燒結(jié)煙氣雙加熱中低溫SCR脫硝技術(shù)分析研究

張 鑫，張金成，丁勇山

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176)

前言

鋼鐵工業(yè)是能源、資源消耗和污染排放的重點行業(yè)，“清潔發(fā)展”“科學發(fā)展”“可持續(xù)發(fā)展”成為鋼鐵行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級的具體方針。隨著國家和公眾的環(huán)境保護意識越來越強，綠色發(fā)展的重要性日益突出。2019 年4 月28 日，生態(tài)環(huán)境部頒布了《關(guān)于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，環(huán)保要求更加嚴格，各冶金企業(yè)更加注重環(huán)保排放要求，為持續(xù)改善對周邊環(huán)境的影響，氮氧化物已成為主要控制和治理的污染物之一。

近幾年鋼鐵行業(yè)主要生產(chǎn)工序NOx 排放情況如表1所列。

表1 鋼鐵主要生產(chǎn)工序NOx排放情況及排放限值

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，鋼鐵行業(yè)的燒結(jié)（球團）NOx 排放量已占全國鋼鐵行業(yè)NOx 總排放的50%以上[1]，燒結(jié)煙氣脫硝技術(shù)在國家節(jié)能減排目標實現(xiàn)過程中占有舉足輕重的地位。提高燒結(jié)煙氣脫硝設(shè)備運行的經(jīng)濟性、可靠性和環(huán)保性已經(jīng)成為鋼廠經(jīng)營管理所追求的綠色理念和主要目標，燒結(jié)NOx減排研究具有較大的潛力和重要的現(xiàn)實意義。

1 燒結(jié)煙氣特性

燒結(jié)機排放的煙氣成分復雜，波動性較大，燒結(jié)機排放的NOx 主要源自燒結(jié)過程中原料的燃燒，80%～90%為燃料型氮氧化物，燒結(jié)煙氣中NOx 的濃度一般在200～400 mg/m3。其種類和濃度與燒結(jié)配料、燒結(jié)溫度和空氣系數(shù)等燃燒環(huán)境有密切影響。主要具有以下特點[2]：

（1）煙氣溫度、流量變化大，煙氣會因燃燒操作的不同發(fā)生較大變化，范圍一般為80～150 ℃，煙氣流量變化幅度高達40%以上[3]。

（2）含濕量大且不穩(wěn)定，一般為10%～13%；含氧量高，一般為15%～18%。為保證燒結(jié)配料的透氣性，通常會在配料時加入適量的水，導致燃燒后的煙氣含水量高，露點溫度也高，范圍在60～80 ℃。

（3）煙氣含有多種污染成份，除含有二氧化硫、粉塵外，還含有重金屬、二噁英類、氮氧化物等。機頭電除塵粉塵含有大量的氯鹽、堿金屬，其中二氧化硫濃度變化大，范圍在400～5 000 mg/m3之間；

（4）燒結(jié)過程中煙氣NOx 主要來自于燒結(jié)燃料的燃燒[4]。燒結(jié)固體燃料中的氮主要為有機氮，燒結(jié)點火的溫度在1 100～1 200 ℃，NOx 的濃度在點火后迅速上升，在燒結(jié)過程中處于較高水平。隨著燒結(jié)過程中溫度的升高，燃料NOx 的濃度開始下降。燒結(jié)過程中料層溫度最高也只能達到1 350 ℃左右且持續(xù)時間較短，而熱力型的NOx 的生成溫度需要在1 500 ℃以上。

這些特點都在一定程度上增加了鋼鐵燒結(jié)煙氣治理的難度。

2 現(xiàn)有燒結(jié)脫硝技術(shù)路線

結(jié)合國內(nèi)外鋼廠實際情況及現(xiàn)狀，燒結(jié)NOx 減排應(yīng)分為源頭控制[5]、過程控制和末端處理。源頭控制主要側(cè)重于燃料的含氮量，料層厚度，燒結(jié)料粒度和堿度。過程控制分為NOx 產(chǎn)生和NOx 分解還原，抑制NOx 產(chǎn)生的方法主要有低氮燃燒、低氧燃燒和分級燃燒，NOx 分解還原則需靠煙氣循環(huán)工藝[6]等。由于國內(nèi)燒結(jié)煙氣脫硝技術(shù)還不夠完善，通過借鑒火電行業(yè)、化工行業(yè)脫硝技術(shù)，目前主要推廣的以末端處理技術(shù)為主?；跓Y(jié)煙氣的特殊性，市場煙氣脫硝技術(shù)可分為以下兩種：選擇性催化還原脫硝(SCR)[7]和活性炭吸附技術(shù)[8]。

