浅谈钢厂富裕煤气发电过程中氮氧化物污染物的控制
发布日期：2019-10-24 来源：钢铁技术 作者：钢铁技术 浏览次数：1535
摘要：文章介绍了高炉煤气和焦炉煤气燃烧中氮氧化物生成的机理。介绍了主要的低氮燃烧技术和烟气脱硝工艺。指出将低氮燃烧技术与烟气脱硝工艺相结合,可望实现富裕煤气发电过程中超低氮氧化物排放的目标。
1引言
2016 年10 月28 日，工业和信息化部印发了《钢铁工业调整升级规划（2016—2020 年）》（后简称《规划》）。《规划》中明确要求推进绿色制造，提出“十三五”期间能源消耗总量和污染物排放总量双下降的目标，分别下降10% 和15% 以上。
目前各钢铁企业对工艺生产过程中产生的副产煤气的综合利用较为重视, 除在冶金工艺的各工段——如热风炉、转炉、加热炉等中消耗一部分外，余下的均利用锅炉将这些二次能源转换为热能或电能， 有效地减少直接放散带来的能源浪费和环境污染。
但是，煤气锅炉在回收能源的过程还会有氮氧化物污染气体的产生。这些氮氧化物对人体及动物有致毒作用，也是形成酸雨、酸雾的主要因素之一，同时这些气体与碳氢化合物会形成化学烟雾危及人体健康。因此，需要对富裕煤气发电过程中产生的氮氧化物污染物进行控制，以达到《规划》中减少污染物排放总量的目标。
2富裕煤气燃烧过程中NOx的生成机理
钢铁企业生产过程中产生的副产煤气主要有高炉煤气、转炉煤气和焦炉煤气。其中高炉煤气的富余量最大，焦炉煤气的热值最高，因此富裕的高炉煤气和焦炉煤气常被用于发电项目。
高炉煤气中可燃成分主要为CO（ 约25%~35%）， 含N2 约为60%， 其余成分主要为CO2，含极少量的H2 和CH4。从高炉煤气的成分可看出，高炉煤气燃烧时产生的NOx为主要为热力型。
焦炉煤气主要由H2和CH4构成，分别占56% 和27%，含N2 为3%~7%，并有少量CO、CO2、O2 和其他烃类。从焦炉煤气的成分可看出，其燃烧过程中主要为热力型NOx和少量快速型NOx生成。
3低NOx燃烧技术
由于高炉煤气或焦炉煤气单独燃烧的过程中产生的NOx以热力型为主。影响热力型NOx的生成量有以下几个因素：燃烧温度、燃烧反应区氧含量和燃烧产物在反应区的停留时间。根据钢厂富裕煤气燃烧过程中NOx的形成机理，低NOx燃烧技术主要从以下几个方面考虑：降低最高燃烧温度、缩小高温区、减小燃烧反应区的氧含量、缩短反应产物的停留时间等。
目前，工业燃气锅炉的低NOx燃烧技术包括：
1）烟气再循环
烟气再循环技术即抽取一部分低温烟气送入炉膛，因烟气的吸热和对氧气的稀释作用会降低燃烧速度和炉内温度，故抑制了热力型NOx的生成。
2）浓淡偏差燃烧
浓淡偏差燃烧是在锅炉中布置多组烧嘴，使上层燃烧器供应较多的空气(α ＞ 1) ，即燃料过淡燃烧；下层燃烧器供应较少的空气(α ＜ 1)，即燃料过浓燃烧。这样配置后，使燃气的燃烧分别在燃气过浓、燃气过淡和燃尽三个区域分阶段完成，从而达到在燃烧过程中抑制NOx生成的目的。
3）低NOx燃烧器
燃烧器是锅炉燃烧系统中的关键设备。不但燃气是通过燃烧器送入炉膛，而且燃气燃烧所需的空气也是通过燃烧器进入炉膛的。从燃烧的角度看，燃烧器的性能对燃烧设备的可靠性和经济性起着主要作用。通过设计一定结构的燃烧器，改变燃烧方式和空燃比达到最大限度抑制NOX 生成的目的。其NOx抑制原理主要是采用促进混合、分割火焰、烟气再循环、阶段燃烧、浓淡燃烧以及他们的组合形式。低NOx燃烧器能在燃料着火阶段就抑制NOX 的生成，因此，得到了广泛的开发和利用。
工业燃气锅炉采用一种或多种低氮燃烧技术后，基本可以降低30%~60% 左右的NOx生成量。根据目前国内外技术水平，当锅炉全烧高炉煤气时，采用低氮燃烧技术的工业燃气锅炉，可以将氮氧化物排放浓度控制在100mg/Nm3 以下。当锅炉全烧焦炉煤气时，采用低氮燃烧技术的工业燃气锅炉，可以将氮氧化物排放浓度控制在200mg/Nm3 以下。
但是，值得注意的是由于焦炉煤气中含有CH4，因此在燃烧过程中会产生自由基。当火焰温度降低时，自由基会突然增加或保持恒定, 致使快速型NOX 迅速增加。因此在全烧或掺烧焦炉煤气的条件下，特别是在低NOx燃烧技术中快速型NOx的生成量与热力型NOx的生成量相当，使得单纯采用低NOx燃烧技术无法实现预期的抑制NOx生成效果。
