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I生物质燃料对烧结原料加热过程中氮氧化物排放的影响冶金专业王宏涛（099014238）指导教师龙红明教授摘要生物质是指以木质素或纤维素及其它有机质为主的陆生植物、水生植物等。我国是农业大国，农林生产过程中产生的生物质品种繁多，产量极大，有着丰富的生物质资源。生物质热解后产生的主要成分是CO、H2、CH4等，这些成分能将NOx还原为N2。将生物质用于烧结烟气减排氮氧化物，既避免能源浪费，又使环境得到保护。研究以姑精和焦粉为原料、生物质为添加剂进行减排氮氧化物的实验。在实验过程中，采用不同的实验组合条件，如生物质的种类、生物质的用量等，探究生物质对烧结原料加热过程中NOx排放特性的影响。实验结果表明：在过剩空气系数α＞1的条件下，生物质几乎不具有降低NOx浓度的效果；在过剩空气系数α＜1的条件下，生物质还原NOx能取得比较好的效果，其中，稻壳对姑精加热过程NOx浓度的降低幅度为50.2%；采用的三种生物质对焦粉加热过程NOx浓度的降低幅度，木屑降低98.2%，橘皮降低86.6%，稻壳降低56.6%。因此，在相同实验条件下，采用的三种生物质中，木屑降低NOx排放的效果做好，橘皮次之，稻壳最弱。烧结过程产生的NOx污染已成为我国冶金行业治理大气污染物排放的难题。利用生物质再燃来控制NOx的排放，对于钢铁联合企业开辟能源新领域，调整能源结构，促进环保效益，加快国民经济持续稳定发展有其重要的意义。关键词：生物质燃料；烧结原料；氮氧化物排放1AbstractBiomassmainlyreferstolignin,celluloseandotherorganic-basedterrestrialplants,aquaticplants.Ourcountryisalargeagriculturalcountry,whereawidevarietyofbiomass,yieldgreatandrichbiomassresourcesisproducedbyagriculturalandforestryproductionprocess.ThemaincomponentofbiomasspyrolysisisCO,H2,CH4.TheseingredientscanreduceNOxtoN2.Biomasscanbeusedtotheemissionsofnitrogenoxidesderivedfromsinteringfluegas,whichisgoodforavoidingenergywasteandprotectingtheenvironment.GuShanironoreconcentratesandcokepowderistherawmaterialandbiomassistheaddition.Theyarebroughttotheexperimentofthereductionemissionsofnitrogenoxides.Duringtheexperiment,usingdifferentcombinationsofexperimentalconditions,suchasthetypesofbiomass,biomassdosage,explorestheinfluenceofbiomasstoNOxemissioncharacteristicsofthesinteredmaterialsheatingprocess.Theresultsshowthat:intheconditionoftheexcessaircoefficientα1,biomasshasalmostnoeffectofreducingtheNOxconcentration;intheconditionoftheexcessaircoefficientα1,biomassreductionofNOxcanachievebetterresults.RicehuskreducesNOxconcentrationrateof50.2%intheGuShanironoreconcentratesheatingprocess.BiomassreducestheNOxconcentrationinthecokepowderheatingprocess.Sawdustdecreased98.2%,cellulitedecreased86.6%andricehuskdecreased56.6%.Therefore,underthesameexperimentalconditions,intermsoftheeffectofreducingNOxemissions,sawdustisbest,cellulitefollowedbysawdustandricehuskisweakest.NOxpollutionproducedbysinteringprocesshasbecomeabigproblemtocontrolairpollutantemissionsinthemetallurgicalindustryinChina.Ironandsteelenterpriseswillgainbenefitsfromusingbiomassreburningtoushernewareasofenergy,toadjustenergystructure,topromotetheenvironmentalbenefitsandacceleratethesustainedandstabledevelopment.KeyWords:biomassfuels;sinteredmaterials;nitrogenoxideemission2第一章文献综述1.1研究背景和意义1.1.1行业背景工业企业和交通运输设施排放的颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等废气污染物给我国空气环境造成了影响。