鋼鐵行業(yè)已成為中國大氣污染防治重點行業(yè),目前中國已提出鋼鐵行業(yè)燒結(jié)、球團等工序超低排放限值?？偨Y(jié)了燒結(jié)(球團)、焦爐、高爐、轉(zhuǎn)爐等多個工序高效凈化技術(shù)路線,集成了源頭減排、過程控制和末端治理的多污染物超低排放技術(shù)體系,包括"煙氣循環(huán)技術(shù)"、"半干法脫硫耦合中低溫SCR脫硝技術(shù)"、"活性炭法一體化技術(shù)"、"臭氧氧化硫硝協(xié)同吸收技術(shù)"、"高爐爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化的硫硝源頭減排技術(shù)"、"轉(zhuǎn)爐二次煙氣預(yù)荷電袋濾器除塵技術(shù)"等關(guān)鍵技術(shù),上述技術(shù)在中國部分鋼鐵企業(yè)均有應(yīng)用實踐。最后提出了生產(chǎn)技術(shù)綠色化、污染計量合理化、加強非常規(guī)污染物管控、重視鋼鐵行業(yè)碳排放的發(fā)展建議。
隨著電力行業(yè)超低排放技術(shù)的推廣應(yīng)用，中國大氣污染防治重點已從電力行業(yè)向非電行業(yè)轉(zhuǎn)變，其中，鋼鐵行業(yè)是減排重點。2018年中國粗鋼產(chǎn)量為9.28億t，位居世界第一，占全球總產(chǎn)量的51.32%。中國鋼鐵生產(chǎn)以長流程工藝為主，包括燒結(jié)、球團、焦化、高爐、轉(zhuǎn)爐和軋鋼等，較高的能耗導(dǎo)致大量污染物排放，行業(yè)整體呈現(xiàn)出生產(chǎn)工序多、污染種類雜、排放總量大的特點。2017年全國鋼鐵行業(yè)SO2、NOx、粉塵排放量分別為32.4萬t、214萬t、120.9萬t，位居工業(yè)排放源前三。因此，開展鋼鐵行業(yè)環(huán)保技術(shù)升級，對于改善環(huán)境空氣質(zhì)量、打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)具有重要意義。
鋼鐵企業(yè)是大氣污染的重點行業(yè)，鋼鐵生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)均產(chǎn)生顆粒物、SO2、NOx等廢氣污染物。鋼鐵企業(yè)排放的廢氣中，顆粒物排放主要集中在原料場、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、煉焦等工序，SO2主要集中在燒結(jié)、球團等工序，NOx主要集中在燒結(jié)、煉焦、熱軋等工序。此外，氟化物和氯化氫主要集中在燒結(jié)和冷軋工序，特殊鋼酸洗和電渣冶金也有氟化物產(chǎn)生，二噁英主要集中在燒結(jié)工序和電爐煉鋼工序。
“十一五”期間，中國部分鋼鐵企業(yè)開始開展燒結(jié)煙氣脫硫，技術(shù)來源以國外或電力行業(yè)引進為主、自主研發(fā)為輔。燒結(jié)機脫硫工藝以濕法脫硫為主，占75%以上，但大型燒結(jié)機半干法應(yīng)用占比逐漸升高。“十二五”期間，鋼鐵行業(yè)開始執(zhí)行GB16297—2012《鋼鐵燒結(jié)、球團工業(yè)大氣污染物排放標準》，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放標準加嚴的同時，開始關(guān)注二噁英等非常規(guī)污染物，基于半干法的鋼鐵燒結(jié)/球團煙氣多污染物協(xié)同控制技術(shù)成為主流趨勢?！笆濉币詠恚撹F行業(yè)全流程超低排放成為發(fā)展趨勢。中國鋼鐵行業(yè)大氣污染治理已實現(xiàn)從“單工序”向“全流程”過渡，控制技術(shù)也已實現(xiàn)從“單一污染物控制”向“多污染物協(xié)同控制”的技術(shù)升級。
