降低NOx排放的煉鋼創新工藝方法
NOx氣體反應會形(xing)成臭氧，是(shi)煙(yan)霧、酸雨(yu)的主(zhu)要成分，也是(shi)形(xing)成細小顆(ke)粒物的主(zhu)要組成部分，所(suo)有這些都對(dui)人類(lei)健康有不利影響。美國環境(jing)保(bao)護(hu)署(shu)對(dui)NOx的排(pai)放(fang)(fang)加以(yi)限制，對(dui)于未達標地(di)區(qu)尤(you)其(qi)嚴格。一種使(shi)整個熔煉(lian)車間(jian)的NOx排(pai)放(fang)(fang)量最小化的工藝被(bei)開發，主(zhu)要涉及電(dian)弧爐冶煉(lian)區(qu)域，但也包(bao)(bao)括鋼包(bao)(bao)精煉(lian)爐、真空脫氣裝置(zhi)、連鑄機(ji)以(yi)及烘烤和干燥設備。本文討論(lun)了相關研究(jiu)和已經(jing)將整個熔煉(lian)車間(jian)的NOx平(ping)均排(pai)放(fang)(fang)量降低到50g/t鋼水以(yi)下的實際方法。
1自然界的NOx
NOx是(shi)在地(di)球上以多(duo)種(zhong)形(xing)式和不同濃度自然存在的(de)物(wu)質(zhi)。生(sheng)(sheng)物(wu)或自然產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)NOx來源主要包括閃電、森林火災、草原(yuan)火災、樹木、灌(guan)木、草地(di)和酵母。氮的(de)化合物(wu)在地(di)球的(de)大氣(qi)-生(sheng)(sheng)物(wu)圈系統中(zhong)發(fa)揮著重(zhong)要作(zuo)用。大氣(qi)中(zhong)的(de)NOx（NO、NO2、N2O等）和其(qi)他(ta)氮基化合物(wu)（HNO2、HNO3等）參與了很多(duo)重(zhong)要的(de)光化反應，對于大氣(qi)中(zhong)的(de)臭(chou)氧量具有控制性(xing)影響(xiang)。
到目前為止，還(huan)不能準確地(di)確定(ding)自(zi)然界產生的(de)NOx比例，但可以確認的(de)是(shi)，這種化(hua)合物是(shi)以一定(ding)的(de)濃度存(cun)在于(yu)大(da)氣層中，以實現(xian)光化(hua)反應和(he)控制大(da)氣中的(de)臭氧。
2NOx過多引起的問題
通常(chang)提到NOx時，指(zhi)的(de)是7種(zhong)氮(dan)氧化物（見表1）的(de)總濃度(du)。
其中(zhong)，最有毒害的(de)兩種化(hua)合物(wu)是NO和NO2。白天(tian)，這些(xie)化(hua)合物(wu)，和一個臭氧結合，處于穩定狀態；NO與(yu)NO2的(de)比例取(qu)決(jue)于日照強度（將(jiang)NO2轉化(hua)為NO）和臭氧濃度（與(yu)NO反應(ying)再次形成NO2）。即，NO+O3←→NO2+O2。
當(dang)NOx和揮發性(xing)有(you)(you)機化合(he)物(wu)（VOCs）在有(you)(you)陽光(guang)時發生反應(ying)，形成光(guang)化煙霧，這是大氣污染的重(zhong)要形式，特(te)別是夏天。
NOx排放過(guo)多會影響飲用水源(yuan)，使其營養(yang)(yang)過(guo)剩(sheng)（湖(hu)泊或(huo)其他水體中(zhong)營養(yang)(yang)過(guo)度），造(zao)成(cheng)全球變暖，平流(liu)層臭氧損耗，對人(ren)類的(de)毒害甚至威脅到地球上(shang)的(de)生命。 ;
孩子、有哮喘等(deng)肺(fei)部疾病的(de)(de)成人(ren)以及在戶(hu)外工(gong)作或鍛煉的(de)(de)人(ren)們(men)容易受到煙霧(wu)的(de)(de)不(bu)利影(ying)響(xiang)，傷及肺(fei)部和降(jiang)低肺(fei)功能。與NOx相關的(de)(de)污染(ran)還(huan)有紅潮、PM2.5、酸雨等(deng)。
