鋼鐵行業(yè)大氣污染物減排方法分析

呂國紅(濟(jì)南市生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，山東 濟(jì)南 250102)

0 引言

自新中國成立以來，中國成為公認(rèn)的鋼鐵大國。中國的鋼鐵業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的命脈，同時(shí)也是其他重化工、相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展基石。但是隨著我國鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了一系列問題，不僅制約了鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，而且給人民生活的空氣質(zhì)量帶來了很大的影響。由于鋼鐵行業(yè)其排放的二氧化氮、二氧化碳和二氧化硫等污染物，不但會(huì)產(chǎn)生酸雨，還會(huì)對(duì)大氣中的臭氧產(chǎn)生危害，從而危及到人類的生活。同時(shí)，也給空氣環(huán)境帶來了很大的壓力。

現(xiàn)在，國家出于可持續(xù)發(fā)展方面的考慮，要求在各行各業(yè)中做到節(jié)能減排，對(duì)此，積極地推動(dòng)鋼鐵行業(yè)的大氣污染物治理，推進(jìn)對(duì)大氣污染排放的改善，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速轉(zhuǎn)變；在減排的同時(shí)，可以淘汰落后的生產(chǎn)能力；加快轉(zhuǎn)型升級(jí)，推動(dòng)綠色技術(shù)創(chuàng)新，建立減排體系，加強(qiáng)源頭治理，成為必須要高度注重的一項(xiàng)環(huán)節(jié)。

要推動(dòng)鋼鐵工業(yè)的健康發(fā)展，就需要對(duì)其存在的種種不利因素進(jìn)行全面的剖析，制定一套行之有效的減排方案，以促使各鋼鐵公司主動(dòng)擔(dān)當(dāng)起環(huán)保的重任，從而推動(dòng)鋼鐵企業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展。

1 中國鋼鐵企業(yè)的廢氣排放量

1.1 鋼鐵行業(yè)的廢氣排放量

鋼鐵行業(yè)屬于勞動(dòng)力密集型、能源密集型產(chǎn)業(yè)，高度依賴于資金、技術(shù)、人力和能源。由于我國的鋼鐵廠在使用礦物燃油時(shí)，會(huì)產(chǎn)生許多的排煙和尾氣，嚴(yán)重影響環(huán)境，嚴(yán)重威脅著人們的生命安全。中國鋼鐵業(yè)正處在高速發(fā)展階段，其釋放出的氮氧化物氣體、二氧化硫和煙塵是導(dǎo)致大氣環(huán)境質(zhì)量惡化的重要因素，在我國的空氣污染因子中占有很大比重。

1.2 鋼鐵企業(yè)在上游產(chǎn)生的污染物

鋼鐵工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的一個(gè)重要組成部分，它的發(fā)展速度很快。改革開放初期，我們把重工業(yè)作為例子，把發(fā)展重工業(yè)作為一個(gè)史無前例的戰(zhàn)略，由此形成了一個(gè)穩(wěn)定、可靠的鋼鐵廠的生產(chǎn)鏈條。因此，要想進(jìn)一步強(qiáng)化鋼鐵工業(yè)的環(huán)境污染治理，就不能把目光局限在鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)和污染的控制上[1]。

2 中國鋼鐵企業(yè)減排的對(duì)策

空氣污染是一種環(huán)境中某些污染物濃度高到一定水平并超過了環(huán)境的自我調(diào)控能力范圍而導(dǎo)致環(huán)境惡化、影響環(huán)境和人的健康發(fā)展的一種環(huán)境現(xiàn)象。空氣中存在多種類型的空氣污染，其中二氧化硫、氮氧化物和煙塵是構(gòu)成PM2.5最主要的物質(zhì)。

從20世紀(jì)70年代開始，中國的污染防治工作歷經(jīng)“控制酸雨”“大氣十條”和“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”的發(fā)展，從燃煤發(fā)電到脫硝脫硫除塵，到其他行業(yè)的減排，再到目前的無電力系統(tǒng)的改造，從最初的SO2，到現(xiàn)在的五種主要污染物的綜合防治，方法的選擇、技術(shù)的成熟和廣泛的應(yīng)用，使中國在這四十多年里在應(yīng)對(duì)空氣污染方面取得了迅速的發(fā)展[2]。

煉鋼廠的生產(chǎn)中產(chǎn)生了很多的氣體；高爐渣土、煙塵等產(chǎn)品大多都含有高熱量，占了全部耗能的29%～39%，因此，對(duì)各個(gè)工序進(jìn)行二次能量和排放物的綜合處理方式是節(jié)約用電；減少污染，實(shí)施清潔生產(chǎn)是必需之路，所以大力推行清潔生產(chǎn)工藝替代，如：CDQ、 TRT等新設(shè)備的應(yīng)用，加速發(fā)展新的清潔能源為燃料原料的冶煉技術(shù)，將推動(dòng)鋼鐵行業(yè)的節(jié)能和減排任務(wù)完成。為了達(dá)到環(huán)保節(jié)能目標(biāo)，目前煉鋼廠只能加大環(huán)保投入和設(shè)備技術(shù)改造，環(huán)保設(shè)備或?qū)⒊蔀榻窈笪迥陜?nèi)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。

