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钢铁行业全流程超低排放技术研析应用

[2020-8-14] 点击:

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文章来源:《环境影响评价》杂志

作者:孟宪栋;牟文宇;程华;刘志强;杨荣力;杨志宇;邵建艇;

近几年来,随着火电行业超低排放的实现,钢铁行业已经成为污染物排放的第一大户,颗粒物、SO2、NOx排放量分别占全国排放总量的30。1%、13。7%、15。 7%,排放量居工业首位。2019年4月,生态环境部等5部委联合下发了《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》,对钢铁行业实现超低排放提出了明确的排放标准和完成时限。钢铁行业的污染物排放与火电行业有很大区别,一是污染物排放口众多,一个年产800万吨的钢铁厂有组织排放口在200个左右;二是流程长,钢铁长流程企业拥有焦化、烧结、球团、炼铁、炼钢、热轧、冷轧等多道工序;三是污染物排放种类多,除了颗粒物、SO2、NOx等3种特征污染物外,还含有VOCs、二噁英、重金属等; 四是无组织排放治理难度大,无组织排放点位多,每个钢铁企业有几千个产生无组织排放的点位; 五是物流运输量大,吨钢运输量在3。5吨左右,有些区域难以实现铁运、海运等集中运输方式。目前,国内外均没有成熟可靠的全流程超低排放治理技术,钢铁企业的环保设施基础、环保管理水平、职工操作水平等参差不齐。按照钢铁行业超低排放标准,实现全工序超低排放需要克服很多困难。本文以首钢股份公司迁安钢铁公司( 以下简称首钢迁钢) 为例,按照源头控制、过程管控以及末端治理的思路,开展了有组织排放源稳定超低排放改造、无组织排放管控治一体化管理、清洁运输方式探索等方面的实践,以期为同行业顺利实施超低排放改造提供借鉴。

01 全流程超低排放技术思路研究方法

继火电行业全面实现超低排放治理后,钢铁行业作为污染物排放大户,尽管已经实行了一些节能减排、环境治理的措施,但由于钢铁产品的产量较高、产能巨大,其污染物总量下降幅度较小,污染物排放量仍是工业污染源排放的重中之重,实行钢铁行业超低排放势在必行。同时,钢铁行业的污染物排放与已经实行的火电行业超低排放还存在本质的区别,钢铁工业设计的工序较为繁琐,主要包括烧结、炼铁、炼钢、轧钢等多个工序,每个工序均设置了专门的有组织污染物排放口,而且在物料运输、储存等环节还存在大量的无组织排放源。因此,钢铁行业的超低排放治理不仅包括烧结或球团焙烧烟气脱硫脱硝、有组织排放口达到超低排放标准和料场、皮带通廊及厂房等无组织排放点封闭管理,还包括对钢铁企业全工序、全流程实施统一系统规划,对污染物排放源开展排放特征分析研究,从大气污染物有组织排放控制、无组织排放管控治一体化以及大宗物料清洁运输等方面进行全面分析,有针对性地制定技术改造思路。

首钢迁钢作为特大型国有钢铁企业,在钢铁行业实施超低排放的过程中积极探索,广泛深入调研国内外钢铁行业烟气治理技术,发明、引进多项治理技术,成为国内首家实现了全流程超低排放治理的钢铁企业,同时形成了一系列可复制、可推广的超低排放治理技术,可为我国钢铁行业实现全流程超低排放提供宝贵经验。本文将从有组织排放治理、无组织排放管控治和清洁运输3个方面进行研究和分析。

02 有组织超低排放治理技术

2.1  高炉煤气一体化控硫技术

钢铁企业排放的SO2除烧结球团以外,主要来自炼铁、轧钢、电厂等高炉煤气下游用户。若均采用末端治理技术脱硫,势必会造成投资大、日常运行管理难度大及脱硫副产物难以处理等问题。因此,提出了高炉煤气一体化控硫的技术思路。

