鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)工業(yè)廢氣脫硝工藝探討

潘 靚

（武漢科想分析檢測(cè)技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430000）

引言

燒結(jié)和球團(tuán)是鋼鐵行業(yè)中常見的冶煉工藝，它們能將粉末狀的鐵礦石轉(zhuǎn)化為塊狀的鐵礦球團(tuán)或燒結(jié)礦，在這個(gè)過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的工業(yè)廢氣，如二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）和懸浮顆粒物等。燒結(jié)工藝中，礦石粉末經(jīng)過混合、濕法或干法球團(tuán)化等一系列處理，然后在高溫環(huán)境下進(jìn)行燒結(jié)，形成固體塊狀的燒結(jié)礦；球團(tuán)工藝則是將礦石粉末加入一定比例的結(jié)合劑，并通過機(jī)械力和高溫處理，使其形成球狀的球團(tuán)。這兩種工藝在鋼鐵生產(chǎn)中具有重要作用，但同時(shí)也帶來了環(huán)境污染問題。這類廢氣的排放會(huì)對(duì)大氣環(huán)境和人類健康產(chǎn)生負(fù)面影響，有效減少和控制NOx的排放成為鋼鐵行業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)之一[1]。

1 燒結(jié)、球團(tuán)工業(yè)廢氣的特性

對(duì)于鋼鐵工業(yè)中的二氧化硫、氮氧化物等廢氣而言，其主要來源于燒結(jié)、球團(tuán)等生產(chǎn)工藝流程，其二氧化硫的排放總量占據(jù)整個(gè)鋼鐵行業(yè)廢氣排放總量的八成。目前，我國對(duì)煙氣脫硫、脫硝等技術(shù)的研究已經(jīng)相當(dāng)充分，而且擁有相當(dāng)豐富的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)。

1.1 煙氣量大且變化幅度大

廢氣排放量在燒結(jié)過程中可能會(huì)因原料成分、燃料利用率和生產(chǎn)規(guī)模等因素的變化而產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，實(shí)際觀測(cè)結(jié)果顯示，廢氣排放量的日均變化幅度可達(dá)到50%以上，甚至更高。這種巨大且不穩(wěn)定的廢氣排放給環(huán)境帶來了嚴(yán)重污染。廢氣中的二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）等有害物質(zhì)的含量在煙氣中占據(jù)相當(dāng)大的比例，據(jù)專業(yè)分析，鋼鐵燒結(jié)工業(yè)廢氣中SO2的排放量通常占整個(gè)鋼鐵行業(yè)廢氣排放總量的80%以上，而NOx的排放量也相當(dāng)大，基本上每噸燒結(jié)礦可能會(huì)造成4 000～6 000 m2左右的廢氣。

1.2 SO2濃度變化大

鋼鐵燒結(jié)過程中SO2濃度的變化范圍非常廣泛，從幾十毫克/立方米到上千毫克/立方米都有可能，這種巨大的濃度變化使得對(duì)鋼鐵燒結(jié)工業(yè)廢氣中SO2含量的監(jiān)測(cè)和控制變得非常復(fù)雜和困難。引起SO2濃度變化的原因多種多樣，原料的成分和性質(zhì)是重要的影響因素，不同種類的礦石和燃料含硫量不同，因此燒結(jié)過程中這類物質(zhì)的排放量也會(huì)有所差異，對(duì)燒結(jié)工藝參數(shù)的調(diào)整會(huì)對(duì)SO2濃度產(chǎn)生顯著影響。高濃度的二氧化硫排放會(huì)對(duì)大氣環(huán)境造成直接污染，對(duì)空氣質(zhì)量造成嚴(yán)重威脅，還會(huì)與大氣中的顆粒物相互作用，形成細(xì)顆粒物（PM2.5）等有害物質(zhì)，對(duì)人體的呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)造成潛在患病風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 煙氣成分復(fù)雜

由于生產(chǎn)過程中使用的原料有較大差別，使燒結(jié)和球團(tuán)工業(yè)廢氣的組成元素變得較為復(fù)雜，包括二氧化硫、氮氧化物、顆粒物、多環(huán)芳烴（PAHs）等，不同成分的物理和化學(xué)特性各異，有效的廢氣處理技術(shù)需要針對(duì)不同成分的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，針對(duì)SO2的處理可采用脫硫技術(shù)；對(duì)NOx的控制則可以采用脫氮技術(shù)；去除顆粒物需要采用有效的過濾或洗滌技術(shù)；PAHs等有機(jī)物的處理則需要考慮其揮發(fā)性和毒性特征。

