国内外钢铁厂脱硝现状与研究进展

国内外钢铁厂脱硝现状与研究进展李永同（材料化学0701指导教师：沈岳松）摘要氮氧化物气体是危害最大、最难处理的大气污染物之一。随着经济的发展，有效控制燃煤造成的大气污染已经刻不容缓，特别是控制燃煤过程中的氮氧化物，烟气脱硝技术显得相当重要。本文分析了几种常用的烟气脱峭技术(选择性催化还原脱硝技术、选择性非催化还原脱硝技术、SNCR-SCR联合脱硝法、光催化氧化法、烟气同时脱硫脱硝法等)的原理、技术特点以及在我国的应用情况。关键词：氮氧化物;烟气脱硝技术;选择性催化还原脱硝技术;选译性非催化还原脱硝技术;钢铁厂;低NOx燃烧;进展DomesticandforeignironandsteelplantdenitratepresentsituationandresearchdevelopmentLiYongtong（MaterialsChemistry0701FacultyAdviserShenYuesong）AbstractNOxisoneofthemostseriousPollutantswhicharedifficulttobedealtwith.WithThedevelopmentoftheeconomy，thecontroltechnologyofgaspollutantfromcoalcombustion，especiallyNOx，isimportantandimpendent.Theprinciple，characteristicanditsapplicationinourcountryofcommonfluegasDe一NOxtechnologywereanalyzed.BasedontheactualconditioninourcountrythefeasibleschemewasproposedKeywords：NOx;fluegasDe一NOxteehnology;selectivecatalyticreduetion;selectivenoncatalytiereduetion;steelworks;LowNOxcombustion;progress目录摘要……………………………………………………………………………………………1ABSTRACT…………………………………………………………………………………2第一章引言…………………………………………………………………………………41.1概述……………………………………………………………………………………41.2钢铁厂脱硝的必要性…………………………………………………………………41.3烟气脱销的历史沿革…………………………………………………………………5第二章常见的几种脱硝技术………………………………………………………………52.1低NOX燃烧技术………………………………………………………………………52.1.1空气分级燃烧…………………………………………………………………52.1.2燃料分级燃烧…………………………………………………………………62.1.3烟气再循环…………………………………………………………………62.1.4低NOX燃烧器…………………………………………………………………62.2烟气脱硝技术…………………………………………………………………………72.2.1烟气单独脱硝法………………………………………………………………72.2.2烟气同时脱硫脱硝法…………………………………………………………82.2.3烟气脱硝新技术………………………………………………………………112.3脱硝市场现状及发展建议………………………………………………………13结语…………………………………………………………………………………………14参考文献……………………………………………………………………………………15第一章引言1.1概述氮氧化物是造成大气污染的主要污染源之一。