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。