1.4 煙氣溫度變化范圍大

在燒結(jié)和球團(tuán)工藝中，高溫燃燒過程會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，使廢氣溫度升高，礦石和其他原料的特性以及燃料的類型和含量也會(huì)對(duì)煙氣溫度產(chǎn)生重要影響。這種煙氣溫度的變化范圍給廢氣的處理和控制帶來了挑戰(zhàn)。高溫廢氣不僅對(duì)環(huán)境造成直接的熱污染，還對(duì)廢氣處理設(shè)備的性能和穩(wěn)定性提出了要求。

1.5 含氧量和含濕量較高

高含氧量是由于燒結(jié)和球團(tuán)工藝中的燃燒反應(yīng)，燃料中的氧和空氣中的氧參與了燃燒過程，從而導(dǎo)致廢氣中的氧含量較高，由于燒結(jié)和球團(tuán)工藝中使用的原料和燃料可能含有一定的水分，因此廢氣的含濕量也相對(duì)較高。

2 鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)工業(yè)廢氣綜合治理現(xiàn)狀

目前，大型鋼鐵企業(yè)的燒結(jié)機(jī)數(shù)量占據(jù)了大部分份額，然而隨著行業(yè)競(jìng)爭的加劇，相關(guān)設(shè)備產(chǎn)能過剩的問題變得更加明顯?！笆奈濉币?guī)劃期間，國家明確指出要推動(dòng)綠色發(fā)展，促進(jìn)人與自然和諧共生，對(duì)各類有害物質(zhì)的排放控制提出了更為嚴(yán)格的限制，鋼鐵行業(yè)應(yīng)特別關(guān)注與污染防治相關(guān)的問題[2]。

2.1 無組織排放源數(shù)量多

由于生產(chǎn)規(guī)模龐大、設(shè)備復(fù)雜多樣，以及管理水平的差異，部分廢氣排放源無法實(shí)現(xiàn)有效的治理與控制，這些無組織排放源主要包括冷卻系統(tǒng)、裝料、裝卸作業(yè)以及管道泄漏等，它們分布廣泛且難以完全掌控。因此廢氣排放呈現(xiàn)出陣發(fā)性特征，即排放濃度和排放量在不同時(shí)間呈現(xiàn)出較大的波動(dòng)，使廢氣的治理和控制面臨更大的挑戰(zhàn)。對(duì)于這些無組織排放源，監(jiān)測(cè)和治理工作需要更加全面、精細(xì)和靈活的策略。

2.2 脫硫工程粗制濫造

在廢氣治理中，脫硫工程是較為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，當(dāng)前有部分鋼鐵企業(yè)在進(jìn)行脫硫設(shè)備建設(shè)時(shí)存在粗制濫造的現(xiàn)象。一方面，一些企業(yè)在脫硫設(shè)備的選擇和設(shè)計(jì)上存在盲目跟從、缺乏科學(xué)性的問題，這導(dǎo)致脫硫工程的性能和效果無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)；另一方面，部分企業(yè)在脫硫工程的建設(shè)和運(yùn)行中存在監(jiān)管不嚴(yán)、管理混亂的情況，導(dǎo)致脫硫設(shè)備的正常運(yùn)行和維護(hù)受到影響。

2.3 危險(xiǎn)作業(yè)項(xiàng)目多

在鋼鐵生產(chǎn)過程中，存在高溫作業(yè)、高空作業(yè)、化學(xué)品操作等一系列危險(xiǎn)作業(yè)，這些作業(yè)涉及安全風(fēng)險(xiǎn)較高的操作環(huán)境和工藝要求，對(duì)工人的安全和健康提出了較高要求。相對(duì)而言，在鋼鐵燒結(jié)和球團(tuán)工業(yè)廢氣治理過程中，危險(xiǎn)作業(yè)較多，增加了事故發(fā)生的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 燒結(jié)、球團(tuán)脫硫覆蓋率低，煙氣超標(biāo)排放

鋼鐵燒結(jié)和球團(tuán)脫硫覆蓋率較低，無法高效地去除二氧化硫，它們被直接排放到大氣中，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。燒結(jié)和球團(tuán)工業(yè)廢氣的排放也存在超標(biāo)現(xiàn)象，加劇了大氣污染問題。

