鋼鐵燒結、球團工業廢氣脫硝工藝探討

潘 靚

（武漢科想分析檢測技術有限公司，湖北 武漢 430000）

引言

燒結和球團是鋼鐵行業中常見的冶煉工藝，它們能將粉末狀的鐵礦石轉化為塊狀的鐵礦球團或燒結礦，在這個過程中，會產生大量的工業廢氣，如二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）和懸浮顆粒物等。燒結工藝中，礦石粉末經過混合、濕法或干法球團化等一系列處理，然后在高溫環境下進行燒結，形成固體塊狀的燒結礦；球團工藝則是將礦石粉末加入一定比例的結合劑，并通過機械力和高溫處理，使其形成球狀的球團。這兩種工藝在鋼鐵生產中具有重要作用，但同時也帶來了環境污染問題。這類廢氣的排放會對大氣環境和人類健康產生負面影響，有效減少和控制NOx的排放成為鋼鐵行業面臨的重要挑戰之一[1]。

1 燒結、球團工業廢氣的特性

對于鋼鐵工業中的二氧化硫、氮氧化物等廢氣而言，其主要來源于燒結、球團等生產工藝流程，其二氧化硫的排放總量占據整個鋼鐵行業廢氣排放總量的八成。目前，我國對煙氣脫硫、脫硝等技術的研究已經相當充分，而且擁有相當豐富的實際操作經驗。

1.1 煙氣量大且變化幅度大

廢氣排放量在燒結過程中可能會因原料成分、燃料利用率和生產規模等因素的變化而產生劇烈波動，實際觀測結果顯示，廢氣排放量的日均變化幅度可達到50%以上，甚至更高。這種巨大且不穩定的廢氣排放給環境帶來了嚴重污染。廢氣中的二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）等有害物質的含量在煙氣中占據相當大的比例，據專業分析，鋼鐵燒結工業廢氣中SO2的排放量通常占整個鋼鐵行業廢氣排放總量的80%以上，而NOx的排放量也相當大，基本上每噸燒結礦可能會造成4 000～6 000 m2左右的廢氣。

1.2 SO2濃度變化大

鋼鐵燒結過程中SO2濃度的變化范圍非常廣泛，從幾十毫克/立方米到上千毫克/立方米都有可能，這種巨大的濃度變化使得對鋼鐵燒結工業廢氣中SO2含量的監測和控制變得非常復雜和困難。引起SO2濃度變化的原因多種多樣，原料的成分和性質是重要的影響因素，不同種類的礦石和燃料含硫量不同，因此燒結過程中這類物質的排放量也會有所差異，對燒結工藝參數的調整會對SO2濃度產生顯著影響。高濃度的二氧化硫排放會對大氣環境造成直接污染，對空氣質量造成嚴重威脅，還會與大氣中的顆粒物相互作用，形成細顆粒物（PM2.5）等有害物質，對人體的呼吸系統和心血管系統造成潛在患病風險。

1.3 煙氣成分復雜

由于生產過程中使用的原料有較大差別，使燒結和球團工業廢氣的組成元素變得較為復雜，包括二氧化硫、氮氧化物、顆粒物、多環芳烴（PAHs）等，不同成分的物理和化學特性各異，有效的廢氣處理技術需要針對不同成分的特點進行優化，針對SO2的處理可采用脫硫技術；對NOx的控制則可以采用脫氮技術；去除顆粒物需要采用有效的過濾或洗滌技術；PAHs等有機物的處理則需要考慮其揮發性和毒性特征。

1.4 煙氣溫度變化范圍大

在燒結和球團工藝中，高溫燃燒過程會產生大量的熱能，使廢氣溫度升高，礦石和其他原料的特性以及燃料的類型和含量也會對煙氣溫度產生重要影響。這種煙氣溫度的變化范圍給廢氣的處理和控制帶來了挑戰。高溫廢氣不僅對環境造成直接的熱污染，還對廢氣處理設備的性能和穩定性提出了要求。

1.5 含氧量和含濕量較高

高含氧量是由于燒結和球團工藝中的燃燒反應，燃料中的氧和空氣中的氧參與了燃燒過程，從而導致廢氣中的氧含量較高，由于燒結和球團工藝中使用的原料和燃料可能含有一定的水分，因此廢氣的含濕量也相對較高。

