的NO氧化成易溶于水的 NO2、N2O3、N2O5等高價態(tài)氮氧化物，然后在洗滌塔內(nèi)將NOX被吸收劑Ca（OH）2吸收，實現(xiàn)脫硝的目標。其脫硝效率為60-90%，反應(yīng)機理是：

NO+O3→NO2﹢O2

4NO2 + 2Ca（OH）2→Ca（NO3）2+Ca（NO2）2 + H2O

臭氧氧化脫硝工藝簡單，占地面積小，運行維護簡單，可同時實現(xiàn)SO2、NOX脫除，因此，可滿足本項目工程的脫硝技術(shù)需求。

綜上所述，結(jié)合鋼鐵企業(yè)燒結(jié)煙氣特點，選定臭氧氧化脫硝技術(shù)最為合適、合理，這種技術(shù)結(jié)合在國內(nèi)鋼鐵行業(yè)應(yīng)用案例較少。臭氧氧化脫硝工藝避免了SCR脫硝工藝缺點的同時可取得良好的NOx去除效果，為鋼鐵企業(yè)燒結(jié)煙氣治理的提供了新方法，并完善了鋼鐵企業(yè)對工業(yè)廢氣的處理。

3 實際項目工程對選定脫硝技術(shù)的案例驗證

臭氧作為強氧化劑的脫硝工藝不僅脫硝效率高，還具有可根據(jù)出口NOX濃度排放指標要求分步投運脫硝系統(tǒng)的優(yōu)勢，其臭氧發(fā)生器發(fā)生量可調(diào)，控制靈活簡便，適應(yīng)性強。南方某大型鋼鐵企業(yè)為其3號燒結(jié)機脫硫系統(tǒng)前增設(shè)一套完整的脫硝設(shè)施，該項目工程的臭氧氧化脫硝系統(tǒng)主要由氧氣源供應(yīng)系統(tǒng)、臭氧發(fā)生系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)以及噴射系統(tǒng)等組成。3號燒結(jié)機燒結(jié)煙氣處理工藝流程見圖1所示。

該脫硝系統(tǒng)在不同的NOX等污染物濃度和比例下，可以同時高效率脫除煙氣中的NOX、SO2和顆粒物等污染物，同時還不影響其他污染物控制技術(shù)，是傳統(tǒng)脫硝技術(shù)的一個高效補充或替代技術(shù)。

脫硝改造工程的實施，可提升煙氣處理系統(tǒng)脫硝效率由原來的10%升至71.5%以上，氮氧化物排放濃度將穩(wěn)定達到《鋼鐵燒結(jié)、球團工業(yè)大氣污染物排放標準》（GB28662-2012）中特別排放限值要求。

針對該鋼鐵公司實際情況，相比傳統(tǒng)催化氧化脫硝工藝，本工程采用臭氧氧化脫硝具有如下優(yōu)點：①不需要催化劑液氨，避免化學(xué)藥劑風(fēng)險問題；②新建脫硝設(shè)施對現(xiàn)有脫硫設(shè)施的運行生產(chǎn)基本無影響；③不需要對現(xiàn)有吸收塔進行改造，僅在吸收塔煙道入口設(shè)置臭氧噴射裝置，現(xiàn)有脫硫系統(tǒng)停機改造時間較短；④對現(xiàn)有系統(tǒng)阻損無影響，現(xiàn)有風(fēng)機壓力無需改造；⑤新增脫硝設(shè)施后，現(xiàn)有吸收劑（鈣基）共同承擔(dān)脫硫脫硝作用，僅增加吸收劑用量且增加量已在脫硫設(shè)施改造時考慮到位，無需對現(xiàn)有脫硫劑設(shè)施進行改造；⑥副產(chǎn)物成分為硝酸鈣及亞硝酸鈣，可直接作為建材添加劑綜合利用。

4 結(jié)論

（1）燒結(jié)煙氣采取臭氧氧化脫硝工程，一方面降低NOx污染物排放總量，節(jié)省一定的排污費用；另一方面，對改善區(qū)域大氣環(huán)境起到積極作用。（2）該鋼鐵企業(yè)采用的臭氧氧化+干法脫硝法應(yīng)用實例較少，為燒結(jié)煙氣脫硝處理提供了新思路。 （3）燒結(jié)煙氣處理方式種類多，應(yīng)根據(jù)各行業(yè)實際情況，探究出適合的處理技術(shù)為更好解決燒結(jié)煙氣脫硝問題，同時需加大對新型技術(shù)的投資和研究，真正做大節(jié)能減排，同時保障鋼鐵企業(yè)的經(jīng)濟效益。

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收稿日期：2018-04-08

作者簡介：楊小青（1981-），碩士研究生，研究方向為環(huán)保管理工作。