降低鍋爐煙氣氮氧化物含量實現排放達標

張少杰，李連歡

（天津天鋼聯合特鋼有限公司，天津301500）

0 引言

鋼鐵聯合企業高爐和轉爐冶煉過程中會產生副產品高、轉爐煤氣，除高、轉爐工序自用自外，仍有35%～40%的富余煤氣被送往高、轉爐煤氣柜，如果不能充分利用將要點火放散，既浪費能源又污染了環境。目前鋼鐵企業為了實現綠色和可持續發展，大力發展循環經濟和資源綜合利用項目，主要采取的措施就是利用富余的高、轉爐煤氣進行發電。利用鍋爐燃燒煤氣發電可以有效回收和利用富余的煤氣，減少資源浪費，保護生態環境，提高企業綜合效益。

但發電鍋爐煤氣燃燒產生的氮氧化物又成為新的污染源，常規降低鍋爐煙氣氮氧化物排放的方法投資成本較高。因此本文通過對鍋爐運行參數和燃燒系統、煙氣系統和輔助設備的分析，制定了鍋爐煙氣氮氧化物的治理方案。生產實踐證明治理方案科學有效，通過鍋爐工藝參數的調整和設備的改造，使尾氣中氮氧化物排放值達到了超低排放標準，節省了治理成本。

1 高、轉爐煤氣

1.1 高爐煤氣

高爐煉鐵的過程中燒結礦等含鐵物料與焦炭等原燃料由爐頂裝入高爐，經過一系列的氧化、還原反應和渣鐵分離過程，最終形成液態鐵水、熔渣和煤氣三種產品。其中焦炭氧化燃燒時產生大量的CO2和CO，鼓風帶入的水蒸汽在高溫和焦炭的作用下分解形成H2和CO[1]。焦炭氧化燃燒和蒸汽還原分解反應方程式如下：

C+O2=CO2

2C+O2=2CO

H2O+C=2CO+H2

CO2+C=2CO

焦炭燃燒和水蒸汽還原反應產物CO2、CO、H2及少量CH4和熱風中的N2組成高爐煤氣的主要成分，其成分及熱值如表1所示。

表1 高爐煤氣組成及發熱值

1.2 轉爐煤氣

在轉爐吹氧煉鋼過程中，鐵水中的碳在氧的作用下，形成含CO2，CO的轉爐煤氣排出[2]。在此過程中，碳的氧化按下列反應式進行：

2C+O2=2CO

C+O2=CO2

CO2+C=2CO

碳氧化得到的CO2、CO混合爐口吸進的空氣組成轉爐煤氣，其成分及熱值如表2所示。

2 高、轉爐煤氣的利用

表2 轉爐煤氣組成及發熱值

2.1 在主要生產工序的使用

（1）用于燒結工序作為點火燃料和活性白灰窯燃料；

（2）在煉鐵工序作為高爐熱風爐燃料，鐵水包烘烤燃料；

（3）可用于轉爐煉鋼的鋼包烘烤、中間包烘烤等工序；

（4）軋鋼蓄熱式加熱爐燃料等。

2.2 在輔助工序的應用

高、轉爐煤氣作為煉鐵及煉鋼工藝的附屬產品，受生產過程影響較大，其成分、發熱值、流量均不穩定，整個煤氣系統總是處于動態變化之中。作為燃料供企業各生產工序使用，并不能充分利用，仍會產生部分煤氣放散。煤氣柜能夠削減由于煤氣供需不平衡引起的瞬時波動，在滿足在主要生產工序的使用后，富余的煤氣可用于廠區動力鍋爐和自備電廠發電。由于發電可以并網，因此發電量不受限制，可以消耗所有的剩余煤氣，實現高、轉爐煤氣零排放。

3 降低副產煤氣燃燒氮氧化物排放的方法

目前鋼鐵企業均對富余的高、轉爐煤氣進行綜合利用，主要方式通過燃氣鍋爐生產蒸汽，除滿足生產動力蒸汽需求外，其余蒸汽主要用于推動汽輪機發電，但是煤氣燃燒后產生的氮氧化物又成為新的污染源[3]。為達到環保要求，必須對煤氣燃燒后煙氣的氮氧化物含量進行控制。