本文針對目前國內(nèi)外鋼鐵行業(yè)大氣污染物控制標準和技術(shù)進行調(diào)研，從燒結(jié)(球團)、焦爐、高爐、轉(zhuǎn)爐等多個工序提出鋼鐵行業(yè)全流程超低排放技術(shù)路線，并提出未來鋼鐵行業(yè)超低排放的發(fā)展建議，為推動鋼鐵的產(chǎn)業(yè)升級和綠色發(fā)展提供參考。
1 中國鋼鐵行業(yè)超低排放標準
針對燒結(jié)、球團工序的排放限值變化如圖1所示。2017年6月中國環(huán)境保護部發(fā)布了《鋼鐵燒結(jié)、球團工業(yè)大氣污染物排放標準》修改單(征求意見稿)，提出顆粒物特別排放限值從40降至20mg/m3，SO2特別排放限值從180降至50mg/m3，NOx特別排放限值也從300大幅降至100mg/m3。在2018年政府工作報告中李克強總理提出“推動鋼鐵等行業(yè)超低排放改造”。隨后，生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合各部委在2019年4月發(fā)布《關(guān)于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，將燒結(jié)(球團)煙氣中顆粒物、SO2、NOx的超低排放限值分別規(guī)定為10、35、50mg/m3，要求到2020年底前，重點區(qū)域鋼鐵企業(yè)力爭60%左右產(chǎn)能完成改造。
針對焦化工序，GB1171—2012《煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標準》中提出焦爐煙氣顆粒物特別排放限值為15mg/m3，SO2和NOx特別排放限值分別為30和150mg/m3。中國生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合各部委發(fā)布的《關(guān)于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》中提出焦爐煙囪顆粒物、SO2、NOx的超低排放限值分別為10、30、150mg/m3。2018年9月份，河北省正式發(fā)布國內(nèi)首個焦化工序超低排放標準DB13/2863—2018《煉焦化學(xué)工業(yè)大氣污染物超低排放地方標準》，提出顆粒物、SO2、NOx的超低排放限值分別為10、30、130mg/m3，要求河北省現(xiàn)有企業(yè)自2020年10月1日開始實施。
總體而言，超低排放限值的出臺將極大地促進鋼鐵行業(yè)超低排放技術(shù)升級，有利于污染物深度減排。
2 中國鋼鐵行業(yè)全流程超低排放技術(shù)體系
近年來，中國鋼鐵行業(yè)基于“多污染物協(xié)同控制”和“全過程耦合”的技術(shù)理念，開發(fā)了“選擇性煙氣循環(huán)技術(shù)”、“半干法脫硫耦合中低溫SCR脫硝技術(shù)”、“活性炭法一體化技術(shù)”、“臭氧氧化硫硝協(xié)同吸收技術(shù)”、“高爐爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化的硫硝源頭減排技術(shù)”等新型技術(shù)涵蓋了燒結(jié)、球團、焦爐、高爐等多個工序，為鋼鐵行業(yè)超低排放改造提供強有力的技術(shù)支撐。
2.1 燒結(jié)(球團)煙氣超低排放技術(shù)
燒結(jié)工序的顆粒物、SO2、NOx排放量占整個鋼鐵行業(yè)排放總量的30%、60%和50%左右，非常規(guī)污染物二噁英占整個鋼鐵行業(yè)的90%以上，是鋼鐵行業(yè)大氣污染排放量最大的工序。燒結(jié)煙氣具有煙氣流量大、排煙溫度低、NOx質(zhì)量濃度波動比較大(200～500mg/m3)的特點。隨著排放指標的加嚴，對原有脫硫和除塵設(shè)施進行提標改造，可實現(xiàn)顆粒物和SO2達標排放。在脫硝方面，傳統(tǒng)熱電行業(yè)脫硝技術(shù)無法直接移植，開展過程控制和末端治理相互耦合的關(guān)鍵技術(shù)，已成為燒結(jié)煙氣超低排放技術(shù)的關(guān)鍵。球團煙氣與燒結(jié)煙氣排放特征較為相似，末端治理技術(shù)可以互為借鑒。