2.5 脫硫副產(chǎn)物難以利用，易造成二次污染

脫硫過程中會(huì)產(chǎn)生大量的脫硫副產(chǎn)物，如石膏、石灰石和脫硫石膏等，這些副產(chǎn)物的綜合利用仍存在一定困難。由于脫硫副產(chǎn)物的成分和性質(zhì)不同，其利用途徑和應(yīng)用方式也存在差異，如石膏可以用于水泥生產(chǎn)或土壤改良，而脫硫石膏則適用于建筑材料的制造。然而，在實(shí)際運(yùn)用過程中，由于市場(chǎng)需求、技術(shù)限制和運(yùn)輸成本等因素，脫硫副產(chǎn)物的利用率較低，無法充分發(fā)揮其價(jià)值。不適當(dāng)?shù)拿摿蚋碑a(chǎn)物處理方式可能會(huì)引發(fā)二次污染，如果對(duì)脫硫副產(chǎn)物的處置不當(dāng)，例如直接堆放在露天場(chǎng)地或在未經(jīng)處理的情況下排放到水體中，可能會(huì)導(dǎo)致土壤、地下水和地表水的污染。

3 鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)煙氣脫硝工藝

3.1 低溫SCR脫硝技術(shù)

低溫SCR（Selective Catalytic Reduction，選擇性催化還原）脫硝技術(shù)是一種用于降低燃煤電廠、工業(yè)爐等燃燒過程中產(chǎn)生的氮氧化物（NOx）排放的先進(jìn)技術(shù)，該技術(shù)通過在燃燒過程中添加還原劑，使氮氧化物在催化劑的作用下與還原劑發(fā)生反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為無害的氮?dú)夂退鹘y(tǒng)的SCR脫硝技術(shù)在高溫條件下進(jìn)行，通常需要較高的催化劑活性溫度（約200 ℃），并且還要求燃燒后的煙氣溫度在催化劑的工作范圍內(nèi)。然而，許多工業(yè)爐和燃煤電廠的煙氣溫度往往較低，因此傳統(tǒng)SCR技術(shù)在這些情況下效率較低。低溫SCR脫硝技術(shù)的關(guān)鍵在于開發(fā)出在較低溫度下仍能高效催化還原氮氧化物的催化劑，這些催化劑通常采用金屬氧化物或非金屬氧化物，可以在較低的溫度范圍內(nèi)有效降低氮氧化物排放。其工作原理是在燃燒過程中向煙氣中添加氨水（NH3·H2O）或尿素溶液（CO(NH2)2）等還原劑，其反應(yīng)方程為4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O，通常會(huì)在煙氣管道內(nèi)設(shè)置，通過設(shè)計(jì)合適的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，增加煙氣在催化劑上的停留時(shí)間，以提升脫硝效果。

3.2 選擇性非催化還原法

該工藝主要通過將煙氣中的氮氧化物（NOx）與氨（NH3）在一定的溫度和氣體組成條件下進(jìn)行反應(yīng)，以達(dá)到脫除NOx的目的。實(shí)際操作時(shí)，煙氣首先通過除塵設(shè)備去除顆粒物的干擾，然后進(jìn)入脫硝裝置。在脫硝裝置中，煙氣與適量的氨混合，形成氨氮化合物。在高溫下，氨氮化合物與煙氣中的NOx發(fā)生反應(yīng)，生成氮?dú)夂退?。這種反應(yīng)是非催化的，即無需添加任何催化劑。反應(yīng)過程中的溫度、氨氮化合物的濃度和氣體的氧氮比對(duì)脫硝效果起著重要作用。

選擇性非催化還原法相對(duì)于其他脫硝工藝具有一些優(yōu)勢(shì)。首先，該工藝不需要使用昂貴的催化劑，降低了成本和運(yùn)營難度。其次，非催化還原法對(duì)煙氣中的氧氣要求較低，使得系統(tǒng)更加靈活可靠。然而，選擇性非催化還原法也存在一定局限性，反應(yīng)溫度對(duì)脫硝效果影響較大，過高或過低的溫度都會(huì)降低脫硝效率。非催化還原法對(duì)氨氮化合物的濃度要求較高，過低的濃度會(huì)導(dǎo)致脫硝效果不佳。該工藝在高氧氮比條件下容易產(chǎn)生氨氧化物（NOx的產(chǎn)物），對(duì)環(huán)境造成污染，因此，要通過合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化脫硝裝置的結(jié)構(gòu)，提高煙氣與氨的接觸效率，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。相關(guān)人員需要對(duì)不同的煙氣特性和運(yùn)行條件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，并合理管理和控制氨的供應(yīng)量，避免過量使用氨造成氨氮化合物的積累。

3.3 活性焦（碳）協(xié)同脫硝技術(shù)