( 1) 喷碱控硫技术。高炉煤气中的硫主要分为无机硫和有机硫两类。无机硫以H2S、SO2为主,有机硫以羰基硫(COS) 为主,实验证明,氢氧化钠碱液基本上可以完全去除无机硫,但对有机硫的去除效果有限。高炉煤气中HCl、H2S等酸性物质对系统腐蚀严重,需要予以治理。因此,首钢迁钢率先开发、采用高炉煤气洗净塔,满足高炉煤气脱除H2S、SO2等酸性介质的工艺要求,同时也能将部分COS等有机硫化物去除,进而减少高炉煤气燃烧后烟气中SO2的排放量。

( 2) 源头控硫技术。通过原燃料硫分控制来保证高炉煤气热风炉燃烧后SO2达标排放。首钢迁钢采用严格的原燃料质量管控措施,减少生产过程有害硫分带入。国家监测总站在2019年8月26日至9月6日,对首钢迁钢3座热风炉排放烟气进行了检测,结果表明,SO2含量分别为39mg/m3、33 mg/m3、39mg/m3,满足超低排放要求。

( 3) 实施效果。2019年9月5日,国家环境监测总站对首钢迁钢采用喷碱塔后的高炉煤气进行采样检测,检测结果见表1。从结果可以看出,高炉煤气中H2S极低,COS浓度在44.4mg/m3~51.2mg/m3之间。同时对首钢迁钢所有高炉煤气下游用户的排放进行了检测,检测结果见表2。可以看出,3座热风炉、2台加热炉、3台燃气蒸汽循环发电机组( CCPP) 及背压发电的SO2排放均满足超低排放SO2<50 mg /m3要求。

喷碱塔后高炉煤气检测结果

高炉煤气下游用户排放情况

2.2 烧结和球团焙烧烟气治理技术

烧结、球团污染物排放量占钢铁行业总排放量的60%以上,是钢铁行业实施超低排放改造的重点。但由于烧结、球团工况复杂,烟气温度、流量波动大,污染因子种类多,长期稳定超低排放难度大。目前,烧结、球团焙烧烟气超低排放改造主要是对原有脱硫系统升级并加装脱硝系统,也有企业将原脱硫系统废弃,直接新建符合超低排放的脱硫脱硝设施。主流的脱硫脱硝工艺主要为湿法脱硫工艺+ 催化氧化(SCR) 脱硝; 半干法脱硫+ SCR脱硝,以及活性炭一体化脱硫脱硝工艺等。湿法脱硫+SCR脱硝工艺又分为SCR脱硝前置工艺和SCR脱硝后置工艺。半干法脱硫工艺又可分为循环流化床脱硫、密相干塔脱硫、旋转喷雾法脱硫等工艺。

结合烧结、球团污染物排放的实际情况,采用升级改造原密相塔脱硫系统,并新建SCR脱硝工艺对球团一系列生产线和2#烧结机实施超低排放改造,采用世界上*先进的第二代逆流式活性炭脱硫脱硝(CSCR) 工艺对球团二系列和1#烧结机系统实施超低排放改造。同时,开展了烧结球团半干法脱硫提效技术、烧结球团SCR 高效脱硝精准控制技术以及烧结球团活性焦脱硫脱硝优化技术的研究,并成功应用于实践。

( 1) 烧结、球团半干法脱硫提效技术研究。360m2的2#烧结机和球团一系列生产线,其焙烧烟气原建有密相干塔脱硫工艺,通过对原密相塔脱硫系统进行升级改造,同步新建SCR脱硝工艺实现超低排放改造。球团一系列生产线和2#烧结机原密相塔半干法脱硫工艺以氧化钙为脱硫剂,实际运行无法满足SO2<35mg/Nm3的超低排放要求。提出以氢氧化钙替代氧化钙为脱硫剂的技术思路,并开展相关工业试验。结果表明:①当入口烟气SO2小时均值稳定在729mg/m3~911mg/m3之间时,以氧化钙为脱硫剂的第Ⅰ阶段的脱硫出口SO2小时均值在85mg/m3~115mg/m3之间。②在氢氧化钙以4。05t/h量逐渐增加的第Ⅱ阶段,脱硫出口SO2小时均值在100mg/m3~28mg/m3之间。其中在次日0:00、2:00、4:00、6:00、12:00和14: 00这6个时间点,脱硫出口SO2小时均值在35mg/m3以下,满足超低排放要求,如图1 所示。上述工业试验结果证明了以氢氧化钙替代氧化钙为脱硫剂进行半干法脱硫提效的技术思路完全可行。