2.1.1 燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)
燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)是通過選擇性收集不同的風(fēng)箱(或主抽后煙道)的部分載熱煙氣，混合后返回至燒結(jié)臺車，從而回收部分燒結(jié)余熱，降低固體燃耗。同時，返回的煙氣還含有NOx、CO和二噁英等污染物，可部分被分解或轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)污染物減排。此外，煙氣循環(huán)可以實現(xiàn)煙氣減量化，降低末端污染控制設(shè)施處理負荷及投資和運行成本。
燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)按取風(fēng)位置的不同分為內(nèi)循環(huán)(取風(fēng)位置：風(fēng)箱)和外循環(huán)(取風(fēng)位置：主抽后煙道)兩種工藝模式，最早由國外開發(fā)和應(yīng)用。兩種工藝模式在設(shè)計理念上有所差異，在煙氣循環(huán)率、污染物減排、節(jié)能等方面?zhèn)戎赜兴煌５傮w而言，內(nèi)循環(huán)工藝可以選擇性選取高溫、富氧或污染物質(zhì)量濃度高等不同特點的廢氣循環(huán)，是目前主流的燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)，如日本新日鐵開發(fā)的區(qū)域廢氣循環(huán)技術(shù)、德國HKM 開發(fā)的LEEP(low emission andenergy optimized sinter production)工藝、及奧鋼聯(lián)公司開發(fā)的Eposint(environmental process optimizedsintering)工藝。
與國外相比，中國燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)起步較晚。中國科學(xué)院過程工程研究所和河鋼集團有限公司等單位在國家重點研發(fā)計劃項目“鋼鐵行業(yè)煙氣多污染物全過程控制耦合關(guān)鍵技術(shù)”的支持下，聯(lián)合開發(fā)了燒結(jié)機選擇性煙氣循環(huán)技術(shù)(SFGC)，如圖2所示，在燒結(jié)機風(fēng)箱選擇、關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計等方面取得原創(chuàng)性突破，在河鋼邯鋼2×360m2+2×400m2燒結(jié)機上運用，實現(xiàn)廢氣循環(huán)率20%以上，噸礦外排煙氣量降低15%以上，燒結(jié)礦產(chǎn)量提高4%、固體燃耗降低3%，CO外排總量降低20%以上。熱風(fēng)燒結(jié)，解決了環(huán)境空氣質(zhì)量指標CO控制難題，達到“節(jié)能”和“減排”功能耦合;煙氣減量，突破了超低排放技術(shù)經(jīng)濟性的瓶頸，有效耦合匹配后續(xù)末端治理設(shè)施達到過程控制及末端治理的目標。
煙氣循環(huán)技術(shù)主要特點是將部分燒結(jié)煙氣通過循環(huán)煙道返回?zé)Y(jié)機上再次參與燒結(jié)，利用燒結(jié)過程的高溫使大部分氮氧化物、二噁英裂解掉，并使煙氣中的SO2富集，降低脫硫煙氣處理量及成本，同時，吸收利用煙氣中的熱能，降低燒結(jié)能耗。其存在的主要問題就是工藝布置比較復(fù)雜，成品燒結(jié)礦中易出現(xiàn)硫富集現(xiàn)象。因此，風(fēng)箱的合理選擇是該技術(shù)的關(guān)鍵。
