电弧炉炼钢工艺二恶英节能型防治措施.pdf

电弧炉炼钢工艺二恶英节能型防治措施 张玉君 1 杨春根 1 范美玲 2 1． 中冶华天工程技术有限公司，南京 210019;2． 安徽工业大学，安徽 马鞍山 243005 摘要 介绍了二恶英的结构、 毒性， 并论述了电弧炉冶炼过程中二恶英的生成途径， 重点对电弧炉尾气处理技术中， 几 种二恶英的防治措施进行了节能方面的比较， 提出了电弧炉炼钢工艺中最节能的二恶英防治措施。 关键词 电弧炉;二恶英;节能;防治措施 ENERGY- EFFICIENT CONTROL MEASURES OF DIOXIN IN PROCESS OF ELECTRIC ARC FURNACE EAFSTEELMAKING Zhang Yujun1Yang Chungen1Fan Meiling2 1． Huatian Engineering ＆ Technology Corporation MCC，Nanjing 210019，China; 2． Anhui University of Technology， Maanshan 243005， China AbstractThis paper describes the structure and toxicity of dioxin，and discussed the generation of dioxins during the EAF steelmaking． The emphasis is on the comparison of different preventive treatments of dioxin produced by the disposal of EAF’ s off-gas in terms of saving energy． It is proposed the most energy-efficient dioxin control measures during electric arc furnace steelmaking process． Keywordselectric arc furnace;dioxin;energy-saving;control measure 0引言 二恶英 简称 PCDDs 和多氯二苯并呋喃 简称 PCDFs 。由 2 个氧原子联结 2 个被氯原子取代的苯 环为多氯二苯并二恶英 PCDDs ; 由 1 个氧原子联结 2 个 被 氯 原 子 取 代 的 苯 环 为 多 氯 二 苯 并 呋 喃 PCDFs 。每个苯环上都可以取代 1 ～ 4 个氯原子， 从而形成众多的异构体， 其中 PCDDs 有 75 种异构 体， PCDFs 有 135 种异构体。自然界的微生物和水解 作用对二恶英的分子结构影响较小， 因此， 环境中的 二恶英很难自然降解消除。它包括 210 种化合物， 毒 性十分大， 是砒霜的 900 倍， 有“世纪之毒” 之称。国 际癌症研究中心已将其列为人类一级致癌物。 国内近些年来作为短流程的电炉冶炼废钢技术 发展很快， 但一些规模不大企业的环保水平不高。由 于电炉产生二恶英的毒性较其他流程要大， 对此应该 加以重视。瑞典环保研究所的研究表明， 电炉车间环 境的二恶英的含量与其他的重工业、 焚烧炉和木材处 理厂工作环境处在相同的数量级。 钢铁生产设计过程中也很少专门对二恶英采取减 排技术措施。面对二恶英污染造成的严重危害， 我国 与世界上主要工业化国家在控制二恶英的形成源、 切 断二恶英的形成途径以及采取有效的二恶英净化技术 方面存在很大差距。电弧炉二恶英的防治不仅是环境 界和国际媒体关注的热点， 也是节能减排的重要任务。 1电弧炉烟气中二恶英的来源 1. 1废钢中氯化物的来源 电炉生产用废钢一般都含有油脂、 塑料及切削废 油等， 废钢预热以及将含油脂及塑料的废钢装入电炉 都会产生含二恶英的烟气。测量结果表明， 添加含 PVC 废钢的电炉废气中二恶英和氯化有机物含量最 高。即使一些废钢不含氯化物， 但其废气中也含有二 恶英和氯化有机物。