当将氧化钙全部替换为氢氧化钙以后,脱硫出口烟气颗粒物排放浓度和SO2排放浓度分别小于5mg/m3和25mg/m3,完全满足超低排放的要求,如图2 和图3 所示。

脱硫出口烟气颗粒物排放浓度和SO2排放浓度

( 2) 烧结球团SCR高效脱硝精准控制技术研究。SCR脱硝技术普遍应用于电力行业。20世纪90年代以后,SCR脱硝技术也开始应用于钢铁行业的烧结工艺。但球团排放烟气成分复杂、温度低、波动范围大(在90℃~ 150℃之间) ,因此,将SCR脱硝技术成功应用于球团工序尚属国内首例。

在对球团烟气特性进行充分研究的基础上,提出了球团中低温SCR 脱硝技术路线: 半干法脱硫出口→烟气换热器( GGH) 换热器高温段→SCR 脱硝系统→GGH换热器低温段→主引风机→烟囱。并通过流体仿真技术研究了脱硝装置内热流耦合流动规律以及氨空混合分布规律,提出了对SCR工艺设备进行创新和优化的方案,形成了成套的控制技术。
SCR高效脱硝精准控制技术在球团和2#烧结工序实施后,脱硝装置出口烟气NOx浓度分别小于40mg /m3和25mg /m3,完全满足超低排放的要求。

( 3) 烧结活性焦脱硫脱硝优化技术。针对烧结活性焦脱硫脱硝投产以来无法稳定达标的现实问题,着重在脱硫脱硝工艺精细运维和活性焦精料控制两个方面开展研究工作,主要包括低硫煤低硫矿的配加技术、烧结烟气温度的提升控制技术、活性焦循环能力的增大技术以及活性焦选用标准的制定。在一系列优化控制技术实施后,烧结活性焦脱硫脱硝排放颗粒物<8mg/Nm3、SO2<25mg/Nm3、NOx<40mg/Nm3,优于超低排放技术指标。

2.3颗粒物超低排放治理技术

随着环保政策的推进,颗粒物排放限值加严,企业现有的布袋除尘器已无法满足超低排放要求。钢铁企业除尘器数量少则数十套,多则上百套,各个除尘系统烟气的温度、湿度、粉尘性质差异较大,而且现有企业又受到场地和生产组织等各方面因素限制,常规扩容增加过滤面积的方法难以实现稳定达标。因此,通过对各颗粒物排放源特性的系统分析,成功应用了文氏管湿法除尘与湿式电除尘相结合的转炉一次烟气超低排放净化技术以及滤料替换、使用高效滤筒、增加布袋长度和微正压清灰等多种技术相结合的布袋除尘器超低排放改造工艺。

防爆圆筒型湿式电除尘器嵌入转炉文氏管湿法除尘系统的创新工艺应用后,一炼钢3座转炉一次除尘颗粒物排放浓度稳定在7.0mg/m3~8.2mg /m3之间,远低于超低排放标准要求。通过采用超细纤维梯度复合滤料替代普通滤料、更换高效滤筒、微正压清灰除尘技术以及扩容改造加长除尘布袋等新工艺、新技术,实现了所有布袋除尘器外排颗粒物的稳定达标。

03 无组织超低排放治理技术

3.1 无组织排放源清单建立

无组织排放治理是钢铁企业超低排放的共性难题,主要存在于物料存储、物料输送、厂区道路环境中,具有源头分散、数量众多、随机排放等特点,导致难以实现有效的系统治理和管控。因此,针对钢铁行业物料存储区、物料输送区与厂区道路环境中无组织排放粉尘的产尘原因和扩散规律进行了系统研究和排查,建立了无组织排放源清单。

关于物料储存源清单。对各物料储存设施分别建立清单,需明确储存面积、封闭方式、存放物料种类、堆取料作业方式、治理和监测监控设施、主要出入口数量及配套车辆清洗装置情况等。