2.1.2 半干法脫硫耦合中低溫SCR脫硝技術(shù)
燒結(jié)煙氣凈化脫硫主要分為三類：濕法、干法與半干法，其中半干法如循環(huán)流化床(CFB)、旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法(SDA)等在燒結(jié)煙氣凈化中應(yīng)用逐漸增多，如三鋼、梅鋼、邯鋼、鞍鋼等均使用半干法脫硫。
SCR脫硝技術(shù)是指在催化劑存在的條件下，用NH3或尿素作為還原劑將NOx還原成N2。工業(yè)上應(yīng)用最多的是V2O5-WO3/TiO2催化劑，不僅對NOx脫除效率較高，還具有脫除二噁英的作用，因此燒結(jié)煙氣使用SCR技術(shù)具有良好的前景。燒結(jié)煙氣SCR脫硝有兩種布置方式：一種是將SCR系統(tǒng)布置在預(yù)除塵之后，脫硫裝置前;另一種是將SCR系統(tǒng)布置在預(yù)除塵和脫硫裝置之后，該種布置方式可在極大程度上防止催化劑機械磨碎和失活。隨著中國重點區(qū)域鋼鐵行業(yè)超低排放改造的推進，采用第二種布置方式的半干法脫硫耦合中低溫SCR脫硝技術(shù)受到重點關(guān)注。
半干法脫硫+SCR脫硝工藝流程如圖3所示，原煙氣通過GGH換熱器與脫硝后的凈煙氣換熱并升溫，再與加熱爐燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饣旌仙郎兀缓笈cNH3在混合器的擾動下得以充分混合，混合后的煙氣進入SCR反應(yīng)器。
2016年，寶鋼4號600m2燒結(jié)機在原有的兩套CFB脫硫后增設(shè)兩套SCR脫硝裝置，利用高爐煤氣作為熱風(fēng)爐補熱燃料。CFB脫硫后煙氣中SO2質(zhì)量濃度降至50mg/m3以下，出口粉塵質(zhì)量濃度達到20mg/m3以下，NOx排放質(zhì)量濃度在200～550mg/m3，二噁英排放毒性當量質(zhì)量濃度3.0ngTEQ/m3以下(毒性當量：toxic equivalent quantity，TEQ)，設(shè)計煙囪出口NOx排放質(zhì)量濃度在110mg/m3以下，二噁英毒性當量質(zhì)量濃度不大于0.5ngTEQ/m3。自投運以來，運行狀況良好且各種污染物排放指標優(yōu)于設(shè)計指標。
目前半干法脫硫+SCR脫硝技術(shù)已在燒結(jié)機上得到了成功應(yīng)用，能實現(xiàn)粉塵、SO2、NOx排放質(zhì)量濃度分別低于10、35、50mg/m3(標準態(tài))，適用于燒結(jié)機煙氣量大、溫度和水含量波動較大的條件，同時對二噁英、SO3、HCl、HF和重金屬等污染物有一定脫除效果。但該工藝存在脫硫副產(chǎn)物量大的問題，尚無公認的最佳應(yīng)用途徑或資源回收價值，需作為廢物進行處理。
2.1.3 活性炭法一體化技術(shù)
活性炭一體化技術(shù)是利用活性炭的吸附和催化性能對污染物進行凈化處理?；钚蕴糠ㄒ惑w化技術(shù)是以活性炭為吸附劑，吸附煙氣中SO2，吸附飽和后活性炭再通過加熱解吸出高質(zhì)量濃度SO2混合氣體可用來制取98%商品硫酸，脫硫率可達95%。由于活性炭的催化作用，加入HN3可將煙氣中的NOx還原成N2和H2O。該技術(shù)還可同步脫除二噁英、重金屬、汞及其他有毒物質(zhì)，是一種資源回收型綜合煙氣治理技術(shù)。
活性炭一體化工藝從煙氣和活性炭運動方式看可分為兩類：錯流式和逆流式。錯流式中活性炭和煙氣分別作垂直運動和水平運動，兩者在運動方向垂直接觸，在國內(nèi)應(yīng)用相對較早，典型有太鋼、日照等。逆流式工藝中活性炭自上而下、煙氣自下而上，兩者逆流相向接觸，在國內(nèi)河鋼邯鋼將逆流式工藝首次應(yīng)用于燒結(jié)煙氣處理。
