燒結(jié)煙氣SCR脫硝技術(shù)的應用實踐

孫 東，梁春明

（石橫特鋼集團有限公司 煉鐵廠，山東 肥城271612）

1 前 言

燒結(jié)煙道廢氣中排放的氮氧化物含量在280～360 mg/m3，其來源主要是空氣中的氧與燒結(jié)燃料中氮元素高溫燃燒發(fā)生反應生成NOx。廢氣中的NOx主要由NO和NO2組成，其中NO約占NOx總量的95%，NO2約占NOx總量的5%?？諝庵械腘Ox可與碳氫化合物經(jīng)紫外線照射發(fā)生反應形成光化學煙霧，也可與空氣中的水反應生成硝酸和亞硝酸形成酸雨，影響人類健康，污染環(huán)境［1］。根據(jù)山東省《鋼鐵工業(yè)大氣污染物排放標準》中規(guī)定，燒結(jié)煙道廢氣中氮氧化物排放量要求在50 mg/m3以下。通過工藝調(diào)整優(yōu)化，氮氧化物只能控制在270 mg/m3左右，氮氧化物減排問題已成為制約公司能否生存發(fā)展的主要瓶頸。在此背景下，石橫特鋼開展燒結(jié)煙氣NOx減排技術(shù)研究。新3#燒結(jié)SCR脫硝技術(shù)于2018年12月15日投入應用，該技術(shù)使用20%濃度的氨水作為脫硝還原劑，將燒結(jié)煙氣NOx降低至50 mg/m3以內(nèi)，實現(xiàn)NOx超低排放。

2 SCR脫硝原理

2.1 化學反應原理

在SCR脫硝工藝中，將氨水霧化噴入燒結(jié)煙氣中，在催化劑作用下和300～400℃溫度范圍內(nèi)氨與NOx反應，生成氮氣和水。主要化學反應方程式為：

2.2 化學反應機理

氨首先被催化劑活化成氨基，再與煙氣中的NO偶合，形成了極易降解為N2和H2O的亞硝基中間產(chǎn)物。隨著還原態(tài)的催化劑被煙氣中的氧氣所氧化，催化劑得到復原，實現(xiàn)了催化循環(huán)，見圖1。

圖1 脫硝反應機理

3 SCR脫硝技術(shù)工藝流程

SCR脫硝技術(shù)有以下系統(tǒng)：熱風爐加熱系統(tǒng)、網(wǎng)鏈除塵系統(tǒng)、GGH系統(tǒng)、SCR反應器（含3層催化劑及吹灰系統(tǒng)）、煙氣降溫系統(tǒng)、氨水儲存及輸送系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等。

工藝流程：主抽風機將130℃的原煙氣送入脫硝原煙道，煙氣流經(jīng)GGH換熱器，在GGH換熱器和熱風爐的作用下，將原煙氣加熱到310℃，氨水經(jīng)噴槍霧化在脫硝原煙道與加熱后原煙氣混合，經(jīng)網(wǎng)鏈除塵器除塵，進入SCR反應器，在催化劑作用下，氨氣與煙氣中的NOx加速反應實現(xiàn)脫硝。脫硝后的煙氣經(jīng)GGH換熱器降溫至160℃，再進入煙氣降溫器降溫至120℃，經(jīng)增壓風機去往吸收塔進行脫硫除塵，最終達標排放。工藝流程見圖2。

脫硝系統(tǒng)設兩臺CEMS，分別安裝在脫硝入口煙道和脫硫塔出口煙道，用于檢測整套系統(tǒng)的出入口數(shù)據(jù)，出、入口數(shù)據(jù)CEMS的NOx數(shù)據(jù)通過硬接線接入脫硝DCS中進行監(jiān)控與記錄，出口在線數(shù)據(jù)直接上傳市環(huán)保局，有力保障數(shù)據(jù)的真實性、有效性。

4 脫硝技術(shù)參數(shù)的控制

4.1 催化劑活性

圖2 脫硝系統(tǒng)工藝流程

催化劑是SCR系統(tǒng)中關鍵設備之一，其類型、結(jié)構(gòu)和表面積對脫除NOx效果有很大影響，該工藝選擇金屬氧化物為催化劑，主要材質(zhì)為V2O5-WO3（MoO3）/TiO2。影響催化降解效果的因素有以下幾點。

