鋼鐵行業(yè)焦爐煙氣新型脫硫脫硝技術應用
——以某鋼鐵企業(yè)為例

高 困

(江蘇環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術研究院股份公司，江蘇 南京 210019)

1 引言

隨著《煉焦化學工業(yè)污染物排放標準》的實行，煉焦行業(yè)面臨的環(huán)保壓力日漸增大。目前國內(nèi)焦爐煙氣脫硫脫硝剛剛起步，鋼鐵行業(yè)對比其他行業(yè)較成熟的煙氣處理工藝來說，做到工藝技術路線成熟、投資省、噸焦成本低、副產(chǎn)物及二次污染少且占地少的煙氣脫硝處理技術至關重要，尋找到比較適合的焦爐煙氣脫硫脫硝的工藝技術路線，也是鋼鐵行業(yè)普遍關心的重點。

2 鋼鐵行業(yè)焦爐煙氣處理工藝的選擇

2.1 鋼鐵行業(yè)與煤電行業(yè)煙氣的迥異

現(xiàn)階段火電[1]、煤電[2]等行業(yè)的煙氣脫硫脫硝技術相對成熟，主要工藝技術路線大致可分為干法、半干法、濕法三類[3]。但業(yè)界研究實踐表明，煤電行業(yè)的煙氣治理工藝并不能完全滿足鋼鐵行業(yè)焦爐煙氣排放的標準需求。因此，鋼鐵焦爐行業(yè)[4,5]在借鑒火電、煤電冶金行業(yè)成熟的脫硫脫硝技術基礎上，需結合自身焦爐工藝的特點。因為兩者主要有以下3個不同點。

(1)脫硝前煙氣溫度不同。焦爐煙氣在脫硝之前，其溫度一般為160～250 ℃，煤電煙氣脫硝前溫度為300～450 ℃,焦爐煙道的溫度無法匹配傳統(tǒng)工藝的溫度條件，從而阻礙了一些技術工藝在焦爐煙道氣脫硝方面的應用。

(2)煙氣的污染物成分不同。煤電行業(yè)煙道氣中SO2含量偏高，NOX含量偏低，而焦爐煙道氣中NOX含量偏高，SO2含量偏低，且含有焦油、一氧化碳、游離炭等組分，這導致活性炭聯(lián)合脫硫脫硝法等適合于高硫低氮煙氣工況的工藝在焦化行業(yè)難以適用。

(3)排煙溫度不同。焦爐煙囪內(nèi)部必須保持130 ℃以上的溫度(焦化行業(yè)稱之為煙囪熱備)，在引風機出現(xiàn)故障時，能夠保證焦爐煙囪還能為煉焦工藝提供穩(wěn)定的壓力出口條件，而不影響整個焦爐的生產(chǎn)，而煤電行業(yè)的排煙溫度最大限值是48 ℃，所以排煙溫度過低的濕法工藝在焦化行業(yè)的應用受到制約。

2.2 鋼鐵行業(yè)新型催化法煙氣脫硫脫硝工藝選擇

鑒于對鋼鐵行業(yè)與火電、煤電等行業(yè)煙氣的分析，干法、活性炭聯(lián)合脫硫脫硝法和濕法工藝[3]等傳統(tǒng)且較成熟的工藝不適用于鋼鐵行業(yè)焦爐煙氣的脫硫脫硝處理。目前，對鋼鐵企業(yè)進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)大多鋼企選擇采用旋轉(zhuǎn)噴霧法Na法脫硫(SDA)+低溫選擇性催化還原脫硝(SCR)工藝技術路線，但此工藝的系統(tǒng)阻損大，能耗大，投資大且工程占地面積多。因此，需要尋求一種高效、成熟、安全、節(jié)能、經(jīng)濟的組合式脫硫脫硝煙氣凈化工藝。結合某鋼鐵企業(yè)的自身特點，發(fā)現(xiàn)新型催化法脫硫+中低溫選擇性催化還原脫硝(SCR)工藝技術路線滿足上述需求。