3人為產生的NOx
人(ren)類活動產生(sheng)的NOx主要來(lai)自于燃(ran)料(liao)燃(ran)燒和其他高溫設(she)備(bei)。考慮到不同的燃(ran)燒源，NOx的生(sheng)成有三(san)種方式(shi)：
熱(re)(re)力(li)(li)型NOx——高于1300℃的燃燒形(xing)成濃度較高的熱(re)(re)力(li)(li)型NOx。
燃(ran)料型NOx——含氮燃(ran)料（如煤）通(tong)過(guo)氮的氧化生成燃(ran)料型NOx。
瞬(shun)時型(xing)(xing)NOx——瞬(shun)時NOx是空氣氮和(he)燃(ran)料(liao)(liao)在(zai)“富燃(ran)料(liao)(liao)”條件下(xia)結(jie)合(he)形成的，這一(yi)(yi)現象(xiang)在(zai)所(suo)有的燃(ran)燒中都存在(zai)。隨后，氮和(he)燃(ran)料(liao)(liao)一(yi)(yi)起(qi)被氧化，在(zai)燃(ran)燒過程中變成NOx，和(he)“燃(ran)料(liao)(liao)型(xing)(xing)NOx”相同。燒嘴(zui)即(ji)是這類情況(kuang)，因(yin)為在(zai)其火焰(yan)中存在(zai)富燃(ran)料(liao)(liao)區域（有的燒嘴(zui)也沒有，如低(di)NOx燒嘴(zui)）。
另一種人為產生(sheng)NOx的方式是在感應電弧(hu)中因極高的熱(re)量使氮分(fen)子(zi)分(fen)裂。
總之，交通(tong)業(ye)(ye)（小轎車和其他汽車）排(pai)(pai)放的(de)NOx占全世界排(pai)(pai)放總量(liang)(liang)的(de)大約一半。對于關注的(de)固定污染(ran)源(yuan)，發(fa)電(dian)廠(chang)鍋(guo)爐產(chan)(chan)生(sheng)的(de)NOx排(pai)(pai)放約占20%。其他諸如工業(ye)(ye)鍋(guo)爐、焚化爐、燃氣輪機(ji)、在固定點(dian)的(de)往復式火花點(dian)火引擎和柴油(you)發(fa)動機(ji)、鋼鐵廠(chang)、水泥制造(zao)廠(chang)、玻璃制造(zao)廠(chang)、煉油(you)廠(chang)、硝(xiao)酸制造(zao)廠(chang)等也會產(chan)(chan)生(sheng)大量(liang)(liang)NOx排(pai)(pai)放。人為產(chan)(chan)生(sheng)NOx的(de)來(lai)源(yuan)大致可分為以下幾類：移動來(lai)源(yuan)（交通(tong)運輸）50%、發(fa)電(dian)廠(chang)20%、其他來(lai)源(yuan)30%。
交通運輸(shu)(shu)產生(sheng)的(de)NOx排(pai)放(fang)會引(yin)起空氣污染問(wen)題(ti)，特別是在城區(qu)。通常認(ren)為，工(gong)業(ye)生(sheng)產是污染的(de)首要(yao)來(lai)源。但有研(yan)究已經發現在工(gong)業(ye)地區(qu)由交通運輸(shu)(shu)產生(sheng)的(de)NOx污染已經超過了工(gong)業(ye)生(sheng)產。盡管如此，控制工(gong)業(ye)生(sheng)產NOx排(pai)放(fang)的(de)重要(yao)性(xing)依然不容(rong)忽視。
4鋼廠中的NOx從何而來
本研究(jiu)目的(de)旨(zhi)在降低(di)煉鋼廠(chang)電弧爐熔煉車間的(de)NOx排(pai)放，因此對鋼廠(chang)電弧爐熔煉車間的(de)設備(bei)和工藝進行了討論(lun)。聯(lian)合鋼鐵廠(chang)和熱軋(ya)廠(chang)不在本研究(jiu)范圍之內。