寶鋼湛江鋼鐵2臺新建的550m2燒結(jié)機同步配套建造2套燒結(jié)煙氣活性炭凈化系統(tǒng)，工藝流程如圖4所示。燒結(jié)煙氣活性炭凈化系統(tǒng)采用分層移動床型結(jié)構(gòu)，每個吸附單元由左右對稱的6個反應(yīng)室組成，分別為前室、中室和后室，在不同的部位設(shè)有入口格柵、中間多孔板及出口微格柵。吸附塔空塔流速為0.15～0.20m/s?；钚蕴績艋到y(tǒng)自投運以來，各種污染物排放都優(yōu)于設(shè)計指標。2017年4月經(jīng)該系統(tǒng)處理前煙氣中SO2質(zhì)量濃度為410～640mg/m3，NOx質(zhì)量濃度為230～370mg/m3，二噁英的毒性當量質(zhì)量濃度為0.82～5.40ngTEQ/m3，處理后SO2質(zhì)量濃度為1.2～8.0mg/m3，NOx質(zhì)量濃度為90～140mg/m3，二噁英的毒性當量質(zhì)量濃度下降至0.0023～0.008 9ngTEQ/m3，脫硫效率為98.5%～99.7%，脫硝效率為57.6%～69.5%，二噁英脫除率為99.4%～99.9%。
河鋼邯鋼在國內(nèi)率先選用了逆流式活性炭選擇性催化還原(CSCR)凈化燒結(jié)煙氣工藝，工藝流程如圖5所示。SO2通過活性炭的吸附-解析，再經(jīng)過催化氧化制成濃硫酸，實現(xiàn)了資源回收利用。通過脫硫段后，在上升的煙氣中進行噴氨，進入脫硝段后在活性炭的催化作用下NOx轉(zhuǎn)化為N2和水進行脫硝。2018年2月邯鋼西區(qū)燒結(jié)機投運了逆流式CSCR工藝，實現(xiàn)長周期穩(wěn)定運行和較高的煙氣凈化效率，2018年上半年原始煙氣顆粒物質(zhì)量濃度為50～130mg/m3，SO2質(zhì)量濃度為750～900mg/m3，NOx質(zhì)量濃度為300～400mg/m3，凈化后煙囪NOx排放質(zhì)量濃度低于50mg/m3，SO2排放質(zhì)量濃度低于10mg/m3，固體顆粒物排放質(zhì)量濃度低于15mg/m3。
活性炭吸附法技術(shù)工藝簡單，占地面積小，是一種可同時去除粉塵、NOx、SO2等多污染物的煙氣凈化技術(shù)，且該技術(shù)資源化利用率高，副產(chǎn)物為高質(zhì)量濃度SO2氣體，可用于制備濃硫酸或其他高附加值的單質(zhì)硫等，具有良好的發(fā)展前景。
2.1.4 臭氧氧化硫硝協(xié)同吸收技術(shù)
燒結(jié)煙氣臭氧氧化脫硝技術(shù)是通過氧化-吸收雙梯段的功能耦合，利用現(xiàn)有脫硫塔對高價NOx和SO2進行協(xié)同吸收的高效脫硝技術(shù)。該技術(shù)主要是利用O3的強氧化性將NO氧化為高價態(tài)NOx(NO2或/和N2O5)，然后在脫硫塔內(nèi)將NOx和SO2同時吸收轉(zhuǎn)化為硝酸鹽或硫酸鹽，脫硝效率隨O3/NO物質(zhì)的量之比增加、反應(yīng)溫度優(yōu)化等因素得到強化。煙氣中其他組分如SO2、CO和HCl等，從熱力學(xué)和動力學(xué)分析，其與O3反應(yīng)速率均遠遠低于NOx的氧化反應(yīng)速率，因此可實現(xiàn)O3的選擇性氧化調(diào)控。
該技術(shù)首先通過臭氧發(fā)生器，制備強氧化劑O3，通過臭氧分布器等設(shè)備噴入脫硫吸收塔前段煙道，O3進入煙道后與煙氣中NO反應(yīng)，通過定向調(diào)控的手段，將其氧化為高價NOx(NO2或/和N2O5)，隨后高價NOx與SO2一并進入后續(xù)的吸收反應(yīng)塔系統(tǒng)，實現(xiàn)NOx和SO2等多污染物的協(xié)同脫除。
目前國內(nèi)應(yīng)用臭氧氧化硫硝協(xié)同吸收工藝的燒結(jié)(球團)煙氣凈化工程有唐鋼中厚板240m2燒結(jié)機、唐鋼不銹鋼265m2燒結(jié)機、寶鋼梅鋼180m2燒結(jié)機、燕山鋼鐵300m2燒結(jié)機、津西鋼鐵265m2燒結(jié)機等。