通常所说的氮氧化物NOx有多种:N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和N2O5,其中NO和NO2是重要的大气污染物。我国氮氧化物的排放量中70%来自煤炭的直接燃烧,钢铁工业又是我国的燃煤大户,因此NOx排放的主要来源之一是钢铁厂[1]。研究表明,氮氧化物的生成途径有3种:①热力型NOx。指空气中的氮气在高温下氧化而生成NOx;②燃料型NOx。指燃料中含氮化合物,在燃烧过程中进行热分解,继而进一步氧化而生成NOx;③快速型NOx。指燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团(CH)等反应而生成NOx。在这3种途径中,快速型NOx所占的比例不到5%;在温度低于1300℃时,几乎没有热力型NOx。对常规燃煤锅炉而言,NOx主要通过燃料型生成途径而产生。控制NOx排放的技术措施可分为一次措施和二次措施两类,一次措施是通过各种技术手段降低燃烧过程中的NOx生成量;二次措施是将已经生成的NOx通过技术手段从烟气中脱除[2]。1.2钢铁厂脱硝的必要性钢铁生产主要包括烧结、球团、炼焦、炼铁、炼钢、轧钢、锻压、铁合金、耐火材料、动力等环节,钢铁厂拥有排放大量烟尘和废气的各种炉窑。而炉窑燃烧过程中生成大量的NOX、SO2和CO2等气体，其中氮氧化物主要有NO和NO2,通常把这两种氮氧化物称为NOX,其中NO占90%以上。在煤燃烧过程中,生成NOX的途径有三个:热力NOX;快速NOX。对于燃煤锅炉来说,通常燃料NOX占70%至85%;热力型NOX占15%至25%;其余为快速NOX比例很小[3]。NOX是一种危害大、难处理的大气污染物,它能在阳光的作用下产生二次大气污染——光化学烟雾；NO虽然毒性不大，但是高浓度的NO会引起神经中枢障碍，而且它很容易转化为剧毒的NO2。NO2是棕色气体，有特殊的刺激性臭味，被吸入肺后能与肺部的水分结合成可溶性硝酸，严重时会引起肺气肿。在大气中的氮氧化合物达到100～150ppm的高浓度时，人连续呼吸30～60min便会中毒[4]。另外，NOX也是损害动植物，破坏臭氧层，引起温室效应和酸雨的主要物质之一。如不控制钢铁厂则属于工业部门中的污染大户之一。因此,开展对NOX排放的治理具有极其重要的意义。根据国家环境保护总局有关研究的初步估算，2000年中国NOX的排放量约为1500万t，其中近70%来自于煤炭的直接燃烧，固定源是NOX的主要来源[5]。鉴于中国今后的能源消耗量将随着经济的发展而不断增长，因此，NOX的排放量也将持续增加。据估算，到2010年，中国NOX排放量将达到2194万t。如果不加强控制，NOX将会对大气环境造成更为严重的污染。1.3烟气脱硝的历史沿革烟气脱硝技术在国外发展较早。台商王永庆先生在福建漳州建设的后石电厂,安装6×600MW亚临界燃煤机组,以环境保护优先为理念,首次在大陆的火电厂中配套安装了脱硝装置,采用SCR工艺,只装了一层催化剂,保证脱硝效率为44·4%,布置在锅炉尾部烟通竖井的下部。加上采用海水脱硫,取消了GGH与烟气旁路;采用园形封闭煤场等一系列措施,使环境保护所用投资占总投资的五分之一左右。从而开创了先河[6]。与火电厂相比，钢铁厂NOX污染已日渐显著，被社会各界所关注。国外发达国家早已实现钢铁厂NOX排放量的标准化控制，而我国这方面的认识相对较晚，从而技术也相对不成熟，但近些年踊跃了很多致力于这方面研究的专家和学者，并取得较大进展及突破。然而，最希望的还是尽快赶上发达国家的步伐，实现钢铁厂NOX的系统化控制达到国家规定的排放标准。并且随着脱硝设备国产化程度提高,所需投资减少,也为扩大其建设规模创造了条件。可以预见,如果对NOX也实行总量控制,并提供与脱硫相似的优惠政策,必将有更快的发展。第二章常见的几种脱硝技术降低NOx排放主要措施有2种。一是控制燃烧过程中NOx的生成,即低NOx燃烧技术;二是对已生成的NOx进行处理,即烟气脱硝技术[7]。