對于(yu)電(dian)弧爐(lu)熔(rong)煉車間，凡(fan)是帶有電(dian)弧或燒嘴的(de)工(gong)藝或設備都(dou)應(ying)被視為NOx的(de)排放源，但正如本文后面將看到(dao)的(de)，實(shi)際并不僅限于(yu)此。
所(suo)以(yi)(yi)最(zui)初，認為NOx主要產生于以(yi)(yi)下熔煉車間區域：
電(dian)弧爐（通過電(dian)弧和天然氣燒(shao)嘴產生）；
鋼包精煉爐（通過電弧產(chan)生）；
鋼包(bao)烘(hong)烤器和烘(hong)干機（通(tong)過(guo)天然氣燒(shao)嘴產生）；
中(zhong)間包烘(hong)烤器和(he)烘(hong)干機（通(tong)過天然氣燒嘴產生）。
如圖1所示，為實際(ji)電弧爐熔煉車間(jian)的工藝流程。
以某公(gong)司多(duo)年來對多(duo)個配置了實時(shi)和非(fei)實時(shi)NOx檢測設備和儀器的(de)熔(rong)(rong)煉車(che)間監測所(suo)獲(huo)得(de)的(de)數(shu)據為(wei)基礎，觀察(cha)到采(cai)(cai)用向(xiang)爐(lu)(lu)內連續加入(ru)(ru)金屬(shu)原料(liao)(liao)（通(tong)過Consteel設備連續加入(ru)(ru)廢(fei)鋼(gang)或者連續加入(ru)(ru)直接(jie)還(huan)原鐵DRI）方(fang)式的(de)熔(rong)(rong)煉車(che)間，其NOx排放量大(da)大(da)低于采(cai)(cai)用傳統料(liao)(liao)斗批量加入(ru)(ru)廢(fei)鋼(gang)的(de)熔(rong)(rong)煉車(che)間。顯然，這與采(cai)(cai)用料(liao)(liao)斗加入(ru)(ru)廢(fei)鋼(gang)熔(rong)(rong)化期間電(dian)(dian)弧未被(bei)(bei)鋼(gang)渣(zha)覆蓋有關，電(dian)(dian)弧將其周(zhou)圍的(de)空氣電(dian)(dian)離，而在平(ping)熔(rong)(rong)池熔(rong)(rong)化過程中（不(bu)(bu)管是采(cai)(cai)用Consteel技(ji)術，還(huan)是通(tong)過爐(lu)(lu)頂加入(ru)(ru)DRI），電(dian)(dian)弧通(tong)常被(bei)(bei)熔(rong)(rong)渣(zha)包(bao)圍并全部覆蓋，而不(bu)(bu)是空氣。
這些(xie)(xie)觀測(ce)主(zhu)要(yao)是通過(guo)測(ce)量車(che)間袋(dai)式除(chu)塵器排(pai)(pai)出煙氣的(de)(de)(de)NOx含量，或者(zhe)是所有車(che)間袋(dai)式除(chu)塵器排(pai)(pai)出煙氣中NOx含量的(de)(de)(de)總和來完成的(de)(de)(de)，因為有些(xie)(xie)車(che)間正(zheng)在運行不(bu)止一個(ge)。研究發(fa)現，NOx的(de)(de)(de)小時排(pai)(pai)放量非常清晰地顯(xian)示出某(mou)些(xie)(xie)峰(feng)值(zhi)。這些(xie)(xie)峰(feng)值(zhi)的(de)(de)(de)出現與某(mou)些(xie)(xie)操作(zuo)或者(zhe)在車(che)間執(zhi)行某(mou)些(xie)(xie)特(te)定工藝的(de)(de)(de)時候相對應。事(shi)實上，在表2所列的(de)(de)(de)情況中，已經注意(yi)到(dao)NOx排(pai)(pai)放的(de)(de)(de)峰(feng)值(zhi)。
因此，本(ben)研究的(de)第一個(ge)中間結論是，熔煉(lian)(lian)車間的(de)NOx排放不僅與(yu)某一特定設備有(you)關，有(you)時還與(yu)熔煉(lian)(lian)車間的(de)生產工藝有(you)關。
5降低鋼廠NOx排放的通用標準
