典型钢铁企业全流程的氮素流及其含氮污染物减排潜力分析

针对钢铁生产全流程产生的NO_x造成的环境污染问题,依据NO_x生成机理及元素流分析方法,建立钢铁生产全流程氮素流分析模型。应用该模型,以某典型钢铁企业实际生产数据为样本,分析钢铁联合企业的氮元素流动特征,讨论钢铁生产全流程中排放的含氮污染物及废气NO_x的产生、脱硝及排放情况。研究结果表明,钢铁企业输入的氮素主要来源于高炉鼓风和各工序燃烧所需的空气(99.655%),输出的氮素主要以N₂形式(82.917%)排放至大气,全流程内的氮素主要以煤气和工序产品形式循环;钢铁企业排放的含氮污染物以废气NO_x(97.982%)为主,高炉炼铁工序废气NO_x排放量最高;钢铁企业产生的废气NO_x主要来源于焦炭(56.84%)和煤炭(28.91%),其中24.23%的NO_x经脱硝后转化为N₂排放至大气。对钢铁生产全流程氮素流及含氮污染物的排放、控制及相关政策开展研究,提出合理建议,对中国环境保护和钢铁行业的绿色发展具有重要意义。     

烧结烟气中NOx减排进展

 铁矿石烧结是钢铁工业生产的重要一环,同时也是大气中NO_x污染物的主要排放源。随着人们对大气环境的要求越来越高,烟气排放标准日益严格,如何高效、低成本脱除烧结烟气中的NO_x已经成为了钢铁企业面临的一个巨大挑战。首先介绍了烧结工序烟气NO_x的排放规律及现状,然后从烟气中NO_x生成机理出发,深入解析了煤燃料在热解和燃烧中氮的氧化还原机制,详细阐述了温度、氧及某些金属对煤中氮转化的不同影响,再结合NO_x的理化属性进一步指出了氧化/还原脱硝路径,并介绍了现阶段根据这2条路径开发的各种源头、末端和过程烟气治理手段;同时,结合不同的脱硝路径,深入分析了SCR催化还原机制、催化氧化机制和铁酸钙催化还原脱硝机制,全面总结对比了近期常见的各种NO_x减排举措的研究进展,其中铁酸钙催化过程脱硝以其低成本、显著的脱硝效果和不增加任何气、固污染物的特点而展示出巨大的潜力。最后,结合国家超低排放新的要求和钢铁企业烧结生产的现状,指出了当前钢铁工业烧结烟气高效、经济脱硝所面临的研究挑战,并展望了铁酸钙催化过程脱硝的应用前景和发展方向。     

中国钢铁工业空气污染物排放现状及趋势

 目前中国粗钢产量已经占世界总产量的一半以上,中国钢铁工业的发展对世界意义重大。中国钢铁工业主要采用以煤炭为主要燃料的“高炉-转炉”长流程冶炼工艺,因此在钢铁生产过程中排放出大量的空气污染物,主要包括二氧化硫(SO₂)、氮氧化物(NO_x)和颗粒物(PM_2.5)等。从钢铁工业污染物的来源、污染物的排放总量变化情况、不同冶炼工序污染物排放特点、中国钢铁工业污染物排放量地域分布特点以及不同规模的钢铁企业污染物排放特点等多角度综述了近年来中国钢铁工业的空气污染物排放现状。同时简要综述了中国钢铁工业为治理空气污染物而进行的超低排放改造进展情况,据此提出了中国钢铁工业空气污染物治理存在的问题,并分析了未来中国钢铁工业空气污染物排放及减排趋势。     

风口前端氧煤燃烧NOx生成行为分析及控制

 以高炉风口前端煤粉燃烧过程为研究对象,通过热力学计算系统分析了不同约束条件下煤气成分及NO_x的生成规律,探讨了温度、煤种比例及煤粉成分、富氧、喷煤等不同工况参数对NO_x生成行为的影响,并提出降低NO_x生成的方向性建议。研究结果表明,高炉风口前端煤粉燃烧生成NO_x兼具热力型、快速型、燃料型3种途径。温度是影响热力型NO_x生成的重要因素,温度大于2 000 ℃时,温度每升高100 ℃,高炉风口前端NO_x生成量增幅大于30%以上,计算温度范围内(2 000～2 400 ℃),NO_x生成量由4 056 mg/m3增加到12 942 mg/m3,NO_x生成量远超传统燃煤锅炉;其他工况条件不变,高炉烟煤配比由0提高至50%,NO_x的生成量由4 152 mg/m3增加至7 486 mg/m3,增幅达到80%;高炉煤比为80 kg/t时,即使不富氧,NO_x生成量依然达到了18 006 mg/m3;喷吹煤粉中1 mol碳素供氧量由2.0 mol降至1.2 mol,NO_x生成量显著减少了68%。综上所述,高炉通过采取调整理论燃烧温度、减少烟煤配比、使用低挥发分煤种、合理匹配富氧喷煤水平等措施,可以实现NO_x生成的源头控制。此外,就高炉NO_x排放角度而言,炉顶煤气中NO_x的含量水平亦显著受高炉内部还原作用的影响。正常冶炼条件下,生成的NO_x在炉内能够被充分还原,高炉炉顶煤气NO_x量通常为50 mg/m3以下,但应关注亏尺、悬料、休送风等特殊工况时高炉煤气及下游煤气用户NO_x的排放水平。     