2.1低NOx燃烧技术为了控制燃烧过程中NOX的生成量所采取的措施原则为:①降低过量空气系数和氧气浓度,使煤粉在缺氧条件下燃烧;②降低燃烧温度,防止产生局部高温区;③缩短烟气在高温区的停留时间等。2.1.1空气分级燃烧燃烧区的氧浓度对各种类型的NOx生成都有很大影响。当过量空气系数α1,燃烧区处于“贫氧燃烧”状态时,抑制NOx的生成量有明显效果。根据这一原理,把供给燃烧区的空气量减少到全部燃烧所需用空气量的70%左右,从而降低了燃烧区的氧浓度,也降低了燃烧区的温度水平。因此,第一级燃烧区的主要作用就是抑制NOX的生成并将燃烧过程推迟。燃烧所需的其余空气则通过燃烧器上面的燃烬风喷口送入炉膛与第一级所产生的烟气混合,完成整个燃烧过程。炉内空气分级燃烧包括:轴向空气分级燃烧(OFA方式)和径向空气分级燃烧。轴向空气分级将燃烧所需的空气分两部分送入炉膛:一部分为主二次风,占总二次风量的70%~85%,另一部分为燃烬风(OFA),占总二次风量的15%~30%。炉内的燃烧分为3个区域,即热解区、贫氧区和富氧区。径向空气分级燃烧是在与烟气流垂直的炉膛截面上组织分级燃烧的。它是通过将二次风射流部分偏向炉墙来实现的。空气分级燃烧存在的问题是二段空气量过大,会使不完全燃烧损失增大;煤粉炉由于还原性气氛而易结渣、腐蚀。2.1.2燃料分级燃烧在主燃烧器形成初始燃烧区的上方喷入二次燃料,形成富燃料燃烧的再燃区,NOX进入该区将被还原成N2。为了保证再燃区的不完全燃烧产物能够燃烬,在再燃区的上面还需布置燃烬风喷口。改变再燃烧区的燃料与空气的比例是控制NOX排放量的关键因素。存在的问题是为了减少不完全燃烧损失,需加空气对再燃区烟气进行三级燃烧,因而配风系统比较复杂。2.1.3烟气再循环[9]该技术是把空气预热器前抽取的温度较低的烟气与燃烧用的空气混合,通过燃烧器送入炉内从而降低燃烧温度和氧的浓度,达到降低NOX生成量的目的。存在的问题是由于受燃烧稳定性的限制,一般再循环烟气率为15%~20%,投资和运行费较大,占地面积大。2.1.4低NOX燃烧器[8]通过特殊设计的燃烧器结构(LNB)及改变通过燃烧器的风煤比例,以达到在燃烧器着火区空气分级、燃烧分级或烟气再循环法的效果。在保证煤粉着火燃烧的同时,有效地抑制NOX的生成。如浓淡煤粉燃烧方式为:在煤粉管道上的煤粉浓缩器使一次风分成水平方向上的浓淡两股气流,其中一股为煤粉浓度相对较高的煤粉气流,含大部分煤粉;另一股为煤粉浓度相对较低的煤粉气流,以空气为主。我国低NOx燃烧技术起步较早,采用LNB技术,只需用低NOX燃烧器替换原来的燃烧器,燃烧系统和炉膛结构不需要作任何更改。5种脱硝技术的性价比较见表1。从表1中可看出,低氮燃烧技术的脱硝效率[10]仅有25%~40%,单靠这种技术已无法满足日益严格的环保法规标准。对我国脱硝而言,采用烟气脱硝技术势在必行。表1脱硝技术的性价比较所采用的技术脱硝效率/%工程造价运行费用低NOX燃烧技术25~40较低低SNCR技术25~40低中等LNB+SNCR技术40~70中等中等SCR技术80~90高中等SNCR/SCR混合技术40~80中等中等2.2烟气脱硝技术2.2.1烟气单独脱硝法㈠选择性催化还原法SCR脱硝技术是指在催化剂的作用下，还原剂（H2，CO，烃类，NH3）与烟气中的NOx反应生成无害的N2和水，从而去除烟气中的NOx。催化剂是影响NOx脱除效率的重要因素，催化剂的种类主要有以下3种［11］：（1）催化剂主要是Rh和Pd等，有较高的活性且反应温度较低。但由于它们和硫反应，且价格昂贵，在20世纪八九十年代以后逐渐被金属氧化物类催化剂所取代。（2）金属氧化物类催化剂，主要包括V2O5，Fe2O3，，CuO，CrOx，MnO，MgO，MoO3等金属氧化物或其联合作用的混合物，还原剂一般选择NH3。（3）沸石分子筛型，主要是采用离子交换方法制成的金属离子交换沸石。特点是反应较高，最高可达600℃，目前是国外研究的重点，但在工业应用方面不是很多。用NH3催化还原NO脱氮效率高，钟秦等［12］研究V2O5/TiO2选择性催化还原脱除烟气中NOx