其原因是电炉壁等提供了其他 氯的来源。根据已有资料， 废气中二恶英的含量随氯 化苯的增加而增加; 在安装了废气预热废钢装置时， 随着废钢中氯化物含量和废钢预热温度的增加， 废气 中含有的氯代芳香族化合物也增加。 1. 2电弧炉二恶英生成 电弧炉二恶英产生主要有 2 种情况 88 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 1炉内燃烧不完全。在氧气不足的情况下， 就 会生成二恶英前驱物， 这些前驱物与废钢中的氯化物 进行反应， 生成二恶英物质， 主要生成氯化二苯并二 恶英 PCDD 和氯化二苯并呋喃 PCDF 。电炉中的 温度一般在1 400 ℃ 左右， 二恶英在850 ℃ 以上就完 全分解。所以炉内排烟炉口排出的二恶英含量很低。 2 燃烧后生成。二恶英成分在高温下严重裂 解，但在冷却过程中，当废气温度降到 200 ～ 600 ℃ 范围时，有机成分与氯化物发生反应再次生成二恶 英。在 250 ～ 400 ℃ 时，二恶英再合成速度最快。 2电弧炉烟气二恶英节能防治措施 针对电弧炉产生的二恶英污染， 本文就如何有效 控制和减少电炉中二恶英的排放进行初步探讨。 2. 1源头控制二恶英 源头上如果没有二恶英不具备生成条件， 不产生 二恶英， 无疑是最节能的措施。所以控制源头是关 键。 首先， 应该把好废钢的质量关。国内外废旧汽车 的废钢中含有较高氯化物和油类碳氢化合物， 冶炼这 种废钢极易产生二恶英， 所以在进口国外废钢时， 除 考虑价格外， 还要考虑其清洁度。 其次， 要对废钢进行分选， 最大限度减少含有油 脂、 油漆、 涂料、 塑料等有机物废钢的入炉量， 并对这 类含有机物的废钢另行加工处理， 同时要严格限制进 入电炉的氯源总量。分选出的含有机物废钢不宜采 取预热处理。这类废钢在电炉加料时应缓慢连续加 入。有研究资料显示 这类废钢缓慢地连续加入可使 废气达到较高的氧化程度 提高氧化程度可降低未 燃有机化合物成分 和较低的二恶英生成量。 2. 2改善电弧炉炼钢工艺以减少二恶英排放 前面也讲到二恶英前驱物产生是二恶英生成的 基本条件， 因此应从源头上入手， 首先应抑制二恶英 前躯物质的生成， 其措施有提高燃烧温度， 延长冶炼 时间， 提供充足的氧气等。 在垃圾焚烧行业， 有实践表明在焚烧过程掺煤燃 烧或炉内喷人碱性氧化物， 通过抑制氯源也可以抑制 二恶英产生。在电弧炉炼钢中， 工艺需要加萤石， 石 灰等碱性氧化物， 也可以抑制二恶英的产生。 另据报道， 日本已成功开发了环保型电弧炉， 该 电弧炉由熔化废钢的熔化室和与熔化室直接连接在 一起的预热竖炉构成。尤其是， 在其后段设有用于对 废气中的二恶英、 白烟和恶臭进行热分解的燃烧室和 用于防止热分解后二恶英再合成的水直接喷雾式冷 却室。由于熔化室和预热竖炉直接连接在一起可一 起倾动， 因此不会有空气从其结合部侵入竖炉。 燃烧室能满足二恶英充分热分解所需的温度和 滞留时间; 水直接喷雾式急冷室能将废气温度充分降 低， 以防止二恶英的再合成。从炉子排出的废气经燃 烧室、 水直接喷雾式急冷室和除尘装置后被排放到大 气中。表 1 为传统电弧炉和环保型电弧炉污染物排 放和能耗比较。 表 1传统电弧炉和环保型电弧炉 污染物排放和能耗比较 项目传统电弧炉节能型电弧炉 电耗100≤60 生产率100≥150 废气量100≤60 二恶英达标 粉尘量100≤50 闪烁100≤50 高次谐波100≤50 注 以传统电弧炉为 100 时的比较 2. 3尾气治理减少二恶英排放 2. 3. 1快速冷却法 1电弧炉;2电弧炉第四孔;3水冷烟道; 4燃烧沉降室;5蒸发冷却塔;6混风阀; 7静电除尘器;8风机;9电机;10烟囱 图 1蒸发冷却降温电弧炉烟气净化流程 电炉一次烟气温度在1 000 ℃以上， 此时各种有机 物已经全部分解; 如果对燃烧后的烟气进行急冷， 使其 快速冷却至200 ℃ 以下， 急冷方法有空气直接冷却法 和水冷却法。