钢铁行业典型大气污染物及其治理现状浅析.pdf

冶金标准化与质量2024,Vol.62,No.128收稿日期：2023-12-29作者简介：贾超（1988），男，助理工程师。E-mail：钢铁行业典型大气污染物及其治理现状浅析贾超（承德建龙特殊钢有限公司 河北 承德 067300）摘要：钢铁行业是我国工业领域重要的大气污染排放源之一，管控和治理好钢铁行业的大气污染是当前打好大气污染防治攻坚战和实现国家双碳 30-60 目标的重要前提。本文依据国家最新政策要求及技术发展现状，全面地介绍了钢铁行业典型大气污染物的来源、污染物组成及分布现状和钢铁行业大气污染物治理技术，拟为钢铁行业大气污染治理提供更全面参考和借鉴。关键词：钢铁行业；大气污染；来源；治理技术中图分类号：X5文献标识码：B文章编号：1003-0514(2024)01-0028-04Analysis of typical air pollutants in the steel industry and their treatment status Jia Chao（CHENG DE JIAN LONG Special Steel Co.，Ltd.，Chengde 067300，China）Abstract：The steel industry is one of the important sources of air pollution emissions in Chinas industrial sector.Controlling and controlling air pollution in the steel industry is an important foundation for winning the blue sky defense war and achieving the national dual carbon 30-60 target.This article provides a detailed and comprehensive introduction to the composition sources,emission status,and distribution of typical atmospheric pollutants in the steel industry,as well as the control technologies for atmospheric pollutants in the steel industry,in response to the latest national policy requirements and technological development status.It provides a comprehensive reference and guidance for the control of atmospheric pollution in the steel industry.Key words：the steel industry；air pollution；source；treatment technology1引言钢铁行业是我国国民经济的重要支柱性产业，2022 年我国粗钢产量为 10.18 亿 t，占世界总产量50%以上。伴随着钢铁行业粗钢含量的居高不下，其大气排放也相应地受到了国家相关部门的重点关注。据有关数据显示，2017 年起我国钢铁工业废气排放量已超过火电行业成为最大排放行业1。钢铁行业生产过程中不仅排放大量 CO2，还是大气污染物如 PM、SO2、NOx的主要排放源。2019 年，我国钢铁行业的 CO2排放量为 16.2 亿 t；NOx、SO2和 PM的排放量分别为 70.7 万 t、35.8 万 t、38.8 万 t。钢铁行业废气持续排放势必会使我国大气污染治理形势更加严峻。为有效降低钢铁行业污染排放，打好大气污染防治攻坚战，国家及地方各省市出台多项钢铁行业大气排放的政策标准。国家生态环境部于 2019 年4 月出台了 关于推进实施钢铁行业超低排放的意见（环大气 2019 35 号），对钢铁企业污染物排放实施了有史以来最严管控。标准方面，山西省2021 年 1 月颁布实施 钢铁工业大气污染物排放标准（DB14/2249-2020），天津市 2022 年 5 月颁布 钢铁工业大气污染物排放标准（DB12/1120-2022）。bz2401正文.indd 28bz2401正文.indd 282024/2/26 15:17:362024/2/26 15:17:36问题探讨292024,Vol.62,No.12020 年 9 月，习近平主席在第 75 届联合国大会上提出我国将努力争取在 2030 年前达到 CO2排放峰值，并在 2060 年前实现碳中和。国家的超低排和降碳要求均使钢铁行业大气治理工作迫在眉睫。目前我国钢铁生产流程主要以高炉-转炉长流程为主，排污环节较多，伴随产生的主要大气污染物为颗粒物（PM2.5 和 PM10）、SO2、NOx等2。