关于物料输送源清单。对从物料输送起点开始至终点的排放源建立清单,明确各排放源对应的生产工艺环节、治理及监控设施,注明治理设施主要性能参数及监控设施安装位置等。

关于生产工艺过程源清单。以生产工序、车间进行分类,明确对应生产工艺环节各无组织排放源的治理设施和监控设施,须注明治理设施主要性能参数和监控设施安装位置等。

无组织排放源清单必须采用现场核查的方式逐一对生产环节、生产线、皮带通廊进行踏勘,对其措施满足程度进行判断; 采用数据分析、实际治理效果判断、风速监测等方式对其运行情况及效果进行分析,对不满足超低排放要求的排放源提出治理方案和措施。

3.2 重点管控单元

首钢迁钢对厂区储存物料的17 个原料厂全部进行了封闭改造,封闭料棚总面积达18. 06 万m2。同时,在每个料棚内均配置相应的雾炮等抑尘设施,堆取料机配置干雾抑尘等设施,料棚进出口配备全自动车辆清洗机等,彻底解决原燃料及固体二次资源装卸、堆存无组织排放问题。

精矿粉、石灰、除尘灰、焦粉、煤粉等16 种粉状物料采用料仓、储罐等方式密闭储存。同时为了提高应急能力,消除烧结矿落地倒运,建设了20 个总贮存量达14 万吨的烧结矿筒仓。

3.3 物料输送超低排放治理

根据物料输送无组织排放源清单,首钢迁钢共梳理出无组织物料输送污染源点2059项,其中粉状物料输送方面95项,主要控制措施为烧结、炼铁、石灰窑等工序产生的除尘灰和石灰,均采用气力输送至烧结配料室; 炼钢、废钢切割环节除尘灰采用罐车输送; 烧结机头、球团焙烧产生的脱硫灰采用气力输送至脱硫灰缓冲仓,再由罐车收集外卖。块状或黏湿物料输送方面共梳理产尘点1964项,其中自产粉由大石河铁矿经皮带运送至矿业公司烧结厂; 秘鲁精矿粉由大石河铁矿经皮带运送至矿业烧结厂; 焦炭由迁焦公司经皮带运送至炼铁高炉; 喷吹煤由料场通过管式皮带输送至各高炉等。皮带受料和下料等产尘点均实施了封闭改造并配备捕集罩,废气经捕集罩收集后由除尘器处理达标后排放。

3.4 生产工艺过程超低排放治理

生产工艺过程的破碎机、振动筛等187个生产设施无组织污染源点均实现了封闭,并配备除尘装置,例如烧结机、烧结矿环冷机、球团焙烧设备; 高炉炉顶上料、矿槽、高炉出铁场、炼钢铁水预处理、转炉、精炼炉、石灰窑、白云石窑等产尘点均配备了除尘设备;高炉出铁场平台实现了半封闭,铁沟、渣沟加盖封闭; 炼钢厂房实现了封闭改造,并设有屋顶罩; 废钢切割环节配备了封闭厂房,并采用了移动式集尘罩;轧钢涂层机组实施了封闭,并设置了废气收集处理设施。


3.5 智能化管控平台建设

钢铁企业普遍存在无组织粉尘排放源众多且缺乏实时在线监测,无组织粉尘排放源的治理信息不联通是对其系统性全面管控不到位的难点。针对以上问题,提出了钢铁企业无组织排放管控治一体化系统技术思路: 对物料存储区无组织产尘源采用图像智能识别技术,精准驱动超细雾炮、双流体干雾等抑尘技术装备; 对物料输送区采用生物纳膜技术,实现在整个输送过程的粉尘源头抑制; 对厂区道路环境管控采用清洁车辆优化调度技术; 同时利用大数据和物联网技术,实现全厂无组织排放智能联动精准管控。

针对钢铁企业无组织排放的特征及类别,将全厂无组织排放管控治一体化系统分为物料存储管控治系统、物料输送管控治系统以及厂区环境管控治系统,同时结合一体化系统中的大数据分析及污染预测模型技术,实现全厂无组织排放治理综合管控。

针对全厂区排查的2551个无组织排放源,首钢迁钢建立的无组织管控治一体化系统实现了350余处重点污染源的实时在线监测和重点管控。打通从尘源点数据、扬尘行为、治理设备状态到污染治理效果的整条数据链,打破传统单点治理模式,充分利用鹰眼图像识别技术、超细雾炮装置、生物纳膜抑尘技术和干雾抑尘机等核心技术,将无组织排放源“有组织化”实现环保系统自动化运行。

