降低NOx排放的煉鋼創新工藝方法
NOx氣體反應會形成臭氧，是煙霧、酸雨的主要成分，也是形成細小顆粒物的主要組成部分，所有這些都對人類健康有不利影響。美國環境保護署對NOx的排放加以限制，對于未達標地區尤其嚴格。一種使整個熔煉車間的NOx排放量最小化的工藝被開發，主要涉及電弧爐冶煉區域，但也包括鋼包精煉爐、真空脫氣裝置、連鑄機以及烘烤和干燥設備。本文討論了相關研究和已經將整個熔煉車間的NOx平均排放量降低到50g/t鋼水以下的實際方法。
1自然界的NOx
NOx是在地球上以多種形式和不同濃度自然存在的物質。生物或自然產生的NOx來源主要包括閃電、森林火災、草原火災、樹木、灌木、草地和酵母。氮的化合物在地球的大氣-生物圈系統中發揮著重要作用。大氣中的NOx（NO、NO2、N2O等）和其他氮基化合物（HNO2、HNO3等）參與了很多重要的光化反應，對于大氣中的臭氧量具有控制性影響。
到目前為止，還不能準確地確定自然界產生的NOx比例，但可以確認的是，這種化合物是以一定的濃度存在于大氣層中，以實現光化反應和控制大氣中的臭氧。
2NOx過多引起的問題
通常提到NOx時，指的是7種氮氧化物（見表1）的總濃度。
其中，最有毒害的兩種化合物是NO和NO2。白天，這些化合物，和一個臭氧結合，處于穩定狀態；NO與NO2的比例取決于日照強度（將NO2轉化為NO）和臭氧濃度（與NO反應再次形成NO2）。即，NO+O3←→NO2+O2。
當NOx和揮發性有機化合物（VOCs）在有陽光時發生反應，形成光化煙霧，這是大氣污染的重要形式，特別是夏天。
NOx排放過多會影響飲用水源，使其營養過剩（湖泊或其他水體中營養過度），造成全球變暖，平流層臭氧損耗，對人類的毒害甚至威脅到地球上的生命。
孩子、有哮喘等肺部疾病的成人以及在戶外工作或鍛煉的人們容易受到煙霧的不利影響，傷及肺部和降低肺功能。與NOx相關的污染還有紅潮、PM2.5、酸雨等。
3人為產生的NOx
人類活動產生的NOx主要來自于燃料燃燒和其他高溫設備。考慮到不同的燃燒源，NOx的生成有三種方式：
熱力型NOx——高于1300℃的燃燒形成濃度較高的熱力型NOx。
燃料型NOx——含氮燃料（如煤）通過氮的氧化生成燃料型NOx。
瞬時型NOx——瞬時NOx是空氣氮和燃料在“富燃料”條件下結合形成的，這一現象在所有的燃燒中都存在。隨后，氮和燃料一起被氧化，在燃燒過程中變成NOx，和“燃料型NOx”相同。燒嘴即是這類情況，因為在其火焰中存在富燃料區域（有的燒嘴也沒有，如低NOx燒嘴）。
另一種人為產生NOx的方式是在感應電弧中因極高的熱量使氮分子分裂。
總之，交通業（小轎車和其他汽車）排放的NOx占全世界排放總量的大約一半。對于關注的固定污染源，發電廠鍋爐產生的NOx排放約占20%。其他諸如工業鍋爐、焚化爐、燃氣輪機、在固定點的往復式火花點火引擎和柴油發動機、鋼鐵廠、水泥制造廠、玻璃制造廠、煉油廠、硝酸制造廠等也會產生大量NOx排放。人為產生NOx的來源大致可分為以下幾類：移動來源（交通運輸）50%、發電廠20%、其他來源30%。
交通運輸產生的NOx排放會引起空氣污染問題，特別是在城區。通常認為，工業生產是污染的首要來源。但有研究已經發現在工業地區由交通運輸產生的NOx污染已經超過了工業生產。盡管如此，控制工業生產NOx排放的重要性依然不容忽視。
4鋼廠中的NOx從何而來
本研究目的旨在降低煉鋼廠電弧爐熔煉車間的NOx排放，因此對鋼廠電弧爐熔煉車間的設備和工藝進行了討論。聯合鋼鐵廠和熱軋廠不在本研究范圍之內。
對于電弧爐熔煉車間，凡是帶有電弧或燒嘴的工藝或設備都應被視為NOx的排放源，但正如本文后面將看到的，實際并不僅限于此。
所以最初，認為NOx主要產生于以下熔煉車間區域：
電弧爐（通過電弧和天然氣燒嘴產生）；
鋼包精煉爐（通過電弧產生）；
鋼包烘烤器和烘干機（通過天然氣燒嘴產生）；
中間包烘烤器和烘干機（通過天然氣燒嘴產生）。
如圖1所示，為實際電弧爐熔煉車間的工藝流程。
以某公司多年來對多個配置了實時和非實時NOx檢測設備和儀器的熔煉車間監測所獲得的數據為基礎，觀察到采用向爐內連續加入金屬原料（通過Consteel設備連續加入廢鋼或者連續加入直接還原鐵DRI）方式的熔煉車間，其NOx排放量大大低于采用傳統料斗批量加入廢鋼的熔煉車間。顯然，這與采用料斗加入廢鋼熔化期間電弧未被鋼渣覆蓋有關，電弧將其周圍的空氣電離，而在平熔池熔化過程中（不管是采用Consteel技術，還是通過爐頂加入DRI），電弧通常被熔渣包圍并全部覆蓋，而不是空氣。