其中，烧结、炼铁、炼钢和炼焦等工序是污染物的主要来源。明确钢铁行业各主要工序典型污染污物来源、组成及分布均可为污染物的有效治理提供支撑。目前钢铁行业主要污染物治理手段为污染物末端治理技术和源头减排及过程控制技术。本文依据行业最新政策要求及行业技术发展现状，详细地介绍了钢铁行业典型大气污染物的来源、污染物组成及分布现状和钢铁行业大气污染物治理技术，拟为钢铁行业大气污染治理提供参考。2钢铁行业大气污染物来源钢铁长流程生产包括烧结、球团、焦化、高炉、转炉以及轧钢等诸多环节，其中烧结、焦化、炼铁、炼钢是大气污染物的主要排放工序3。1）烧结。烧结是把经过破碎、选矿处理后的精矿粉，连同细焦粒或无烟煤和石灰等一起经过选粒煅烧制成烧结矿或球团的过程。燃料破碎、配料、一混、二混、上料、烧结（焙烧）、冷却、筛分、成品转运等生产过程中产生的含尘废气，主要污染物为颗粒物（粉尘）；烧结（焙烧）过程产生的烟气，主要污染物为SO2、NOx、颗粒物（烟尘），以及少量的氟化物和二噁英。2）焦化。炼焦是煤炭在低氧条件下加热干馏的过程。许多挥发性成分在此过程中逸出，形成焦炉煤气和煤焦油。焦炭是炼焦的主要产物，炼焦过程中常排出碳氢化合物、硫化物、氰化物、氨、粉尘等大气污染物。炼焦废气的产生主要是由于焦炉的两侧炉门及各种盖子、阀体的跑气所致。3）炼铁。炼铁采用高炉。高炉的燃料除煤炭外，还有大量喷吹重油、天然气和煤粉等。炼铁过程中产生大量的粉尘及高炉煤气。供料、煤粉制备系统产生的废气主要是颗粒物（粉尘），采用布袋除尘处理；出铁场废气主要是 SO2、NOx、颗粒物，因温度过高，可采用布袋除尘、静电除尘等污染治理措施；热风炉废气主要是 SO2、NOx、颗粒物，采用燃烧清洁燃料控制污染物排放；高炉煤气主要含 CO 和颗粒物，目前大型企业高炉煤气 90%以上进行了回收，采用重力除尘+布袋除尘（或湿法除尘）净化，无法及时回收的高炉煤气点火。4）炼钢。炼钢方法有平炉炼钢、转炉炼钢和电炉炼钢三种。现阶段我国平炉炼钢应用已较少。氧气转炉炼钢时排出大量烟气和粉尘。每炼 l t 钢约产生 60 m3烟气和 16 30 kg 粉尘，灰尘中含铁量为60%80%，排出烟气的主要成分是：CO 73.8%，CO2 14%，N2 11%及少量其他气体。电弧炉炼钢，每炼 1 t 钢排出的粉尘为 2 9 kg，主要成分是氧化铁和氧化锌；排出的烟气里主要有 CO 气体。轧钢工序分为热轧工序和冷轧工序。另外热轧工序主要是加热炉和热处理炉用煤气做为原料燃烧过程中产生的 SO2、NOx和颗粒物，轧制机组轧制过程中产生的颗粒物。钢铁生产过程中污染排放最严重的两个环节为烧结和焦化工序，相关研究表明，钢铁企业 SO2和NOx有组织排放量最大的工序为烧结工序，其次为焦化工序4。3钢铁行业大气污染物组成及排放分布钢铁行业产生的典型大气污染物组成及污染分布均可为行业大气污染精确治理管控提供有效的依据。3.1钢铁行业典型大气污染物的组成我国约 90%以上的钢铁生产采用“高炉-转炉”长流程工艺，生产过程排污环节多，且污染物的成分复杂。特别是在烧结过程中，原料如铁矿粉、有机溶剂，还有燃料一同进行烧结，使得助燃空气中的 N2、O2和燃料中的含氮化合物、含硫化合物在强烈的高温之下发生反应，进而而形成大量的氮氧化合物（NOx）以及硫化物（SO2）。另外在烧结、炼钢等过程，烧结机机头、机尾会产生大量颗粒物，这bz2401正文.indd 29bz2401正文.indd 292024/2/26 15:17:362024/2/26 15:17:36冶金标准化与质量2024,Vol.62,No.130些粒径分布特征明显，烧结机机头和机尾除尘器后的颗粒物 PM10 百分比可达到 80%以上5-6。除了以上主要成分外，钢铁行业排放废气中还可能含有少量的苯并 a 芘等多环芳烃、VOCs 挥发性有机化合物、重金属等其他有害物质，但对环境影响较小。3.2钢铁行业废气排放分布我国钢铁工业大气污染物排放呈现出明显的区域特性，各地区污染物排放浓度差异极大。我国钢铁工业空气污染物排放量最大的区域是华北的京津冀地区，其次是华东的长三角地区和华中地区根据国家 2018 年对钢铁行业大气污染物中的颗粒物、SO2和 NOx相关调查数据进行了统计分析，分析结果如图 1 所示，PM10 排放量排名前三省份依次为河北（18.94%）、江苏（10.96%）、辽宁（9.33%）；SO2排放量排名前三省份依次为河北（17.69%）、辽宁（10.32%）和江苏（10.17%）；NOx排放量排名前三省份依次为河北（20.13%）、江苏（11.34%）和山东（10.75%）。综上，可以看出河北、江苏、山东和辽宁一直是我国钢铁产能最大的四个省份，这也与我国钢厂的地域分布相一致。另外也可以看出华北京津冀和华东长三角地区仍然是我国钢铁大气污染治理形式最为严峻的地区。