钢铁烧结、球团工业废气脱硝工艺探讨

2023-11-08潘靓

皮革制作与环保科技 2023年17期

潘靓

（武汉科想分析检测技术有限公司，湖北武汉 430000）

引言

烧结和球团是钢铁行业中常见的冶炼工艺，它们能将粉末状的铁矿石转化为块状的铁矿球团或烧结矿，在这个过程中，会产生大量的工业废气，如二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）和悬浮颗粒物等。烧结工艺中，矿石粉末经过混合、湿法或干法球团化等一系列处理，然后在高温环境下进行烧结，形成固体块状的烧结矿；球团工艺则是将矿石粉末加入一定比例的结合剂，并通过机械力和高温处理，使其形成球状的球团。这两种工艺在钢铁生产中具有重要作用，但同时也带来了环境污染问题。这类废气的排放会对大气环境和人类健康产生负面影响，有效减少和控制NOx的排放成为钢铁行业面临的重要挑战之一[1]。

1 烧结、球团工业废气的特性

对于钢铁工业中的二氧化硫、氮氧化物等废气而言，其主要来源于烧结、球团等生产工艺流程，其二氧化硫的排放总量占据整个钢铁行业废气排放总量的八成。目前，我国对烟气脱硫、脱硝等技术的研究已经相当充分，而且拥有相当丰富的实际操作经验。

1.1 烟气量大且变化幅度大

废气排放量在烧结过程中可能会因原料成分、燃料利用率和生产规模等因素的变化而产生剧烈波动，实际观测结果显示，废气排放量的日均变化幅度可达到50%以上，甚至更高。这种巨大且不稳定的废气排放给环境带来了严重污染。废气中的二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）等有害物质的含量在烟气中占据相当大的比例，据专业分析，钢铁烧结工业废气中SO2的排放量通常占整个钢铁行业废气排放总量的80%以上，而NOx的排放量也相当大，基本上每吨烧结矿可能会造成4 000～6 000 m2左右的废气。

1.2 SO2浓度变化大

钢铁烧结过程中SO2浓度的变化范围非常广泛，从几十毫克/立方米到上千毫克/立方米都有可能，这种巨大的浓度变化使得对钢铁烧结工业废气中SO2含量的监测和控制变得非常复杂和困难。引起SO2浓度变化的原因多种多样，原料的成分和性质是重要的影响因素，不同种类的矿石和燃料含硫量不同，因此烧结过程中这类物质的排放量也会有所差异，对烧结工艺参数的调整会对SO2浓度产生显著影响。高浓度的二氧化硫排放会对大气环境造成直接污染，对空气质量造成严重威胁，还会与大气中的颗粒物相互作用，形成细颗粒物（PM2.5）等有害物质，对人体的呼吸系统和心血管系统造成潜在患病风险。

1.3 烟气成分复杂

由于生产过程中使用的原料有较大差别，使烧结和球团工业废气的组成元素变得较为复杂，包括二氧化硫、氮氧化物、颗粒物、多环芳烃（PAHs）等，不同成分的物理和化学特性各异，有效的废气处理技术需要针对不同成分的特点进行优化，针对SO2的处理可采用脱硫技术；对NOx的控制则可以采用脱氮技术；去除颗粒物需要采用有效的过滤或洗涤技术；PAHs等有机物的处理则需要考虑其挥发性和毒性特征。

1.4 烟气温度变化范围大

在烧结和球团工艺中，高温燃烧过程会产生大量的热能，使废气温度升高，矿石和其他原料的特性以及燃料的类型和含量也会对烟气温度产生重要影响。这种烟气温度的变化范围给废气的处理和控制带来了挑战。高温废气不仅对环境造成直接的热污染，还对废气处理设备的性能和稳定性提出了要求。

1.5 含氧量和含湿量较高

高含氧量是由于烧结和球团工艺中的燃烧反应，燃料中的氧和空气中的氧参与了燃烧过程，从而导致废气中的氧含量较高，由于烧结和球团工艺中使用的原料和燃料可能含有一定的水分，因此废气的含湿量也相对较高。

2 钢铁烧结、球团工业废气综合治理现状

目前，大型钢铁企业的烧结机数量占据了大部分份额，然而随着行业竞争的加剧，相关设备产能过剩的问题变得更加明显。“十四五”规划期间，国家明确指出要推动绿色发展，促进人与自然和谐共生，对各类有害物质的排放控制提出了更为严格的限制，钢铁行业应特别关注与污染防治相关的问题[2]。

2.1 无组织排放源数量多

由于生产规模庞大、设备复杂多样，以及管理水平的差异，部分废气排放源无法实现有效的治理与控制，这些无组织排放源主要包括冷却系统、装料、装卸作业以及管道泄漏等，它们分布广泛且难以完全掌控。因此废气排放呈现出阵发性特征，即排放浓度和排放量在不同时间呈现出较大的波动，使废气的治理和控制面临更大的挑战。对于这些无组织排放源，监测和治理工作需要更加全面、精细和灵活的策略。

