钢铁烧结烟气脱硝新思路

钢铁烧结机排放的颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、二口恶英等废气污染物分别占其钢铁企业排放总量的35%、85%、40%、90%以上。因此，烧结工序是钢铁企业大气污染防治的一个重点环节。2000年以来，先进的静电除尘器逐步取代多管、旋风除尘器，在烧结机上得到广泛应用，烧结机烟粉尘得到了有效治理。“十一五”以来，随着烧结烟气脱硫工作的全面实施，钢铁烧结二氧化硫排放量逐步下降。“十二五”以来，随着国家将氮氧化物列为污染物总量控制的约束性指标，脱硝被认为是下一步钢铁烧结烟气治理的方向。受此影响，一些政府文件中也提出了对钢铁烧结机脱硝的要求，部分钢铁企业也开始考虑烟气脱硝的问题。但笔者认为，这种烧结脱硝的思路是掉进了惯性思维的“陷阱”，是在套用火电行业曾经走过的先除尘、后脱硫、再脱硝的大气污染防治之路，并不完全符合钢铁行业的实际情况。

烟气脱硝 行业各异

烟气中二氧化硫主要由原燃料中的硫燃烧产生，而烟气中氮氧化物的来源主要有两个：一是热力型氮氧化物，即空气中的氮气与氧气在高温下(大于1350℃)反应产生的氮氧化物;二是燃料型氮氧化物，即燃料中的氮经燃烧分解产生的氮氧化物。

火电厂消耗的动力煤中含有一定量的硫和氮，经燃烧会产生大量的二氧化硫和氮氧化物。同时，锅炉燃烧温度一般在1500℃以上，高温下会产生大量热力型氮氧化物。因此，火电厂烟气中的二氧化硫和氮氧化物浓度较高，对大气环境的影响也较大，需要通过实施烟气脱硫、脱硝，减少污染物排放。

钢铁烧结烟气中二氧化硫和氮氧化物的来源与火电厂截然不同。烧结最主要的原料是铁精矿，铁精矿中含有0.04%~0.6%左右的硫，是烧结烟气中二氧化硫最主要的来源，烧结过程所需的少量(约50千克/吨烧结矿)煤粉、焦粉等固体燃料也带入一定量的硫和氮。与燃煤不同，铁精矿中不含氮元素，也就是说烧结烟气中的燃料型氮氧化物主要由少量固体燃料带入。而烧结机的反应温度一般在1200℃以下，因此烧结烟气中的热力型氮氧化物量也极少。从上述分析可以推断出：烧结烟气中氮氧化物的产生量远低于火电厂烟气。

摸清烟气规律 判断是否达标

新的《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》(GB28662-2012)中规定：烧结烟气氮氧化物排放浓度限值为300毫克/立方米。虽然烧结烟气中氮氧化物产生量远低于火电厂烟气，但是否必须实施脱硝还要看是否能够实现达标排放。

目前钢铁行业关于烧结烟气氮氧化物浓度的监测数据较少，但也可以根据一些数据资料进行初步判断。根据《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准(编制说明)》，标准编制小组对宝钢、鞍钢、首钢等企业共采集了10个氮氧化物浓度样品，平均氮氧化物排放浓度为196.8毫克/立方米，最低浓度为117毫克/立方米，最高浓度为292毫克/立方米。据此可以看出，样品数据均能够满足新排放标准300毫克/立方米的限值要求。但同样也可以看出，不同样品之间的氮氧化物浓度差别较大。根据氮氧化物的成因分析，这种差别主要是由于不同烧结机所使用的固体燃料的含氮量不同。

鞍山科技大学关于烧结烟气氮氧化物与固体燃料成分相关性的试验结果显示：全焦烧结时烟气中氮氧化物的排放量最低，随着煤粉配比的增加，氮氧化物排放量增加。采用含氮0.71%的焦粉和含氮1.35%的煤粉进行不同配比，在全焦、30%煤+70%焦、50%煤+50%焦3种配比条件下，烧结时间为10分钟时，烟气中氮氧化物的浓度分别为308毫克/立方米、452毫克/立方米、493毫克/立方米。值得注意的是，烧结10分钟时，烟气中氮氧化物的浓度是整个烧结过程的峰值。试验结果显示，烧结初期和末期烟气中的氮氧化物浓度较低。

德国某钢铁企业对其烧结机各风箱烟道中氮氧化物浓度和温度的监测结果显示：该烧结机各风箱中氮氧化物的浓度分布呈两头低、中间高的趋势，浓度最高值位于7~12风箱，峰值接近600毫克/立方米，全烟道氮氧化物浓度平均值为314毫克/立方米，约为峰值浓度的一半。