（a）PM10排放量 （b）SO2排放量 （c）NOx排放量图 12018 年钢铁行业大气污染物排放量统计 河北 江苏 辽宁 河北 辽宁 江苏 河北 江苏 山东20.00%15.00%10.00%5.00%0.00%20.00%15.00%10.00%5.00%0.00%20.00%15.00%10.00%5.00%0.00%4钢铁行业典型污染物治理技术目前钢铁行业主要大气污染物处理技术主要为污染物的末端治理技术以及源头减排和过程控制技术。4.1污染物末端治理技术上世纪 90 年代以来，针对钢铁生产过程中高炉、烧结、球团和焦化等工序的大气污染物排放行为，陆续研发了针对颗粒物、SO2和 NOx的系列末端治理技术。1）钢铁行业颗粒物治理技术。钢铁行业颗粒物治理技术是为了解决钢铁窑炉颗粒物排放量大、分布不均匀等特性而研发的。目前，常用的颗粒物治理技术包括重力除尘、旋风除尘、电除尘以及布袋除尘等7。但是，随着环保要求的逐渐严格，重力除尘和旋风除尘技术已无法达到特别排放标准（40 mg/m3）。因此，当钢铁行业采用超低排放（10 mg/m3）目标时，在湿法脱硫后加设湿式电除尘技术能够满足相应的环保要求。2）钢铁行业 SO2治理技术。钢铁行业烟气脱硫技术主要包括湿法脱硫技术、干法脱硫技术和半干法脱硫技术。湿法脱硫是指在湿态（液体或浆态）下使用脱硫剂进行脱硫的过程8。湿法脱硫技术成熟且高效，但处理液体或污泥的难度大，设备易受腐蚀、投资和能耗较高。我国钢铁行业常用的湿法脱硫技术有石灰石-石膏法和氨法脱硫技术。半干法脱硫技术则结合了干法和湿法的特点，通过将脱硫剂溶解在水中或以浆液形式喷入烟道来洗涤烟气并进行脱硫，其在钢铁行业烟气脱硫方面具有更大的适用性，目前在钢铁行业中的应用数量也在逐年增加。3）钢铁行业 NOx治理技术。烟气脱硝作为一项关键的环境保护措施，在钢铁行业中具有重要意义。常用的方法包括中低温选择性催化还原法（SCR）脱硝、臭氧氧化脱硝和活性焦一体化法等9。中低温 SCR 脱硝技术通过催化剂促使还原剂（如氨）与 NOx反应生成无害的 N2和水，具有高脱硝效率、设备简单和运行可靠等优点。然而，该技术在运行时需要使用热风炉提高烟bz2401正文.indd 30bz2401正文.indd 302024/2/26 15:17:362024/2/26 15:17:36问题探讨312024,Vol.62,No.1气温度，并消耗大量高炉煤气。此外，也存在脱硝过程中消耗大量高炉煤气以及未经净化的高浓度CO 排放等问题。臭氧氧化脱硝技术利用臭氧的氧化性将 NOx氧化成无害的 N2和水，具有无副产物、无污染和高脱硝效率等优点，但投资成本较高。活性炭（焦）一体化法依托活性炭（焦）的孔隙结构和较大的比表面积，通过吸附作用捕捉烟气中的 NOx，继而用 NH3将吸附的 NOx还原为 N2，从而能同时去除多种污染物。4.2污染物源头减排和过程控制技术随着环保要求不断提高，为提高大气污染治理效果，除钢铁行业污染物减排策略逐步从末端治理转移到源头减排和过程控制10。目前在单一污染物治理技术积累的基础上，结合近年来“多污染物协同控制”的技术需求，已研发了活性焦一体化控制技术、半干法多污染物协同控制技术，实现了颗粒物、SO2、NOx、二噁英等多污染物的协同减排。目前通过高炉炉料结构优化源头减少污染和碳排放、活性炭法一体化以及烧结烟气循环耦合增能增质等技术可较好地实现大气污染物的源头减排和过程控制。5结论我国钢铁工业空气污染物排放量大、来源广、种类多，近年来，我国钢铁工业主要空气污染物排放量在持续下降。目前烧结、焦化、球团和高炉炼铁工序仍是污染物排放的最严重环节，减排潜力巨大。我国钢铁工业排放空气污染物最严重的区域为华北和华东地区，京津冀、长三角地区仍然是未来减少钢铁工业空气污染物排放的主战场。本文结合国家最新政策要求及技术发展现状，全面介绍了钢铁行业大气污染物末端治理技术以及源头减排和过程控制技术，随着为钢铁行业大气污染治理提供全面参考和借鉴。参考文献1 朱廷钰，刘霄龙.我国钢铁行业“超低排放”向“减污降碳”过渡的技术思考 J.过程工程学报，2022，22（10）：1360-1367.2 蔡大为，范晓慧.钢铁工业低碳炉料及绿色冶炼技术进展 J.烧结球团，2023，48（4）：1-7.3 蔡九菊.钢铁工业的空气消耗与废气排放 J.钢铁，2019，54（4）：1-11.4 张革.钢铁企业颗粒物排放特性的研究 D.沈阳：东北大学，2015.5 王硕，魏文侠，李佳斌，等.某钢铁厂土壤中多环芳烃污染评价与风险评估 J.环境工程技术学报，2019，9（4）：447-452.6 孙园园,白璐,张玥,等.工业行业源头-过程-末端全过程减排潜力评估研究 J.环境科学研究，2021，34（12）：2867-2875.7 向轶，孟刚，宋波，等.预荷电强化烟气除尘技术的研究进展及应用现状 J.现代化工，2022，42（11）：82-86.8 郭小虎，苟远波，韩松，等.半干法烟气脱硫技术在非电行业的应用 J.我国环保产业，2021，（4）：41-44.9 闫涛.催化裂化(FCC)装置烟气脱硫脱硝技术综述 D.上海：上海师范大学，2012.10 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