2 鋼鐵燒結、球團工業廢氣綜合治理現狀

目前，大型鋼鐵企業的燒結機數量占據了大部分份額，然而隨著行業競爭的加劇，相關設備產能過剩的問題變得更加明顯。“十四五”規劃期間，國家明確指出要推動綠色發展，促進人與自然和諧共生，對各類有害物質的排放控制提出了更為嚴格的限制，鋼鐵行業應特別關注與污染防治相關的問題[2]。

2.1 無組織排放源數量多

由于生產規模龐大、設備復雜多樣，以及管理水平的差異，部分廢氣排放源無法實現有效的治理與控制，這些無組織排放源主要包括冷卻系統、裝料、裝卸作業以及管道泄漏等，它們分布廣泛且難以完全掌控。因此廢氣排放呈現出陣發性特征，即排放濃度和排放量在不同時間呈現出較大的波動，使廢氣的治理和控制面臨更大的挑戰。對于這些無組織排放源，監測和治理工作需要更加全面、精細和靈活的策略。

2.2 脫硫工程粗制濫造

在廢氣治理中，脫硫工程是較為關鍵的環節，當前有部分鋼鐵企業在進行脫硫設備建設時存在粗制濫造的現象。一方面，一些企業在脫硫設備的選擇和設計上存在盲目跟從、缺乏科學性的問題，這導致脫硫工程的性能和效果無法達到預期目標；另一方面，部分企業在脫硫工程的建設和運行中存在監管不嚴、管理混亂的情況，導致脫硫設備的正常運行和維護受到影響。

2.3 危險作業項目多

在鋼鐵生產過程中，存在高溫作業、高空作業、化學品操作等一系列危險作業，這些作業涉及安全風險較高的操作環境和工藝要求，對工人的安全和健康提出了較高要求。相對而言，在鋼鐵燒結和球團工業廢氣治理過程中，危險作業較多，增加了事故發生的潛在風險。

2.4 燒結、球團脫硫覆蓋率低，煙氣超標排放

鋼鐵燒結和球團脫硫覆蓋率較低，無法高效地去除二氧化硫，它們被直接排放到大氣中，對環境造成嚴重污染。燒結和球團工業廢氣的排放也存在超標現象，加劇了大氣污染問題。

2.5 脫硫副產物難以利用，易造成二次污染

脫硫過程中會產生大量的脫硫副產物，如石膏、石灰石和脫硫石膏等，這些副產物的綜合利用仍存在一定困難。由于脫硫副產物的成分和性質不同，其利用途徑和應用方式也存在差異，如石膏可以用于水泥生產或土壤改良，而脫硫石膏則適用于建筑材料的制造。然而，在實際運用過程中，由于市場需求、技術限制和運輸成本等因素，脫硫副產物的利用率較低，無法充分發揮其價值。不適當的脫硫副產物處理方式可能會引發二次污染，如果對脫硫副產物的處置不當，例如直接堆放在露天場地或在未經處理的情況下排放到水體中，可能會導致土壤、地下水和地表水的污染。

3 鋼鐵燒結、球團煙氣脫硝工藝

3.1 低溫SCR脫硝技術

低溫SCR（Selective Catalytic Reduction，選擇性催化還原）脫硝技術是一種用于降低燃煤電廠、工業爐等燃燒過程中產生的氮氧化物（NOx）排放的先進技術，該技術通過在燃燒過程中添加還原劑，使氮氧化物在催化劑的作用下與還原劑發生反應，將其轉化為無害的氮氣和水。傳統的SCR脫硝技術在高溫條件下進行，通常需要較高的催化劑活性溫度（約200 ℃），并且還要求燃燒后的煙氣溫度在催化劑的工作范圍內。然而，許多工業爐和燃煤電廠的煙氣溫度往往較低，因此傳統SCR技術在這些情況下效率較低。低溫SCR脫硝技術的關鍵在于開發出在較低溫度下仍能高效催化還原氮氧化物的催化劑，這些催化劑通常采用金屬氧化物或非金屬氧化物，可以在較低的溫度范圍內有效降低氮氧化物排放。其工作原理是在燃燒過程中向煙氣中添加氨水（NH3·H2O）或尿素溶液（CO(NH2)2）等還原劑，其反應方程為4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O，通常會在煙氣管道內設置，通過設計合適的反應器結構，增加煙氣在催化劑上的停留時間，以提升脫硝效果。

