摘要：文章介紹了高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣燃燒中氮氧化物生成的機(jī)理。介紹了主要的低氮燃燒技術(shù)和煙氣脫硝工藝。指出將低氮燃燒技術(shù)與煙氣脫硝工藝相結(jié)合,可望實(shí)現(xiàn)富裕煤氣發(fā)電過程中超低氮氧化物排放的目標(biāo)。

1引言

2016 年10 月28 日，工業(yè)和信息化部印發(fā)了《鋼鐵工業(yè)調(diào)整升級規(guī)劃（2016—2020 年）》（后簡稱《規(guī)劃》）?！兑?guī)劃》中明確要求推進(jìn)綠色制造，提出“十三五”期間能源消耗總量和污染物排放總量雙下降的目標(biāo)，分別下降10% 和15% 以上。

目前各鋼鐵企業(yè)對工藝生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)煤氣的綜合利用較為重視, 除在冶金工藝的各工段——如熱風(fēng)爐、轉(zhuǎn)爐、加熱爐等中消耗一部分外，余下的均利用鍋爐將這些二次能源轉(zhuǎn)換為熱能或電能， 有效地減少直接放散帶來的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

但是，煤氣鍋爐在回收能源的過程還會有氮氧化物污染氣體的產(chǎn)生。這些氮氧化物對人體及動物有致毒作用，也是形成酸雨、酸霧的主要因素之一，同時這些氣體與碳?xì)浠衔飼纬苫瘜W(xué)煙霧危及人體健康。因此，需要對富裕煤氣發(fā)電過程中產(chǎn)生的氮氧化物污染物進(jìn)行控制，以達(dá)到《規(guī)劃》中減少污染物排放總量的目標(biāo)。

2富裕煤氣燃燒過程中NOx的生成機(jī)理

鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)煤氣主要有高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣和焦?fàn)t煤氣。其中高爐煤氣的富余量最大，焦?fàn)t煤氣的熱值最高，因此富裕的高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣常被用于發(fā)電項(xiàng)目。

高爐煤氣中可燃成分主要為CO（ 約25%~35%）， 含N2 約為60%， 其余成分主要為CO2，含極少量的H2 和CH4。從高爐煤氣的成分可看出，高爐煤氣燃燒時產(chǎn)生的NOx為主要為熱力型。

焦?fàn)t煤氣主要由H2和CH4構(gòu)成，分別占56% 和27%，含N2 為3%~7%，并有少量CO、CO2、O2 和其他烴類。從焦?fàn)t煤氣的成分可看出，其燃燒過程中主要為熱力型NOx和少量快速型NOx生成。

3低NOx燃燒技術(shù)

由于高爐煤氣或焦?fàn)t煤氣單獨(dú)燃燒的過程中產(chǎn)生的NOx以熱力型為主。影響熱力型NOx的生成量有以下幾個因素：燃燒溫度、燃燒反應(yīng)區(qū)氧含量和燃燒產(chǎn)物在反應(yīng)區(qū)的停留時間。根據(jù)鋼廠富裕煤氣燃燒過程中NOx的形成機(jī)理，低NOx燃燒技術(shù)主要從以下幾個方面考慮：降低最高燃燒溫度、縮小高溫區(qū)、減小燃燒反應(yīng)區(qū)的氧含量、縮短反應(yīng)產(chǎn)物的停留時間等。

目前，工業(yè)燃?xì)忮仩t的低NOx燃燒技術(shù)包括：

1）煙氣再循環(huán)

煙氣再循環(huán)技術(shù)即抽取一部分低溫?zé)煔馑腿霠t膛，因煙氣的吸熱和對氧氣的稀釋作用會降低燃燒速度和爐內(nèi)溫度，故抑制了熱力型NOx的生成。

2）濃淡偏差燃燒

濃淡偏差燃燒是在鍋爐中布置多組燒嘴，使上層燃燒器供應(yīng)較多的空氣(α > 1) ，即燃料過淡燃燒；下層燃燒器供應(yīng)較少的空氣(α < 1)，即燃料過濃燃燒。這樣配置后，使燃?xì)獾娜紵謩e在燃?xì)膺^濃、燃?xì)膺^淡和燃盡三個區(qū)域分階段完成，從而達(dá)到在燃燒過程中抑制NOx生成的目的。

3）低NOx燃燒器

燃燒器是鍋爐燃燒系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。不但燃?xì)馐峭ㄟ^燃燒器送入爐膛，而且燃?xì)馊紵璧目諝庖彩峭ㄟ^燃燒器進(jìn)入爐膛的。從燃燒的角度看，燃燒器的性能對燃燒設(shè)備的可靠性和經(jīng)濟(jì)性起著主要作用。通過設(shè)計一定結(jié)構(gòu)的燃燒器，改變?nèi)紵绞胶涂杖急冗_(dá)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進(jìn)混合、分割火焰、煙氣再循環(huán)、階段燃燒、濃淡燃燒以及他們的組合形式。低NOx燃燒器能在燃料著火階段就抑制NOX 的生成，因此，得到了廣泛的開發(fā)和利用。