另外,将厂区道路扬尘与空气质量在线监测系统联合,实现厂区道路扬尘污染智能化管控治一体化。在不同气象条件下,粉尘颗粒对厂界内的区域污染不同,应用搭建的扬尘在线监测系统,分析当前的重点污染区域,结合污染扩散模型预测未来的重点影响区域,生成并下发环境道路粉尘治理的智能化决策,智能调度安装有GPS定位装置的环境清洁车辆及环境治理设备,防止二次扬尘的发生。

04 清洁运输超低排放治理技术

钢铁生产过程中,物料运输以原燃料入厂、产品出厂、固废物资运输等为主。受地域影响,首钢迁钢公司无法实现水运,进出厂区的大宗物料、产品、固废运输方式主要为火车或皮带输送,部分采用汽车运输。为提高铁运比例,减少物料运输过程中产生的移动源污染物排放,首钢迁钢公司采取了一系列措施。

首先是资源分析,首钢股份迁安地区铁路线全长208。87公里,其中正线里程38公里。线路南起沙河驿镇站,北至水厂精矿站,由1 条主干线和5 条支线组成,沿线共设16个车站,主干线直连国铁交接站沙河驿镇站,首钢股份专用线内各存储点位以及产成品库均具备火运直达条件,并与中国铁路北京局集团有限公司唐山货运中心、唐山车务段、天津车务段等单位建立合作关系,同时在北京铁路局设专人落实公司与路局的合署办公,协调路企相关业务,确保火运装卸及车流到发顺畅。

其次是因地制宜、因物制宜,结合物料量和物料特点,有针对性地采取合理的运输方式,自产粉、地方粉、大部分进口矿、喷吹煤、球烧煤、钢渣、钢材( 含中间产品) 采用火运; 秘鲁加工粉、外购焦炭、水渣采用皮带运输; 小部分进口矿、外购废钢、外购石灰石、部分钢材( 含中间产品) 采用汽车运输。经测算,迁钢公司吨产品运输量3。87吨,年运量3000万吨左右,受生产节奏影响,总量有所波动。另外,针对非移动道路机械、道路清洁车辆等自有车辆,强化达标排放管理,加快升级换代。公司现自有机车41台,其中内燃机车24台,电力机车17台; 配备翻车机、挖掘机、卸车机等装卸设备10台( 套) ; 敞车195辆、自翻车344辆、平车33辆。建立了车辆达标排放监测制度,定期对车辆排放情况进行监测,达标方可运行。新增装载机械全部采用新能源动力,大力削减移动源。

目前,首钢股份公司铁路运输整体卸车能力700车/天,约4。2万吨/天,钢材产品装车能力260车/天,约1。43万吨/天。全年铁路*大运输量可实现2000万吨。在满足现有承载量的基础上,铁路运输网通过挖潜提效,还具备400万吨富余的运输能力,公司物料火车运输比例稳定达到80%以上。同时,首钢股份公司作为合资方出资建设水曹铁路,建成后除满足企业自身需求外,辐射到沿线钢铁企业,提供运输服务。

05 结语

钢铁工业作为三项气态污染物排放大户,实施深度治理,实现超低排放对削减污染物总量、改善大气环境、打赢大气污染防治攻坚战,具有重大意义。如何高效推进钢铁行业超低排放改造,加快污染物排放总量削减工作是我国大气污染治理现阶段的重要课题。全流程超低排放治理完成后,首钢迁钢的污染排放基本实现“近零化”,吨钢大气污染物排放绩效指标达到国际领先水平,环境管理水平得到进一步提升。

本文按照生态环境部《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》( 环大气〔2019〕35号) ,从有组织排放控制、无组织排放管控治以及清洁运输三个方面,结合首钢迁钢公司超低排放改造实践经验,围绕全流程超低排放的实现过程,对首钢迁钢公司超低排放所采用关键技术、管理创新、具体举措等进行了较为详细的论述。这些改造经验、技术措施、管理模式等具有极好的可复制性和推广价值,相信可以为钢铁行业超低排放改造的顺利实施提供科学的技术借鉴、可靠的对策支撑。

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