3.2 選擇性非催化還原法

該工藝主要通過將煙氣中的氮氧化物（NOx）與氨（NH3）在一定的溫度和氣體組成條件下進行反應，以達到脫除NOx的目的。實際操作時，煙氣首先通過除塵設備去除顆粒物的干擾，然后進入脫硝裝置。在脫硝裝置中，煙氣與適量的氨混合，形成氨氮化合物。在高溫下，氨氮化合物與煙氣中的NOx發生反應，生成氮氣和水。這種反應是非催化的，即無需添加任何催化劑。反應過程中的溫度、氨氮化合物的濃度和氣體的氧氮比對脫硝效果起著重要作用。

選擇性非催化還原法相對于其他脫硝工藝具有一些優勢。首先，該工藝不需要使用昂貴的催化劑，降低了成本和運營難度。其次，非催化還原法對煙氣中的氧氣要求較低，使得系統更加靈活可靠。然而，選擇性非催化還原法也存在一定局限性，反應溫度對脫硝效果影響較大，過高或過低的溫度都會降低脫硝效率。非催化還原法對氨氮化合物的濃度要求較高，過低的濃度會導致脫硝效果不佳。該工藝在高氧氮比條件下容易產生氨氧化物（NOx的產物），對環境造成污染，因此，要通過合理設計和優化脫硝裝置的結構，提高煙氣與氨的接觸效率，促進反應的進行。相關人員需要對不同的煙氣特性和運行條件進行實時監測和調節，并合理管理和控制氨的供應量，避免過量使用氨造成氨氮化合物的積累。

3.3 活性焦（碳）協同脫硝技術

該技術結合了活性焦（碳）的催化作用和脫銷反應，將廢氣從含有活性焦（碳）的反應器中排出，通過活性焦（碳）的高度吸附性能，能夠有效去除燒結、球團廢氣中的有害氣體。活性焦（碳）具有高表面活性和很大的比表面積，使其能夠提供充足的還原反應表面，并且能夠與氮氧化物發生反應生成氮氣和二氧化碳。其操作關鍵在于要在適當的溫度下將活性焦（碳）引入煙氣中，通過向反應器中供應適量的氨氣（NH3），在活性焦（碳）的吸附、催化作用下，煙氣中的NH3與NOx發生選擇性催化還原反應生成氮氣和水，實現煙氣脫銷。活性焦（碳）表面的吸附物質與氮氧化物進行反應，產生硝化物，這些硝化物進一步通過循環系統回收，并經過適當的處理后，可以轉化為有用的產品或安全地排放。在實際應用中，活性焦（碳）的使用量是根據煙氣中氮氧化物的濃度和煙氣流量來確定的，活性焦（碳）的使用量為煙氣中氮氧化物質量的一定比例，可以將活性焦（碳）的投加量設置為氮氧化物質量的5%～10%。這樣可以確保活性焦（碳）與氮氧化物充分發生反應，達到高效的脫硝效果。

3.4 濕式吸收脫硝技術

濕式吸收脫硝技術利用吸收劑（如氨水或尿素溶液）與煙氣中的氮氧化物（NOx）發生化學反應，將其轉化為無害的氮氣（N2）和水（H2O），通過在脫硝過程中控制吸收劑的投加量和優化操作條件，可以有效降低煙氣中NOx的排放濃度。濕式吸收脫硝技術的關鍵反應可以表示為：2NO+2NH3+1/2O2→2N2+3H2O。在這個反應中，通過在脫硝裝置中將吸收劑噴灑或噴淋到煙氣中，就能讓吸收劑中的氨（NH3）與煙氣中的NOx和氧氣發生反應，生成氮氣和水。吸收劑的投加量是一個重要的控制參數，應根據煙氣中的NOx濃度和目標排放濃度進行調節。通常，吸收劑的投加量與煙氣中NOx的摩爾比例在1.0～1.2之間，濃度一般在20%～30%范圍內。除了吸收劑的投加量，濕式吸收脫硝技術還需要考慮吸收塔的設計和操作條件，并考慮氣液接觸的充分性和反應效率，采用填料或噴淋裝置來增加接觸面積，以此提升煙氣吸收效率和脫硝效果。