烧结燃料清洁化对NOx减排影响的中试试验

钢铁烧结工序是典型的高能耗、高物耗和高污染工序,烧结脱硝成为钢铁行业发展的最主要的难题,从源头削减NO_x的产生是有效解决方案之一。为此,建立烧结杯中试试验系统,采用清洁燃料替代的方法进行氮氧化物源头减排的研究。试验筛选出石蜡、低氮煤、甲醇3种低氮物料分别与无替代烧结NO_x进行排放比较,同时比较了烧结过程的增温速率、高温水平、高温持续时间;分析了在满足烧结热量和温度需求情况下,NO_x的减排效果以及变化规律和机理,综合分析3种物料或燃料替代减低NO_x的效果。试验结果表明,用低氮煤替代50%焦粉,NO和NO_x平均浓度分别为63.4和99.7 mg/m3,分别降低44.8%和43.9%;用石蜡替代10%焦粉,NO和NO_x平均浓度分别为48.5和76.7 mg/m3,分别下降57.8%和56.8%。从降低NO_x浓度效果来看,石蜡优于低氮煤。用甲醇替代10%焦粉和20%焦粉,虽然都有一定降低NO_x的效果,但是增温效果不能满足烧结的温度和热量要求,不适合作为替代的清洁燃料。     

混合料预先干燥对烧结NOx排放的影响

 为利用烧结过程自身特性,实现烧结NO_x过程减排,通过烧结杯试验研究了烧结混合料热风预先干燥对烧结产质量指标和烧结烟气中NO_x排放浓度的影响。研究表明,随着烧结混合料热风预先干燥时间的增加,烧结矿转鼓强度和落下强度呈现总体增加的趋势,烧结成品率、垂直烧结速度和烧结利用系数呈先升高后下降的趋势;随着热风预先干燥时间的增加,烧结过程中烟气NO_x基准质量浓度和NO_x排放量会逐渐减少,当干燥时间达到30 min时,在不降低烧结矿产质量的情况下,在氧气体积分数为16% 的基准下NO_x质量浓度可降低20%左右,NO_x排放总量相比基准烧结减少22.82%。烧结混合料热风预先干燥可以减少烟气NO_x的排放,在烧结过程中实现NO_x减排的目的,为钢铁企业实现NO_x达标排放提供思路和方法。     

烧结全过程节能减排智能控制方法分析

研究提出了烧结全过程节能减排大气污染物治理的模式和方法,根据物质流和能源流节点特征把烧结工序分成烧结源头系统、过程系统、末端处理系统。采用“双平衡”约束方法进行深度置信网络进行配料-成矿预测模型的训练,实现源头配料的智能控制,通过调整优化燃料配比,从源头上降低燃料消耗及污染物排放。基于深度神经网络进行了风箱负压和温度预测耦合模型的构建,降低了烧结过的程电能消耗。根据源头和过程污染物产生的信息调节末端脱硝还原剂使用量,最终建立了烧结全过程的节能减排智能辅助诊断决策系统。该系统在应用中固体燃料消耗降低18.9%,电能消耗减少21.9%, NO_x减少排放43.6%,SO₂减少排放14.0%,颗粒物减少20.1%,节能减排效果显著。     