唐鋼中厚板240m2燒結(jié)機臭氧氧化脫硝示范工程是基于國家重點研發(fā)計劃課題《燒結(jié)煙氣低溫氧化脫硝技術(shù)及示范》所研發(fā)的臭氧氧化硫硝協(xié)同吸收技術(shù)，由中國科學(xué)院過程工程研究所和河鋼集團有限公司聯(lián)合開發(fā)，工藝流程如圖6所示，通過“梯級氧化”的設(shè)計理念，實現(xiàn)NOx超低排放。該工程煙氣量為130萬m3/h，初始NOx質(zhì)量濃度為370mg/m3，脫硝系統(tǒng)啟用后，結(jié)合現(xiàn)有密相干塔半干法脫硫吸收，可實現(xiàn)煙囪NOx排放質(zhì)量濃度低于50mg/m3，滿足國家超低排放標準要求。唐鋼青龍爐料200萬t/年球團生產(chǎn)線，是河鋼集團有限公司承擔(dān)的國家重點研發(fā)計劃課題《球團煙氣多污染物超低排放技術(shù)及示范》的示范建設(shè)點，將采用臭氧氧化+SDA+預(yù)荷電的超低排放技術(shù)路線，并于2019年開始建設(shè)。
臭氧氧化硫硝協(xié)同吸收技術(shù)系統(tǒng)簡單，占地面積小，該技術(shù)適用于煙氣溫度較低的燒結(jié)機，在實現(xiàn)排放指標的同時，可減少投資和運行費用。通過臭氧的氧化作用，不易被吸收劑吸收的NO在煙道中被氧化為高價態(tài)NOx，可與SO2一起在后續(xù)脫硫塔中同時被吸收，不需再配置獨立的脫硝裝置，同時不存在SO3無法脫除的問題。
2.2 焦爐煙氣超低排放技術(shù)
焦爐煙氣具有低硫(80～300mg/m3)、高氮(600～1200mg/m3)的排放特征，同時含有因煤氣竄漏而產(chǎn)生的H2S、HCN等非常規(guī)污染物。相對于150mg/m3)的國家特別排放限值和130mg/m3)的河北省超低排放限值，焦爐煙氣NOx排放遠遠超標。因此，NOx的深度治理成為焦爐煙氣超低排放技術(shù)的關(guān)鍵。
2.2.1 鈉基SDA脫硫耦合低溫SCR脫硝技術(shù)
焦爐煙氣進入SDA脫硫塔，與旋轉(zhuǎn)噴霧器霧化的Na2CO3飽和溶液充分接觸，完成SO2的吸收;脫硫后的煙氣進入布袋除塵器，除塵后進行低溫SCR脫硝，凈化后的煙氣經(jīng)煙道進行外排。該工藝先采用脫硫除塵，有利于改善脫硝反應(yīng)環(huán)境。SDA脫硫同時可將焦爐煙氣中的焦油、有機物等污染物部分去除，提高整個工藝脫除性能的穩(wěn)定性。焦爐煙氣脫硫后煙氣溫度低于180℃，需進行煙氣再熱達到低溫SCR脫硝溫度區(qū)間。該工藝系統(tǒng)含有脫硫塔、除塵器、脫硝反應(yīng)器、噴氨系統(tǒng)、熱風(fēng)爐等組成，整套系統(tǒng)無廢水產(chǎn)生，脫硫副產(chǎn)物可利用，焦爐煙氣可達到排放標準。目前，該技術(shù)在寶鋼湛江鋼鐵、山東鐵雄新沙、河鋼邯鋼、鞍鋼、河鋼唐鋼等企業(yè)已獲得廣泛應(yīng)用。
中冶焦耐(大連)工程技術(shù)有限公司在寶鋼湛江鋼鐵煉焦工序建立了世界首臺套“SDA旋轉(zhuǎn)噴霧脫硫+低溫SCR脫硝除塵”工程，工藝流程如圖7所示。該煉焦工序安裝4×65孔7m的頂裝焦爐，單座焦爐煙道廢氣量(180℃)約為26萬m3/h，原始煙氣顆粒物約為20mg/m3，采用混合煤氣作為燃料后的SO2質(zhì)量濃度約為80mg/m3，采用廢氣循環(huán)和分段加熱的燃燒控制技術(shù)后NOx可降至約500mg/m3。凈化后煙氣顆粒物排放質(zhì)量濃度降低至5mg/m3以下，SO2和NOx的排放質(zhì)量濃度也分別降低至20和120mg/m3以下，低于國家特別排放限值。
該工藝采取先脫硫的模式可以有效控制后續(xù)脫硝硫酸氫銨的生成，為低溫高效脫硝創(chuàng)造條件;一體化裝置可以集中進行除塵、加熱和脫硝，減少管道輸送的熱損耗，模塊化可提高脫硝操作和檢修的靈活性;采用低溫脫硝催化劑可使脫硫后的煙氣僅需小幅加熱即可進行高效率脫硝。存在主要問題是旋轉(zhuǎn)噴霧器成本較高，且進脫硝反應(yīng)器的煙氣溫度較低，對脫硝催化劑的性能提出了更高的要求。
