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铁矿烧结工艺料层内脱硝技术的研究进展

2018-06-04 17:33编辑:acetocafe.com人气:


北极星大气网讯:摘要:本文首先结合铁矿烧结工艺特征,从NOx的生成和还原机理两方面介绍了烧结过程NOx的形成机理;其次,分别阐述了固体燃料配比和类型等烧结固体燃料结构、料层冷态透气性和高度等工艺参数对烧结过程NOx排放的影响规律;在此基础上,针对烧结料层内脱硝技术的未来展望,分别从提升烧结料层内固体燃料近旁CO还原势、扩展烧结料层内NO还原反应区域、降低烧结料层内NO还原反应活化能等三方面强化烧结料层内NOx还原以达到提升烧结料层内脱硝效率进行了展望。

引言

近年来,随着工业和交通运输业等行业的迅猛发展,化石燃料的大量使用,导致空气中NOx的浓度不断升高,而NOx不仅会对人体产生直接危害,而且在大气条件下形成的光化学烟雾、酸雨、雾霾等污染物严重危害人类健康和社会发展。根据《2015中国环境状况公报》[1],全国氮氧化物排放总量为1851.8万吨,钢铁行业废气中氮氧化物的排放量占全国的3%左右,其中烧结工序是产生NOx的主要来源之一,约占钢铁行业NOx排放总量的50%。对此,一方面,中国环境保护部新颁布的《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》[2]中规定:烧结烟气氮氧化物排放浓度限值为300mg/m3;另一方面,中国各省份环保部门均大幅提高氮氧化物排放的收费标准,如:北京市和河北省环保局对废气中氮氧化物排放的收费标准由原来的0.67元/kg分别提高到目前的10元/kg[3]和2.52元/kg[4],平均增幅达9.34倍。因此,减少烧结工序NOx排放势在必行。

目前国内外减少烧结烟气NOx排放技术,主要分为烧结烟气源头削减法、烧结料层过程控制法及烧结烟气末端处理法。由于烧结工序产生的NOx主要为燃料型NOx,90%以上是由固体燃料燃烧产生[5],故NOx源头削减主要是选择使用氮元素含量低的固体燃料。范晓慧、Chin-LuMO等人的研究表明[6,7],在烧结料中添加生物质燃料(木质炭、秸秆炭及锯末等)替代焦粉可显著减少NOx的生成。然而,优质的低氮原燃料较为缺乏,而以生物质过多地替代焦粉会对烧结产质量指标产生不利影响,故这类方法的工业应用存在一定的限制性。就NOx的过程控制而言,主要是在烧结料层内创造有利于抑制NOx形成的条件,降低NOx的生成量,或促进已生成NOx的还原,且对烧结产质量指标影响较小。现有研究表明该方法的脱硝率约为20%~40%,由于该方法不需要额外的设备投资,且运行成本也较低,故其备受炼铁工作者的青睐。对于NOx末端处理而言,目前主要采用两大类方法,其一是选择性催化还原法(SCR),其脱硝率可达80%以上,但由于烧结烟气温度低而需要加热装置,且需要消耗昂贵的催化剂,而该催化剂容易中毒而失活,进而使得催化NOx还原的效果减弱[8];其二是活性炭吸附法,其烧结工艺的脱硝率约为40%[9]。该方法主要应用于同时脱除SO2、NOx、二噁英,但烟气中粉尘易致活性炭堵塞,造成活性下降,进而影响活性炭的循环使用。此外,上述两种方法均存在设备投资与运行成本较高的问题,制约了其在工业上的广泛应用。对此,由于烧结料层内脱硝的优势,以及提高烧结料层内脱硝效率不仅能够有效缓解源头削减对资源的限制,而且也可以减轻末端处理的负担,故烧结领域的研究者和工程技术人员对其进行了大量研究。因此,本文将在简述铁矿石烧结过程NOx形成机理的基础上,分别从烧结固体燃料结构和工艺参数两方面阐述其对烧结NOx排放的影响规律,在此基础上针对铁矿石烧结料层内脱硝技术的未来发展方向进行展望。

1铁矿石烧结过程NOx的形成机理

烧结过程中形成的NOx,绝大多数为NO,且该NOx为燃料型NOx,NOx主要来源于烧结过程中焦粉、无烟煤等固体燃料中的氮与空气中的氧在高温下燃烧产生。铁矿石烧结过程是一个多组分、多温区、多相共存的复杂动态系统,其工艺特征决定了烧结料层内NOx形成过程的复杂。根据佐々木晃等人[10]测定的烧结过程中燃烧带内各气体浓度分布情况(图1)可知,在燃烧带上部氧化带中固体燃料开始燃烧,O2充足,此时固体燃料燃烧充分,生成CO2,无CO生成,同时NO开始生成;随着燃烧反应的进行,O2浓度逐渐降低,CO2和NO浓度升高,但在进入燃烧带下部后,CO开始生成,且在CO和NO浓度基本同时达到最大值之后,NO浓度呈现逐渐减小的趋势,而CO浓度基本保持不变,且O2浓度继续减小、CO2浓度继续增加,这可能是由于生成的CO与NO发生了还原反应。由此可知,在烧结料层内燃烧带中既存在着NO的生成,又存在NO的还原,两者交互发生,故烧结过程NOx的形成机理较为复杂。基于此,本文将结合铁矿石烧结工艺特征分别从固体燃料燃烧过程NOx的生成和还原机理阐述烧结料层内NOx的形成机理。

铁矿烧结工艺料层内脱硝技术的研究进展

图1烧结料层燃烧带中各气体浓度分布

1.1NOx生成机理

(来源:网络整理)

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