鋼鐵行業(yè)CO 排放治理與管控研究

趙廷剛

（邯鄲市生態(tài)環(huán)境局，河北 邯鄲 056000）

自2019 年《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》發(fā)布以來，鋼鐵行業(yè)積極推進(jìn)全流程治理改造，顆粒物、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）等主要大氣污染物排放量已大幅削減，推動(dòng)區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量明顯改善[1]。隨著環(huán)保治理的日益嚴(yán)格和精細(xì)，鋼鐵行業(yè)一氧化碳（CO）排放量大，對空氣CO指數(shù)的影響日益凸顯。CO 排放的治理與管控逐漸成為鋼鐵企業(yè)環(huán)保治理的重點(diǎn)，強(qiáng)化鋼鐵企業(yè)CO 減排也成為涉鋼城市推進(jìn)環(huán)境空氣質(zhì)量持續(xù)改善的有效途徑。

1 一氧化碳排放源

1.1 燒結(jié)工序

燒結(jié)工序CO 排放主要由焦粉煤粉等固體燃料和點(diǎn)火煤氣不完全燃燒產(chǎn)生，受原料配比及工況波動(dòng)等影響，燒結(jié)機(jī)機(jī)頭煙氣中含有較高含量的CO[2]。在燒結(jié)工藝相對落后、未采取有效治理措施的情況下，燒結(jié)機(jī)機(jī)頭煙氣中CO 濃度約為10 000mg/m3，遠(yuǎn)大于顆粒物、SO2、NOx排放量的總和。

1.2 煉鐵工序

高爐煤氣中CO 含量為28%—33%。受高爐煉鐵傳統(tǒng)工藝技術(shù)限制，高爐煤氣主要以兩種方式放散進(jìn)入大氣。一種是高爐料罐間歇性作業(yè)產(chǎn)生的煤氣均壓放散，每次爐頂稱量后，需將稱量料罐內(nèi)高壓煤氣對空放散，壓力降至與上部料罐相等的大氣壓力，才能進(jìn)行裝料工序；另一種是在高爐煤氣回收利用過程中，會因壓力波動(dòng)大等原因向大氣中放散一定量的煤氣。

1.3 煉鋼工序

轉(zhuǎn)爐冶煉過程產(chǎn)生的煙氣為轉(zhuǎn)爐一次煙氣。轉(zhuǎn)爐一次煙氣經(jīng)降溫除塵后大部分可回收作為轉(zhuǎn)爐煤氣（CO 為60%—80%）。轉(zhuǎn)爐一次煙氣的產(chǎn)生量在一個(gè)冶煉周期內(nèi)并不均衡，成分也有變化，在吹煉初期和末期產(chǎn)生的不滿足回收利用標(biāo)準(zhǔn)（O2＞1.5%）的轉(zhuǎn)爐煤氣通常經(jīng)過放散塔進(jìn)行放散，每個(gè)冶煉爐次放散時(shí)間為2—3min，放散量約為10%。

1.4 軋鋼工序

軋鋼加熱爐燃料不完全燃燒會產(chǎn)生一定量的CO。蓄熱式加熱爐是以換向閥的頻繁換向?yàn)榛A(chǔ)，每次換向閥切換，一組（側(cè)）燒嘴由燃燒狀態(tài)轉(zhuǎn)變成排煙狀態(tài)時(shí)，換向閥到蓄熱式燒嘴之間的殘存煤氣就會被排煙系統(tǒng)抽走，導(dǎo)致部分殘存煤氣直排。

1.5 煤氣輸送使用

當(dāng)燒結(jié)機(jī)、軋鋼加熱爐等煤氣下游用戶檢修時(shí)，煤氣用量減少，導(dǎo)致煤氣產(chǎn)用不平衡，煤氣管網(wǎng)壓力產(chǎn)生較大波動(dòng)，部分富裕煤氣需經(jīng)放散塔對空放散。此外，在煤氣管網(wǎng)長距離輸送過程中，因管道或閥門巡檢維修不及時(shí)會產(chǎn)生煤氣泄漏。

