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          鋼鐵工業氮氧化物污染防治途徑研究

          發布時間:2018-09-18 點擊量:33

          鋼鐵工業氮氧化物污染防治途徑

          本文摘自網絡

          鋼鐵工業是國家工業發展的基礎,同時也是環境污染的大戶。近年來,中國環保形勢日益嚴峻,2015年將執行新的環境保護法,且新的鋼鐵行業污染物排放標準對NOx的排放也提出了愈發嚴格的要求。

          雖然鋼鐵工業在除塵、脫硫等方面取得了長足的進步,但是對于氮氧化物的污染防治尚處于起步階段,因此對于鋼鐵工業氮氧化物污染防治技術途徑的研究就顯得尤為重要。

          本文在充分收集國內外資料的基礎上,詳細分析了鋼鐵工業氮氧化物的產生環節和生成機理,并在此基礎上,收集并整理了國內外鋼鐵工業氮氧化物污染防治技術途徑,為鋼鐵工業環境管理提供技術支撐。

           

           

          1鋼鐵工業氮氧化物主要污染源

          據國內外研究表明:鋼鐵工業氮氧化物(NOx)主要污染源見表1。其中燒結和自備電廠NOx排放居整個鋼鐵企業NOx排放的頭兩位,而燒結工序約占到整個鋼鐵工業排放量的一半左右。因此,燒結工序和自備電廠煙氣NOx控制是鋼鐵企業NOx減排的重點。

          2鋼鐵工業氮氧化物生成機理

          2.1熱力型NOx

          熱力型NOx的生成是空氣中的N2與過剩的O2在高溫下反應生成NO。其中,溫度是影響NOx生成最重要和最顯著的因素,隨著溫度的升高,NOx達到峰值,然后由于發生高溫分解反應而有所降低,并且隨著O2濃度和空氣預熱溫度的增高,NOx生成量存在一個最大值。當O2濃度過高時,由于存在過量氧對火焰的冷卻作用,NOx值有所降低。因此,盡量避免出現氧濃度、溫度峰值是降低熱力型NOx的有效措施之一。

           

          2.2燃料型NOx

          燃料型NOx的生成過程可分為3個階段:首先是有機氮化合物隨揮發分析出一部分;其次是揮發分中氮化物燃燒;最后是焦炭中有機氮燃燒。揮發有機氮生成NO的轉化率隨燃燒溫度上升而增大,當燃燒溫度水平較低時,燃料氮的揮發分份額明顯下降。另外,燃料型NOx的生成量與火焰附近氧濃度密切相關,還與燃料品種和燃燒方式有關。

           

          2.3快速型NOx

          快速型NOx是由空氣總氮和燃料中碳氫離子NOx,來自燃料中含氮有機物轉化,以NO形式存在;自備電廠鍋爐,也是燃料型NOx為主,占總生成量的60%以上;焦化是一個干餾過程,即隔絕空氣加熱,煤發生分解產生焦爐煤氣,煤中的氮元素在高溫作用下發生反應生成NH3或者NOx,因此焦化工序也是燃料型NOx為主;除此之外,鋼鐵其他工序燃料多以氣體燃料為主(含氮量較低),因此軋鋼、煉鐵等工序NOx的產生以熱力型為主。

           

          3鋼鐵工業氮氧化物污染防治途徑

          3.1燒結工序NOx污染防治途徑

          由于燒結煙氣的復雜性,對燒結煙氣各類脫硝技術的研究較多,但真正投入工業化運行的相對較少。目前,燒結工序NOx污染防治途徑主要有煙氣再循環技術和活性炭吸附技術。

           

          3.1.1煙氣再循環技術

          煙氣再循環技術是將一部分熱廢氣被再次引入燒結過程的循環技術。熱廢氣再次通過燒結料層時,一方面,可降低混合氣中的氧濃度,起到熱量吸收體的作用,不致使燃燒溫度變得過高,從而抑制NOx的生成;另一方面,其中的NOx能夠通過熱分解被部分破壞,廢氣中的CO在燒結過程中再次參加還原還可降低固體燃料消耗。

           

          典型的廢氣循環利用工藝有EOS(EmissionOptimizedSinte-ring)LEEP工藝(LowEmission&EnergyoptimizedsinterProduction),EOS工藝已在克魯斯艾莫伊登燒結廠實現工業化應用,LEEP工藝是由德國HKM公司研發的并在燒結機上實現了工業化,寶鋼在國內率先掌握燒結廢氣余熱循環利用關鍵技術,2012年國內首套燒結機廢氣循環中試裝置應用于寶鋼不銹鋼有限公司2號燒結機,2013年國內首個大型燒結廢氣余熱循環利用項目在寶鋼寧波鋼鐵有限公司建成投運。

           

          廢氣循環法既可降低污染物的總排放量,又可減少總廢氣量,投資和運行成本大大降低,但由于燒結過程氧含量的降低,使得燒結生產效率和燒結礦質量受到一定程度的影響。

           

          3.1.2活性炭吸附法

          活性炭吸附法是一種將燒結機煙氣的除塵、脫硫、脫硝3種功能集于一身的多污染物協同控制技術,同時該方法也兼有去除二噁英、Hg、HCl等效果。

           

          該法通常使用高質量的、價格昂貴的活性炭,并且會產生副產品硫酸?;钚蕴看餐ㄟ^水和蒸汽達到再生的效果。當廢氣被引導通過活性炭床時,污染物即被活性炭吸收。如果要去除廢氣中的NOx,需要在廢氣通過活性炭床之前,向廢氣中噴灑NH3才能實現。

           