4烟气脱硝工艺
随着社会的发展，环保要求越来越高，仅采用低氮燃烧技术很难达到更低的氮氧化物排放要求，因此还需要结合采用燃烧后处理的方法来减少氮氧化物的排放。目前，比较常用的烟气脱硝技术主要包括选择性催化还原（SCR）技术和选择性非催化还原（SNCR）技术。
SCR工艺利用NH3在催化剂作用下有选择性地与烟气中NOX 发生化学反应，生成N2 和H2O。在NH3/NO 摩尔比为1 时，SCR工艺的脱硝效率可以达80%~90%，SCR脱硝反应效率最高达约90%。工艺流程为：锅炉烟气从烟道进入SCR反应器，烟气中的NOx与喷氨格栅喷入的氨气混合后经过催化剂的催化进行反应，产生N2 和H2O，最终使烟气中NOx满足排放标准。
SNCR工艺技术就是非催化还原技术，在锅炉出口烟温950~1100℃处，将尿素或氨等还原剂直接喷入，在高温的情况下，氨气与烟气中的氮氧化物进行反应，把氮氧化物还原，降低氮氧化物的浓度。SNCR的脱硝效率约40%~60%。SCR法的脱硝效率远高于SNCR法。但是，SCR法的投资高，占地大，需要设置催化剂且烟道阻力加大，因此在选择烟气脱硝技术时，应根据项目所采用的燃料种类、环保要求及经济性等综合考虑。
5结论
我国的低氮燃烧技术和烟气脱硝技术首先在火电行业开始应用，但是随着我国《火电厂大气污染物排放标准》的不断更新，对NOX 的排放控制日趋严格。2015 年3 月，十二届全国人大三次会议《政府工作报告》明确要求“推动燃煤电厂超低排放改造”；2015 年12 月，国务院常务会议决定，在2020 年之前对燃煤电厂全面实施超低排放和节能改造。钢铁企业作为节能减排改造的重点对象，今后势必也将会执行“超低排放”的标准。“超低排放”标准中要求NOx的排放量为不大于50mg/Nm3。
为了适应日益严格的环保要求，新建的富裕煤气发电项目应考虑采用低氮燃烧技术+ 烟气脱硝工艺相结合的方式降低NOX 的排放。可以根据燃料条件和排放要求综合考虑烟气脱硝工艺的形式。当全烧高炉煤气时，可以考虑选择低氮燃烧技术+SNCR基本可达到“超低排放”要求。当大量掺烧或全烧焦炉煤气时，就需要选择低氮燃烧技术+SCR 的形式，才能达到比较严格的排放要求。
1引言
2016 年10 月28 日，工业和信息化部印发了《钢铁工业调整升级规划（2016—2020 年）》（后简称《规划》）。《规划》中明确要求推进绿色制造，提出“十三五”期间能源消耗总量和污染物排放总量双下降的目标，分别下降10% 和15% 以上。
目前各钢铁企业对工艺生产过程中产生的副产煤气的综合利用较为重视, 除在冶金工艺的各工段——如热风炉、转炉、加热炉等中消耗一部分外，余下的均利用锅炉将这些二次能源转换为热能或电能， 有效地减少直接放散带来的能源浪费和环境污染。
但是，煤气锅炉在回收能源的过程还会有氮氧化物污染气体的产生。这些氮氧化物对人体及动物有致毒作用，也是形成酸雨、酸雾的主要因素之一，同时这些气体与碳氢化合物会形成化学烟雾危及人体健康。因此，需要对富裕煤气发电过程中产生的氮氧化物污染物进行控制，以达到《规划》中减少污染物排放总量的目标。
2富裕煤气燃烧过程中NOx的生成机理
钢铁企业生产过程中产生的副产煤气主要有高炉煤气、转炉煤气和焦炉煤气。其中高炉煤气的富余量最大，焦炉煤气的热值最高，因此富裕的高炉煤气和焦炉煤气常被用于发电项目。
高炉煤气中可燃成分主要为CO（ 约25%~35%）， 含N2 约为60%， 其余成分主要为CO2，含极少量的H2 和CH4。从高炉煤气的成分可看出，高炉煤气燃烧时产生的NOx为主要为热力型。
焦炉煤气主要由H2和CH4构成，分别占56% 和27%，含N2 为3%~7%，并有少量CO、CO2、O2 和其他烃类。从焦炉煤气的成分可看出，其燃烧过程中主要为热力型NOx和少量快速型NOx生成。
3低NOx燃烧技术
由于高炉煤气或焦炉煤气单独燃烧的过程中产生的NOx以热力型为主。影响热力型NOx的生成量有以下几个因素：燃烧温度、燃烧反应区氧含量和燃烧产物在反应区的停留时间。根据钢厂富裕煤气燃烧过程中NOx的形成机理，低NOx燃烧技术主要从以下几个方面考虑：降低最高燃烧温度、缩小高温区、减小燃烧反应区的氧含量、缩短反应产物的停留时间等。
