随着我国步入新时代，工业化程度不断加快和人民生活水平不断提高，改善人居环境尤其是大气环境已成为社会普遍关注的问题。大气中的氮氧化物(NOX)能够产生酸雨、引起臭氧层破坏并带来光化学烟雾和雾霾等恶劣天气，我国大气污染防治法将其列为主要防治的污染物之一。

人类生产活动是造成大气污染的主要诱因，包括燃料燃烧、工业生产、交通运输和农业生产等。钢铁冶炼需要燃烧大量的燃料，排放大量的废气污染物，属于高耗能、高污染行业[1]。根据刘大钧等研究成果[2],钢铁行业NOX排放约占工业企业总排放量的6%。近年来，国家相继出台了重点区域大气污染防治规划、钢铁行业大气污染物排放标准等，烟粉尘、SO2等污染物的控制技术不断成熟，钢铁行业颗粒物和SO2排放量持续下降。根据汤铃等研究成果[3],2018年中国钢铁行业污染物排放量SO2,NOX,PM2.5分别为29.02万t,66.57万t,11.69万t,对区域污染物浓度贡献最大的是NOX,部分城市钢铁行业排放NOX对区域环境中年均质量浓度贡献比例冬季能达到7.29%～14.31%、夏季能达到10.41%～16.92%。NOX已逐渐成为钢铁企业排放量最大的污染物和最突出的环境问题。

钢铁联合企业生产工序多，NOX产生环节多，包括烧结(球团)、焦化、炼铁和轧钢等，通过各类生产炉窑燃烧矿石燃料或煤气、天然气等环节产生。长流程钢铁联合企业生产过程中，产生大量的焦炉煤气(COG)、高炉煤气(BFG)和转炉煤气(LDG),烧结(球团)、焦化、炼铁和轧钢等生产工序使用煤气后有一定剩余，为节约能源，先进钢铁企业一般采用多种途径综合利用，送自备电厂是高效利用剩余煤气的有效途径之一。燃气自备电厂可以利用低热值和高热值的气体，生产电力、蒸汽，并以此调节煤气平衡，实现企业资源优化配置，降低企业综合能耗和生产成本。并且随着环境容量的日益紧张，国家和地方都严格控制新建燃煤发电项目，燃气自备电厂也成为了当前钢铁联合企业解决能源供应的重要途径之一。2019年，生态环境部发布《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》(环大气[2019]35号),使用燃气锅炉的自备电厂NOX的排放指标限值为50mg/m3,该标准对控制NOX排放提出了更高要求，因此，确保自备电厂NOX稳定达标排放也成为企业环保管理研究的重点任务之一。

本文在调研国内先进典型钢铁企业燃气自备电厂NOX产排污特点的基础上，广泛收集研究国内外NOX控制方法，旨在从源头控制、末端治理等多途径分析钢铁企业燃气自备电厂NOX污染控制对策。

1、钢铁企业燃气自备电厂氮氧化物排放情况

1.1 燃气自备电厂NOX排放量

燃气自备电厂的NOX排放量与钢铁企业规模及能源需求匹配，典型钢铁联合企业燃气自备电厂NOX排放情况见表1。

由表1可知，全部使用燃气发电的自备电厂NOX排放量，一般占到钢铁联合企业NOX排放总量的10%以上。

1.2 燃气自备电厂NOX产生机理

NOX是NO,N2O,NO2,NO3,N2O3,N2O4和N2O5等的总称[4]。据研究，NOX的生成机制主要有3种：热力型、燃料型和快速型[5]。燃气自备电厂燃料一般采用焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气的混合煤气或天然气，气体燃料燃烧产生的氮氧化物以热力型为主，产生机理为：燃料气体高温燃烧过程中氮元素被氧化产生NO,之后NO转化为NO2,氮元素来自于燃料本身或作为助燃气的空气中的N2。热力型NOX的产生取决于温度、浓度、停留时间和燃料类型，温度是影响NOX生成最重要和最显著的因素，NOX在温度达到1300℃时开始形成，温度升高到一定值后，NOX达到峰值，然后由于发生高温分解反应而有所降低，并且随着O2浓度和空气预热温度的增高，NOX生成量存在一个最大值。当O2浓度过高时，由于存在过量氧对火焰的冷却作用，NOX值有所降低。

1.3 燃气自备电厂烟气中NOX的特点

1.3.1 煤气成分影响NOX排放量波动

燃气自备电厂使用焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气的混合煤气作为燃料时，由于钢铁企业进入自备电厂的煤气配比不同，导致热值波动，最终导致烟气成分和温度有一定的变化，使得NOX排放量受煤气成分波动影响。典型钢铁联合企业煤气成分见表2。