          該法視運行溫度、添加物NH3以及設計情況不同,脫氮效率可以達80%90%。日本、澳大利亞、韓國均有燒結機應用了該技術[5]。2010年,中國太鋼2450m2燒結機也使用了活性炭吸附法,NOx凈化效果見表2。

           

          總體而言活性炭吸附法煙氣凈化效率高,無二次污染,吸附劑活性炭可循環再生使用,但是該方法投資大、運行成本較高,裝備需進口。

           

          此外,燒結廠還可通過減少燒結燃料中N元素含量減排NOx;MEROS技術、循環流化床工藝也在燒結廠有成功應用的案例,但總體脫硝效率偏低。

          3.2自備電廠NOx污染防治途徑

          鋼鐵企業一般都配有自備電廠,其作用主要是給鋼鐵企業自身供應蒸汽和電能,實現企業內部余熱、余能的綜合利用,節約生產運行成本。

           

          自備電廠的生產工藝與常規火電企業基本相同,只是自備電廠鍋爐的燃料品種更加豐富,除了煤,還會使用鋼鐵企業自身產生的各類煤氣,如:高爐、焦爐、轉爐煤氣,或使用天然氣等。

           

          因此相比鋼鐵企業的主體工序,自備電廠NOx污染防治途徑更多可借鑒發電企業NOx污染防治經驗,因此其防治途徑更加成熟。目前應用最為廣泛的控制技術主要包括兩類:一是過程控制,如低氮燃燒;二是末端治理,如選擇性催化還原脫硝技術(SCR)、選擇性非催化還原脫硝技術(SNCR)、SNCR/SCR技術。

           

          3.2.1低氮燃燒技術

          用改變燃燒條件的方法降低NOx排放,統稱為低氮燃燒技術。低氮燃燒技術主要包括:低氧燃燒、分級燃燒、煙氣再循環、采用低氮燃燒器等,其中低氮燃燒器在電廠鍋爐上應用最廣。但是任何一種低氮燃燒技術均涉及爐膛燃燒的安全問題或效率問題,故低氮燃燒技術存在局限性,其可降低NOx排放濃度大約至400mg/m3左右。

           

          3.2.2SCR

          目前電廠主流的脫硝技術即SCR工藝。它的原理是:還原劑NH3在催化劑作用下,將NOx還原為對大氣環境影響不大的N2H2O。選擇性是指NH3有選擇地進行還原反應,在這里它只選擇還原NOx。該方法的脫硝效率主要取決于催化劑的活性、反應溫度、停留時間、混合程度、化學當量比、氨逃逸量、催化劑層數等。一般脫硝效率可達到80%90%[7]。

           

          3.2.3SNCR

          SNCR法是把爐膛作為反應器,將NH3或氨基還原劑直接噴入爐膛900℃1100℃的區域,后者迅速分解成NH3,NH3與煙氣中的NOx反應生成N2H2O。該方法不使用催化劑,反應溫度較高,還原劑消耗量較大。該方法的脫硝效率主要取決于溫度、NH3/NOx摩爾比、添加劑等。一般脫硝效率較SCR法偏低,在60%左右,但該方法投資較低。目前循環流化床鍋爐多選用SNCR脫硝工藝。

           

          3.2.4SNCR/SCR

          SNCR/SCR組合工藝是將SNCR的還原劑直噴爐膛技術同SCR利用逸出氨進行催化反應結合起來,從而進行兩級脫硝。它是把SNCR工藝的低費用特點同SCR工藝的高脫硝效率及低的氨逸出率有效結合。SNCR/SCR具有脫硝效率高(可達到80%以上),催化劑用量少,空間適應性強,腐蝕小等優點。目前,在國華北京熱電公司、臺灣興達電廠均有應用。

           

          3.3焦化工序NOx污染防治途徑

          目前,焦化工序NOx污染防治途徑主要是一些過程控制手段,如:

           

          3.3.1廢氣再循環

          焦爐產生的廢氣與燃料及燃燒空氣混合,通過降低N含量及增加CO2含量降低火焰溫度。但同時廢氣再循環的預熱也可能抵消NOx減排效果。

           

          3.3.2空氣階段燃燒技術

          通過分階段向燃燒室引入空氣,保持燃燒條件更平穩,從而降低NOx排放。

           

          3.3.3降低焦化溫度

          降低焦化溫度會對經濟性和能源效率產生影響。另外,通過減少炭化室與燃燒室之間的溫度梯度,可實現正常炭化室溫度下降低燃燒室溫度,從而減少NOx生成。這可通過應用更薄的耐火磚或具更好熱導率的耐火磚來實現。

           

          此外,鋼鐵企業煉鐵工序NOx產生源主要是熱風爐,其燃用高爐煤氣,目前主要依靠低氮燃燒器來控制NOx的排放。軋鋼工序通過對加熱爐實施蓄熱式改造,能夠起到NOx減排的效果。該技術具有高效煙氣余熱回收、空氣和煤氣預熱溫度高以及低NOx排放的優越性。

          4結語

          鋼鐵工業燒結工序和自備電廠煙氣NOx控制是鋼鐵企業NOx減排的重點;與煙/粉塵、SO2污染防治主要集中在除塵、脫硫等末端治理技術相比,鋼鐵工業NOx的污染防治是一個全方位的系統工程,除了末端治理技術外,在原料控制、工藝過程優化控制等方面也需要引起足夠的重視;此外,NOx的治理不僅僅是針對單一污染物的控制,部分技術是與除塵、脫硫等協同處理的方法。

           

          通過本文對鋼鐵工業NOx污染防治技術途徑的總結分析,希望為鋼鐵企業乃至鋼鐵工業進一步開展氮氧化物減排提供技術支撐。

           

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