降低NOx排放的炼钢创新工艺方法

NOx气体反应会形成臭氧，是烟雾、酸雨的主要成分，也是形成细小颗粒物的主要组成部分，所有这些都对人类健康有不利影响。美国环境保护署对NOx的排放加以限制，对于未达标地区尤其严格。一种使整个熔炼车间的NOx排放量最小化的工艺被开发，主要涉及电弧炉冶炼区域，但也包括钢包精炼炉、真空脱气装置、连铸机以及烘烤和干燥设备。本文讨论了相关研究和已经将整个熔炼车间的NOx平均排放量降低到50g/t钢水以下的实际方法。

1 自然界的NOx

NOx是在地球上以多种形式和不同浓度自然存在的物质。生物或自然产生的NOx来源主要包括闪电、森林火灾、草原火灾、树木、灌木、草地和酵母。氮的化合物在地球的大气-生物圈系统中发挥着重要作用。大气中的NOx（NO、NO₂、N₂O等）和其他氮基化合物（HNO₂、HNO₃等）参与了很多重要的光化反应，对于大气中的臭氧量具有控制性影响。

到目前为止，还不能准确地确定自然界产生的NOx比例，但可以确认的是，这种化合物是以一定的浓度存在于大气层中，以实现光化反应和控制大气中的臭氧。

2 NOx过多引起的问题

通常提到NOx时，指的是7种氮氧化物（见表1）的总浓度。

其中，最有毒害的两种化合物是NO和NO₂。白天，这些化合物，和一个臭氧结合，处于稳定状态；NO与NO₂的比例取决于日照强度（将NO₂转化为NO）和臭氧浓度（与NO反应再次形成NO₂）。即，NO + O₃←→NO₂+ O₂。

当NOx和挥发性有机化合物（VOCs）在有阳光时发生反应，形成光化烟雾，这是大气污染的重要形式，特别是夏天。

NOx排放过多会影响饮用水源，使其营养过剩（湖泊或其他水体中营养过度），造成全球变暖，平流层臭氧损耗，对人类的毒害甚至威胁到地球上的生命。

孩子、有哮喘等肺部疾病的成人以及在户外工作或锻炼的人们容易受到烟雾的不利影响，伤及肺部和降低肺功能。与NOx相关的污染还有红潮、PM2.5、酸雨等。

3 人为产生的NOx

人类活动产生的NOx主要来自于燃料燃烧和其他高温设备。考虑到不同的燃烧源，NOx的生成有三种方式：

热力型NOx——高于1300℃的燃烧形成浓度较高的热力型NOx。

燃料型NOx——含氮燃料（如煤）通过氮的氧化生成燃料型NOx。

瞬时型NOx——瞬时NOx是空气氮和燃料在“富燃料”条件下结合形成的，这一现象在所有的燃烧中都存在。随后，氮和燃料一起被氧化，在燃烧过程中变成NOx，和“燃料型NOx”相同。烧嘴即是这类情况，因为在其火焰中存在富燃料区域（有的烧嘴也没有，如低NOx烧嘴）。

另一种人为产生NOx的方式是在感应电弧中因极高的热量使氮分子分裂。

总之，交通业（小轿车和其他汽车）排放的NOx占全世界排放总量的大约一半。对于关注的固定污染源，发电厂锅炉产生的NOx排放约占20%。其他诸如工业锅炉、焚化炉、燃气轮机、在固定点的往复式火花点火引擎和柴油发动机、钢铁厂、水泥制造厂、玻璃制造厂、炼油厂、硝酸制造厂等也会产生大量NOx排放。人为产生NOx的来源大致可分为以下几类：移动来源（交通运输）50%、发电厂20%、其他来源30%。

交通运输产生的NOx排放会引起空气污染问题，特别是在城区。通常认为，工业生产是污染的首要来源。但有研究已经发现在工业地区由交通运输产生的NOx污染已经超过了工业生产。尽管如此，控制工业生产NOx排放的重要性依然不容忽视。

4 钢厂中的NOx从何而来

本研究目的旨在降低炼钢厂电弧炉熔炼车间的NOx排放，因此对钢厂电弧炉熔炼车间的设备和工艺进行了讨论。联合钢铁厂和热轧厂不在本研究范围之内。

对于电弧炉熔炼车间，凡是带有电弧或烧嘴的工艺或设备都应被视为NOx的排放源，但正如本文后面将看到的，实际并不仅限于此。

所以最初，认为NOx主要产生于以下熔炼车间区域：

电弧炉（通过电弧和天然气烧嘴产生）；

钢包精炼炉（通过电弧产生）；

钢包烘烤器和烘干机（通过天然气烧嘴产生）；

中间包烘烤器和烘干机（通过天然气烧嘴产生）。

如图1所示，为实际电弧炉熔炼车间的工艺流程。

以某公司多年来对多个配置了实时和非实时NOx检测设备和仪器的熔炼车间监测所获得的数据为基础，观察到采用向炉内连续加入金属原料（通过Consteel设备连续加入废钢或者连续加入直接还原铁DRI）方式的熔炼车间，其NOx排放量大大低于采用传统料斗批量加入废钢的熔炼车间。显然，这与采用料斗加入废钢熔化期间电弧未被钢渣覆盖有关，电弧将其周围的空气电离，而在平熔池熔化过程中（不管是采用Consteel技术，还是通过炉顶加入DRI），电弧通常被熔渣包围并全部覆盖，而不是空气。