該技術(shù)結(jié)合了活性焦（碳）的催化作用和脫銷反應(yīng)，將廢氣從含有活性焦（碳）的反應(yīng)器中排出，通過活性焦（碳）的高度吸附性能，能夠有效去除燒結(jié)、球團(tuán)廢氣中的有害氣體?；钚越梗ㄌ迹┚哂懈弑砻婊钚院秃艽蟮谋缺砻娣e，使其能夠提供充足的還原反應(yīng)表面，并且能夠與氮氧化物發(fā)生反應(yīng)生成氮?dú)夂投趸?。其操作關(guān)鍵在于要在適當(dāng)?shù)臏囟认聦⒒钚越梗ㄌ迹┮霟煔庵?，通過向反應(yīng)器中供應(yīng)適量的氨氣（NH3），在活性焦（碳）的吸附、催化作用下，煙氣中的NH3與NOx發(fā)生選擇性催化還原反應(yīng)生成氮?dú)夂退?，?shí)現(xiàn)煙氣脫銷。活性焦（碳）表面的吸附物質(zhì)與氮氧化物進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生硝化物，這些硝化物進(jìn)一步通過循環(huán)系統(tǒng)回收，并經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗?，可以轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品或安全地排放。在實(shí)際應(yīng)用中，活性焦（碳）的使用量是根據(jù)煙氣中氮氧化物的濃度和煙氣流量來確定的，活性焦（碳）的使用量為煙氣中氮氧化物質(zhì)量的一定比例，可以將活性焦（碳）的投加量設(shè)置為氮氧化物質(zhì)量的5%～10%。這樣可以確?；钚越梗ㄌ迹┡c氮氧化物充分發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到高效的脫硝效果。

3.4 濕式吸收脫硝技術(shù)

濕式吸收脫硝技術(shù)利用吸收劑（如氨水或尿素溶液）與煙氣中的氮氧化物（NOx）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為無害的氮?dú)猓∟2）和水（H2O），通過在脫硝過程中控制吸收劑的投加量和優(yōu)化操作條件，可以有效降低煙氣中NOx的排放濃度。濕式吸收脫硝技術(shù)的關(guān)鍵反應(yīng)可以表示為：2NO+2NH3+1/2O2→2N2+3H2O。在這個(gè)反應(yīng)中，通過在脫硝裝置中將吸收劑噴灑或噴淋到煙氣中，就能讓吸收劑中的氨（NH3）與煙氣中的NOx和氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成氮?dú)夂退Ｎ談┑耐都恿渴且粋€(gè)重要的控制參數(shù)，應(yīng)根據(jù)煙氣中的NOx濃度和目標(biāo)排放濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)。通常，吸收劑的投加量與煙氣中NOx的摩爾比例在1.0～1.2之間，濃度一般在20%～30%范圍內(nèi)。除了吸收劑的投加量，濕式吸收脫硝技術(shù)還需要考慮吸收塔的設(shè)計(jì)和操作條件，并考慮氣液接觸的充分性和反應(yīng)效率，采用填料或噴淋裝置來增加接觸面積，以此提升煙氣吸收效率和脫硝效果。

4 鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)煙氣脫硝新技術(shù)手段

4.1 等離子法脫硝

4.1.1 電子束法

在電子束法中，電子束功率、輻照時(shí)間和反應(yīng)溫度這三個(gè)因素對(duì)實(shí)際效果起到了決定性作用，其中，電子束功率決定了電子束的能量和密度，輻照時(shí)間則控制了電子束與煙氣中的NOx發(fā)生反應(yīng)的持續(xù)時(shí)間，而反應(yīng)溫度則影響反應(yīng)速率和選擇性。其基本原理是利用電子束的高能量，使其與煙氣中的NOx分子發(fā)生電離，被電離的NOx分子會(huì)進(jìn)一步與其它分子發(fā)生碰撞，并轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退?。如在相?duì)較低的溫度下進(jìn)行脫硝，由于電子束在煙氣中的直接作用，會(huì)使整個(gè)脫硝反應(yīng)速率較快，脫硝效率較高[3]。

4.1.2 脈沖電暈法

該技術(shù)利用電暈放電現(xiàn)象，通過電場(chǎng)的作用，使煙氣中的氮氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而達(dá)到脫硝的目的，具有高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為鋼鐵燒結(jié)和球團(tuán)煙氣處理領(lǐng)域的新興技術(shù)。在脈沖電暈法中，首先需要將煙氣通過一個(gè)電暈區(qū)域，該區(qū)域由高壓電極和對(duì)電極構(gòu)成，當(dāng)在兩極之間施加高電壓時(shí)，就會(huì)形成電場(chǎng)。通過調(diào)整電極之間的距離和電場(chǎng)強(qiáng)度，可以控制電暈現(xiàn)象的發(fā)生，當(dāng)煙氣通過電暈區(qū)域時(shí)，電暈放電現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生。在電暈放電過程中，電暈放電產(chǎn)生的電子、陽離子和自由基等活性物質(zhì)會(huì)與煙氣中的氮氧化物發(fā)生反應(yīng)，其主要的反應(yīng)路徑包括電子碰撞還原、陽離子和自由基的反應(yīng)，以及自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。在這些反應(yīng)過程中，氮氧化物會(huì)被還原為氮?dú)夂退?，從而?shí)現(xiàn)脫硝的效果。