2.2 脱硫工程粗制滥造

在废气治理中，脱硫工程是较为关键的环节，当前有部分钢铁企业在进行脱硫设备建设时存在粗制滥造的现象。一方面，一些企业在脱硫设备的选择和设计上存在盲目跟从、缺乏科学性的问题，这导致脱硫工程的性能和效果无法达到预期目标；另一方面，部分企业在脱硫工程的建设和运行中存在监管不严、管理混乱的情况，导致脱硫设备的正常运行和维护受到影响。

2.3 危险作业项目多

在钢铁生产过程中，存在高温作业、高空作业、化学品操作等一系列危险作业，这些作业涉及安全风险较高的操作环境和工艺要求，对工人的安全和健康提出了较高要求。相对而言，在钢铁烧结和球团工业废气治理过程中，危险作业较多，增加了事故发生的潜在风险。

2.4 烧结、球团脱硫覆盖率低，烟气超标排放

钢铁烧结和球团脱硫覆盖率较低，无法高效地去除二氧化硫，它们被直接排放到大气中，对环境造成严重污染。烧结和球团工业废气的排放也存在超标现象，加剧了大气污染问题。

2.5 脱硫副产物难以利用，易造成二次污染

脱硫过程中会产生大量的脱硫副产物，如石膏、石灰石和脱硫石膏等，这些副产物的综合利用仍存在一定困难。由于脱硫副产物的成分和性质不同，其利用途径和应用方式也存在差异，如石膏可以用于水泥生产或土壤改良，而脱硫石膏则适用于建筑材料的制造。然而，在实际运用过程中，由于市场需求、技术限制和运输成本等因素，脱硫副产物的利用率较低，无法充分发挥其价值。不适当的脱硫副产物处理方式可能会引发二次污染，如果对脱硫副产物的处置不当，例如直接堆放在露天场地或在未经处理的情况下排放到水体中，可能会导致土壤、地下水和地表水的污染。

3 钢铁烧结、球团烟气脱硝工艺

3.1 低温SCR脱硝技术

低温SCR（Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原）脱硝技术是一种用于降低燃煤电厂、工业炉等燃烧过程中产生的氮氧化物（NOx）排放的先进技术，该技术通过在燃烧过程中添加还原剂，使氮氧化物在催化剂的作用下与还原剂发生反应，将其转化为无害的氮气和水。传统的SCR脱硝技术在高温条件下进行，通常需要较高的催化剂活性温度（约200 ℃），并且还要求燃烧后的烟气温度在催化剂的工作范围内。然而，许多工业炉和燃煤电厂的烟气温度往往较低，因此传统SCR技术在这些情况下效率较低。低温SCR脱硝技术的关键在于开发出在较低温度下仍能高效催化还原氮氧化物的催化剂，这些催化剂通常采用金属氧化物或非金属氧化物，可以在较低的温度范围内有效降低氮氧化物排放。其工作原理是在燃烧过程中向烟气中添加氨水（NH3·H2O）或尿素溶液（CO(NH2)2）等还原剂，其反应方程为4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O，通常会在烟气管道内设置，通过设计合适的反应器结构，增加烟气在催化剂上的停留时间，以提升脱硝效果。

3.2 选择性非催化还原法

该工艺主要通过将烟气中的氮氧化物（NOx）与氨（NH3）在一定的温度和气体组成条件下进行反应，以达到脱除NOx的目的。实际操作时，烟气首先通过除尘设备去除颗粒物的干扰，然后进入脱硝装置。在脱硝装置中，烟气与适量的氨混合，形成氨氮化合物。在高温下，氨氮化合物与烟气中的NOx发生反应，生成氮气和水。这种反应是非催化的，即无需添加任何催化剂。反应过程中的温度、氨氮化合物的浓度和气体的氧氮比对脱硝效果起着重要作用。

选择性非催化还原法相对于其他脱硝工艺具有一些优势。首先，该工艺不需要使用昂贵的催化剂，降低了成本和运营难度。其次，非催化还原法对烟气中的氧气要求较低，使得系统更加灵活可靠。然而，选择性非催化还原法也存在一定局限性，反应温度对脱硝效果影响较大，过高或过低的温度都会降低脱硝效率。非催化还原法对氨氮化合物的浓度要求较高，过低的浓度会导致脱硝效果不佳。该工艺在高氧氮比条件下容易产生氨氧化物（NOx的产物），对环境造成污染，因此，要通过合理设计和优化脱硝装置的结构，提高烟气与氨的接触效率，促进反应的进行。相关人员需要对不同的烟气特性和运行条件进行实时监测和调节，并合理管理和控制氨的供应量，避免过量使用氨造成氨氮化合物的积累。