目前，工业燃气锅炉的低NOx燃烧技术包括：
1）烟气再循环
烟气再循环技术即抽取一部分低温烟气送入炉膛，因烟气的吸热和对氧气的稀释作用会降低燃烧速度和炉内温度，故抑制了热力型NOx的生成。
2）浓淡偏差燃烧
浓淡偏差燃烧是在锅炉中布置多组烧嘴，使上层燃烧器供应较多的空气(α ＞ 1) ，即燃料过淡燃烧；下层燃烧器供应较少的空气(α ＜ 1)，即燃料过浓燃烧。这样配置后，使燃气的燃烧分别在燃气过浓、燃气过淡和燃尽三个区域分阶段完成，从而达到在燃烧过程中抑制NOx生成的目的。
3）低NOx燃烧器
燃烧器是锅炉燃烧系统中的关键设备。不但燃气是通过燃烧器送入炉膛，而且燃气燃烧所需的空气也是通过燃烧器进入炉膛的。从燃烧的角度看，燃烧器的性能对燃烧设备的可靠性和经济性起着主要作用。通过设计一定结构的燃烧器，改变燃烧方式和空燃比达到最大限度抑制NOX 生成的目的。其NOx抑制原理主要是采用促进混合、分割火焰、烟气再循环、阶段燃烧、浓淡燃烧以及他们的组合形式。低NOx燃烧器能在燃料着火阶段就抑制NOX 的生成，因此，得到了广泛的开发和利用。
工业燃气锅炉采用一种或多种低氮燃烧技术后，基本可以降低30%~60% 左右的NOx生成量。根据目前国内外技术水平，当锅炉全烧高炉煤气时，采用低氮燃烧技术的工业燃气锅炉，可以将氮氧化物排放浓度控制在100mg/Nm3 以下。当锅炉全烧焦炉煤气时，采用低氮燃烧技术的工业燃气锅炉，可以将氮氧化物排放浓度控制在200mg/Nm3 以下。
但是，值得注意的是由于焦炉煤气中含有CH4，因此在燃烧过程中会产生自由基。当火焰温度降低时，自由基会突然增加或保持恒定, 致使快速型NOX 迅速增加。因此在全烧或掺烧焦炉煤气的条件下，特别是在低NOx燃烧技术中快速型NOx的生成量与热力型NOx的生成量相当，使得单纯采用低NOx燃烧技术无法实现预期的抑制NOx生成效果。
4烟气脱硝工艺
随着社会的发展，环保要求越来越高，仅采用低氮燃烧技术很难达到更低的氮氧化物排放要求，因此还需要结合采用燃烧后处理的方法来减少氮氧化物的排放。目前，比较常用的烟气脱硝技术主要包括选择性催化还原（SCR）技术和选择性非催化还原（SNCR）技术。
SCR工艺利用NH3在催化剂作用下有选择性地与烟气中NOX 发生化学反应，生成N2 和H2O。在NH3/NO 摩尔比为1 时，SCR工艺的脱硝效率可以达80%~90%，SCR脱硝反应效率最高达约90%。工艺流程为：锅炉烟气从烟道进入SCR反应器，烟气中的NOx与喷氨格栅喷入的氨气混合后经过催化剂的催化进行反应，产生N2 和H2O，最终使烟气中NOx满足排放标准。
SNCR工艺技术就是非催化还原技术，在锅炉出口烟温950~1100℃处，将尿素或氨等还原剂直接喷入，在高温的情况下，氨气与烟气中的氮氧化物进行反应，把氮氧化物还原，降低氮氧化物的浓度。SNCR的脱硝效率约40%~60%。SCR法的脱硝效率远高于SNCR法。但是，SCR法的投资高，占地大，需要设置催化剂且烟道阻力加大，因此在选择烟气脱硝技术时，应根据项目所采用的燃料种类、环保要求及经济性等综合考虑。
5结论
我国的低氮燃烧技术和烟气脱硝技术首先在火电行业开始应用，但是随着我国《火电厂大气污染物排放标准》的不断更新，对NOX 的排放控制日趋严格。2015 年3 月，十二届全国人大三次会议《政府工作报告》明确要求“推动燃煤电厂超低排放改造”；2015 年12 月，国务院常务会议决定，在2020 年之前对燃煤电厂全面实施超低排放和节能改造。钢铁企业作为节能减排改造的重点对象，今后势必也将会执行“超低排放”的标准。“超低排放”标准中要求NOx的排放量为不大于50mg/Nm3。
为了适应日益严格的环保要求，新建的富裕煤气发电项目应考虑采用低氮燃烧技术+ 烟气脱硝工艺相结合的方式降低NOX 的排放。可以根据燃料条件和排放要求综合考虑烟气脱硝工艺的形式。当全烧高炉煤气时，可以考虑选择低氮燃烧技术+SNCR基本可达到“超低排放”要求。当大量掺烧或全烧焦炉煤气时，就需要选择低氮燃烧技术+SCR 的形式，才能达到比较严格的排放要求。