2.1 選擇性催化還原脫硝(SCR)

選擇性催化劑還原（SCR）技術(shù)是在煙氣120～400 ℃溫度范圍內(nèi)在催化劑作用下，利用氨作為還原劑與煙氣中的NOx 反應(yīng)生成N2和H2O，而不與煙氣中的氧進行氧化反應(yīng)。還原劑噴射位置在SCR反應(yīng)器入口煙道，主要反應(yīng)如下：

對比選擇性非催化還原脫硝(SNCR)技術(shù)是在煙氣800～1 250 ℃溫度范圍內(nèi)無催化劑作用下脫硝，基于燒結(jié)煙氣的溫度范圍及燃燒特點，采用催化劑的SCR 脫硝技術(shù)通過降低活化能反應(yīng)更加合理經(jīng)濟。脫硝反應(yīng)可在較低的溫度條件下進行，可控性能好，氨逃逸量小。

對于已建脫硫項目的燒結(jié)煙氣，建議的技術(shù)路線是在脫硫后采用中低溫SCR 脫硝技術(shù)，將燒結(jié)煙氣升溫至260～350 ℃范圍，通過催化劑工藝進行脫硝處理，最后排放至煙囪達到超低排放的指標。

2.2 活性炭吸附技術(shù)

活性炭吸附技術(shù)利用活性炭的變溫吸附性能，在低溫時將煙氣中的SO2吸附，并被儲存在活性炭孔隙內(nèi)，在活性炭被高溫加熱時，活性炭發(fā)生脫附反應(yīng)，得到高濃度SO2解析氣，并回收利用制取硫酸，同時活性炭恢復吸附性能，循環(huán)利用?；钚蕴棵撓鮿t分為物理吸附和催化還原兩方面，通過物理吸附可脫除15%的NOx 去除率，而利用活性炭的催化活性，通過向煙氣噴氨后，在活性炭的催化作用下氨與NOx 發(fā)生選擇性催化還原反應(yīng)生成氮氣和水，實現(xiàn)脫硝。優(yōu)勢是反應(yīng)發(fā)生所需溫度低，不需要對煙氣進行升溫，更有利于節(jié)能降耗。缺點是設(shè)備龐大，造價高昂，活性炭用量大且需再生，酸性副產(chǎn)物需要特殊處理。

如何保證煙氣脫硝系統(tǒng)在燒結(jié)正常生產(chǎn)工況下安全、連續(xù)、穩(wěn)定運行是研究的重點。但對于燒結(jié)工藝的特殊性來說，選擇性催化還原脫硝(SCR)適應(yīng)性更強，建設(shè)投資和運行成本更加經(jīng)濟可靠。煙氣脫硝的末端處理技術(shù)是現(xiàn)階段改造項目的主流工藝，新建項目建議采用源頭控制加末端處理煙氣脫硫脫硝協(xié)同工藝處理。

3 燒結(jié)煙氣中低溫SCR脫硝系統(tǒng)應(yīng)用

選取某200 m2燒結(jié)機煙氣脫硝項目為案例，通過在原有燒結(jié)煙氣濕法脫硫裝置后建設(shè)一套脫硝系統(tǒng)。對鋼鐵企業(yè)燒結(jié)機的煙氣脫硝主要方式進行了分析對比，并首次提出了一種燒結(jié)煙氣雙加熱中低溫SCR 脫硝技術(shù)方案。該方案自建成投運后，煙氣處理后NOX排放值范圍僅為10～20 mg/m3，煙氣出口各項指標大幅優(yōu)于生態(tài)環(huán)境部頒布的超低排放指標，且系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

