【新刊速览】​李杰：​​烧结烟气中CO与NO的协同控制研究进展

介绍

  (1. 华北理工大学冶金与能源学院， 河北 唐山 063210；2. 华北理工大学理学院， 河北 唐山 063210)

  在“双碳”政策的大环境下，烧结烟气逐步成为钢铁行业节能减排的关注点。对烧结烟气中的CO和NO进行了研究，分析了烧结烟气中CO和NO的生成机理，并从源头削减和末端治理方面分析总结了目前烧结烟气中CO和NO单独脱除的方法。目前中国在绿色低碳发展方面的要求较为严格，单独脱除往往存在能耗高、成本高等问题，而烧结烟气中的CO还原NO拥有非常良好的热力学及动力学条件，脱除产物也不会造成二次污染。为此，综述了烧结烟气中CO与NO的协同操控方法，指出了采用CO-SCR法和烧结烟气循环法催化CO还原NO均拥有非常良好的控制效果，明确了推进低温高效催化剂的工业化发展和深入研究烧结烟气循环中铁酸钙的催化机理是烧结烟气协同控制未来发展的趋势。

  钢铁行业是国民经济发展的支柱产业，然而其在推动经济发展的同时，带来了严重的大气污染问题。相关的统计和模拟计算表明，2018年中国钢铁行业的PM2.5、SO2、NOx、CO的排放量分别为11.69、29.02、66.57、4 057.49万t。中国是世界上生产烧结矿最多的国家，目前烧结矿年产量已超过10亿t。2020年有关部门统计表明，180~300 m2的烧结机数量占全国烧结机总量的38.80%，300 m2以上的比例则为18.89%，而1台200 m2烧结机的烟气排放量可达75万m3/h。烧结工序所产生的烟气污染物在钢铁生产各工序中居于首位，因此有效控制铁矿石烧结烟气污染物的排放特别的重要。烧结烟气包括CO、SO2、NOx、粉尘、二噁英等多种污染物，烟气温度一般在120~180 ℃，氧质量分数为15%～18%，CO质量分数为0.4%～1.0%。CO是有毒性气体，会破坏人体的脑组织和呼吸系统，此外，CO还会与臭氧发生氧化还原反应，使大气中臭氧量下降。中国工业生产里产生的CO占全国年均总排放量的43.55%，其中钢铁行业中烧结工序的CO排放量所占比例最高。2019年唐山市发布了《5月份全市大气污染防治强化管控方案》，规定每小时烧结机机头的CO排放标准不允许超出4 000 mg/m3，但在实际生产中，烧结烟气的平均排放量要高于标准所规定的排放要求。

  NOx不仅会危害人体健康，排放到大气中还会导致生态环境污染，包括光化学烟雾、酸雨以及臭氧层损坏等，因此NOx的减排也是近年来钢铁领域烟气治理的重要方向。烧结工序排放的NOx占钢铁行业总排放量的50%，平均每吨烧结矿产生的NOx为0.4～0.7 kg，排放浓度为150～500 mg/m3。2019年生态环境部等五部委联合发布了《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》，要求烧结外排烟气中NOx的排放量不允许超出50 mg/m3。针对中国力争在2030年实现碳排放达到峰值、在2060年实现全面“碳中和”的目标，宝武集团率先提出了早日实现目标的计划，随后河钢集团、包钢集团等钢铁企业也相继发布了各自的“碳达峰”和“碳中和”目标。钢铁行业在实现“双碳”的道路上将面临诸多挑战，因此就需要进行更多的技术创新以助力“双碳”目标的实现。

  本文基于烧结烟气CO和NO的生成机理和烧结烟气中CO和NO单独脱除的现状，论述了近年来烧结烟气CO与NO协同控制的研究进展，并对烧结烟气协同控制的发展进行了展望，以期为烧结烟气多污染物协同治理的研究提供参考。

  1)烧结烟气CO源头控制可采用改变焦粉粒径、料层厚度、料层透气性等方法，烧结烟气NO的源头削减侧重于烧结燃料。烧结烟气CO和NO的末端治理中较为成熟稳定和应用广泛的工艺分别为催化氧化法及选择性催化还原法。

  2)CO选择性催化法还原法可将CO和NO有效脱除，贵金属催化剂、Cu基催化剂、过渡金属氧化物催化剂、高炉中的焦炭和循环流化床锅炉中的CaO催化剂都能催化CO还原NO，其中Cu-Mn/Al2O3催化剂在160 ℃的低温度的环境下表现出良好的脱除效果，Mn/TiO2催化剂还能抑制O2与CO的反应而提高NO转化率。

  3)烧结烟气循环可以充分的利用烧结过程中的余热来降低燃料消耗，通过调控循环烟气中的CO含量和O2含量可促进NO的脱除，烧结矿主要成分之一的铁酸钙催化CO还原NO的作用明显。

  4)目前大部分催化剂的催化性能在试验工况下表现优越，但存在制备流程繁琐、成本高、未大规模用于工业生产的问题，应进行深入研究并研制出廉价高效且适用于公司制作环境的催化剂。发展烧结烟气选择性循环新工艺可明显提升烧结烟气CO和NO协同控制能力，而烟气循环技术的重点和难点在于实时监测调控循环烟气的气体浓度、氧含量和温度等变量，保证循环烟气通过烧结料面后不影响烧结矿的质量，因此建立智能烧结烟气平台将是未来发展的新趋势。此外，铁酸钙催化还原NO的影响因素尚未明确，需进一步研究铁酸钙的催化机理。CO与NO协同控制的成功将会推动钢铁行业多污染物协同处理的发展，实现烧结烟气多污染超低排放的目标。

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