降低NOx排放的煉鋼創(chuàng)新工藝方法
NOx氣體反應(yīng)會形成臭氧，是煙霧、酸雨的主要成分，也是形成細小顆粒物的主要組成部分，所有這些都對人類健康有不利影響。美國環(huán)境保護署對NOx的排放加以限制，對于未達標地區(qū)尤其嚴格。一種使整個熔煉車間的NOx排放量最小化的工藝被開發(fā)，主要涉及電弧爐冶煉區(qū)域，但也包括鋼包精煉爐、真空脫氣裝置、連鑄機以及烘烤和干燥設(shè)備。本文討論了相關(guān)研究和已經(jīng)將整個熔煉車間的NOx平均排放量降低到50g/t鋼水以下的實際方法。
1自然界的NOx
NOx是在地球上以多種形式和不同濃度自然存在的物質(zhì)。生物或自然產(chǎn)生的NOx來源主要包括閃電、森林火災(zāi)、草原火災(zāi)、樹木、灌木、草地和酵母。氮的化合物在地球的大氣-生物圈系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。大氣中的NOx（NO、NO2、N2O等）和其他氮基化合物（HNO2、HNO3等）參與了很多重要的光化反應(yīng)，對于大氣中的臭氧量具有控制性影響。
到目前為止，還不能準確地確定自然界產(chǎn)生的NOx比例，但可以確認的是，這種化合物是以一定的濃度存在于大氣層中，以實現(xiàn)光化反應(yīng)和控制大氣中的臭氧。
2NOx過多引起的問題
通常提到NOx時，指的是7種氮氧化物（見表1）的總濃度。
其中，最有毒害的兩種化合物是NO和NO2。白天，這些化合物，和一個臭氧結(jié)合，處于穩(wěn)定狀態(tài)；NO與NO2的比例取決于日照強度（將NO2轉(zhuǎn)化為NO）和臭氧濃度（與NO反應(yīng)再次形成NO2）。即，NO+O3←→NO2+O2。
當NOx和揮發(fā)性有機化合物（VOCs）在有陽光時發(fā)生反應(yīng)，形成光化煙霧，這是大氣污染的重要形式，特別是夏天。
NOx排放過多會影響飲用水源，使其營養(yǎng)過剩（湖泊或其他水體中營養(yǎng)過度），造成全球變暖，平流層臭氧損耗，對人類的毒害甚至威脅到地球上的生命。
孩子、有哮喘等肺部疾病的成人以及在戶外工作或鍛煉的人們?nèi)菀资艿綗熿F的不利影響，傷及肺部和降低肺功能。與NOx相關(guān)的污染還有紅潮、PM2.5、酸雨等。
3人為產(chǎn)生的NOx
人類活動產(chǎn)生的NOx主要來自于燃料燃燒和其他高溫設(shè)備。考慮到不同的燃燒源，NOx的生成有三種方式：
熱力型NOx——高于1300℃的燃燒形成濃度較高的熱力型NOx。
燃料型NOx——含氮燃料（如煤）通過氮的氧化生成燃料型NOx。
瞬時型NOx——瞬時NOx是空氣氮和燃料在“富燃料”條件下結(jié)合形成的，這一現(xiàn)象在所有的燃燒中都存在。隨后，氮和燃料一起被氧化，在燃燒過程中變成NOx，和“燃料型NOx”相同。燒嘴即是這類情況，因為在其火焰中存在富燃料區(qū)域（有的燒嘴也沒有，如低NOx燒嘴）。
另一種人為產(chǎn)生NOx的方式是在感應(yīng)電弧中因極高的熱量使氮分子分裂。
總之，交通業(yè)（小轎車和其他汽車）排放的NOx占全世界排放總量的大約一半。對于關(guān)注的固定污染源，發(fā)電廠鍋爐產(chǎn)生的NOx排放約占20%。其他諸如工業(yè)鍋爐、焚化爐、燃氣輪機、在固定點的往復(fù)式火花點火引擎和柴油發(fā)動機、鋼鐵廠、水泥制造廠、玻璃制造廠、煉油廠、硝酸制造廠等也會產(chǎn)生大量NOx排放。人為產(chǎn)生NOx的來源大致可分為以下幾類：移動來源（交通運輸）50%、發(fā)電廠20%、其他來源30%。