2 治理管控措施

2.1 燒結(jié)工序

2.1.1 煙氣循環(huán)技術(shù)

煙氣循環(huán)技術(shù)采取內(nèi)循環(huán)方式，燒結(jié)機(jī)主抽或冷卻段選取部分風(fēng)箱連接煙氣管道，經(jīng)除塵器除塵后，由循環(huán)風(fēng)機(jī)送至主抽風(fēng)箱上部平臺密封罩內(nèi)，再次進(jìn)行循環(huán)燃燒，使其中的高濃度CO 得到再次燃燒[3]。該技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)為循環(huán)風(fēng)箱的精準(zhǔn)選擇，要盡可能多對CO 濃度高的風(fēng)箱進(jìn)行煙氣循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)減排效果最大化。

2.1.2 “富氧助燃+料面噴吹蒸汽”技術(shù)

該技術(shù)通過提高點(diǎn)火助燃空氣或抽入料層空氣的氧含量，改善燃料燃燒條件，強(qiáng)化燃燒過程，使點(diǎn)火煤氣及料層中固體燃料充分燃燒，從而減少CO排放，同時(shí)采用霧化噴嘴對燒結(jié)料面噴吹蒸汽，H2O與燃料碳的氣化反應(yīng)可以擴(kuò)大燃料孔隙度，增強(qiáng)碳氧反應(yīng)面積，提高燒結(jié)料中碳完全燃燒比例，降低煙氣中CO 含量。噴吹蒸汽技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)為噴吹位置的確定，臺車上過前或過后噴吹CO 都會導(dǎo)致減排效果較小。

2.1.3 末端治理技術(shù)

該技術(shù)主要有溶液吸收法、吸附法和氧化法。溶液吸收法和吸附法目前雖已有所研究，但尚未成熟[4]。CO 催化氧化法針對SCR 脫硝工藝，增設(shè)CO催化燃燒系統(tǒng)，可有效提高CO 燃燒效率，同時(shí)可使煙氣升溫，降低補(bǔ)熱系統(tǒng)熱負(fù)荷和運(yùn)行成本。目前，該技術(shù)得到了越來越廣泛的研究應(yīng)用。

2.2 煉鐵工序

2.2.1 煤氣均壓放散回收

在爐頂原有均壓煤氣放散管路上設(shè)置引射單元，前期均壓煤氣依靠自身較高壓力自然回收進(jìn)入除塵器，當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力后，開啟引射閥門，采用高壓凈煤氣作為引射氣源，將料罐內(nèi)殘余煤氣快速引射到現(xiàn)有除塵器的入口管道，經(jīng)除塵器凈化后進(jìn)入煤氣管網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)均壓煤氣全回收，具有顯著的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2.2.2 煤氣休風(fēng)凈化回收

在高爐干法除塵器后設(shè)置高壓引射裝置，利用高壓引射介質(zhì)作為動(dòng)力源，將休風(fēng)的高爐煤氣引入高爐煤氣回收管道，經(jīng)除塵凈化后進(jìn)入低壓管網(wǎng)。系統(tǒng)設(shè)置氣體分析儀對回收煤氣成分進(jìn)行在線分析，回收過程中通過對氧含量等參數(shù)的檢測保證系統(tǒng)的安全性。

2.2.3 高爐煤氣零放散

在高爐煤氣常規(guī)放散系統(tǒng)的連接管和放散塔之間增設(shè)水封系統(tǒng)，系統(tǒng)主要采用U 型水封密封技術(shù)和放散壓力調(diào)節(jié)技術(shù)，通過將閥門截?cái)嘧優(yōu)榱黧w介質(zhì)密封，避免了機(jī)械閥門關(guān)閉不徹底造成的CO 無組織放散。