3.1 依托方案介紹

(1)原有設(shè)施系統(tǒng)

依托方案為唐山地區(qū)某200 m2燒結(jié)機煙氣脫硝項目，該項目燒結(jié)機原有設(shè)施已上一臺濕法脫硫裝置，燒結(jié)煙氣經(jīng)機頭電除塵后，先經(jīng)過濕法脫硫塔脫硫，再經(jīng)過濕電除塵，直接由煙囪排放。

圖1 原燒結(jié)煙氣脫硫系統(tǒng)布置

(2)脫硝系統(tǒng)前煙氣入口參數(shù)

目前脫硫設(shè)施運行穩(wěn)定，且考慮到防止硫酸氫銨堵塞催化劑，在現(xiàn)有脫硫工藝后增加脫硝工藝是最可行最有效的方法。200 m2燒結(jié)機尾部煙氣參數(shù)如下。

煙氣量(標況，濕基):750 000 m3/h;

O2含量(Vol.%.wet):15%;

NOx含量:280 mg/m3;

脫硝入口煙氣溫度:55 ℃。

3.2 燒結(jié)煙氣脫硝系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 工藝流程

改造項目受現(xiàn)有場地的限制，該方案脫硝裝置設(shè)置于脫硫系統(tǒng)和濕電除塵器后，但濕電除塵器后煙氣溫度較低，為50～60 ℃，不能達到催化劑反應(yīng)溫度區(qū)間，因此需要對煙氣進行升溫補熱，熱量主要由系統(tǒng)的煙氣升溫爐系統(tǒng)提供。主要脫硝設(shè)備有GGH 換熱器、煙氣加熱爐、煙氣快混裝置、SCR 脫硝反應(yīng)器、增壓風機和新建煙囪。

脫硫后煙氣溫度55 ℃左右，首選中低溫選擇性催化還原脫硝技術(shù)。通過大量的調(diào)研和考察，SCR脫硝催化劑對于煙氣中水蒸氣、SO2和堿金屬含量較為敏感。因此，考慮到燒結(jié)煙氣成分的復雜性，通過對比催化劑的市場價格以及運行經(jīng)濟性，根據(jù)熱效率和熱經(jīng)濟計算后，采用設(shè)計溫度260℃的SCR脫硝催化劑。系統(tǒng)布置如圖2所示。

圖2 燒結(jié)煙氣雙加熱中低溫SCR脫硝系統(tǒng)布置

新建SCR 脫硝系統(tǒng)采用國內(nèi)首創(chuàng)雙加熱專利系統(tǒng)，分別在GGH 換熱器脫硫側(cè)入口前和脫硝側(cè)入口前各增設(shè)一套煙氣加熱爐和煙氣快混裝置。從濕電除塵出來的55 ℃左右的燒結(jié)原煙氣先通過煙氣一次快混裝置補熱至65 ℃，進入GGH 換熱器后再通過煙氣二次快混裝置，補熱至260 ℃后先與噴氨裝置噴入的氨氣混合，再進入SCR 催化劑脫硝反應(yīng)器與催化劑反應(yīng)，被凈化的煙氣再進入GGH 換熱器與原煙氣進行換熱后通過增壓風機引出至煙囪排放。

3.2.2 系統(tǒng)特點

常規(guī)中低溫SCR 脫硝技術(shù)僅在GGH 后進行一次加熱，在此基礎(chǔ)上，采用了雙加熱系統(tǒng)，其優(yōu)點如下。

（1）整個脫硝系統(tǒng)通過利用2 套煙氣加熱爐燃燒高爐煤氣將高溫煙氣混入煙道后對煙氣進行升溫，保證達到催化劑反應(yīng)溫度，再加上噴氨系統(tǒng)在煙道內(nèi)均勻噴入的氨氣與煙氣反應(yīng)，進而實現(xiàn)在脫硝反應(yīng)器內(nèi)催化劑作用下脫除NOx，實現(xiàn)超低排放。