這些觀測主要是通過測量車間袋式除塵器排出煙氣的NOx含量，或者是所有車間袋式除塵器排出煙氣中NOx含量的總和來完成的，因為有些車間正在運行不止一個。研究發現，NOx的小時排放量非常清晰地顯示出某些峰值。這些峰值的出現與某些操作或者在車間執行某些特定工藝的時候相對應。事實上，在表2所列的情況中，已經注意到NOx排放的峰值。
因此，本研究的第一個中間結論是，熔煉車間的NOx排放不僅與某一特定設備有關，有時還與熔煉車間的生產工藝有關。
5降低鋼廠NOx排放的通用標準
降低鋼廠NOx排放的要求，特別是在特定的國家和地區，是由現行環境條例規定的，其中一些如下：
美國環境保護署（EPA）：國家環境空氣質量標準（40CFR，第50章）；
歐盟：歐洲議會和理事會的2008/50/EC指令；
挪威：2017年NOx排放稅。
在某些國家，NOx排放規定因地區不同而不同，具體取決于這一特定地區距離人口密集地區、自然公園、自然保護區和其他情景的遠近程度。美國即是如此，在某些被定義為“非達標區”的地區，NOx的排放限量非常低。
在上述所有情況下，電弧爐熔煉車間的生產仍然能夠符合嚴格環保規定。減少NOx排放的方法包括兩個階段：一個是“模擬”（見表3），一個是“數字化”（見表4）。
工業4.0提供的人工智能工具可以進一步優化模擬NOx的減排。
6模擬NOx減排方法的特點
6.1采用經過認證的低NOx排放設備
采用經過認證的低NOx排放設備是所謂模擬方法的第一步。如果鋼廠仍在使用高NOx排放的設備或部件，就不可能將NOx優化和減少NOx排放到最低限度。目前，經過認證的低NOx排放設備只有加熱燒嘴。
熔煉車間所有需要干燥和烘烤的操作都將采用低NOx燒嘴（見圖2中的區域12、13、14）。
6.2經過驗證的低NOx排放工藝
這是改進空間最大的領域，因為這些工藝一直未被認為是NOx的潛在排放源。表5分析了與NOx減排相關的主要工藝和子工藝。
6.3控制加入的原材料
如表5所示，某些材料，如含碳材料，可能是NOx形成的原因。
對于含碳材料而言，其揮發分被認為是形成NOx最危險的因素，盡管在通常加入EAF的其他原料中也會發現N的存在，如造渣劑。雖然不是最重要的，但對于全面且深入的NOx減排戰略而言，也應考慮在內。
7對采用LOWNOXMELTSHOP模擬減排方法后的鋼廠NOx排放量進行測量
對采用上述一種或多種NOx減排工藝的各鋼廠的NOx排放量進行了測量。一個典型的例子是為防止熔煉車間煙囪排放的NOx過多，某鋼廠同時采用了上述幾個減排工藝。也就是說，NOx減排戰略已經考慮了以下方面：
采用ConsteelEAF技術；
密閉EAF設計；
EAF不使用燒嘴；
采用低揮發分的碳粉進行噴吹；
在原料中加入至少20%的生鐵；
嚴格控制熔池內的氧活度；
使用EFSOP氣體檢測設備控制二次燃燒；
密封降塵室；
所有干燥和烘烤站使用低NOx燒嘴。
在這種情況下，不僅測量了熔煉車間除塵煙囪排放的NOx量，還測量了電弧爐一次煙道排放的NOx量，以便發現兩者之間可能存在的有用的對應關系。檢測點設置在降塵室（DOB）和淬火塔后面的一次煙道的出口，此處的溫度在180℃到230℃之間。
進行了幾組檢測，在此期間，熔煉車間生產了幾千噸鋼水，小時產鋼量約為110t。該熔煉車間的檢測結果非常顯著，見圖3、見圖4。
期間測量的NOx平均濃度為3.66mg/Nm3。
上述檢測值還必須考慮到以下參數：
煙囪廢氣流量為1343161Nm3/h；
小時NOx排放總量為4.9kg（對應的噸鋼NOx排放總量為45.3g）。
這個測量值遠遠低于Kirschen等人測量的連續加料電弧爐NOx排放值100-120g/t，或料斗加料電弧爐NOx排放值220-250g/t。這說明即使采用必要的設備，也不足以限制NOx的排放，還必須考慮工藝方法來控制NOx的排放。
在相同的邊界條件下，可以估算出一個年產100萬噸鋼水的典型熔煉車間的NOx排放總量為43.5t/a。
將這一數值放在美國中等非達標區域（其NOx的排放限值為100t/a）來看，這里所提到的方法措施具有很高的實用意義。
8LOWNOXMELTSHOP數字化減排NOx方法的基本理念
數字化減排NOx方法可以看作是對模擬減排方法的優化。毫無疑問，它只能在第一步就位之后，才能實施。
利用工業4.0可用的工具，如物聯網、大數據、云計算和高級分析以及未來的人工智能算法，可對大量采集的數據進行整合，例如NOx檢測值，并將這些數據存儲在非常強大的基于云技術的計算機上，可以檢索數據，和工廠其他有用的信息（原料化學成分、工藝階段和其他工廠數據）相關聯，見圖5。
該系統將能夠實時分析NOx的生成，從而進行預測分析，以減少NOx的生成和進一步減少NOx的排放。
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