采用蒸发冷却方法如图 1 所示， 第四孔 烟气经过燃烧沉降室燃烧脱除二恶英后， 立即进入蒸 发冷却塔， 喷入塔内的水雾可使高温烟气快速冷却， 98 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 而且还能使部分细烟尘颗粒凝聚成大颗粒而更易于 去除。最大限度减少烟气在二恶英最适宜生成温度 区间的停留时间。 与传统的掺野风等降温措施相比， 这种方法具有 烟气总量少、 运行设备总阻力小、 噪声低等特点， 也比 空气换热强制冷却方法冷却时间短， 运行阻力小。这 种快速冷却降温， 可使二恶英减排 80 ～ 95 。 但这种方法的缺点是控制要求精度高; 因为含湿 量大， 一般要求采用静电除尘器， 除尘效率不如布袋 除尘器高; 蒸发冷却塔后的管道要求保温。余热不能 利用， 喷入的水随废气排往大气， 不能循环利用。 2. 3. 2采用高效过滤技术 200 ℃ 以下的温度条件下， 二恶英绝大部分都以 固态形式吸附在烟尘表面， 而且主要吸附在微细的颗 粒上。湿 法 除 尘 对 二 恶 英 的 净 化 效 率 为 65 ～ 85 ， 静电除尘器则要低一些， 静电除尘器实测平均 净化效率为 95 ， 而袋式 除 尘器 则 一 般可以 达到 99 或更高。除尘器入口烟气温度的高低决定了二 恶英的减排效率， 温度越低效果越佳。有关研究资料 表明， 若采用合适的滤料， 布袋除尘器后二恶英的排 放浓度不到电除尘器的 10 。因此， 电弧炉的二恶 英减排应尽可能选用袋式除尘。二恶英最终的排放 浓度与排放废气中的含尘浓度成正比关系， 因此必须 尽最大可能降低烟尘的排放浓度， 除尘效率应尽可能 提高。 2. 3. 3物理吸附技术 二恶英可被多孔物质 如活性炭、 焦炭、 褐煤等 吸附， 利用这一特性可对其进行物理吸附， 国外已广 泛采用， 一般有携流式、 移动床和固定床等三种形式。 携流式是指在除尘器前烟道喷入吸附剂， 吸附二 恶英后的吸附剂被除尘器脱除从而达到减排目的。 该方式投资及运行成本最省。 移动床是指吸附剂从吸附塔上部进入下部排出 或者下部进入上部排出， 一般设在除尘器后 设在除 尘器前会降低脱除效果并增加运行成本 ， 此法一次 性投资比较大。 固定床中的吸附剂是不动的， 烟气流过其表面时 二恶英被脱除。 用褐煤作吸附剂可使废气中二恶英最终排放量 降低 80 左右， 欧洲多家钢厂在喊二恶英的烧结烟 气实测减排效果为 70 。使用焦炉褐煤粉末作吸附 剂和袋式除尘， 二恶英排放量可减少 98 。该技术 要求吸附剂具有高比表面积， 喷入时要求分散均匀性 好， 但在喷入某些型号煤粉时最好用石灰与煤粉混合 进行惰性化处理或喷煤的同时喷入石灰， 以防引起火 灾和爆炸。喷入活性碳可能会比喷褐煤具有更好的 减排效果， 因为活性碳的比表面积更大。 但该法的缺点是增加了吸附物质， 这给粉尘的综 合利用增加了困难。 2. 3. 4节能型防治措施探讨 通过以上各种现有技术分析， 每种技术都有脱除 二恶英的能力， 但在节能上关注点不多。如做出在脱 除二恶英的前提下， 能够对电炉的余热进行回收， 烟 气量尽可能小， 功耗低的系统， 在本节着重叙述。目 前国内多家冶金企业对电炉都做了余热回收。其工 艺流程如图 2 所示。 1电弧炉;2电弧炉第四孔;3水冷烟道; 4燃烧沉降室;5热管余热锅炉;6混风阀; 7布袋除尘器;8风机;9变频电机;10烟囱 图 2带余热回收装置电炉除尘流程 电炉第四孔出来的高温烟气先进入燃烧沉降室， 通过燃烧， 分解二恶英和除去 CO， 粗颗粒沉降， 达到粗 除尘的目的。从燃烧沉降室出来的 750 ～ 900 ℃ 的烟 气进入热管余热锅炉。通过余热锅炉的烟气温度为 200 ℃左右， 进入袋式除尘器除尘后排放。 烟气在余热锅炉停留时间大约为4 s， 在此过程 中可能有少部分二恶英重新聚合。这就需要一种特 殊的高效滤袋。这种滤袋能阻挡任何细微的颗粒穿 透到底布中。就这样， 表面的薄膜承担了阻挡任何吸 附了 PCDD/F 的颗粒的功能， 气态的 PCDD/F 穿过薄 膜进入催化毡料被有效分解， 其原理如图 3 所示。 