1)焦炉煤气：

焦炉煤气主要成分为氢气，一般占到50%以上，是钢铁企业所有工艺气体中热值最高的一种；燃烧产生的NOX一部分来自于燃料中氨和有机氮的氧化，并且焦炉煤气热值高，产生的热量较大，导致燃气尾气温度较高，从而产生大量的热力型氮氧化物。根据欧洲钢铁工业联盟统计资料，燃烧焦炉煤气电厂烟气中典型NOX的排放质量浓度在240mg/m3～440mg/m3之间。

2)高炉煤气：

高炉煤气主要成分为N2,热值最低，燃烧产生的火焰温度相对较低，一般情况下，氮氧化物的存在形式没有显著的特征。燃烧高炉煤气所产生的氮氧化物的含量主要取决于燃料气体中的含氮组分。据统计，燃料高炉煤气电厂烟气中典型NOX的排放质量浓度在40mg/m3～90mg/m3之间。

3)转炉煤气：

转炉煤气热值介于焦炉煤气和高炉煤气两者之间。

1.3.2 烟气量和含氧量变化较大

燃气自备电厂使用煤气可以通过燃烧锅炉或者燃气涡轮机来实现，相比高热值气体，低热值气体产生同样的热量需要更多的气体，因此，燃烧高炉煤气需要使用更多煤气以产生相同的热值，产生的烟气量也较大，含氧量也相对较高，能源效率较低。

2、控制途径分析

2.1 源头控制

源头控制主要通过工程措施降低烟气燃烧温度和氧含量的措施达到降低氮氧化物的排放浓度。

2.1.1 调节煤气配比

将焦炉煤气与高炉煤气、转炉煤气相混合，可以调节气体燃料的热值。因此，可以通过混合多种烟气(不可燃)降低烟气温度，最终达到降低NOX排放浓度；焦炉煤气可以在0%～100%之间的任意比例与高炉煤气和转炉煤气相混合，在钢铁联合企业中，一般优先将高热值的焦炉煤气应用于化产等工序中，自备电厂多使用利用率不高的低热值煤气。

2.1.2 低氮燃烧技术和烟气循环利用

低氮燃烧技术的原理是将空气分级，浓相在内，更靠近火焰中心，淡相在外，贴近水冷壁。浓相在内着火时，火焰温度相对较高，但是氧气比相对较少，生成的氮氧化物相对减少；淡相在外，氧气比相对较大，但由于距火焰高温区域较远，温度相对较低，因此氮氧化物的生成也会相对减少。这种通过改变燃烧条件的方法降低NOX的排放，统称为低氮燃烧技术，是目前最有效的减少排放的源头控制措施之一。使用低氮燃烧器和烟气循环，焦炉煤气和天然气燃烧排放NOX可达到140mg/m3～260mg/m3。同时采用低氮燃烧器和烟气循环利用，NOX的排放质量浓度可降低40%,只采用低氮燃烧器NOX的排放质量浓度可降低30%,只采用烟气循环利用也可减少15%NOX的排放质量浓度。

2.1.3 高空喷射燃烧剩余燃料

低氮燃烧器燃烧后的剩余燃料，通过高空喷射点燃循环使用，这种方法可降低20%左右的NOX排放。

2.1.4 回收废气和燃料

在燃烧器的中部和上部空间回收废气和燃料重新燃烧，以减少燃料的注入，可降低10%左右的NOX排放，源头控制技术NOX减排效率见表3。

2.2 末端治理

末端治理为燃烧后控制技术，主流技术包括：选择性催化还原(SCR)、选择性非催化还原(SNCR)和SCR-SNCR混合技术[6,7]、活性炭吸附法[8]、臭氧氧化脱硝技术[9]等，从经济技术可行性角度，SCR仍然是最有效的NOX末端治理技术。

2.2.1 选择性催化还原法(SCR)

SCR技术是在金属催化剂作用下，以NH3作为还原剂，将NOX还原成N2和H2O。NH3不和烟气中的残余的O2反应，而如果采用H2,CO,CH4等还原剂，它们在还原NOX的同时会与O2作用，因此称这种方法为“选择性”。催化剂促进反应进行，但在反应中并不被消耗。