2.3 煉鋼工序

煉鋼工序采用轉(zhuǎn)爐煤氣直燃式點(diǎn)火伴燃技術(shù)。傳統(tǒng)伴燒型點(diǎn)火系統(tǒng)一般采用外來高熱值燃?xì)忾L期伴燒，即“長明燈”，存在資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。直燃式點(diǎn)火伴燃技術(shù)采用新型高空點(diǎn)火頭和等離子點(diǎn)火器，利用電弧電離局部空氣，產(chǎn)生高溫直流高壓環(huán)境，轉(zhuǎn)爐煤氣在催化反應(yīng)作用下可以直接被點(diǎn)燃并作為伴燒氣體，用轉(zhuǎn)爐煤氣代替其他高熱值氣體伴燒，直到放散管放散結(jié)束。

2.4 軋鋼工序

軋鋼工序采用軋鋼加熱爐煤氣反吹技術(shù)。在蓄熱式加熱爐排煙系統(tǒng)風(fēng)機(jī)后取點(diǎn)，增加煙氣吹掃系統(tǒng)管路，將煤氣引出循環(huán)至加熱爐換向閥前，在每次換向排煙前將殘存煤氣反吹進(jìn)爐膛進(jìn)行燃燒，可有效解決換向燃燒時(shí)煤氣直排問題。采用反吹技術(shù)可大幅降低排放煙氣的CO 含量，同時(shí)降低軋鋼加熱爐煤氣消耗。

2.5 生產(chǎn)運(yùn)行管理

優(yōu)化燒結(jié)配料結(jié)構(gòu)，按照“厚料層、慢機(jī)速”，探索最優(yōu)料層厚度和機(jī)速，可實(shí)現(xiàn)燒結(jié)煙氣CO 濃度進(jìn)一步降低。優(yōu)化轉(zhuǎn)爐煤氣回收條件，可最大限度降低不合格轉(zhuǎn)爐煤氣放散量。提高高爐熱風(fēng)爐等煤氣用戶燃燒控制水平，確定最優(yōu)空燃比范圍，可實(shí)現(xiàn)煤氣充分燃燒。通過強(qiáng)化煤氣管網(wǎng)設(shè)施巡檢維護(hù)，可減少煤氣泄漏量；強(qiáng)化生產(chǎn)節(jié)奏銜接和能源平衡管理，可減少煤氣無序放散情況；適度增加高爐煤氣柜和下游煤氣用戶消耗能力建設(shè)，可有效提升煤氣平衡調(diào)控能力。

3 建議

針對燒結(jié)工序，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注催化氧化技術(shù)的推廣應(yīng)用，目前已有貴金屬催化劑工業(yè)化應(yīng)用案例，但催化劑的適用性和穩(wěn)定性仍需檢驗(yàn)，同時(shí)要加大非貴金屬催化劑研發(fā)力度，以期降低應(yīng)用成本。針對煤氣放散，需對放散煤氣點(diǎn)燃時(shí)的火苗燃燒速度進(jìn)行深入研究，以期為合理控制煤氣放散流速提供科學(xué)依據(jù)。針對生產(chǎn)管理，需建立智能管控平臺，集成監(jiān)測監(jiān)控、DCS 和數(shù)據(jù)綜合分析能力，實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)CO 排放的全面精細(xì)化管控。

4 結(jié)論

鋼鐵企業(yè)CO 排放量大，對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響日益凸顯。系統(tǒng)分析鋼鐵企業(yè)各工序CO 排放來源及特點(diǎn)，針對性采取燒結(jié)煙氣循環(huán)、煤氣放散回收、蓄熱式加熱爐煤氣反吹等治理管控措施，優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)行和能源平衡管理，可有效降低鋼鐵企業(yè)CO 排放水平。鋼鐵企業(yè)需積極探索應(yīng)用燒結(jié)煙氣催化燃燒等CO 末端治理技術(shù)，加大對煤氣放散燃燒特性的研究，建立CO 智能管控平臺，進(jìn)一步降低CO 排放水平，為區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量持續(xù)改善作出貢獻(xiàn)。