（2）燒結(jié)煙氣300 ℃以下，硫酸氫銨會發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，堵塞GGH 換熱器和催化劑模塊，形成堆積黏附堵塞現(xiàn)象，需要定期300 ℃以上升溫進行催化劑再生，熱解硫酸氫銨。在GGH 換熱器脫硫側(cè)前增設(shè)一次煙氣加熱爐和煙氣一次快混裝置，先保證濕電后煙氣升溫10～15 ℃處于過熱狀態(tài)，能大大降低GGH 堵塞問題，減少系統(tǒng)的壓損，再在SCR 脫硝反應(yīng)器入口前進行二次煙氣升溫，保證催化劑的反應(yīng)溫度，有效緩解催化劑的堵塞和中毒現(xiàn)象，提高脫硝系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

（3）常規(guī)SCR 脫硝技術(shù)由于脫硫濕電后的煙氣含水量較大，脫硝側(cè)堵塞后運行時間長壓損增大，脫硝系統(tǒng)運行能耗將增大。采用耙式+聲波吹灰的清灰方式，能有效地杜絕此現(xiàn)象，減少GGH 換熱器和脫硝反應(yīng)器的壓損。

（4）煙氣快混裝置是將煙氣加熱爐產(chǎn)生的高溫煙氣快速均勻混入脫硫后煙氣，避免煙氣混合不均勻?qū)γ撓跣屎兔撓踉O(shè)備使用壽命造成的影響。煙氣加熱爐及煙氣快混裝置可針對燒結(jié)機的運行方式以及脫硫煙氣特點，自動通過溫度濕度壓力等影響因素多維控制補熱效果，該種組合方式相對現(xiàn)有脫硝技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢。

3.3 技術(shù)經(jīng)濟分析

根據(jù)燒結(jié)煙氣性質(zhì)、熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的特點，假設(shè)機組燃料供應(yīng)穩(wěn)定，脫硝系統(tǒng)在催化劑保證的化學壽命期內(nèi)，計算結(jié)果表明，設(shè)計機組采用煙氣雙加熱脫硝技術(shù)后，NOx量從入口350 mg/m3降低到出口設(shè)計≤40 mg/m3，脫硝效率高達90%，氨逃逸≤3×10-6，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率小于1%，排煙溫度為90～110 ℃，減排效益顯著。自投產(chǎn)后，整套系統(tǒng)運行情況良好，污染物排放情況完全滿足國家超低排放要求。主要能源消耗量見表2。

表2 能源消耗量

3.4 社會效益分析

鋼鐵行業(yè)煙氣超低排放治理已提升到了新的高度，迫切需要可靠、綠色、經(jīng)濟節(jié)能的污染物控制技術(shù)和裝備，實現(xiàn)綠色發(fā)展和降本增效的協(xié)同。對于現(xiàn)有燒結(jié)機煙氣處理系統(tǒng)改造方案，首要條件是能夠滿足生產(chǎn)需求，其次是投資及運行成本的合理支配。

該方案積極響應(yīng)國家環(huán)保政策，方案的實施直接減少NOx 排放量達到1 680 t/a。采用的脫硝工藝脫硝效率高，脫硝催化劑要求溫度適中，通過雙加熱中低溫SCR 脫硝技術(shù)可以較好的保障脫硝催化劑長期穩(wěn)定運行。同時，脫硝系統(tǒng)布置于除塵系統(tǒng)、濕法脫硫系統(tǒng)后，煙氣成分相對穩(wěn)定，很好地克服了燒結(jié)煙氣工況波動大成分復雜等缺點，對燒結(jié)工藝的適應(yīng)性更強，具備普及推廣的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

隨著國家環(huán)保要求越來越嚴格，燒結(jié)煙氣的脫硝勢在必行。選擇一種脫硝效率高，技術(shù)成熟可靠，穩(wěn)定性更好的脫硝工藝異常重要。所有污染物排放指標符合國家環(huán)保標準，且能滿足今后5～10年內(nèi)不斷趨嚴的國家排放標準要求是脫硝工程建設(shè)的基本要求。

本次實施的燒結(jié)尾部煙氣脫硝方案，脫硝效率90%，煙氣NOx排放滿足超低排放要求。