2.2.2 活性炭法一體化技術(shù)
該工藝采用活性炭能同時脫除焦爐煙氣中SO2、NOx。焦爐煙氣先進入預(yù)熱鍋爐回收熱量，再冷卻降溫，然后進入活性炭吸附裝置。吸附塔分為兩級，第一級先脫硫，焦爐煙氣中SO2首先被吸附在活性炭表面，隨后在煙氣中O2和水蒸氣存在的條件下，發(fā)生催化氧化反應(yīng)。第二級脫硝，噴入NH3作為脫硝還原劑進行脫硝處理，反應(yīng)生成N2和H2O，實現(xiàn)NOx的脫除。在脫硫脫硝的同時，協(xié)同脫除H2S、HCN等污染物。活性炭經(jīng)過再生塔再生，可循環(huán)利用。凈化后的煙氣經(jīng)增壓風(fēng)機進入煙囪外排。
依托國家重點研發(fā)計劃課題《焦爐煙氣多污染物協(xié)同控制技術(shù)及示范》，中國科學(xué)院過程工程研究所、中冶焦耐(大連)工程技術(shù)有限公司、河鋼集團有限公司等單位聯(lián)合開發(fā)了活性炭法一體化技術(shù)，工藝流程如圖8所示。在該工藝中，兩段式吸附塔可以避免硫酸銨晶體影響脫硝效率的問題，同時結(jié)合焦爐煙氣SO2初始質(zhì)量濃度較低的特點，首次提出將再生得到的SO2輸送至化產(chǎn)車間用于生產(chǎn)硫酸銨化學(xué)品，物理損耗的活性炭粉用于污水處理。
該工藝目前在唐鋼美錦焦炭廠分別建立了3000m3/h的小試平臺和30000m3/h的中試平臺。根據(jù)小試結(jié)果，可實現(xiàn)脫硝效率80%，煙氣出口SO2質(zhì)量濃度低于15mg/m3，NOx質(zhì)量濃度低于150mg/m3。2019年，該技術(shù)將在唐鋼美錦150萬t/年焦爐上建立全煙氣示范工程。
活性炭法具有系統(tǒng)占地面積小，所用物資均可市場采購，特別是該系統(tǒng)充分利用了焦化系統(tǒng)的各項資源，沒有新的污染物產(chǎn)生的優(yōu)點。但該工藝存在大規(guī)模改造應(yīng)用的經(jīng)濟性較差問題。
2.3 高爐爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化的硫硝源頭減排技術(shù)
噸球團礦的SO2和NOx排放量僅為燒結(jié)礦的約1/2和1/3，提高高爐入爐原料中球團礦比例，有利于實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)硫硝源頭減排。目前，國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)高爐冶煉球團礦比例如圖9所示。歐美國家的高爐球團礦比例普遍在90%以上，瑞典SSAB廠為100%全球團冶煉，墨西哥Monclova廠為93%，美國Ashland廠為90%。亞洲國家高爐球團礦占比普遍較低：韓國浦項光陽廠為12%，日本新日鐵為10%，中國河鋼集團平均為10%，主要是因為球團礦的堿度較低(堿度為0.1～0.2)。
制備球團的原料中，含有較多的堿性物，如CaO、MgO等，這些堿性物質(zhì)將與球團過程中的酸性成分SO2和NOx等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將SO2和NOx削減在球團制備過程中，實現(xiàn)源頭抑制SO2和NOx的目的;另外，高爐內(nèi)部也由于原料中含有一定的堿物質(zhì)，對高爐內(nèi)部產(chǎn)生的SO2和NOx酸性物質(zhì)有很好的抑制效果。為保證高爐冶煉造渣的要求(堿度1.05～1.20)，熔劑性(堿度0.8～1.0)球團的生產(chǎn)和高爐爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化是提高高爐球團比例的關(guān)鍵技術(shù)，也是實現(xiàn)整個鋼鐵行業(yè)硫硝源頭減排的重要途徑。