20世纪80年代以来，国家颁布了主要行业大气污染排放标准，并将烟粉尘排放控制作为污染防治的重点。进入21世纪后，在采用了先进的除尘措施后，工业企业排放烟粉尘大幅削减，二氧化硫、氮氧化物酸性废气污染物成为大气防控的重点。近年来[1]，随着国家对火电、有色冶炼、钢铁等行业废气脱硫的严格要求，脱硫设施的陆续投入运行，二氧化硫排放量有所下降，但氮氧化物排放总量却随着能源消费和机动车保有量增加而迅速增加，“十二五”期间，国家将氮氧化物纳入了污染排放总量控制指标。据环境保护部公布的统计数据，2011年上半年，氮氧化物排放量1206.7万t，同比上升6.17%，与“十二五”计划的2011年减排1.5%的目标相差较大，氮氧化物污染成为当前最突出的环境问题。NOx通过各种间接方式危害人体健康，破坏生态环境。大气中NOx和挥发性有机物VOC达到一定浓度后，就会产生光化学烟雾；NOx还会在大气臭氧层与O3反应消耗O3，形成“臭氧空洞”，臭氧层破坏将引发人的眼睛疾病和皮肤癌；另外，NOx和SO2的共同作用导致酸雨形成[2]。并且，国外发达国家，酸雨形态已由硫酸型酸雨向硝酸型酸雨转化，硫氮比已由过去的2:1，转变为现在的1:1，日本的硫氮比还出现了逆转。正是基于上述情况，发达国家酸雨治理的重点由SO2治理逐渐向氮氧化物治理的方向发展。目前，中国氮氧化物排放量还没有一个非常准确的统计数据，据估计，2008年约是2000万t，如果不加严格控制的话，2020年，大约增加到3000万t，增长趋势非常明显，从区域分布来讲，排放主要集中在中东部[3]。从行业来看，氮氧化物排放最大的是火电行业，占到40%左右，第二大就是交通运输，也达到25%，其他工业企业排放占比20%[4]。工业企业中，钢铁行业排放氮氧化物分别约占总排放量的6%，我国钢铁企业大多分布在东部及沿海地区，因此在钢铁行业推进氮氧化物控制十分必要。1.1.2钢铁生产企业氮氧化物排放情况钢铁联合企业生产工序[1]包括采选矿、烧结(球团)、焦化、炼铁、炼钢和轧钢工序，各工序排放氮氧化物(NOx)情况如表1-1。根据钢铁工业统计，近几年我国主要钢铁企业工序NOx排放情况如表1-2。按照国内钢铁企业烧结矿、焦炭、3铁水和钢材量与粗钢通常比例，计算工序排放NOx比例如表1-3。表1-1钢铁工业各工序NOx排放工艺阶段主要NOx排放源主要燃料烧结(球团)烧结机头、竖炉、回转窑混合煤气、煤粉、焦粉焦化焦炉、管式炉焦炉煤气炼铁热风炉高炉煤气炼钢钢水保温及烤包混合煤气轧钢加热炉、退火炉焦炉煤气、混合煤气、天然煤气表1-2近几年主要钢铁企业工序废气NOx排放情况(kg)项目烧结(球团)焦化炼铁炼钢轧钢吨产品排放0.3-0.80.18-1.10.08-0.340.03-0.100.12-0.38平均值0.550.640.210.0650.25表1-3主要生产工序废气NOx排放比例情况项目烧结(球团)焦化炼铁炼钢轧钢用量与粗钢的比例1.50.31.051.00.9计算权重值0.320.060.220.210.19吨产品排放量/kg0.550.640.210.0650.25计算吨钢排放量/kg0.1760.0380.0460.0140.048占总排放比例/%54.6611.8014.294.3514.91从表1-3可见：烧结(球团)工序排放废气NOx占企业生产主工序排放量总和的一半，有学者根据对烧结过程物质和能量流分析，烧结排放NOx占钢铁主工序的48%[5]，因此，烧结工序烟气氮氧化物控制是钢铁生产企业氮氧化物减排的重点。1.1.3烧结烟气特点烧结烟气的特点如下[6]：(l)烟气量大：漏风率高(40%-50%)，每生产1t烧结矿，大约产生4000-6000m3烟气；(2)烟气温度较高：随烧结工况变化,烟气温度一般在120-180℃；(3)烟气粉尘浓度高：粉尘主要以铁及其化合物为主，由于使用不同的原料还可能含有微量重金属元素；(4)含湿量大：为了提高烧结料层的透气性，混合料在烧结前加水制粒，按体积比计算，水分含量一般在10%左右；(5)含有害气体：烟气中含有一定量的SOx、NOx、HCl和HF等，它们遇水后将形成酸雨，腐蚀金属构件。此外，还含有对人体健康危害极大的二恶英；4(6)含SO2浓度相对较低：随着原料硫负荷等因素的变化，国内企业一般在1000-6000mg/m3，且机头各个风箱的SO2浓度差异很大；(7)不稳定性：由于烧结工况变化，烟气量、烟气温度、SO2浓度等经常发生波动，且变化频率高。烧结烟气是烧结混合料点火后，随台车运行，在高温烧结成型过程中所产生的含尘废气，烧结烟气中含有大量的NOx和粉尘。据统计，烧结过程的NOx排放量约占钢铁企业排放总量的40%-60%，控制烧结机生产过程NOx的排放是钢铁企业控制污染的重点。我国钢铁企业由于受资金和脱硝技术问题困扰，烧结烟气脱硝研究和应用基本上还处于起步状态[7]。因此，开展烧结脱硝技术研究，是我国钢铁企业发展与环境污染治理和谐发展的必由之路。1.2国内外烧结脱硝研究现状1.2.1烧结脱硝现状烧结烟气NOx排放约占NOx总排放量10%[8]，并且由于烧结工艺及原料成分和配比的不稳定性，致使烟气流量大，成分复杂，温度在80-180℃之间变化，同时在高温烧结过程还会产生多种污染物，烧结烟气中的浓度一般在200-310mg/m3[9]，也有报道说其浓度达到过700mg/m3[10]，这些特点在一定程度上增加了烧结烟气的处理难度。由于烧结烟气中90%以上的NOx为NO，因此，NO向N2的转化是脱除NOx的关键步骤[11]。烟气脱硝的方法有很多，根据脱除产物的形态可分为湿法、半干法和干法[12]。比较各种脱硝的方法，干法脱硝工艺简单，无污染和无废酸处理问题，并且经过净化的烟气可由烟囱直接排放，因此采用的比较广泛。目前发展比较成熟的技术[13]主要有选择性非催化还原(SNCR)和选择性催化还原(SCR)。但是，和燃煤烟气不同，烧结烟气很难直接采用该技术。这主要是因为烧结烟气的温度较低(＜200℃)难以达到SNCR和SCR方法的窗口温度，其次就是烧结烟气流量