交通運輸產(chǎn)生的NOx排放會引起空氣污染問題，特別是在城區(qū)。通常認為，工業(yè)生產(chǎn)是污染的首要來源。但有研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在工業(yè)地區(qū)由交通運輸產(chǎn)生的NOx污染已經(jīng)超過了工業(yè)生產(chǎn)。盡管如此，控制工業(yè)生產(chǎn)NOx排放的重要性依然不容忽視。
4鋼廠中的NOx從何而來
本研究目的旨在降低煉鋼廠電弧爐熔煉車間的NOx排放，因此對鋼廠電弧爐熔煉車間的設(shè)備和工藝進行了討論。聯(lián)合鋼鐵廠和熱軋廠不在本研究范圍之內(nèi)。
對于電弧爐熔煉車間，凡是帶有電弧或燒嘴的工藝或設(shè)備都應(yīng)被視為NOx的排放源，但正如本文后面將看到的，實際并不僅限于此。
所以最初，認為NOx主要產(chǎn)生于以下熔煉車間區(qū)域：
電弧爐（通過電弧和天然氣燒嘴產(chǎn)生）；
鋼包精煉爐（通過電弧產(chǎn)生）；
鋼包烘烤器和烘干機（通過天然氣燒嘴產(chǎn)生）；
中間包烘烤器和烘干機（通過天然氣燒嘴產(chǎn)生）。
如圖1所示，為實際電弧爐熔煉車間的工藝流程。
以某公司多年來對多個配置了實時和非實時NOx檢測設(shè)備和儀器的熔煉車間監(jiān)測所獲得的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，觀察到采用向爐內(nèi)連續(xù)加入金屬原料（通過Consteel設(shè)備連續(xù)加入廢鋼或者連續(xù)加入直接還原鐵DRI）方式的熔煉車間，其NOx排放量大大低于采用傳統(tǒng)料斗批量加入廢鋼的熔煉車間。顯然，這與采用料斗加入廢鋼熔化期間電弧未被鋼渣覆蓋有關(guān)，電弧將其周圍的空氣電離，而在平熔池熔化過程中（不管是采用Consteel技術(shù)，還是通過爐頂加入DRI），電弧通常被熔渣包圍并全部覆蓋，而不是空氣。
這些觀測主要是通過測量車間袋式除塵器排出煙氣的NOx含量，或者是所有車間袋式除塵器排出煙氣中NOx含量的總和來完成的，因為有些車間正在運行不止一個。研究發(fā)現(xiàn)，NOx的小時排放量非常清晰地顯示出某些峰值。這些峰值的出現(xiàn)與某些操作或者在車間執(zhí)行某些特定工藝的時候相對應(yīng)。事實上，在表2所列的情況中，已經(jīng)注意到NOx排放的峰值。
因此，本研究的第一個中間結(jié)論是，熔煉車間的NOx排放不僅與某一特定設(shè)備有關(guān)，有時還與熔煉車間的生產(chǎn)工藝有關(guān)。
5降低鋼廠NOx排放的通用標準
降低鋼廠NOx排放的要求，特別是在特定的國家和地區(qū)，是由現(xiàn)行環(huán)境條例規(guī)定的，其中一些如下：
美國環(huán)境保護署（EPA）：國家環(huán)境空氣質(zhì)量標準（40CFR，第50章）；
歐盟：歐洲議會和理事會的2008/50/EC指令；
挪威：2017年NOx排放稅。
在某些國家，NOx排放規(guī)定因地區(qū)不同而不同，具體取決于這一特定地區(qū)距離人口密集地區(qū)、自然公園、自然保護區(qū)和其他情景的遠近程度。美國即是如此，在某些被定義為“非達標區(qū)”的地區(qū)，NOx的排放限量非常低。
在上述所有情況下，電弧爐熔煉車間的生產(chǎn)仍然能夠符合嚴格環(huán)保規(guī)定。減少NOx排放的方法包括兩個階段：一個是“模擬”（見表3），一個是“數(shù)字化”（見表4）。
工業(yè)4.0提供的人工智能工具可以進一步優(yōu)化模擬NOx的減排。
6模擬NOx減排方法的特點
6.1采用經(jīng)過認證的低NOx排放設(shè)備
采用經(jīng)過認證的低NOx排放設(shè)備是所謂模擬方法的第一步。如果鋼廠仍在使用高NOx排放的設(shè)備或部件，就不可能將NOx優(yōu)化和減少NOx排放到最低限度。目前，經(jīng)過認證的低NOx排放設(shè)備只有加熱燒嘴。