4 鋼鐵燒結、球團煙氣脫硝新技術手段

4.1 等離子法脫硝

4.1.1 電子束法

在電子束法中，電子束功率、輻照時間和反應溫度這三個因素對實際效果起到了決定性作用，其中，電子束功率決定了電子束的能量和密度，輻照時間則控制了電子束與煙氣中的NOx發生反應的持續時間，而反應溫度則影響反應速率和選擇性。其基本原理是利用電子束的高能量，使其與煙氣中的NOx分子發生電離，被電離的NOx分子會進一步與其它分子發生碰撞，并轉化為氮氣和水。如在相對較低的溫度下進行脫硝，由于電子束在煙氣中的直接作用，會使整個脫硝反應速率較快，脫硝效率較高[3]。

4.1.2 脈沖電暈法

該技術利用電暈放電現象，通過電場的作用，使煙氣中的氮氧化物發生化學反應，從而達到脫硝的目的，具有高效、節能、環保等優點，已經成為鋼鐵燒結和球團煙氣處理領域的新興技術。在脈沖電暈法中，首先需要將煙氣通過一個電暈區域，該區域由高壓電極和對電極構成，當在兩極之間施加高電壓時，就會形成電場。通過調整電極之間的距離和電場強度，可以控制電暈現象的發生，當煙氣通過電暈區域時，電暈放電現象就會發生。在電暈放電過程中，電暈放電產生的電子、陽離子和自由基等活性物質會與煙氣中的氮氧化物發生反應，其主要的反應路徑包括電子碰撞還原、陽離子和自由基的反應，以及自由基的鏈式反應。在這些反應過程中，氮氧化物會被還原為氮氣和水，從而實現脫硝的效果。

4.2 微生物脫硝

微生物脫硝是鋼鐵燒結和球團煙氣脫硝中的一種新技術手段，該技術利用具有脫硝功能的特定微生物，通過其代謝活動將煙氣中的氮氧化物還原為氮氣，從而實現脫硝的目的。在微生物脫硝過程中，首先需要篩選和培養具有脫硝能力的微生物菌株，這些菌株通常屬于反硝化細菌，能夠利用煙氣中的氮氧化物作為電子受體，將其還原為氮氣。通過合理的培養條件，如適宜的溫度、pH值和營養物質，可以提高菌株的活性和脫硝效率。當微生物菌株處于適宜的環境中，它們會利用煙氣中的氮氧化物作為電子受體進行代謝活動。在代謝過程中，微生物菌株產生一系列的酶，如亞硝酸還原酶、一氧化氮還原酶等，這些酶能夠催化氮氧化物的還原反應，通過這些反應，亞硝酸鹽可以被還原為氮氣，從而實現脫硝的效果[4]。

5 鋼鐵燒結、球團工業廢氣的治理趨勢

考慮到燒結球團煙氣流量的巨大變化和SO2濃度的劇烈波動，相關人員必須精心設計其凈化處理工藝，才能獲得更為優異的脫硝效果。當前，隨著科技的進步和公眾對環境保護的關注，針對燒結球團煙氣的凈化和脫硫處理呈現出以下發展趨勢[5]。

5.1 技術升級和創新

技術升級和創新是一個主要的發展趨勢，隨著環保意識的提升和法規要求的加強，鋼鐵燒結和球團企業正積極尋求新的廢氣治理技術和設備。例如，采用先進的煙氣凈化技術，如濕式電除塵器、干式脫硫裝置和脫硝催化劑等，以有效去除廢氣中的顆粒物和污染物。

5.2 發展清潔生產和循環經濟

鋼鐵燒結和球團相關企業正逐漸轉向綠色生產方式，通過節能減排、資源回收利用等手段實現廢氣治理的可持續發展。例如，利用廢氣中的熱能進行余熱回收，將其用于生產和供熱，同時實施廢氣中的有價元素回收，減少資源浪費。

5.3 智能化和數字化技術的應用

通過采用智能監測系統和遠程控制技術，可以實時監測和調整廢氣治理設備的運行狀態，優化工藝參數，提升治理效果和能源利用效率。同時，通過數據分析和模型優化，可以精確預測和優化廢氣治理過程，提高治理效率。而鋼鐵企業之間的合作與共享，也能促進技術進步和治理經驗的交流，加快廢氣治理技術的推廣和應用。

6 結語

綜上，本文通過深入分析現有技術和工藝原理，驗證了鋼鐵燒結、球團工業廢氣脫硝工藝在廢氣治理領域的巨大潛力，進一步研究和改進該治理工藝將有助于提高脫硝效率、降低成本，并減少工業廢氣對環境的影響。由此可見，這一工藝的廣泛應用將為鋼鐵行業帶來可持續發展的前景，并推動環保技術的創新與進步。