鋼鐵燃氣鍋爐廢氣氮氧化物排放控制技術應用探討

牛虎鋼， 原志勇， 江 波， 秦莉萍

(首鋼長治鋼鐵有限公司環(huán)保處，山西 長治 046031)

1 燃氣鍋爐氮氧化物形成機理

1.1 燃氣鍋爐構成和工作原理

燃氣鍋爐包括燃氣燃燒設備和鍋爐本體兩部分。燃氣燃燒設備主要包括爐膛、燃燒器及與燃燒過程有關的其他設備，其工作原理是將一定數(shù)量的可燃氣體和空氣通入燃燒設備中，通過可燃氣體的燃燒將化學能轉變?yōu)闊崮埽o鍋爐本體提供持續(xù)的熱能。

鍋爐本體是借助燃燒設備提供的熱能將水轉化為水蒸氣的設備。其工作原理就是將一定數(shù)量的可燃氣體和相應數(shù)量的空氣送入爐內燃燒，燃燒所發(fā)出的熱量傳遞給水，使水在定壓下汽化而形成一定壓力和溫度的水蒸氣。

1.2 燃氣鍋爐NOx的形成機理

相對于燃煤鍋爐而言，燃氣鍋爐具有結構簡單、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，其顆粒物和SO2排放量大幅減少，有效降低了環(huán)境污染，燃氣鍋爐生成NOx類型可分為三類：燃料型NOx、快速型NOx和熱力型NOx。

燃料型NOx是指燃料中氮的有機化合物(C5H5N、C9H7N)在燃燒過程中氧化而生成的NOx；快速型NOx是指燃料中碳氫化合物在燃料濃度較高的區(qū)域燃燒時所產生的烴與燃燒空氣中的氮氣發(fā)生反應，形成的HCN和CN等化合物繼續(xù)被氧化而生成的NOx；

熱力型NOx是指空氣中的N2在燃燒高溫下氧化生成的NOx。熱力型NOx的生成一般采用捷里道維奇機理：即當溫度低于1 500 ℃時，熱力型NOx的生成量很少；高于1 500 ℃時，溫度每升高100 ℃，反應速度將增大6倍～7倍。

2 鋼鐵燃氣鍋爐用煤氣的主要特點

鋼鐵企業(yè)使用的燃氣主要為自身生產工藝產生的三大煤氣，即高爐煤氣、焦爐煤氣和轉爐煤氣。各煤氣相關燃燒利用相關特性如下。

高爐煤氣產生量1 800 m3/t～2 000 m3/t(鐵)，主要燃燒成分為CO,體積分數(shù)25%～30%，熱值3 349 kJ/m3～3 558 kJ/m3,著火溫度大于700 ℃,在空、煤氣不預熱，空氣系數(shù)為1.05時，燃燒溫度1 420 ℃～1 480 ℃。

表1為某企業(yè)高爐煤氣成分指標。

表1 高爐煤氣成分指標

1)轉爐煤氣

根據(jù)鐵水成分不同，冶煉一噸鋼可產生轉爐煤氣90 m3～130 m3，轉爐煤氣主要燃燒成分為CO,含量50%～70%，熱值8 371 kJ/m3～9 209 kJ/m3,空氣、煤氣不預熱，空氣系數(shù)為1.05時，燃燒溫度為1 500 ℃～1 600 ℃(轉爐一次除塵工藝采用濕法時燃燒溫度低一些)，表2為某企業(yè)轉爐煤氣成分指標。

表2 轉爐煤氣成分指標

2)焦爐煤氣

每煉1 t焦可生產出300 m3～320 m3焦爐煤氣，其主要成分是55%～58%氫氣、25%～27%甲烷，熱值16 743 kJ/m3～18 836 kJ/m3,在空、煤氣不預熱，空氣系數(shù)為1.05時，焦爐煤氣的燃燒溫度1 950 ℃～2 020 ℃。表3為某企業(yè)焦爐煤氣成分指標。

表3 焦爐煤氣成分指標

3 影響燃氣鍋爐氮氧化物排放值因素分析

3.1 煤氣特性影響

1)高爐煤氣為鋼鐵企業(yè)產生量最大的煤氣，占煤氣總量的90%以上，煤氣中有機物含量很小，所以在燃氣鍋爐燃燒中約2%燃燒成分為CO,高爐煤氣燃燒溫度低于1 500 ℃，正常配燒空氣不會導致廢氣中NOx超標。