1）反應溫度。反應溫度決定著反應速度和反應活性。如果溫度過低，反應速率慢，甚至出現(xiàn)了一些不利于NOx降解的副反應，如銨鹽的生成反應加快。如果溫度過高，則會出現(xiàn)催化劑活性微晶受高溫燒結(jié)的現(xiàn)象，影響了催化劑的使用壽命。SCR系統(tǒng)反應溫度控制在300～400℃。

2）空間速率［2］。煙氣的空間速率越大，其停留時間越短。一般而言，SCR的脫硝效率將隨煙氣空間速率的增大而降低。空間速率通常是根據(jù)SCR反應器的布置位置、脫硝效率、煙氣溫度、允許的氨逃逸量以及粉塵濃度來確定的?？臻g速率一般在2 500～3 500 Nm3/（m3·h）。

3）煙氣流型及與氨的湍流混合。在工程設計中必須重視煙氣的流場，噴氨點應具有湍流條件以實現(xiàn)與煙氣的最佳混合，形成明確的均項流動區(qū)域。

4.2 脫硝率

燒結(jié)廢氣中入口NOx濃度一般在280～360 mg/m3，通過實時控制氨水流量、噴氨周期，保證SCR系統(tǒng)出口NOx＜50 mg/m3，脫硝率達90%以上。

4.3 催化劑壓差

催化劑運行壓差反映了煙氣經(jīng)過SCR反應器催化劑層后的壓頭損失。壓差的升高趨勢，代表催化劑的堵塞嚴重程度。正常情況下，壓差＜0.6 kPa。

4.4 NH3/NOx的摩爾比

氨氮摩爾比簡稱為氨氮比［3］，理論上，1 mol的NOx需要1 mol的NH3去脫除，NH3量不足會導致NOx的脫除效率降低，但NH3過量又會帶來NH3對環(huán)境的二次污染以及產(chǎn)生氨鹽等腐蝕性物質(zhì)。通常，噴入的NH3量隨機組負荷的變化而變化，所以煙氣的NOx在線監(jiān)測設備要定期檢修、校準，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的精準。以氨逃逸量為基準，保證能與NOx充分反應，防止逸散。NH3逃逸率一般控制在＜3%。

4.5 聲波吹灰器操作

為防止催化劑積灰，提高催化劑使用壽命，在3層催化劑上方各均勻設有5套聲波吹灰裝置循環(huán)吹灰，聲波吹灰器每15 min噴吹1遍，利用金屬膜片在壓縮空氣下產(chǎn)生聲波，將壓縮空氣攜帶的能量轉(zhuǎn)為高強聲波對積灰產(chǎn)生剝離振動，使灰粒子和空氣產(chǎn)生震蕩，以便煙氣或重力將其帶走。聲波吹灰器工作壓力應＞0.5 MPa，否則難以達到除灰效果。

5 運行中存在的問題及對策

5.1 催化劑堵塞

催化劑堵塞主要是由于銨鹽及飛灰的小顆粒沉積在催化劑小孔中，阻礙了 NOx、NH3、O2到達催化劑活性表面，引起催化劑鈍化。

新3#燒結(jié)脫硝系統(tǒng)于2018年12月15日投入運行，運行后由于對反應溫度、吹掃周期及吹掃壓力等工藝參數(shù)的控制缺乏經(jīng)驗，運行不到1個月時間，催化劑總壓差由0.48 kPa逐步升高至1.5 kPa，系統(tǒng)阻力增加，導致燒結(jié)負壓降低，影響燒結(jié)礦產(chǎn)量降低。于2019年2月15日對脫硝系統(tǒng)工藝停機檢查，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)催化劑堵塞嚴重。檢修開機后采取增加吹掃頻次、降低反應溫度等措施，但催化劑仍有堵塞現(xiàn)象，于4月7日再次停機清理催化劑堵塞；此次停機在清理堵塞的同時，采取了降低噴吹管與催化劑的垂直距離，距離由500 mm降低至300 mm；另外在第三層催化劑上部增加網(wǎng)鏈清掃裝置，運行中定時對催化劑吹掃、聲波振打等，減少催化劑積灰。此次檢修開機后，催化劑堵塞現(xiàn)象得到一定改善，但壓差還是有緩慢升高趨勢。