综合分析上述监测数据和试验数据，对于钢铁烧结烟气中氮氧化物浓度的规律可以得出如下结论：一是钢铁烧结机各风箱中的氮氧化物浓度呈头尾低、中间高的分布特点，且氮氧化物浓度与烟气温度高低没有明显相关性，也说明了烧结烟气中热力型氮氧化物的含量极其有限;二是钢铁烧结烟气中氮氧化物浓度与固体燃料含氮量关系密切，在配比一定焦粉的情况下，烧结烟气中氮氧化物的浓度完全可以实现达标排放，在配比全焦的情况下，氮氧化物可以低于150毫克/立方米。

脱硝工艺的可行性分析

目前，国际上成熟的脱硝工艺主要有选择性催化还原法(SCR)、非选择性催化还原法(SNCR)和活性炭法，其中选择性催化还原法的脱硝效率能达到90%以上，而非选择性催化还原法和活性炭法脱硝效率相对较低，通常在40%左右。

选择性催化还原法普遍应用于燃煤电厂，而非选择性催化还原法主要应用于水泥厂。但这两种脱硝工艺均不适用于烧结烟气的工况。选择性催化还原法的反应温度需在300℃以上，非选择性催化还原法的反应温度更是超过800℃，而烧结烟气的温度通常在150℃左右。如采用选择性催化还原法，则需要将烧结烟气加热至300℃以上。通常每生产1吨烧结矿产生约3000立方米废气，要将其加热至300℃以上所需热量相当于燃烧约50千克煤炭。50千克燃煤所排放的NOx将完全抵消烧结烟气脱硝的减排效果。即使钢铁企业有其他热源可用，不使用燃料来加热废气，但这些热源同样可用于其他途径，从而减少相应的燃料消耗。因此，从全社会角度综合考虑减排效应，采用选择性催化还原法实施烧结烟气脱硝并不能减少大气中氮氧化物的排放量。而采用非选择性催化还原法需要加热的温度更高，更不具备可行性。

根据日本部分钢铁企业和太钢活性炭装置的实际运行情况，与非选择性催化还原法和选择性催化还原法相比，活性炭工艺最大的优势有两点：一是能同时去除二氧化硫、二口恶英等多种污染物;二是烟气温度能够满足脱硝反应要求，不需要外加热源。但是由于活性炭装置脱硝效率不高，烧结烟气中氮氧化物浓度又较低，能形成的氮氧化物减排能力十分有限。再加上活性炭装置建设费用和运行费用十分高昂，是其他烧结烟气治理装置的3倍~5倍，环保投入效益较低。

烟气脱硝如何更合理

近年来，我国对多个行业排放标准进行了重新修订，大幅收严了各污染因素排放浓度的限值，部分标准已经达到了世界领先水平。横向对比近两年最新发布的各行业氮氧化物排放标准，可以发现钢铁烧结机的排放浓度限值和水泥、燃煤锅炉行业等已经基本保持一致(如附表)，可以说该标准已经体现了目前非电行业氮氧化物控制的最高水平。

因此，在如此严格的排放标准要求下，对于能够实现达标排放的钢铁烧结机，不建议用行政手段强制企业实施烟气脱硝。可以参考日本的企业自主行动计划，让钢铁企业根据企业实际情况，选择合适的氮氧化物削减路径，推进我国钢铁行业氮氧化物科学减排。

首先，钢铁烧结烟气中的氮氧化物90%以上来自于燃料，采用焦粉或者低含氮煤粉可以大幅减少氮氧化物排放量。从监测数据来看，完全使用焦粉作为燃料的烧结机，氮氧化物完全可以控制在150毫克/立方米以下。即使5年~10年以后氮氧化物排放标准进一步收严，采用全焦粉作为燃料的烧结机，其氮氧化物排放浓度仍然能够满足要求。该方法应作为钢铁企业烧结机氮氧化物减排最主要的途径。

其次，钢铁企业烧结机不同风箱烟气的氮氧化物浓度差别较大，高浓度氮氧化物主要集中在中部风箱。因此，钢铁企业烧结机要想通过建设脱硝设施实现氮氧化物减排的，建议采用选择性脱硝工艺，抽取氮氧化物浓度相对较高的中部风箱烟气进行脱硝，以减少投资和运行成本，实现环境投入效益比的最大化。