2)轉爐煤氣燃燒溫度稍高于1 500 ℃，多在1 500 ℃～1 600 ℃，單獨燃燒可能會導致廢氣中NOx超標；但由于其在鋼鐵企業(yè)煤氣產生量中最小，一般與其他煤氣配合使用，不是導致廢氣中NOx超標主要因素。

3)焦爐煤氣燃燒溫度在鋼鐵三大煤氣中最高，基本在1 800 ℃以上，同時煤氣成分中有碳氫化合物和含氮可燃物，屬于導致廢氣中NOx超標的主要燃氣。

3.2 燃燒制度的影響

1)燃氣鍋爐的氮氧化物指標監(jiān)測規(guī)范。

2019年4月生態(tài)環(huán)境部等五部委對鋼鐵企業(yè)燃氣鍋爐的要求如表4。

表4 鋼鐵企業(yè)燃氣鍋爐指標 mg/m3

同時，根據(jù)2014年《鍋爐大氣污染物排放標準》(GB 13271-2014)中大氣污染物基準含氧量排放濃度折算方法，燃氣鍋爐基準含氧量為3.5%，并規(guī)定了折算方法，因此廢氣中氧含量高低是影響排放濃度的一個主要內容。

2)煤氣燃燒溫度與配燒的助燃氣的配比和含氧量密切相關。空氣過剩系數(shù)過大或過小時，煤氣燃燒溫度降低；助燃風氧含量大于21%，燃燒溫度增高，助燃風氧含量降低，燃燒溫度降低。

4 鋼鐵燃氣鍋爐煙氣氮氧化物治理技術應用情況

根據(jù)燃氣鍋爐NOx產生的機理及其影響因素，目前實現(xiàn)燃氣鍋爐NOx達標排放有兩種方式，即低氮燃燒和煙氣脫硝。

4.1 低氮燃燒

低氮燃燒技術屬于源頭治理，通過采用新型燃燒方式和生產工藝，對燃燒過程中燃燒條件和燃燒器結構的改進，達到在燃燒過程中控制NOx產生量的目的。低氮燃燒技術一般可使NOx的排放量降低30%～60%。

根據(jù)具體方式它又分為低氮燃燒控制、低氮燃燒器、煙氣再循環(huán)燃燒法。

4.1.1 低氮燃燒控制

低氮燃燒控制分三個方面，一是控制煤氣中含氮有機物的生成，如，焦爐煤氣中氰化物和氨氣的定期檢測和前端控制，控制燃料型氮氧化物生成；高爐煤氣入爐焦炭、噴煤控制，減少煤氣中含氮有機物生成，控制快速型氮氧化物生成。二是根據(jù)高爐煤氣、轉爐煤氣和焦爐煤氣的燃燒特性，對影響執(zhí)力型氮氧化物生成不同的焦爐煤氣和高爐、轉爐煤氣進行合理配比，通過合理混燒，減少氮氧化物生成。三是控制煤氣和空氣的配比，避免燃燒中空氣過剩，增加廢氣中的氧含量，導致廢氣中氮氧化物濃度超標。

4.1.2 低氮燃燒器

低氮燃燒器是低氮燃燒在燃燒結構形式和數(shù)量布置上的具體應用，總的來說，在保證鍋爐工藝性能(爐膛溫度)前提下，在爐膛中，為了抑制NOx的生成，除了降低爐內平均溫度外，還必須設法使爐內溫度分布均勻，避免局部高溫。

4.1.2.1 燃氣和空氣分級供給

一級燃燒區(qū)為火焰中心區(qū)域，二級燃燒區(qū)為火焰外圍區(qū)域。在一級燃燒區(qū)，一級燃氣的徑向氣流與一級空氣的旋轉氣流相交形成了旋轉火焰，縮短了煙氣在高溫區(qū)的停留時間降低火焰中心溫度；在二級燃燒區(qū)，二級燃氣和二級空氣為軸向氣流，形成平行氣流混合，減弱了燃氣和空氣的混合，降低燃燒速度，拉長火焰，增大火焰與爐膛的輻射換熱面積，充分利用了爐膛水冷壁的冷卻作用，增加火焰散熱量，降低了火焰溫度，同時爐膛內形成較均勻的溫度場，避免形成局部高溫。