為徹底解決催化劑堵塞對生產(chǎn)的影響，脫硝攻關小組不斷創(chuàng)新，擬在吹風管道中兌入調(diào)質(zhì)劑。2019年5月11日停機12 h，通過對相關設備的改造和對接，實現(xiàn)往吹風管道中兌入調(diào)質(zhì)劑。調(diào)質(zhì)劑的主要作用是改善煙氣的品質(zhì)，降低煙氣的黏度。調(diào)質(zhì)劑使用后催化劑堵塞現(xiàn)象得以消除，實現(xiàn)了SCR系統(tǒng)的長期平穩(wěn)運行。

5.2 催化劑的磨損

催化劑的磨蝕主要是由于飛灰撞擊催化劑表面形成的，磨蝕強度與氣流速度、飛灰特性、撞擊角度及催化劑本身特性有關。預防措施：加強生產(chǎn)操作管控，控制適宜的混合料水分，杜絕混合料出現(xiàn)干料；使用鋪底料工藝，提高機頭除塵效率，減少粉塵顆粒物進入脫硝系統(tǒng)。

5.3 催化劑堿金屬及砷中毒

堿金屬中毒主要是煙氣中Na、K腐蝕性混合物與催化劑表面接觸，降低催化劑活性。砷（As)中毒主要是由煙氣中的As2O3擴散進入催化劑表面及堆積在催化劑小孔中，在催化劑的活性位置與其他物質(zhì)發(fā)生反應堆積，引起催化劑活性降低。預防措施：一是燒結(jié)配礦時綜合考慮原料中堿金屬及砷元素帶入量，控制燒結(jié)礦中K2O≤0.12%、Na2O≤0.05%、As≤0.07%；二是做好機頭除塵設備維護，提高除塵運行效率。通過以上措施減少堿金屬及砷進入SCR系統(tǒng)。

5.4 NH3逃逸

監(jiān)控顯示SCR反應器出口氨濃度＞3×10-6。NH3逃逸一般是NH3/NOx的摩爾比參數(shù)控制過高或催化劑性能降低，不僅浪費了生產(chǎn)成本，而且造成環(huán)境的二次污染；另外，逃逸了的NH3與煙氣中的SO3反應生成NH4HSO4和（NH4）2SO4等黏稠狀的銨鹽，粘結(jié)在下游設備上，并腐蝕這些設備，同時增大了沿程阻力。減少NH3逃逸的措施：在保證SCR系統(tǒng)出口NO濃度達標排放的情況下，減少噴氨量；停機檢查催化劑是否完好或檢測催化劑的性能指標是否滿足要求；檢測煙氣流場是否均勻。

5.5 催化劑的更換與保養(yǎng)

當催化劑磨損或堵塞嚴重時，催化劑反應面積減少，會引起煙氣流不均勻和催化劑反應不充分，影響脫硝效率降低，氨逃逸率增加，需要對催化劑進行更換或清理。催化劑活性與氨逃逸率關系見圖3。

圖3 催化劑活性與氨逃逸率關系

6 運行指標及效果

1）石橫特鋼燒結(jié)SCR脫硝技術(shù)應用以來，燒結(jié)煙氣中NOx排放濃度由350 mg/m3降至50 mg/m3以內(nèi)，實現(xiàn)了環(huán)保超低排放要求，每年可減排氮氧化物約1 100 t，環(huán)境效益和社會效益顯著。

2）2019年5—10月，脫硝運行電耗0.79（kw·h）/t、加熱爐煤氣消耗4.81 m3/t、氨水消耗0.7 kg/t、調(diào)質(zhì)劑消耗0.38 kg/t、氮氣消耗5.78 m3/t、水消耗0.06 m3/t，綜合人工、維修合計運行成本7～8元/t。

3）噴吹壓力及頻次、噴吹管與催化劑垂直距離、調(diào)質(zhì)劑的使用、堿金屬含量控制是實現(xiàn)催化劑穩(wěn)定運行的關鍵，必須嚴格控制。