3.1 對鍋爐燃燒系統進行改造的方法

對鍋爐燃燒系統進行改造，更換低氮燃燒器，通過設計改變燃燒方式和空燃比可以降低氮氧化物的生成量，使其排放達到環保標準，但是此方法投入成本較高，對于使用鍋爐較多的鋼鐵企業而言一次性投入較大并不經濟。

3.2 對鍋爐的煙氣系統進行改造的方法

在鍋爐的煙氣系統中增加脫硝設備，比如有選擇性催化還原技術（SCR）、氧化脫硝技術等，此法對氮氧化物排放值的降低效果顯著，但同樣面臨增加大量的施工及設備投資成本的問題。

3.3 調整工藝和優化輔助設備降低氮氧化物的排放的方法

高、轉爐煤氣燃燒后煙氣中的氮氧化物來源主要為熱力型NOx，即高溫燃燒過程中空氣中所含氮氣氧化產生，因此可以從降低燃燒溫度，控制過剩空氣系數和氣體在高溫區的停留時間等幾個方面加以控制[4]。

3.3.1控制爐膛升溫速度

對比煙氣在線氮氧化物監測數據與鍋爐運行數據，發現鍋爐在增加負荷階段，爐膛溫度上升較快，相對應的氮氧化物含量也隨之快速增加，針對此問題要求操作人員按照鍋爐升溫曲線穩步增加煤氣燃燒量，使氮氧化物排放量保持穩定，不會突然升高。

3.3.2 減少煤氣與氮氣接觸

氮氧化物中的氮主要來源于空氣、煤氣中所含的氮氣。減少鍋爐氮氣的使用量，可以減少尾氣中氮氧化物的生成量。因此，將原有工業攝像頭位置的冷卻氣體由氮氣改為凈壓縮空氣，減少不必要的氮氣輸入，可以有減少燃燒后氮氧化物的產生。

3.3.3 降低爐膛內氧含量、控制爐溫

如果空氣系數大，爐膛內氧氣含量高，也會造成氮氧化物的排放量增加。在保證煤氣能夠充分燃燒的情況下，將鍋爐空氣過剩系數控制在1.25左右，使爐膛含氧量由3%～5%降低到1.5%～2%，造成爐膛內發生缺氧燃燒，延長燃燒時間和火焰長度，降低爐膛高溫段的溫度，使其達不到氮氧化物形成的溫度值，可以使氮氧化物的排放量進一步降低。

3.3.4 控制鍋爐增減負荷的速度

鍋爐增減負荷的速度過快，發生過燒現象也會提高氮氧化物的排放量。因此當供給鍋爐的煤氣壓力突然發生變化時，要協同汽機、發電機崗位及時調整負荷，減少過燒現象，從而減少氮氧化物的過量排放。

綜上所述，通過對鍋爐燃燒系統和煙氣系統進行改造減少氮氧化物排放的方法，改造工程量大、施工難度高和投資成本高，目前不宜作為企業減少氮氧化物排放的主要方式。而通過調整調整鍋爐操作工藝和優化輔助設備配置減少氮氧化物排放的方法方式，簡單、經濟，切實可行。

4 調整工藝和優化輔助設備降低氮氧化物排放效果

對天鋼聯合特鋼燃氣鍋爐進行調整及優化前后數據進行對比監測，每隔1小時對鍋爐煙氣中氮氧化物的排放值進行監測，各監測24小時結果如圖1所示。

圖1 調整前后NOx排放值比較

調整工藝及優化輔助設備前氮氧化物的排放值均在40.13～73.39 mg/Nm3之間，并且數值波動較大。經過調整及優化后氮氧化物排放值基本維持在20 mg/Nm3左右，完全符合現有環保排放要求且低于排放標準值。說明調整工藝和優化輔助設備降低氮氧化物排放效果顯著。

5 結語

針對燃氣鍋爐煤氣燃燒所產生的氮氧化物含量超標問題，天鋼聯合特鋼確定了以調整工藝和優化輔助設備配置作為降低鍋爐煙氣氮氧化物排放的主要方法，通過控制爐膛升溫速度，減少煤氣與氮氣接觸，降低爐膛內氧含量，控制鍋爐高溫區爐溫，以及控制鍋爐增減負荷的速度等工藝調整及輔助設備配置優化后，鍋爐煙氣氮氧化物的排放值從40.13～73.39 mg/Nm3降至20 mg/Nm3左右，達到了超低排放標準。實踐證明此方法科學、有效，即節省了設備改造的投資費用，又避免了使用脫硝設備后產生的二次污染風險。