这些观测主要是通过测量车间袋式除尘器排出烟气的NOx含量，或者是所有车间袋式除尘器排出烟气中NOx含量的总和来完成的，因为有些车间正在运行不止一个。研究发现，NOx的小时排放量非常清晰地显示出某些峰值。这些峰值的出现与某些操作或者在车间执行某些特定工艺的时候相对应。事实上，在表2所列的情况中，已经注意到NOx排放的峰值。

因此，本研究的第一个中间结论是，熔炼车间的NOx排放不仅与某一特定设备有关，有时还与熔炼车间的生产工艺有关。

5 降低钢厂NOx排放的通用标准

降低钢厂NOx排放的要求，特别是在特定的国家和地区，是由现行环境条例规定的，其中一些如下：

美国环境保护署（EPA）：国家环境空气质量标准（40 CFR，第50章）；

欧盟：欧洲议会和理事会的2008/50/EC指令；

挪威：2017年NOx排放税。

在某些国家，NOx排放规定因地区不同而不同，具体取决于这一特定地区距离人口密集地区、自然公园、自然保护区和其他情景的远近程度。美国即是如此，在某些被定义为“非达标区”的地区，NOx的排放限量非常低。

在上述所有情况下，电弧炉熔炼车间的生产仍然能够符合严格环保规定。减少NOx排放的方法包括两个阶段：一个是“模拟”（见表3），一个是“数字化”（见表4）。

工业4.0提供的人工智能工具可以进一步优化模拟NOx的减排。

6 模拟NOx减排方法的特点

6.1采用经过认证的低NOx排放设备

采用经过认证的低NOx排放设备是所谓模拟方法的第一步。如果钢厂仍在使用高NOx排放的设备或部件，就不可能将NOx优化和减少NOx排放到最低限度。目前，经过认证的低NOx排放设备只有加热烧嘴。

熔炼车间所有需要干燥和烘烤的操作都将采用低NOx烧嘴（见图2中的区域12、13、14）。

6.2经过验证的低NOx排放工艺

这是改进空间最大的领域，因为这些工艺一直未被认为是NOx的潜在排放源。表5分析了与NOx减排相关的主要工艺和子工艺。

6.3控制加入的原材料

如表5所示，某些材料，如含碳材料，可能是NOx形成的原因。

对于含碳材料而言，其挥发分被认为是形成NOx最危险的因素，尽管在通常加入EAF的其他原料中也会发现N的存在，如造渣剂。虽然不是最重要的，但对于全面且深入的NOx减排战略而言，也应考虑在内。

7 对采用LOWNOX MELTSHOP模拟减排方法后的钢厂NOx排放量进行测量

对采用上述一种或多种NOx减排工艺的各钢厂的 NOx排放量进行了测量。一个典型的例子是为防止熔炼车间烟囱排放的NOx过多，某钢厂同时采用了上述几个减排工艺。也就是说，NOx减排战略已经考虑了以下方面：

采用Consteel EAF技术；

密闭EAF设计；

EAF不使用烧嘴；

采用低挥发分的碳粉进行喷吹；

在原料中加入至少20%的生铁；

严格控制熔池内的氧活度；

使用EFSOP气体检测设备控制二次燃烧；

密封降尘室；

所有干燥和烘烤站使用低NOx烧嘴。

在这种情况下，不仅测量了熔炼车间除尘烟囱排放的NOx量，还测量了电弧炉一次烟道排放的NOx量，以便发现两者之间可能存在的有用的对应关系。检测点设置在降尘室（DOB）和淬火塔后面的一次烟道的出口，此处的温度在180℃到230℃之间。

进行了几组检测，在此期间，熔炼车间生产了几千吨钢水，小时产钢量约为110t。该熔炼车间的检测结果非常显著，见图3、见图4。

期间测量的NOx平均浓度为3.66mg/Nm³。

上述检测值还必须考虑到以下参数：

烟囱废气流量为1343161Nm³/h；

小时NOx排放总量为4.9kg（对应的吨钢NOx排放总量为45.3g）。

这个测量值远远低于Kirschen等人测量的连续加料电弧炉NOx排放值100-120g/t，或料斗加料电弧炉NOx排放值220-250g/t。这说明即使采用必要的设备，也不足以限制NOx的排放，还必须考虑工艺方法来控制NOx的排放。

在相同的边界条件下，可以估算出一个年产100万吨钢水的典型熔炼车间的NOx排放总量为43.5 t/a。

将这一数值放在美国中等非达标区域（其NOx的排放限值为100 t/a）来看，这里所提到的方法措施具有很高的实用意义。

8 LOWNOX MELTSHOP数字化减排NOx方法的基本理念

数字化减排NOx方法可以看作是对模拟减排方法的优化。毫无疑问，它只能在第一步就位之后，才能实施。

利用工业4.0可用的工具，如物联网、大数据、云计算和高级分析以及未来的人工智能算法，可对大量采集的数据进行整合，例如NOx检测值，并将这些数据存储在非常强大的基于云技术的计算机上，可以检索数据，和工厂其他有用的信息（原料化学成分、工艺阶段和其他工厂数据）相关联，见图5。

该系统将能够实时分析NOx的生成，从而进行预测分析，以减少NOx的生成和进一步减少NOx的排放。

原标题：降低NOx排放的炼钢创新工艺方法