2.1 推進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系

鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)的終端產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，但其發(fā)展過程中產(chǎn)生的環(huán)境污染問題，對(duì)鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了不利影響。所以，當(dāng)前我國鋼鐵工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)勢在必行。通過構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系，可以對(duì)我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)進(jìn)行有效改造。循環(huán)經(jīng)濟(jì)既能有效地解決我國鋼鐵工業(yè)的環(huán)境污染問題，又能在一定程度上減少鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)成本，保證其合理使用。

2.2 淘汰落后產(chǎn)能，強(qiáng)化環(huán)保監(jiān)管

我國鋼鐵工業(yè)在長期發(fā)展中，主要依靠大量的能源投資，需要不斷地改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，轉(zhuǎn)變生產(chǎn)技術(shù)工藝；在減排上所作的努力非常有限。然而，由于我國鋼鐵工業(yè)在設(shè)備、工藝等方面不斷改進(jìn)，目前鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中的老舊生產(chǎn)設(shè)備正在逐步淘汰，并加速新工藝的投入與應(yīng)用，將會(huì)在一定程度上推動(dòng)鋼鐵工業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級(jí)，從而降低工業(yè)廢氣的排放。另外，政府加大環(huán)保監(jiān)管，可以在一定程度上限制我國鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)與污染排放，并以強(qiáng)制手段限制其生產(chǎn)[3]。

2.3 強(qiáng)化源頭控制，建立減少排放系統(tǒng)

鋼廠生產(chǎn)中伴隨著很多副產(chǎn)品，將各項(xiàng)能利用的副產(chǎn)品均利用起來，例如：副產(chǎn)的煤氣提供給發(fā)電廠，廢渣可以提供給水泥廠，水的再生和循環(huán)利用，高爐渣氧化鐵含量低、凝膠性高，細(xì)磨后大都用于生產(chǎn)較高附加值的硅酸鹽水泥；煉鋼渣由于氧化鐵含量高，可用于填埋和修路，既是完成廢物利用，也是帶來二次效益。

3 國內(nèi)外鋼鐵行業(yè)脫硫脫硝協(xié)同控制技術(shù)

3.1 活性炭吸附法

采用活性碳吸收劑對(duì)燒結(jié)煙氣進(jìn)行凈化；三項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合，使得燒結(jié)煙氣的脫除工藝達(dá)到了一個(gè)新的水平。這里介紹的工藝是，將煙氣經(jīng)過放置氨水的吸收塔處理，使其在氨水中生成硫酸銨((NH4)2SO4)、硫酸氫銨(NH4HSO4)等，并用有效活性碳進(jìn)行吸附。將含硫酸鹽和氨酸鹽的活性碳送入脫吸塔中，在400 ℃的高溫下，將其解吸出來，并將其轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退畾狻⒚摳胶蟮母吆琒O2送入副產(chǎn)物再循環(huán)再利用，可得到99.9%或98%的高純度硫黃。經(jīng)過過濾，將再生過的活性碳回收到吸附塔中。盡管該工藝的脫硝率只有40%，但是其脫硫率在95%以上。該工藝的投入很大，例如在年產(chǎn)5萬立方米/小時(shí)的燒結(jié)爐中，總的投資約為1～2千萬元，目前太原鋼鐵的450 m2燒結(jié)廠已經(jīng)在2009年投入使用[4]。

采用活性碳吸附技術(shù)，對(duì)二惡英進(jìn)行了脫硝和脫硫的聯(lián)合治理，另外，對(duì)污染物質(zhì)如重金屬也有一定的抑制效果，該工藝可以滿足燒結(jié)煙氣流動(dòng)的要求，該工藝對(duì)于高溫操作和SO2的回收率都比較好，不排放廢水、廢渣和尾氣，不產(chǎn)生二次環(huán)境污染，是一種與燒結(jié)煙氣脫硫、除氮的綜合利用技術(shù)相結(jié)合的新型綠色技術(shù)，但是其缺點(diǎn)是投入及運(yùn)行費(fèi)用較高。

3.2 循環(huán)流化床法

采用 FCC技術(shù)進(jìn)行脫硫，是一種較為適合于燃煤電廠的脫硝技術(shù)，該技術(shù)與常規(guī)的石灰石石膏法相比，具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、工程投資少、運(yùn)行維護(hù)成本低、占用空間少、設(shè)備投資少、運(yùn)行成本高等優(yōu)點(diǎn)，且設(shè)備投資和運(yùn)行成本只是石灰石石膏法的60%。