降低鋼廠NOx排放的(de)(de)要求，特別(bie)是在特定的(de)(de)國家和地區，是由現(xian)行環境條(tiao)例規定的(de)(de)，其中一些如下：
美國環境保護署(shu)（EPA）：國家環境空氣質(zhi)量標準（40CFR，第(di)50章）；
歐(ou)盟(meng)：歐(ou)洲議會(hui)和理事會(hui)的2008/50/EC指令；
挪(nuo)威：2017年(nian)NOx排(pai)放(fang)稅。
在(zai)某些(xie)國家，NOx排放規(gui)定因地(di)區不同而不同，具體(ti)取(qu)決于(yu)這一特定地(di)區距離(li)人口密集地(di)區、自然公園(yuan)、自然保(bao)護區和(he)其他情景的遠近程度。美國即(ji)是如此，在(zai)某些(xie)被定義為“非(fei)(fei)達標區”的地(di)區，NOx的排放限量非(fei)(fei)常低(di)。
在上述所有情況下，電(dian)弧爐熔煉(lian)車(che)間的(de)生產仍然能(neng)夠符合嚴格(ge)環保規定。減少(shao)NOx排放的(de)方法包括兩(liang)個(ge)階(jie)段：一(yi)個(ge)是“模(mo)擬”（見表(biao)3），一(yi)個(ge)是“數字化(hua)”（見表(biao)4）。
工(gong)業4.0提供的(de)人工(gong)智能(neng)工(gong)具可以進一步優化模擬NOx的(de)減排(pai)。
6模擬NOx減排方法的特點
6.1采(cai)用經過認證的(de)低NOx排(pai)放設備
采用(yong)經(jing)過認證的(de)(de)低(di)NOx排(pai)放(fang)(fang)(fang)設備是所謂模擬方法的(de)(de)第一(yi)步。如(ru)果鋼(gang)廠(chang)仍在使用(yong)高(gao)NOx排(pai)放(fang)(fang)(fang)的(de)(de)設備或部件，就不可能將NOx優化和減(jian)少NOx排(pai)放(fang)(fang)(fang)到最(zui)低(di)限度。目前，經(jing)過認證的(de)(de)低(di)NOx排(pai)放(fang)(fang)(fang)設備只有加熱燒嘴。
熔煉車間(jian)所有需(xu)要干(gan)燥(zao)和(he)烘烤(kao)的操(cao)作都將采用低NOx燒(shao)嘴（見圖2中的區(qu)域(yu)12、13、14）。
6.2經過驗證(zheng)的低NOx排放工藝(yi)
這是(shi)改(gai)進空間最大的(de)(de)領域，因為(wei)這些工藝(yi)一直未(wei)被認為(wei)是(shi)NOx的(de)(de)潛在排(pai)放(fang)源。表5分析了與NOx減排(pai)相關的(de)(de)主要工藝(yi)和子工藝(yi)。
6.3控制加(jia)入的原材料(liao)
如表5所示，某些材(cai)料(liao)，如含碳材(cai)料(liao)，可能是NOx形成的原因。
對(dui)于含碳材料(liao)而(er)言(yan)，其(qi)揮發分被認為是(shi)形成NOx最危險的(de)因素，盡管(guan)在(zai)(zai)通常加(jia)入(ru)(ru)EAF的(de)其(qi)他(ta)原料(liao)中也會發現N的(de)存在(zai)(zai)，如造渣劑。雖然不是(shi)最重要的(de)，但(dan)對(dui)于全面且(qie)深入(ru)(ru)的(de)NOx減排戰略而(er)言(yan)，也應(ying)考(kao)慮在(zai)(zai)內。
7對采用LOWNOXMELTSHOP模擬減排方法后的鋼廠NOx排放量進行測量
對(dui)采用上(shang)述一種或(huo)多種NOx減(jian)(jian)排工藝的(de)各鋼廠的(de)NOx排放量進行了測量。一個典型(xing)的(de)例子是(shi)為防止(zhi)熔煉車間煙囪排放的(de)NOx過多，某鋼廠同時采用了上(shang)述幾個減(jian)(jian)排工藝。也就是(shi)說(shuo)，NOx減(jian)(jian)排戰(zhan)略(lve)已經考慮了以下方面(mian)：