3 新型催化法脫硫+中低溫選擇性催化還原脫硝(SCR)工藝原理

某鋼鐵企業(yè)的焦爐煙氣凈化工藝系統(tǒng)主要有：煙氣系統(tǒng)、煙氣調(diào)質(zhì)系統(tǒng)、新型催化法脫硫系統(tǒng)、SCR脫硝系統(tǒng)、引風機、煙囪等組成。

3.1 新型催化法反應原理

焦爐過來的煙氣首先經(jīng)過調(diào)質(zhì)管段將煙氣溫度穩(wěn)定到140 ℃左右，然后輸送至脫硫塔，煙氣中的SO2、H2O、O2在塔內(nèi)新型催化劑中被吸附，在新型催化劑作用下被SO2和O反應生成SO3，SO3進一步和H2O反應生成H2SO4，從而實現(xiàn)煙氣脫硫的目的。

在催化劑上的二氧化硫、三氧化硫均經(jīng)催化氧化生成硫酸(SO3不會單獨存在并攜帶至后續(xù)系統(tǒng))，當催化劑內(nèi)的硫酸達到飽和后進行再生。再生采用梯級循環(huán)再生方式，通過不同濃度的稀酸進行分級淋洗，最終將床層內(nèi)的硫酸轉(zhuǎn)化到再生液中，脫硫劑的活性得到恢復，同時獲得15%左右濃度的稀酸產(chǎn)品。再生完畢后的脫硫單元床層較為濕潤，可將脫硝處理后的潔凈尾氣引至該脫硫單元，對床層進行吹干處理，并可將床層提高一定溫度，處理后的床層可靜置備用。

3.2 SCR脫硝反應原理

脫硫后煙氣送入SCR脫硝系統(tǒng)入口煙道，SCR脫硝系統(tǒng)向催化劑上游的煙氣中噴入氨氣或其它合適的還原劑、利用催化劑將煙氣中的NOX轉(zhuǎn)化為N2和H2O。在通常的設計中，使用液態(tài)無水氨或氨水(氨的水溶液)，無論以何種形式使用氨，首先使氨蒸發(fā)，然后氨和稀釋空氣或煙氣混合，最后利用噴氨格柵將其噴入SCR反應器上游的煙氣中。

在SCR反應器內(nèi)，NO通過以下反應被還原：

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O

(1)

6NO+4NH3=5N2+6H2O

(2)

當煙氣中有氧氣時，反應(1)優(yōu)先進行，因此，氨消耗量與NO還原量有一對一的關系。

在燃燒煙氣中，NO2一般約占總的NOX濃度的5%，NO2參與的反應如下：

2NO2+4NH3+O2=3N2+6H2O

(3)

6NO2+8NH3=7N2+12H2O

(4)

式(3)、(4)兩個反應表明還原NO2比還原NO需要更多的氨。在絕大多數(shù)的煙氣中，NO2僅占NOX總量的一小部分(約5%左右)，因此NO2的影響并不顯著。

4 新型催化法脫硫+中低溫選擇性催化還原脫硝(SCR)技術特點

4.1 新型催化法脫硫在工程應用上的特點

新型催化法技術既具有吸附功能，又具有催化劑的催化功能。煙氣中的SO2、H2O、O2被吸附在催化劑的孔隙中，在活性組分的催化作用下變?yōu)榫哂谢钚缘姆肿?，同時反應生成H2SO4。催化反應生成的硫酸富集在載體中，當脫硫一段時間孔隙能硫酸達到飽和后再生，釋放出催化劑的活性位，催化劑的脫硫能力得到恢復。其核心是催化劑，該催化劑不同于傳統(tǒng)脫硫活性焦、活性炭，它是以炭材料為載體，負載一定活性組分制備而成脫硫劑，使其對SO2氧化制酸過程具有催化性。其在工程應用上的特點如下。