工業(yè)燃?xì)忮仩t采用一種或多種低氮燃燒技術(shù)后，基本可以降低30%~60% 左右的NOx生成量。根據(jù)目前國內(nèi)外技術(shù)水平，當(dāng)鍋爐全燒高爐煤氣時，采用低氮燃燒技術(shù)的工業(yè)燃?xì)忮仩t，可以將氮氧化物排放濃度控制在100mg/Nm3 以下。當(dāng)鍋爐全燒焦?fàn)t煤氣時，采用低氮燃燒技術(shù)的工業(yè)燃?xì)忮仩t，可以將氮氧化物排放濃度控制在200mg/Nm3 以下。

但是，值得注意的是由于焦?fàn)t煤氣中含有CH4，因此在燃燒過程中會產(chǎn)生自由基。當(dāng)火焰溫度降低時，自由基會突然增加或保持恒定, 致使快速型NOX 迅速增加。因此在全燒或摻燒焦?fàn)t煤氣的條件下，特別是在低NOx燃燒技術(shù)中快速型NOx的生成量與熱力型NOx的生成量相當(dāng)，使得單純采用低NOx燃燒技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的抑制NOx生成效果。

4煙氣脫硝工藝

隨著社會的發(fā)展，環(huán)保要求越來越高，僅采用低氮燃燒技術(shù)很難達(dá)到更低的氮氧化物排放要求，因此還需要結(jié)合采用燃燒后處理的方法來減少氮氧化物的排放。目前，比較常用的煙氣脫硝技術(shù)主要包括選擇性催化還原（SCR）技術(shù)和選擇性非催化還原（SNCR）技術(shù)。

SCR工藝?yán)肗H3在催化劑作用下有選擇性地與煙氣中NOX 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成N2 和H2O。在NH3/NO 摩爾比為1 時，SCR工藝的脫硝效率可以達(dá)80%~90%，SCR脫硝反應(yīng)效率最高達(dá)約90%。工藝流程為：鍋爐煙氣從煙道進(jìn)入SCR反應(yīng)器，煙氣中的NOx與噴氨格柵噴入的氨氣混合后經(jīng)過催化劑的催化進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生N2 和H2O，最終使煙氣中NOx滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。

SNCR工藝技術(shù)就是非催化還原技術(shù)，在鍋爐出口煙溫950~1100℃處，將尿素或氨等還原劑直接噴入，在高溫的情況下，氨氣與煙氣中的氮氧化物進(jìn)行反應(yīng)，把氮氧化物還原，降低氮氧化物的濃度。SNCR的脫硝效率約40%~60%。SCR法的脫硝效率遠(yuǎn)高于SNCR法。但是，SCR法的投資高，占地大，需要設(shè)置催化劑且煙道阻力加大，因此在選擇煙氣脫硝技術(shù)時，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目所采用的燃料種類、環(huán)保要求及經(jīng)濟(jì)性等綜合考慮。

5結(jié)論

我國的低氮燃燒技術(shù)和煙氣脫硝技術(shù)首先在火電行業(yè)開始應(yīng)用，但是隨著我國《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的不斷更新，對NOX 的排放控制日趨嚴(yán)格。2015 年3 月，十二屆全國人大三次會議《政府工作報告》明確要求“推動燃煤電廠超低排放改造”；2015 年12 月，國務(wù)院常務(wù)會議決定，在2020 年之前對燃煤電廠全面實(shí)施超低排放和節(jié)能改造。鋼鐵企業(yè)作為節(jié)能減排改造的重點(diǎn)對象，今后勢必也將會執(zhí)行“超低排放”的標(biāo)準(zhǔn)。“超低排放”標(biāo)準(zhǔn)中要求NOx的排放量為不大于50mg/Nm3。

為了適應(yīng)日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，新建的富裕煤氣發(fā)電項(xiàng)目應(yīng)考慮采用低氮燃燒技術(shù)+ 煙氣脫硝工藝相結(jié)合的方式降低NOX 的排放。可以根據(jù)燃料條件和排放要求綜合考慮煙氣脫硝工藝的形式。當(dāng)全燒高爐煤氣時，可以考慮選擇低氮燃燒技術(shù)+SNCR基本可達(dá)到“超低排放”要求。當(dāng)大量摻燒或全燒焦?fàn)t煤氣時，就需要選擇低氮燃燒技術(shù)+SCR 的形式，才能達(dá)到比較嚴(yán)格的排放要求。