4.2 微生物脫硝

微生物脫硝是鋼鐵燒結(jié)和球團(tuán)煙氣脫硝中的一種新技術(shù)手段，該技術(shù)利用具有脫硝功能的特定微生物，通過其代謝活動(dòng)將煙氣中的氮氧化物還原為氮?dú)?，從而?shí)現(xiàn)脫硝的目的。在微生物脫硝過程中，首先需要篩選和培養(yǎng)具有脫硝能力的微生物菌株，這些菌株通常屬于反硝化細(xì)菌，能夠利用煙氣中的氮氧化物作為電子受體，將其還原為氮?dú)?。通過合理的培養(yǎng)條件，如適宜的溫度、pH值和營養(yǎng)物質(zhì)，可以提高菌株的活性和脫硝效率。當(dāng)微生物菌株處于適宜的環(huán)境中，它們會(huì)利用煙氣中的氮氧化物作為電子受體進(jìn)行代謝活動(dòng)。在代謝過程中，微生物菌株產(chǎn)生一系列的酶，如亞硝酸還原酶、一氧化氮還原酶等，這些酶能夠催化氮氧化物的還原反應(yīng)，通過這些反應(yīng)，亞硝酸鹽可以被還原為氮?dú)?，從而?shí)現(xiàn)脫硝的效果[4]。

5 鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)工業(yè)廢氣的治理趨勢(shì)

考慮到燒結(jié)球團(tuán)煙氣流量的巨大變化和SO2濃度的劇烈波動(dòng)，相關(guān)人員必須精心設(shè)計(jì)其凈化處理工藝，才能獲得更為優(yōu)異的脫硝效果。當(dāng)前，隨著科技的進(jìn)步和公眾對(duì)環(huán)境保護(hù)的關(guān)注，針對(duì)燒結(jié)球團(tuán)煙氣的凈化和脫硫處理呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì)[5]。

5.1 技術(shù)升級(jí)和創(chuàng)新

技術(shù)升級(jí)和創(chuàng)新是一個(gè)主要的發(fā)展趨勢(shì)，隨著環(huán)保意識(shí)的提升和法規(guī)要求的加強(qiáng)，鋼鐵燒結(jié)和球團(tuán)企業(yè)正積極尋求新的廢氣治理技術(shù)和設(shè)備。例如，采用先進(jìn)的煙氣凈化技術(shù)，如濕式電除塵器、干式脫硫裝置和脫硝催化劑等，以有效去除廢氣中的顆粒物和污染物。

5.2 發(fā)展清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)

鋼鐵燒結(jié)和球團(tuán)相關(guān)企業(yè)正逐漸轉(zhuǎn)向綠色生產(chǎn)方式，通過節(jié)能減排、資源回收利用等手段實(shí)現(xiàn)廢氣治理的可持續(xù)發(fā)展。例如，利用廢氣中的熱能進(jìn)行余熱回收，將其用于生產(chǎn)和供熱，同時(shí)實(shí)施廢氣中的有價(jià)元素回收，減少資源浪費(fèi)。

5.3 智能化和數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用

通過采用智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整廢氣治理設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化工藝參數(shù)，提升治理效果和能源利用效率。同時(shí)，通過數(shù)據(jù)分析和模型優(yōu)化，可以精確預(yù)測(cè)和優(yōu)化廢氣治理過程，提高治理效率。而鋼鐵企業(yè)之間的合作與共享，也能促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步和治理經(jīng)驗(yàn)的交流，加快廢氣治理技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

6 結(jié)語

綜上，本文通過深入分析現(xiàn)有技術(shù)和工藝原理，驗(yàn)證了鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)工業(yè)廢氣脫硝工藝在廢氣治理領(lǐng)域的巨大潛力，進(jìn)一步研究和改進(jìn)該治理工藝將有助于提高脫硝效率、降低成本，并減少工業(yè)廢氣對(duì)環(huán)境的影響。由此可見，這一工藝的廣泛應(yīng)用將為鋼鐵行業(yè)帶來可持續(xù)發(fā)展的前景，并推動(dòng)環(huán)保技術(shù)的創(chuàng)新與進(jìn)步。