①脫硫效率高于傳統(tǒng)技術；②新型催化劑使用壽命較長，無需持續(xù)添加，每年維護即可，所以，脫硫劑一次投入后可長期使用，耗量少，避免鈣法、氨法、鎂法、鈉法、活性焦法等脫硫技術需隨時加入脫硫劑，脫硫劑耗量大的問題；③可用于氣量、濃度波動大的煙氣處理，操作彈性大；④工藝流程短，設備少。由于無需脫硫原料的制備及供料、運入、輸送系統(tǒng)，系統(tǒng)設備少，裝置相對簡單，占地相對較小，因而，減少了現(xiàn)場維護工作量；⑤改變了傳統(tǒng)脫硫活性焦、活性炭脫硫后再生需采用高溫煙氣(>400 ℃)再生耗能問題，僅需采用水洗，相應能耗較低，因此，工藝簡單，能耗低，裝置建設和運行費用較低；⑥無固廢產(chǎn)生，脫硫副產(chǎn)物為稀硫酸，是化工產(chǎn)品，可以根據(jù)用戶需要以硫酸、硫酸鹽等形式實現(xiàn)資源化利用，無二次污染的產(chǎn)生；⑦可與脫硝、脫碳、除重金屬工藝相結合，達到更高的環(huán)保要求；新型催化法脫硫效率高，煙氣脫硫反應窗口溫度140 ℃左右，焦爐來煙氣溫降少，這使得下游脫硝裝置的反應溫度窗口得以降低，為后續(xù)SCR反應器脫硝升溫減少了能耗，進而節(jié)約了系統(tǒng)能耗。

4.2 SCR脫硝技術在工程應用上的特點

煙氣脫硝SCR工藝[6]已經(jīng)相當成熟，但由于焦爐煙氣較其他行業(yè)產(chǎn)生的煙氣溫度低，為160～250 ℃，因此，該工藝在鋼鐵行業(yè)焦爐煙氣處理的核心是選擇合適的脫硝催化劑，即選擇中低溫脫硝催化劑。其在工程應用上的特點如下。

①脫硝效率最高可以達到90%以上，NOX排放濃度可控制到50 mg/Nm3以下；②氨逃逸濃度低，可以控制在3×10-6以下；③系統(tǒng)簡單，操作便利，催化劑在與煙氣接觸過程中，受到氣態(tài)化學物質(zhì)毒害、飛灰堵塞與沖蝕磨損等因素的影響，其活性逐漸降低，通常3～4年增加或更換一層催化劑即可繼續(xù)保證系統(tǒng)脫硝效果；④脫硝裝置占地小，脫硝反應器系統(tǒng)阻力??；⑤布置靈活，可以方便地與脫硫裝置聯(lián)合；⑥安全性高，無塵爆的風險。

5 結語

某鋼鐵公司在應用新型催化法脫硫+中低溫選擇性催化還原脫硝(SCR)工藝技術后，焦爐煙氣處理系統(tǒng)SO2、NOX、顆粒物去除效率提升至80%、85%、60%，不僅實現(xiàn)焦爐煙氣高效脫硫脫硝，而且確保焦爐煙囪始終處于“熱備用”狀態(tài)。工藝實施后焦爐煙氣相應污染物排放濃度穩(wěn)定達到《煉焦化學工業(yè)污染物排放標準》(GB16171-2012)標準限值要求，并且工藝過程無廢水排放，實施后大大降低了某鋼企的焦爐煙氣污染物排放。其脫硝方案中催化劑反應溫度為200 ℃，相對中低溫催化劑，適當降低脫硝反應溫度，降低了脫硝反應器的規(guī)模、減少脫硝系統(tǒng)中GGH的換熱元件面積、系統(tǒng)中煙道的截面積，從而節(jié)省了投資。

綜上，新型催化法脫硫+中低溫選擇性催化還原脫硝(SCR)工藝技術是一種高效、成熟、安全、節(jié)能、經(jīng)濟的組合式脫硫脫硝煙氣凈化工藝，鋼鐵行業(yè)焦爐煙氣的處理工作可以借鑒。