熔煉車間所有需要干燥和烘烤的操作都將采用低NOx燒嘴（見圖2中的區(qū)域12、13、14）。
6.2經(jīng)過驗證的低NOx排放工藝
這是改進空間最大的領(lǐng)域，因為這些工藝一直未被認為是NOx的潛在排放源。表5分析了與NOx減排相關(guān)的主要工藝和子工藝。
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。
對于含碳材料而言，其揮發(fā)分被認為是形成NOx最危險的因素，盡管在通常加入EAF的其他原料中也會發(fā)現(xiàn)N的存在，如造渣劑。雖然不是最重要的，但對于全面且深入的NOx減排戰(zhàn)略而言，也應(yīng)考慮在內(nèi)。
7對采用LOWNOXMELTSHOP模擬減排方法后的鋼廠NOx排放量進行測量
對采用上述一種或多種NOx減排工藝的各鋼廠的NOx排放量進行了測量。一個典型的例子是為防止熔煉車間煙囪排放的NOx過多，某鋼廠同時采用了上述幾個減排工藝。也就是說，NOx減排戰(zhàn)略已經(jīng)考慮了以下方面：
采用ConsteelEAF技術(shù)；
密閉EAF設(shè)計；
EAF不使用燒嘴；
采用低揮發(fā)分的碳粉進行噴吹；
在原料中加入至少20%的生鐵；
嚴格控制熔池內(nèi)的氧活度；
使用EFSOP氣體檢測設(shè)備控制二次燃燒；
密封降塵室；
所有干燥和烘烤站使用低NOx燒嘴。
在這種情況下，不僅測量了熔煉車間除塵煙囪排放的NOx量，還測量了電弧爐一次煙道排放的NOx量，以便發(fā)現(xiàn)兩者之間可能存在的有用的對應(yīng)關(guān)系。檢測點設(shè)置在降塵室（DOB）和淬火塔后面的一次煙道的出口，此處的溫度在180℃到230℃之間。
進行了幾組檢測，在此期間，熔煉車間生產(chǎn)了幾千噸鋼水，小時產(chǎn)鋼量約為110t。該熔煉車間的檢測結(jié)果非常顯著，見圖3、見圖4。
期間測量的NOx平均濃度為3.66mg/Nm3。
上述檢測值還必須考慮到以下參數(shù)：
煙囪廢氣流量為1343161Nm3/h；
小時NOx排放總量為4.9kg（對應(yīng)的噸鋼NOx排放總量為45.3g）。
這個測量值遠遠低于Kirschen等人測量的連續(xù)加料電弧爐NOx排放值100-120g/t，或料斗加料電弧爐NOx排放值220-250g/t。這說明即使采用必要的設(shè)備，也不足以限制NOx的排放，還必須考慮工藝方法來控制NOx的排放。
在相同的邊界條件下，可以估算出一個年產(chǎn)100萬噸鋼水的典型熔煉車間的NOx排放總量為43.5t/a。
將這一數(shù)值放在美國中等非達標區(qū)域（其NOx的排放限值為100t/a）來看，這里所提到的方法措施具有很高的實用意義。
8LOWNOXMELTSHOP數(shù)字化減排NOx方法的基本理念
數(shù)字化減排NOx方法可以看作是對模擬減排方法的優(yōu)化。毫無疑問，它只能在第一步就位之后，才能實施。
利用工業(yè)4.0可用的工具，如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和高級分析以及未來的人工智能算法，可對大量采集的數(shù)據(jù)進行整合，例如NOx檢測值，并將這些數(shù)據(jù)存儲在非常強大的基于云技術(shù)的計算機上，可以檢索數(shù)據(jù)，和工廠其他有用的信息（原料化學(xué)成分、工藝階段和其他工廠數(shù)據(jù)）相關(guān)聯(lián)，見圖5。
該系統(tǒng)將能夠?qū)崟r分析NOx的生成，從而進行預(yù)測分析，以減少NOx的生成和進一步減少NOx的排放。
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