1、周仙霖武漢科技大于熱燒結(jié)礦自催化燒結(jié)煙氣NOx還原實(shí)驗(yàn)研究 目錄1研究背景2研究思路研究方法3結(jié)果與討論4結(jié)論與展望5研究背景我國(guó)的粗鋼產(chǎn)量已經(jīng)連續(xù)多年穩(wěn)居全球首位圖1 中國(guó)粗鋼產(chǎn)量及全球占比 9000060中國(guó)粗鋼產(chǎn)量80000中國(guó)粗鋼產(chǎn)量全球占比50700006000040500003040000300002020000101000000年份鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中排放了大量含NOx的廢氣，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的污染與破壞。中國(guó)粗鋼產(chǎn)量 (萬(wàn)噸)中國(guó)粗鋼產(chǎn)量全球占比 (%)研究背景近幾年鋼鐵主要生產(chǎn)工序NOx排放情況如表1 所示：表1 鋼鐵主要生產(chǎn)工序NOx排放情況 2018年5

2、月，生態(tài)環(huán)境部在新頒布的鋼鐵企業(yè)超低排放改造工作方案(征求) 50mg/m3以?xún)?nèi) 目前鋼鐵企業(yè)普遍未采取脫硝措施，鋼鐵生產(chǎn)工序中的燒結(jié)NOx 減排具有較大的潛力和非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。 項(xiàng)目 燒結(jié) (球團(tuán))焦化 煉鐵 煉鋼 軋鋼 占鋼鐵行業(yè)NOx 總排放量比例 /%54.6611.8014.294.3514.91研究背景燒結(jié)流程O(píng)x百分比NONON O燒結(jié)煙氣中NOx的濃度一般在200400mg/m3點(diǎn)火燒結(jié)布料二混配料一混80%90%為燃料型氮，熱力型和快速型NOx很少研究背景燃料含氮量料層厚度 燒結(jié)料粒度堿度等 效果 不顯著原料控制燒結(jié)NOx減排低NOx燃燒法低氧燃燒法、分級(jí)燃燒法 過(guò)程控制

3、 (燒結(jié)過(guò)程脫硝)影響燒結(jié)礦質(zhì)量 煙氣循環(huán)法(FGR)選擇性非催化還原法(SNCR)選擇性催化還原法(SCR)投資成本高 占地面積大 末端控制 (燒結(jié)煙氣脫硝)若能在保證燒結(jié)礦質(zhì)量的情況下，在燒結(jié)過(guò)程中減少氮氧化物的排放量，將具有非常大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。研究思路 思路: 利用燒結(jié)礦本身對(duì)氮氧化物還原的催化作用， 來(lái)降低NOx排放濃度。 研究表明，-Fe2O3和-Fe2O3均有催化脫硝作用。 研究分析，在燒結(jié)體系結(jié)過(guò)程反應(yīng)生成的鐵酸鈣，對(duì)在同一體系中生成的NOx的還原反應(yīng)起到了催化作用，說(shuō)明燒結(jié)礦中含有能夠 催化氮氧化物還原的物質(zhì)，如鐵酸鈣等。 研究方法探究不同溫度、CO/NO摩爾比、O2濃

4、度對(duì)燒結(jié)礦催化還原NO的影響燒結(jié)礦粒度為0.21mm 燒結(jié)礦體積20mL空速3000h-1氣體總流量1L/min CO 濃 度 為 0.3% NO濃度為500ppm平衡氣體為N2燒結(jié)礦作為脫硝催化劑，研究燒結(jié)礦對(duì)CO還原氮氧化物的影響； 以NO作為研究對(duì)象進(jìn)行熱燒結(jié)礦自催化燒結(jié)煙氣NOx還原實(shí)驗(yàn)研究。 結(jié)果與討論實(shí)驗(yàn)原料試驗(yàn)用燒結(jié)礦化學(xué)組分(%)TFeFeOCaOMgOAl2O3SiO256.897.3210.871.91.915.485001- 赤鐵礦 2- 磁鐵礦 3- 鐵酸鈣 4- 鈣鐵輝石214001300212001131121 23100342331010203040502/607

5、08090燒結(jié)礦X射線(xiàn)衍射圖譜Intensity/Counts結(jié)果與討論熱力學(xué)分析在燒結(jié)配碳的情況下，可能發(fā)生的氧化還原反應(yīng)如下，見(jiàn)反應(yīng)式(2)(6)，反應(yīng)式(2)(6)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能圖譜如圖2.1所示。300序號(hào)反應(yīng)式(2)(3)(4)(5)(6)(2)(3)(4)(5)(6)N2(g)+O2(g)=2NO(g) 2CO(g)+O2(g)=2CO2(g)2CO(g)+2NO(g)=2CO2(g)+N2(g) C(g)+2NO(g)=CO2(g)+N2(g)2C+O2(g)=2CO(g)0-300-600-900-120001500范圍，N2不可能被O2氧化，CO氣體和焦炭都有可能還原煙氣

