鋼鐵生產二噁英減排技術探討

賈建廷

(山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西 太原 030003)

引 言

二噁英是目前世界上毒性最強的劇毒化合物，是迄今為止發現過的最具致癌潛力的物質，國際癌癥研究中心已將其列為人一級致癌物。二噁英一般來源于包括熔煉、紙漿的漂白以及生產某些除草劑和殺蟲劑的工業生產過程中所產生的有害副產品，此外，森林大火、汽車尾氣也有少量產生[1]。

隨著我國經濟發展對鋼鐵需求量的日益增加，鋼鐵工業已經成為國民經濟的重要支柱產業。據中鋼協統計，2014年我國粗鋼產量達8.2億t，同比增長0.9%，占全球粗鋼產量的49.3%。隨著產量的不斷攀升，鋼鐵企業的大氣污染問題日益嚴重。鋼鐵工業生產規模大、工藝復雜，資源、能源消耗巨大，大氣污染物種類多、排放量大。隨著煙粉塵、二氧化硫、氮氧化物等污染物已經得到有效控制，二噁英污染的控制和減排問題就凸顯出來[2]。

1 鋼鐵生產過程中二噁英的來源和生成機理

鋼鐵生產過程中二噁英主要產生在燒結工序和電爐煉鋼工序。太鋼目前有450 m2燒結機兩臺，160 t電爐兩座。

1.1 燒結過程中二噁英生成機理

燒結生產是以精礦粉、各種含鐵廢物、除塵灰、軋鋼氧化鐵皮等不能直接進入高爐冶煉的含鐵物料作為主要原料，配入適當比例的燃料(焦粉或無煙煤)和熔劑(石灰石和石灰粉)，經過原料加工、配制、混合、造球、布料、點火、燒結、破碎、篩分、冷卻等過程，生產出成品燒結礦。

燒結作為鋼鐵生產過程中污染最嚴重的工藝環節之一，其二噁英排放量占鋼鐵生產總排放量的90%，因此，燒結煙氣的治理已成為鋼鐵企業環保達標的重中之重。燒結工序二噁英主要是在燒結機料層中“從頭合成”反應生成的。來源于配料中的焦粉、煤等含碳成分和燃料中的有機、無機氯化物，以及礦石中的銅元素，在250 ℃～450 ℃氧化性氣氛中，生成二噁英物質。同時，增加鋪底料的厚度，燒結混料中的綜合粉(除塵灰、氧化鐵皮、軋鋼鐵鱗等)也會增加的二噁英；返回料干擾燒結料層中熱量和擾亂火焰的前端傳播(即非穩定態條件)，這些因素都會導致廢氣中二噁英增加。

1.2 電爐煉鋼過程中二噁英生成機理

電爐煉鋼是指在電弧爐中通過石墨電極向爐內輸入電能，以電極端部與爐料之間發生的電弧為熱源，使爐料和合金料熔化并精煉成鋼的過程。是生產優質鋼和特殊質量鋼的主要煉鋼方法。

電爐生產時將油脂及塑料進行預熱或裝入電爐都會產生含二噁英的煙氣。電爐冶煉氯源主要有：廢鋼中附著的油脂、塑料涂層、油漆等有機物；電爐電極表面、爐襯可以提供氯源，廢鋼中含有的微量銅、不銹鋼廢鋼含有的微量鎳、汽車廢鋼含有的微量鋅等作為催化劑，在高溫熱煙氣的冷卻過程中，以前驅體合成、熱分解合成、從頭合成三種方式生成二噁英。

2 太鋼鋼鐵生產過程中二噁英的減排技術

介于二噁英的毒性大、降解難且治理費用昂貴，太鋼二噁英的減排從源頭控制、工藝改善和末端治理三管齊下，取得了一定的效果。

2.1 燒結過程中二噁英的減排

根據燒結過程中二噁英的生成機理，燒結過程中二噁英的減排途徑，首先，要控制燒結原料組分、減少氯源及催化劑的量，減少二噁英的生成量；其次，通過控制燒結工藝、調整工藝操作參數等技術控制二噁英的生成量；最后，通過物理吸附、催化降解等措施來削減已生成二噁英的排放量。

2.1.1 燒結原料組分控制

通過降低綜合粉比例(6%)和氯含量高的礦粉的投入量、增加精礦粉比例(3.6%)，防止生成二噁英的再合成物和其他前驅化合物；向燒結床中增加固態抑制劑生石灰的比例來降低燒結煙氣中二噁英的生成；利用無煙煤替代焦炭來降低二噁英的濃度；采取軋鋼皮除油等措施也可有效降低二噁英的濃度。采取上述措施后，除塵器后排氣中二噁英可減排6%。

2.1.2 燒結工藝控制

1) 燒結臺車必須在一致和穩定的工藝條件下進行操作(即穩定態操作，最大程度較少工藝的變化)。操作條件包括：臺車移動速度恒定、爐床成分均勻(原料的持續攪拌，可最大化減少氯化物的進入)、爐床高度適中、添加劑(生石灰、白云石、焦粉)合理使用等。整個配料過程由計算機自動控制各定量給料裝置的給料量、各種原料的換槽，保證配料、混合制粒、鋪底布料穩定態操作。