SCR工艺技术成熟，固定投资适中，是我国脱硝市场主流技术[10]。SCR的运行效率关键在于催化剂和还原剂，按催化剂适用不同温度领域可以分为中高温催化剂(300℃～420℃)、低温催化剂(80℃～280℃)[11]、宽温催化剂(250℃～420℃)。通过采用合适的催化剂，脱硝反应可以在(宽温催化剂250℃～420℃、中高温催化剂(300℃～420℃)的温度范围内有效进行，可以获得高达80%～90%的NOX脱除效率。还原剂主要有液氨、氨水、尿素等，尿素稳定、无毒、无害、运输方便、价格便宜，已逐渐替代氨水和液氨作为SCR烟气脱硝技术的主流还原剂[12]。

2.2.2 选择性非催化脱硝法(SNCR)

选择性非催化还原技术是将含有NHX基的还原剂，喷入炉膛温度为800℃～1150℃的区域，该还原剂迅速热分解成NH3并与烟气中的NOX进行反应生成N2。SNCR脱硝技术的脱硝效率一般为30%～50%[13],不需要催化剂，但需在900℃～1000℃的较高温度下进行反应。SNCR的投资通常低于SCR,还原剂的消耗较高，适用于对脱硝效率要求不高的场合。对于燃气自备电厂而言，需要增高烟气温度，能源消耗较高，在钢铁行业应用案例较少，一般在循环流化床锅炉中和其他脱硝技术联合使用。

2.2.3 活性炭吸附法

活性炭吸附法是一种能够同时脱除烟气中多种杂质的方法，包括颗粒物，SO2,NOX,二噁英，汞等污染物，是一种多污染物协同控制技术。其原理是高度发达的孔隙结构和有巨大的比表面积的活性炭作为吸附剂，当烟气被引导通过活性炭床的时候，污染物即被活性炭吸附。去除废气中的氮氧化物时，需要在废气通过活性炭床之前，向废气中喷洒NHX基实现。该法视运行温度、还原剂(NHX)等情况不同，脱硝效率可以达80%～90%[14]。活性炭床通过水和蒸汽升温达到再生的效果。该法通常使用高质量的、价格昂贵的活性炭，并且会产生废活性炭等二次污染物。活性炭吸附法在钢铁行业中应用于烟气成分复杂的烧结工序较多，应用于自备电厂的案例较少。

2.2.4 臭氧氧化法

臭氧氧化脱硝的原理是通过臭氧将烟气中难溶于水的NO氧化成易溶于水的NO2等高价态氮氧化物。然后在洗涤塔内氮氧化物和碱液发生反应，从而达到脱硝的目的。臭氧氧化对烟气温度要求不高，适合于低温烟气中氮氧化物的脱除。氧化后的产物可以和SO2同时在洗涤塔中用碱液吸收，降低脱硝的投资成本。臭氧可以将烟气中绝大多数污染物进行氧化，实现真正的多种污染物协同脱除。臭氧氧化技术脱硝效率较高，可以达到90%以上，并良好适用烟气量和NOX波动变化，同时不会引起二次污染；同时，臭氧还可脱除烟气中的汞等污染物。臭氧氧化法采用混合吸收浆液协同吸收时脱硝效率可以达到85%以上[15,16,17]。烟气中氮氧化物总量高时设备投资及使用成本较高。

2.2.5 联合脱硝方法

结合不同的脱硝方法特点，采用联合方法可以提高单一方法的脱硝效率以及限制因素，比如，SNCR+SCR烟气联合法[18]、臭氧+SCR法[19]等，对温度波动较大、NOX去除效率要求高的烟气具有较好的脱除效果。

3、结论

1)钢铁企业燃气自备电厂一般采用焦炉煤气、高炉煤气等工艺气体混合作为燃料，烟气温度和NOX排放浓度受燃料配比影响有一定的波动，在没有处理措施的情况下，NOX的排放质量浓度一般在200mg/m3～240mg/m3左右，采用低氮燃烧等源头控制措施后，可降至100mg/m3～180mg/m3左右，为满足超低排放标准的要求，需通过末端治理措施，进一步降低NOX排放浓度。

2)在满足排放标准的前提下，从成本控制的角度出发，源头控制是最经济可行的，如控制煤气成分配比、采用低氮燃烧+烟气循环等技术，在此基础上，采用成熟可靠经济的脱硝技术，以及综合考虑协同去除多种污染物的技术将是钢铁企业控制燃气自备电厂氮氧化物的有效途径。

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文章来源：李庭.钢铁企业燃气电厂氮氧化物治理对策[J].山西建筑,2021,47(24):119-121+126.