由于 CFB具有較高的換熱率、較好的溫度場，且具有較大的氣體-固相間的接觸區(qū)域，因而被廣泛地用于煙氣的凈化當(dāng)中。在循環(huán)流化床中(4～6 m/s)的循環(huán)流態(tài)下，可以得到比單個(gè)粒子的滑降速率幾十到數(shù)百倍的氣液-固體滑動(dòng)速率。循環(huán)流化床內(nèi)SO2和NOx的反應(yīng)是一個(gè)由外向的擴(kuò)散作用所引起的化學(xué)反應(yīng)，它可以使氣體和固體之間的傳質(zhì)、傳熱速率、氣固混合得到增強(qiáng)，達(dá)到SO2與 Ca(OH)2的有效反應(yīng)。但是，對(duì)氮氧化物的去除作用并不顯著，其原因在于，90%的 NOx都是 NO，其溶解程度比NO2、HNO2和HNO3低得多。所以，在脫硫過程中，實(shí)現(xiàn)氮氧化物的高效還原是實(shí)現(xiàn)脫硫的重要技術(shù)[5]。

3.3 煙氣脫硫法

目前，煙氣脫硫技術(shù)的研究主要有濕法、半干法、活性炭等。濕法工藝主要有：石灰-石膏法、氨-硫銨法、海水脫硫法、鎂法、鈉法等。半干法按生產(chǎn)工藝流程可分為循環(huán)、流化床等。

3.3.1 CFB工藝

優(yōu)點(diǎn)：占用空間少，使用方便，節(jié)約能源。該裝置具有較低的電阻和較低的功耗，在電力方面的投入比較少。

缺點(diǎn)：與濕法煙氣相比，其對(duì)于煙氣的脫硫效果較差。脫硫效率低下，脫硫體系對(duì)煙塵環(huán)境的影響不大。鈣-硫比例為2.0～2.5，吸附劑加入量大，操作費(fèi)用高。更多的是脫硫劑的高磨損率。煙氣中的脫硫副產(chǎn)品不能回收利用。

CFB工藝圖如圖1所示。

圖1 CFB工藝圖

3.3.2 吸附活性炭

利用比表面積大的活性炭進(jìn)行吸附處理。

優(yōu)點(diǎn)：無用水，無污水排放。通過對(duì)活性炭的再生，可以進(jìn)行回收，沒有二次污染。具有良好的脫硫效果和良好的環(huán)境保護(hù)效果。整體運(yùn)營費(fèi)用低廉，在脫硫脫硝、重金屬、二英類等方面都有較強(qiáng)的脫硫脫硝性能。

缺點(diǎn)：對(duì)硫磺有一定的回收要求。不宜用于低濃度的煙塵。投入和操作成本較高，是常規(guī)煙氣脫硫技術(shù)的5～6倍[6]。

3.3.3 氨-硫銨法

其中，脫硫的原料為液態(tài)氨氣或高濃度的氨氣，而副產(chǎn)品為硫酸銨。

優(yōu)點(diǎn)：快速的反應(yīng)，較高的吸附能力，較高的脫硫率。該裝置具有很好的降噪性能。

缺點(diǎn)：氨具有極高的腐蝕性，其初始投入和運(yùn)營成本都很高。液氨是一種吸收劑，其價(jià)格昂貴，對(duì)脫硫來說有一定的不利作用。所以，液態(tài)氨是一種具有一定技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的危險(xiǎn)品。

3.3.4 石灰石-石膏工藝

優(yōu)點(diǎn)：此技術(shù)經(jīng)過我國不斷完善和發(fā)展，使整個(gè)系統(tǒng)更加簡單，價(jià)格更合理，配合石灰石的供給也逐步走向了市場化，具有較高的脫硫效果。該方法具有成本低廉、操作成本低廉等特點(diǎn)。能有效地除去各種雜質(zhì)，如一些重金屬。副產(chǎn)品脫硫石膏具有一定的應(yīng)用前景，它的回收利用不僅有力地促進(jìn)了國家環(huán)保循環(huán)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，而且還大大降低了礦石膏的開采量，保護(hù)了資源。

缺點(diǎn)：操作占用空間太大，會(huì)產(chǎn)生工業(yè)廢水。

4 結(jié)語

對(duì)上述技術(shù)進(jìn)行了比較可以發(fā)現(xiàn)，每種技術(shù)都是各有利弊，缺點(diǎn)如：投入高、運(yùn)營成本高、能源依賴性高、消耗大等，都會(huì)對(duì)環(huán)境造成壓力。所以，發(fā)展與國內(nèi)國情相適應(yīng)的脫硫脫硝技術(shù)，減低成本、減少能源依賴，而且對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益有益是技術(shù)的主要發(fā)展方向。