3.3 活性焦（碳）协同脱硝技术

该技术结合了活性焦（碳）的催化作用和脱销反应，将废气从含有活性焦（碳）的反应器中排出，通过活性焦（碳）的高度吸附性能，能够有效去除烧结、球团废气中的有害气体。活性焦（碳）具有高表面活性和很大的比表面积，使其能够提供充足的还原反应表面，并且能够与氮氧化物发生反应生成氮气和二氧化碳。其操作关键在于要在适当的温度下将活性焦（碳）引入烟气中，通过向反应器中供应适量的氨气（NH3），在活性焦（碳）的吸附、催化作用下，烟气中的NH3与NOx发生选择性催化还原反应生成氮气和水，实现烟气脱销。活性焦（碳）表面的吸附物质与氮氧化物进行反应，产生硝化物，这些硝化物进一步通过循环系统回收，并经过适当的处理后，可以转化为有用的产品或安全地排放。在实际应用中，活性焦（碳）的使用量是根据烟气中氮氧化物的浓度和烟气流量来确定的，活性焦（碳）的使用量为烟气中氮氧化物质量的一定比例，可以将活性焦（碳）的投加量设置为氮氧化物质量的5%～10%。这样可以确保活性焦（碳）与氮氧化物充分发生反应，达到高效的脱硝效果。

3.4 湿式吸收脱硝技术

湿式吸收脱硝技术利用吸收剂（如氨水或尿素溶液）与烟气中的氮氧化物（NOx）发生化学反应，将其转化为无害的氮气（N2）和水（H2O），通过在脱硝过程中控制吸收剂的投加量和优化操作条件，可以有效降低烟气中NOx的排放浓度。湿式吸收脱硝技术的关键反应可以表示为：2NO+2NH3+1/2O2→2N2+3H2O。在这个反应中，通过在脱硝装置中将吸收剂喷洒或喷淋到烟气中，就能让吸收剂中的氨（NH3）与烟气中的NOx和氧气发生反应，生成氮气和水。吸收剂的投加量是一个重要的控制参数，应根据烟气中的NOx浓度和目标排放浓度进行调节。通常，吸收剂的投加量与烟气中NOx的摩尔比例在1.0～1.2之间，浓度一般在20%～30%范围内。除了吸收剂的投加量，湿式吸收脱硝技术还需要考虑吸收塔的设计和操作条件，并考虑气液接触的充分性和反应效率，采用填料或喷淋装置来增加接触面积，以此提升烟气吸收效率和脱硝效果。

4 钢铁烧结、球团烟气脱硝新技术手段

4.1 等离子法脱硝

4.1.1 电子束法

在电子束法中，电子束功率、辐照时间和反应温度这三个因素对实际效果起到了决定性作用，其中，电子束功率决定了电子束的能量和密度，辐照时间则控制了电子束与烟气中的NOx发生反应的持续时间，而反应温度则影响反应速率和选择性。其基本原理是利用电子束的高能量，使其与烟气中的NOx分子发生电离，被电离的NOx分子会进一步与其它分子发生碰撞，并转化为氮气和水。如在相对较低的温度下进行脱硝，由于电子束在烟气中的直接作用，会使整个脱硝反应速率较快，脱硝效率较高[3]。

4.1.2 脉冲电晕法

该技术利用电晕放电现象，通过电场的作用，使烟气中的氮氧化物发生化学反应，从而达到脱硝的目的，具有高效、节能、环保等优点，已经成为钢铁烧结和球团烟气处理领域的新兴技术。在脉冲电晕法中，首先需要将烟气通过一个电晕区域，该区域由高压电极和对电极构成，当在两极之间施加高电压时，就会形成电场。通过调整电极之间的距离和电场强度，可以控制电晕现象的发生，当烟气通过电晕区域时，电晕放电现象就会发生。在电晕放电过程中，电晕放电产生的电子、阳离子和自由基等活性物质会与烟气中的氮氧化物发生反应，其主要的反应路径包括电子碰撞还原、阳离子和自由基的反应，以及自由基的链式反应。在这些反应过程中，氮氧化物会被还原为氮气和水，从而实现脱硝的效果。

4.2 微生物脱硝

微生物脱硝是钢铁烧结和球团烟气脱硝中的一种新技术手段，该技术利用具有脱硝功能的特定微生物，通过其代谢活动将烟气中的氮氧化物还原为氮气，从而实现脱硝的目的。在微生物脱硝过程中，首先需要筛选和培养具有脱硝能力的微生物菌株，这些菌株通常属于反硝化细菌，能够利用烟气中的氮氧化物作为电子受体，将其还原为氮气。通过合理的培养条件，如适宜的温度、pH值和营养物质，可以提高菌株的活性和脱硝效率。当微生物菌株处于适宜的环境中，它们会利用烟气中的氮氧化物作为电子受体进行代谢活动。在代谢过程中，微生物菌株产生一系列的酶，如亚硝酸还原酶、一氧化氮还原酶等，这些酶能够催化氮氧化物的还原反应，通过这些反应，亚硝酸盐可以被还原为氮气，从而实现脱硝的效果[4]。