钢铁工业的空气消耗与废气排放

 基于工业系统与环境之间的物质交换，建立空气是冶金资源的概念，阐述了钢铁工业空气消耗量、废气产生量、污染物排放量三者间的联系及其对区域大气环境质量的影响。调研核查了若干家钢铁企业，统计其烧结、炼焦、炼铁、炼钢和轧钢等各生产工序，以及高炉-转炉流程、全废钢-电炉流程的空气消耗量和废气排放量。以吨钢为计算基准，给出了中国钢铁工业的资源消耗结构和废物排放结构以及空气消耗和废物排放数据，其中吨钢空气消耗量（以质量计）占吨钢资源消耗总量的85%以上，强调了减少空气消耗和废气产生量对降低污染物排放总量、改善区域大气环境质量的重要性。列举了富氧乃至纯氧燃烧、废气循环再利用、烧结矿竖式冷却换热技术的节能减排案例，指明应用这些关键技术、优化钢铁生产流程和发展全废钢电炉短流程等是大幅度减少空气消耗和废气产生量，进而减少颗粒物、SO₂、NO_x排放量的有效途径。     

基于高炉炉料结构优化的源头减排技术及应用

 为了更进一步降低污染物排放总量,河钢集团在实现污染物超低排放的同时积极开展源头和过程硫硝减排技术研发。针对国内矿粉资源特点和球团、烧结过程污染物生成规律,以减少污染物生成总量为出发点,开发出适于高比例球团冶炼的低排放、低能耗熔剂性球团制备技术,阐明了熔剂性球团焙烧过程吸放热规律,克服了生球爆裂、回转窑结圈等技术难题,成功生产出SiO₂质量分数在4.5%以上,MgO质量分数为1.8%左右,二元碱度(R₂)为1.0左右的镁质熔剂性球团,并且具备长期连续生产的能力。开发了焙烧温度与球团矿质量调控、燃烧温度与硫硝生成控制技术,使得熔剂性球团抗压强度大于2 200 N/个,SO₂生成量比酸性球团降低了20%,比烧结矿产生的SO₂、NO_x分别降低75%、53%。研发了高比例球团高炉冶炼集成技术,高炉球团质量分数由20%增加到80%,燃料比降低11 kg/t,吨铁SO₂、NO_x分别减排50%、26%。提出了炼铁流程全生命周期节能减排定量分析方法和持续改进方向,成功实现污染物在源头和过程上的削减。已成功推广至河钢集团2 000 m3级、3 000 m3级高炉和河钢乐亭沿海基地3 000 m3级高炉在建项目上,为国内钢铁工业减少污染物排放总量开辟了新的方向。     

迁钢球团烟气超低排放关键技术集成与应用

针对迁钢球团工序在实施烟气超低排放改造过程中面临的问题,提出了球团半干法提效技术耦合SCR高效脱硝的一体化污染物脱除工艺。通过工业试验进一步优化脱硫剂种类,开发出了以消石灰为脱硫剂的高效脱硫超低排放工艺;同时利用流体仿真技术,开发出与工艺相适应的导流板和整流器,实现了SCR脱硝装置内的流场和温度场的均匀化和氨逃逸的控制,最终实现了球团工艺烟气颗粒物排放浓度、SO₂排放浓度和NO_x排放浓度分别小于5、25和40 mg/m3的实绩,长期稳定满足超低排放要求。     

球团烟气SNCR与嵌入式SCR耦合脱硝新技术

在中国大力推动绿色低碳发展的形势下,钢铁行业全面实施烧结、球团工业大气污染物超低排放,球团NOx减排迫在眉睫,减排效果将关乎球团行业的生存与发展.针对国内主流的链箅机-回转窑球团生产工艺NOx排放质量浓度高的问题,在系统分析球团烟气特性与NOx分布的基础上,开展了选择性非催化还原法脱硝技术(SNCR)与嵌入式选择性催化...     

活性焦法烧结烟气脱硝率影响因素解析

 为了明确活性焦在烧结烟气净化系统循环使用过程中脱硝性能变化及影响烧结烟气脱硝率的主要工艺参数,提高活性焦法烧结烟气净化效率,通过红外光谱分析和模拟试验研究循环使用中活性焦性能变化及其对脱硝率的影响,并通过生产数据统计分析明确影响活性焦法烧结烟气脱硝率的主要工艺参数及其影响规律。结果表明,经循环使用,活性焦表面酚基和醌基数量增加,对NO吸附量降低,导致活性焦前期脱硝率下降,而氨气预吸附处理可大幅提高其前期脱硝率;随脱硝段高度位置下降,脱硝率经历100%、迅速降低、缓慢升高直至平衡等阶段。其次,脱硝率与氨氮比、O₂体积分数、NO_x质量浓度、解析温度呈正相关,与H₂O体积分数、SO₂质量浓度、烟气流量、活性炭床温度呈负相关,其中,氨氮比、O₂体积分数和NO_x质量浓度对脱硝率影响最大,工艺参数优化过程中应着重关注。