采用ConsteelEAF技術；
密閉EAF設計；
EAF不使用(yong)燒嘴；
采(cai)用低揮發分(fen)的碳粉進行噴(pen)吹(chui)；
在原料中(zhong)加入至少(shao)20%的(de)生鐵；
嚴格控制熔池內的(de)氧活(huo)度；
使用EFSOP氣體檢(jian)測(ce)設(she)備控(kong)制二(er)次燃燒(shao)；
密封降塵室(shi)；
所(suo)有干燥和烘烤站使(shi)用(yong)低NOx燒嘴(zui)。
在這(zhe)種情況下(xia)，不僅測量(liang)(liang)了熔煉車間(jian)除塵煙囪排放的(de)NOx量(liang)(liang)，還測量(liang)(liang)了電弧爐一次煙道排放的(de)NOx量(liang)(liang)，以便(bian)發(fa)現兩者(zhe)之間(jian)可能存(cun)在的(de)有用的(de)對應(ying)關系。檢(jian)測點設(she)置在降塵室（DOB）和淬火塔后面(mian)的(de)一次煙道的(de)出口(kou)，此(ci)處的(de)溫度在180℃到230℃之間(jian)。
進行了幾組檢測，在此期間，熔煉車(che)間生產了幾千噸鋼水，小時(shi)產鋼量約為110t。該熔煉車(che)間的檢測結果非常顯著，見圖(tu)3、見圖(tu)4。
期間測量的NOx平均濃度為3.66mg/Nm3。
上述(shu)檢測(ce)值還必須考慮到(dao)以(yi)下參(can)數：
煙(yan)囪(cong)廢(fei)氣流量為1343161Nm3/h；
小(xiao)時(shi)NOx排放(fang)總量(liang)為4.9kg（對應的噸鋼(gang)NOx排放(fang)總量(liang)為45.3g）。
這個測量(liang)值(zhi)遠遠低于Kirschen等人測量(liang)的(de)(de)連續加料電弧(hu)爐(lu)NOx排放(fang)值(zhi)100-120g/t，或料斗加料電弧(hu)爐(lu)NOx排放(fang)值(zhi)220-250g/t。這說明即(ji)使采(cai)用必(bi)要(yao)的(de)(de)設備(bei)，也不足(zu)以(yi)限制NOx的(de)(de)排放(fang)，還必(bi)須考慮工藝(yi)方法(fa)來控制NOx的(de)(de)排放(fang)。
在相同的邊界(jie)條件下，可以(yi)估算出一個年產100萬(wan)噸鋼(gang)水的典(dian)型熔煉車間的NOx排放總量為43.5t/a。
將這一數值(zhi)放在美(mei)國中等非達標區域（其NOx的排放限值(zhi)為100t/a）來看(kan)，這里所提到的方(fang)法措(cuo)施具有很(hen)高的實用意義。
8LOWNOXMELTSHOP數字化減排NOx方法的基本理念
數(shu)字化(hua)減(jian)(jian)排(pai)NOx方法(fa)可以看作是對模擬減(jian)(jian)排(pai)方法(fa)的優化(hua)。毫無疑問，它只能在第一步就位之(zhi)后(hou)，才(cai)能實(shi)施。
利用工(gong)業4.0可用的工(gong)具，如物聯網、大數據(ju)、云(yun)計算(suan)和(he)高級(ji)分(fen)析以及未來的人工(gong)智(zhi)能算(suan)法，可對大量采(cai)集的數據(ju)進行整合，例(li)如NOx檢(jian)測值，并將(jiang)這些(xie)數據(ju)存儲在非常強大的基于云(yun)技術的計算(suan)機(ji)上，可以檢(jian)索(suo)數據(ju)，和(he)工(gong)廠(chang)其他有用的信息（原料化學成分(fen)、工(gong)藝階(jie)段和(he)其他工(gong)廠(chang)數據(ju)）相關聯，見圖5。
該(gai)系統將(jiang)能(neng)夠實時分析NOx的生成，從而進行預測(ce)分析，以減少NOx的生成和(he)進一步減少NOx的排放。
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