2) 采用廢氣循環工藝，將靠近環冷機受料點處(二噁英生成量較大部位)約400 ℃～600 ℃的高溫廢氣，經多管除塵器除塵后，由高溫風機引至點火保溫爐進行熱風點火與保溫及熱風罩內進行熱風燒結，熱風量約111 000 m3/h～114 000 m3/h、熱風燒結面積100 m2。這樣不僅能充分利用熱能、降低固體燃料消耗、提高表層燒結礦質量，而且大大提高了廢氣中粉塵、氣態污染物的脫除效率、減少廢氣量排放，同時，還提高了脫硫、脫銷及顆粒物效率，降低了二噁英、SOx和NOx的生成量。廢氣的循環利用，可明顯減少廢氣排放的二噁英量大約70%，顆粒物和NOx減排放量近45%。

并且還預留燒結機非脫硫系大煙道，燒結煙氣(溫度120 ℃～180 ℃)循環燒結利用，提高了燒結空氣的溫度，將循環煙氣中含有的CO回收再燃燒，以減少混合料中固體燃料量，實現進一步節能減排。

2.1.3 燒結煙氣中已生成二噁英的控制

太鋼燒結煙氣處理采用由日本引進活性炭吸附工藝，經高效電除塵后的廢氣，采用活性炭進行深度凈化處理，減少煙氣量和污染物排放，實現燒結煙氣除塵、脫硫、脫硝、脫重金屬和脫二噁英一體化(見圖1)，能夠達到國家頒布的燒結煙氣大氣污染排放標準，脫硫效率95%、脫硝效率33%、二噁英減排效果達90%以上，太鋼二噁英排放濃度可以達到0.15 ng-TEQ/m3。

圖1 太鋼燒結機活性炭吸附工藝流程簡圖

2.2 電爐煉鋼中二噁英的減排

太鋼電爐以不銹鋼冶煉為主，通過對煉鋼原料分選來減少氯源和催化物質；同時，對溫度進行控制、縮短廢氣在二噁英易生成溫度區間的停留時間；高溫煙氣采用機力冷卻急冷措施減少二噁英產生量；對于已生成的二噁英高效過濾、物理吸附來實施二噁英的減排。

2.2.1 減少二噁英的生成量

1) 盡量減少使用含有油漆、涂料等含氯廢鋼、在入爐前進行挑選和預處理、控制紅泥球(除塵灰壓的球)的投入量、增加不銹鋼廢鋼的投放比例、提高鐵水的投入量，嚴格控制入爐有機物和氯的總量。

采用轉底爐處理含鐵塵泥技術，回用物料如軋鋼氧化鐵皮、除塵灰等含有較高的氯元素，利用轉底爐內約1 300 ℃高溫還原性氣氛和球團中的碳進行還原反應，氧化鐵還原為金屬鐵，二噁惡英被高溫分解消除。目前我國日鋼和太鋼都建有轉底爐項目。

2) 改變原料結構，以鉻、鎳生鐵為主，增加中頻爐冶煉，降低二噁英的產生，即在中頻爐內熔煉高鉻生鐵，在電爐中熔煉廢鋼和普通鉻、鎳生鐵，兩種鋼水在大包中混勻完成熔煉過程，太鋼電爐煉鋼中鉻、鎳生鐵占90%、廢鋼占10%、輔料占10%，大大降低了二噁英的產生量。

3) 煙氣的降溫過程為二噁英的“從頭合成”提供了適宜的溫度條件，太鋼采用對由煙道排出的煙氣進行機力冷卻的急冷措施，將煙氣穩定快速(1 s內)從約650 ℃快速降至150 ℃～200 ℃以下，即可以減少二噁英產生量60%～95%，還能對高溫煙氣進行余熱利用。太鋼160 t電爐采用該技術，二噁英排放濃度降至10-2數量級以下。

2.2.2 已生成二噁英的減排

對于吸附在細小煙塵表面的二噁英，太鋼160 t電爐采用32倉、過濾面積25 410 m2的高效布袋除塵器進行處理。根據實測情況得知，布袋除塵器對二噁英的總凈化效率在90%以上，對廢氣中二噁英的凈化效率在75%以上。

3 結束語

隨著我國經濟的增長，我國仍處在二噁英排放總量相當高的階段，而鋼鐵生產設計過程中也很少專門涉及對二噁英長期減排技術措施，二噁英減排工作仍面臨挑戰，任務艱巨。2015年，國家環保部發布《重點行業二噁英污染防治技術政策》，提出到2020年，顯著降低重點行業單位產量(處理量)的二噁英排放強度，有效遏制重點行業二噁英排放總量增長的趨勢。太鋼應用鋼鐵冶煉二噁英減排技術實踐活動，為鋼鐵聯合企業進一步推進全流程二噁英減排提供借鑒，以推動二噁英減排工作的順利開展，最終實現我國的二噁英排放始終處于風險可控水平。

參考文獻：

[1] 張傳秀，萬江.我國鋼鐵工業二惡英的減排[J].冶金動力，2008(2)：74-81.

[2] 何曉蕾，李咸偉，俞勇梅.燒結煙氣減排二惡英技術的研究[J].寶鋼技術，2008(3)：25-28.