河鋼集團有限公司承擔(dān)的國家重點研發(fā)計劃課題《基于高爐爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化的硫硝減排技術(shù)及示范》，開發(fā)了熔劑性球團生產(chǎn)和高爐爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)，并在唐鋼不銹鋼550m3高爐建立示范工程，實現(xiàn)60%以上球團比例高爐冶煉的穩(wěn)定運行。
通過高爐爐料優(yōu)化增加球團礦用量，不僅可以從源頭和過程降低鋼鐵行業(yè)NOx和SO2的排放，減輕末端治理壓力;還可降低高爐入爐焦比，提高煤氣利用率，達到節(jié)能減排的效果。
2.4 轉(zhuǎn)爐二次煙氣預(yù)荷電袋濾器除塵技術(shù)
轉(zhuǎn)爐煙氣分為一次煙氣和二次煙氣，其中一次煙氣含有大量的CO，可通過濕法除塵、半干法除塵、干法除塵等除塵方式凈化后回收成轉(zhuǎn)爐煤氣，整個系統(tǒng)外排污染物較少。二次轉(zhuǎn)爐二次煙氣主要污染物是煙粉塵，包括轉(zhuǎn)爐吹氧過程中一次除塵外逸煙塵，同時在兌鐵水和出鋼水過程中劇烈高溫反應(yīng)產(chǎn)生的顆粒物粉塵，具有煙氣溫度高、瞬間煙氣量大、顆粒物粒徑小等特征。二次煙氣初始顆粒物質(zhì)量濃度為3～5g/m3，主要成分為鐵氧化物，占40%～60%。
針對轉(zhuǎn)爐二次煙氣的排放特征，中鋼集團天澄環(huán)?？萍脊煞萦邢薰鹃_發(fā)了預(yù)荷電袋濾器除塵技術(shù)，將預(yù)荷電和直通式袋式除塵器復(fù)合形成一體化裝置，如圖10所示。粉塵預(yù)荷電后在濾袋表面將形成海綿狀粉餅結(jié)構(gòu)，能提高凈化效率，同時降低運行阻力。中鋼天澄在鞍鋼煉鋼總廠2×180t轉(zhuǎn)爐二次煙氣凈化項目中建成示范工程，處理風(fēng)量2×60萬m3/h。2014年12月正式投運，截止目前持續(xù)穩(wěn)定，運行可靠，顆粒物排放質(zhì)量濃度低于10mg/m3，技術(shù)性能指標達到超低排放，運行阻力為700～1 000Pa，低于傳統(tǒng)袋式除塵器。目前，在日照鋼鐵、新余鋼鐵、正大特鋼、唐鋼青龍、柳鋼等得到推廣應(yīng)用。
預(yù)荷電袋過濾技術(shù)可有效去除煙氣中PM2.5細顆粒物，排放質(zhì)量濃度小于10mg/m3，可實現(xiàn)超低排放，是技術(shù)發(fā)展方向，適用于新建環(huán)保項目和環(huán)保提標改造;粉塵預(yù)荷電后袋式除塵器運行阻力為700～950Pa，比傳統(tǒng)袋式除塵器阻力下降40%以上，節(jié)能顯著;且預(yù)荷電裝置體積小、造價低、安裝方便、便于實施，應(yīng)用前景廣闊。
3 結(jié)語
從目前全國鋼鐵企業(yè)超低排放開展情況來看，取得了較好的治理效果，但在鋼鐵行業(yè)統(tǒng)籌規(guī)劃、污染物計量合理性、非常規(guī)污染物管控、碳排放重視程度等方面仍存在一定問題。因此，對于下一步推動全國范圍內(nèi)的鋼鐵行業(yè)超低排放改造乃至鋼鐵行業(yè)的環(huán)保發(fā)展，提出如下建議：
(1)生產(chǎn)技術(shù)綠色化。積極研發(fā)全氫冶煉技術(shù)、高爐高比例球團(全球團)冶煉等新技術(shù)，實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)多污染物的大幅減排。
(2)污染計量合理化。適當允許不同生產(chǎn)工序之間污染物等量或減量置換，污染物計量由“單工序獨立計量”向“全流程總量折算”過渡，形成噸鋼或噸鐵污染物排放的計算方式。
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