6、中的NO，0300600900T/120015001800而CO對(duì)NO的還原反應(yīng)為氣-氣相界面反應(yīng)，具有較好的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件。圖2.1 反應(yīng)式(2)(6)的在不同溫度下的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能圖譜G/(KJmol-1)結(jié)果與討論高溫條件下鐵氧化物與NO發(fā)生氧化還原反應(yīng)，可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)有如下，見(jiàn)反應(yīng)式(7)(12)。反應(yīng)(7)(12)的吉布斯自由能圖譜如圖2.2所示。序號(hào)反應(yīng)式-50(7)(8)(9)(10)(11)(12)(7)(8)(9)(10)(11)(12)Fe+NO(g)=FeO+1/2N2(g) 3/4Fe+NO(g)=1/4Fe3O4+1/2N2(g)2/3Fe+NO(g)=1/3F

7、e2O3+1/2N2(g)3FeO+NO(g)=Fe3O4+1/2N2(g)2FeO+NO(g)=Fe2O3+1/2N2(g)2Fe3O4+ NO(g)= 3Fe2O3+1/2N2(g)-100-150-200-250-300-350030060090012001500T/圖2.2 反應(yīng)式(7)(12)的在不同溫度下的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能圖譜G/(KJmol-1)反應(yīng)(7)(12)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能都為負(fù)值，說(shuō)明Fe、FeO和Fe3O4還原CO的反應(yīng)在熱力學(xué)上具有可行性。結(jié)果與討論鐵酸鈣催化CO還原NO的作用機(jī)理：（1） CO與NO吸附在鐵酸鈣活性位形成吸附活化物：CO(g) CO(ads)NO(

8、g) NO(ads)（2） 鐵酸鈣被CO還原得到氧缺位的鐵酸鈣及低價(jià)態(tài)氧化物：2(CaOFe2O3) +CO(ads) 2CaOFe2O3+2FeO+CO22CaOFe2O3+3CO(ads) 2Fe+2CaO+3CO2（3） 低價(jià)態(tài)鐵氧化物在CO作用下還原吸附的NO，低價(jià)態(tài)的鐵氧化物得氧被氧化，NO失氧生成N2：4Fe+6NO(ads) 2Fe2O3+3N24FeO+2NO(ads) 2Fe2O3+N2（4） Fe2O3和CaO重新反應(yīng)生成鐵酸鈣：Fe2O3+ CaOCaOFe2O3結(jié)果與討論100無(wú)燒結(jié)礦，CO對(duì)NO的還原作用在600以上的高溫條件下才能發(fā)生，在低溫條件下難以進(jìn)行無(wú)催化劑以

9、燒結(jié)礦為催化劑806040有燒結(jié)礦，反應(yīng)溫度從400升至500時(shí)，NO的轉(zhuǎn)化率從22.82%增加至99.58%，200700溫度/圖 3.1 溫度對(duì)燒結(jié)礦催化還原NO的影響4005006008009001000NO轉(zhuǎn)化率/%燒結(jié)礦帶的溫度處于5001400之間，主要為熔融物冷凝過(guò)程；燃燒帶的溫度在7001400之間，燒結(jié)礦帶和燃燒帶的溫度滿(mǎn)足燒結(jié)礦催化CO還原NO的溫度條件。溫度結(jié)果與討論100100908080607060405020400300.40.60.81.01.21.41.62468CO/NO摩爾比 1012O2/%濃度 圖 3.3 O2濃度對(duì)燒結(jié)礦催化還原NO的影響圖 3.2 C

10、O/NO摩爾比對(duì)燒結(jié)礦催化還原NO的影響NO轉(zhuǎn)化率/%NO轉(zhuǎn)化率/%燃燒帶內(nèi)部由于燃料的燃燒導(dǎo)致CO濃度大于26%，而NO的濃度約為400600 ppm， CO/NO摩爾比遠(yuǎn)大于6；而且在燃料燃燒界面，由于氧氣大量消耗，使得氧氣的含量降低至5%以下，可以通過(guò)加入其他添加劑或燃料內(nèi)裹等手段，減少NO的產(chǎn)生、促進(jìn)CO對(duì)NO的還原反應(yīng)，從而降低O2濃度的影響。結(jié)論與展望結(jié)論(1) CO、Fe、FeO、Fe3O4與NO發(fā)生氧化還原反應(yīng)在熱力學(xué)上都具有可行性， 鐵酸鈣對(duì)CO還原NO具有催化作用；(2) 無(wú)燒結(jié)礦，CO對(duì)NO的還原作用在600以上的高溫條件下才能發(fā)生，在低溫條件下難以進(jìn)行;有燒結(jié)礦，反應(yīng)溫度從400升至500時(shí)，NO的轉(zhuǎn)化率從22.82