4.1.2.2 分割火焰燃燒

在二級燃燒區(qū)，二級燃氣噴頭由多個軸向氣流火孔組成，形成多個火焰，使火焰散熱面積增大，降低火焰溫度。同時，由于多個火焰，使火焰變小，縮短了氮和氧在火焰中的停留時間。

4.1.3 煙氣再循環(huán)

煙氣再循環(huán)技術是指將燃燒產生的一部分煙氣抽回，不排放進大氣，而是與新鮮空氣及燃氣混合，形成混合氣體送入爐膛內部，共同參與燃燒。因煙氣混合稀釋了氧濃度,使燃燒速度和爐內溫度降低。煙氣再循環(huán)技術的實質是改變參與燃燒的混合氣體中氧、氮的占比，使其有良好的燃燒效率同時降低NOx排放量。

煙氣再循環(huán)的效果與燃料種類、燃燒器負荷和再循環(huán)的煙氣量有關。再循環(huán)煙氣量與未采用煙氣再循環(huán)時的煙氣總量之比，稱為煙氣再循環(huán)率。煙氣再循環(huán)率的增大可降低NOx的生成率，煙氣再循環(huán)率一般控制在20%以下。

4.2 煙氣脫硝

煙氣脫硝通過增加尾部煙氣處理裝置，即對燃燒后的煙氣中的NOx進行處理，利用物理、化學等工藝技術對生成的煙氣進行脫硝工藝的處理，使之生成不具有污染性質的物質，主要包括：選擇性催化還原(SCR)技術、選擇性非催化還原(SNCR)技術液體吸收技術、固體吸附技術等。

1)選擇性催化還原(SCR)技術。選擇性催化還原法(SCR)脫硝技術是利用NH3在催化劑(如鐵、釩、鉻、鉬等)、燃燒溫度200 ℃～450 ℃條件下，將NOx還原為氮氣。SCR技術的脫硝率比較高，可以達到90%以上，是當前應用最多、技術最成熟的煙氣脫硝控制技術。

2)選擇性非催化還原(SNCR)技術。選擇性非催化氧化還原法(SNCR)脫硝技術是把含有NH3基的還原劑(如氨、尿素、可蘭素等)噴入燃燒反應區(qū)，將NOx轉換為N2和H2O，其主要化學反應原理與選擇性催化還原法(SCR)相同，不需要使用催化劑。缺點是產生副產物，另一種大氣污染物氨氣。

5 鋼鐵燃氣鍋爐氮氧化物治理建議

首先根據(jù)燃氣鍋爐環(huán)保排放要求和企業(yè)高爐煤氣、轉爐煤氣和焦爐煤氣燃燒特性以及產生量采用不同的治理措施。

1)根據(jù)鋼鐵企業(yè)煤氣總平衡，如果能保證鋼鐵燃氣鍋爐用的焦爐煤氣占比不超高爐和轉爐煤氣總量的10%，應采用源頭治理方式。

a)助燃風的過剩系數(shù)按1.05～1.10控制。

b)根據(jù)鍋爐結構優(yōu)先采用低氮燃燒方式，在滿足鍋爐爐膛溫度前提下，盡量避免鍋爐各個燃燒器運行過程中出現(xiàn)過溫度。

c)配套煙氣循環(huán)。

2)如果企業(yè)用戶平衡后，焦爐煤氣富余多，難以保證氮氧化物排放指標，可考慮輔助末端治理設施。

a)由于煙氣氮氧化物治理工藝多要產生氨，氨排放逐漸成為國家關注的重點大氣污染物，所以優(yōu)先選用氨排放較低的治理工藝-SCR脫硝。

b)應用SCR脫硝工藝時，充分利用原煙氣熱能，將裝置盡量靠鍋爐高溫煙氣或在原高溫煙氣管路上。

3)燃氣鍋爐煤氣質量異常指標控制。

a)完善焦爐和高爐煤氣指標體系，增加氨和氰化物指標，并明確限值。

b)根據(jù)焦爐煤氣和高爐煤氣產生工藝，制定相應的高爐煤氣和焦爐煤氣指標保證措施，避免運行濕熄焦工藝導致的煙氣氮氧化物排放值升高。

4)持續(xù)與同行業(yè)優(yōu)秀企業(yè)的交流學習，及時掌握實踐應用中源頭治理新技術和先進經驗，真正推進企業(yè)減污降碳高質量發(fā)展。