美国戈尔公司就发明了这种滤袋， 滤袋由特殊薄 膜与催化底布组成， 底布为针刺结构， 纤维由膨体聚 四氟乙烯复合催化剂组成， 集高效除尘与催化氧化于 一身。 09 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期 图 3表面过滤与催化过滤原理 与传统技术相比， 二恶英去除率高达 98. 4 ， 且 气态二恶英在低温状态 180 ～ 260 ℃ 可被彻底分解 而不是吸附转移， 不存在二恶英的再次合成和二次污 染， 不需要喷吸附剂或碱性物质， 不需要改造现有设 备， 只需要更换除尘器滤袋， 施工简单方便。 3结语 冶金工业是排放包括二恶英在内的持久性有机 污染物的主要来源之一， 尽管可以采取多种措施， 减 少生产过程中二恶英的产生， 但以目前的技术手段尚 难以完全抑制。因此， 必须认真考虑如何防止生产系 统已生成的二恶英等有机污染物的泄放及其对环境 的污染， 另外还必须注意在减排的前提下考虑节能。 参考文献 ［1］Lehner J，A Friedacher，Gould L， et al． Low-cost solutions for the removal of dioxin from eaf offgas［J］． Iron and Steel， 2004， 39 4 67- 70． ［2］詹茂华． 电炉烟气热管余热回收的除尘系统设计［J］． 环境工 程， 2009， 27 6 60- 62． ［3］周莉菊， 冯家满， 赵由才． 二恶英的毒性及环境来源［J］． 工业 安全与环保， 2006， 32 11 49． ［4］赵树青， 宋薇， 刘晶昊， 等． 我国生活垃圾二恶英污染现状及减 排建议［J］． 环境工程， 2011， 29 1 86- 88． 作者通信处张玉君210019江苏省南京市建邺区富春江东街 18 号中冶华天工程技术有限公司环境事业部 电话 02586991642 E- mailzhangyujun1999 gmail． com 2010 － 12 － 20 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 87 页 加油站油气回收整体降耗工艺具有重大的研究意义 和巨大的发展前景。 参考文献 ［1］陈家庆， 曹建树， 王建宏， 等． 面向加油站的油气回收处理装置 及其关键技术［J］． 环境工程， 2007， 25 1 41- 46． ［2］陈家庆， 王建宏， 曹建树， 等． 加油站的烃类 VOCs 污染及其治 理技术［J］． 环境工程学报， 2007， 1 3 84- 91． ［3］Koch W H．Refueling vapor recovery in the united states［J］． Petroleum Equipment＆Technology，1998 3 26- 30． ［4］U． S． A Environmental Protection Agency． Stage Ⅱ vapor recovery systems issues paper［R］． USAUSA Environmental Protection Agency，2004． ［5］黄维秋， 吕艳丽， 白娟， 等． 加油站油气回收实施方案［J］． 中外 能源， 2009， 14 12 98 － 102． ［6］黄维秋， 徐效梅， 林毅， 等． 基于吸收和吸附的油气回收集成工 艺［J］． 石油化工高等学校学报， 2009， 22 1 56 － 60． ［7］黄维秋， 彭群， 刘君． 加油站油气排放治理技术［J］． 环境工程 学报， 2009， 3 2 327 － 330． ［8］黄维秋， 刘海， 钟璟， 等． 汽油装罐蒸发损耗的研究［J］． 江苏工 业学院学报， 2007， 19 2 30 － 34． 作者通信处周昊213016江苏省常州市常州大学石油工程学院 E- mailzhouhao791012 sina． com． cn 2011 － 01 － 10 收稿 19 环境工程 2011 年 10 月第 29 卷第 5 期