燒結(jié)煙氣脫硝SCR 工藝補燃系統(tǒng)節(jié)能降碳的探索

王 超，岳 勇，甄 眾，鄒宗來，董云江，王賀建

（1.北京永博潔凈科技有限公司，北京100012；2.北京龍源惟德能源科技有限公司，北京100071；3.天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津301500）

0 引言

2021 年國務院政府工作報告中指出，扎實做好碳達峰、碳中和各項工作，制定了2030 年前碳排放達峰行動方案，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)。我國是世界第一鋼鐵大國，2020 年粗鋼產(chǎn)量達到10.65 億噸，占全球粗鋼總產(chǎn)量的56%。2020 年，鋼鐵產(chǎn)業(yè)CO2排放量占我國碳排放總量的16%左右，鋼鐵行業(yè)是我國碳減排的重點領(lǐng)域。而鋼鐵行業(yè)超低排放是我國當前大氣污染治理的主戰(zhàn)場，其中燒結(jié)工序排放的SO2、NOx又占到鋼鐵工業(yè)60～80%，是各鋼鐵企業(yè)超低排放的重點治理環(huán)節(jié)。

目前我國鋼鐵行業(yè)成功實現(xiàn)了SCR 脫銷工藝在燒結(jié)煙氣凈化中的工程化應用，NOx脫除率≥90%。但由于燒結(jié)煙氣有別于燃煤電廠煙氣，其本身溫度較低，難以達到SCR 的有效反應溫度，因此SCR 工藝需對燒結(jié)煙氣進行補燃、升溫，補燃所需的高爐煤氣單耗（噸燒結(jié)礦消耗煤氣）普遍在30～40 Nm3/t 左右，有的甚至高達50～60 Nm3/t，能源消耗較大。本文對SCR 脫銷補燃系統(tǒng)進行了介紹，對補燃系統(tǒng)節(jié)能降碳的路徑進行了探索，并提出了低碳改造的措施。

1 SCR 工藝補燃系統(tǒng)低碳改造基本情況

1.1 補燃系統(tǒng)低碳改造前基本情況

天鋼聯(lián)合特鋼公司2 號230 m2平燒結(jié)機脫硝系統(tǒng)于2019 年1 月份投產(chǎn)，脫硝工藝采用中高溫SCR催化劑+回轉(zhuǎn)式GGH，SCR 煙氣加熱補燃系統(tǒng)采用外置式熱風爐（以下簡稱：熱風爐），補燃燃料采用高爐煤氣。經(jīng)2 年的運行發(fā)現(xiàn)存在以下主要問題：

（1）安全隱患大：由于熱風爐設(shè)計缺陷導致熱風煙道多次出現(xiàn)頂部硅酸鋁保溫磚坍塌，熱風管道燒紅，存在極大的安全隱患（見圖1）；

圖1 熱風管道受損情況

（2）檢修困難：在運行的2 年多的時間里，多次對熱風煙道、熱風聯(lián)箱進行修復，效果不甚理想；

（3） 煤氣耗量大：2 號燒結(jié)機SCR 煙氣加熱補燃系統(tǒng)投運時煤氣用量較大，約15 000～17 000 Nm3/h，煤氣單耗達到36.36 Nm3/t；

（4）制約產(chǎn)能：受煤氣管網(wǎng)壓力影響，經(jīng)常出現(xiàn)煤氣供應不足、升溫困難等問題，嚴重時被迫退出一套脫硝系統(tǒng)進行保溫，影響了燒結(jié)機的正常運行；

（5）燃燒不穩(wěn)定：受煤氣品質(zhì)波動等因素影響，經(jīng)常出現(xiàn)滅火、點火困難等情況；

（6）啟動時間長：受熱風爐結(jié)構(gòu)影響，需先用高熱值氣體將熱風爐本體加熱到800 ℃以上才能投入高爐煤氣，升溫速度慢。

1.2 補燃系統(tǒng)低碳改造方案及布置

2 號燒結(jié)機煙氣SCR 煙氣加熱補燃系統(tǒng)在保留原熱風爐基礎(chǔ)上，增加一套等離子點火-內(nèi)置式直燃爐系統(tǒng)，與現(xiàn)有熱風爐功能相同，熱風爐與等離子點火-內(nèi)置式直燃爐互為備用。

等離子點火-內(nèi)置式直燃爐直接布置于熱風爐層平臺上煙道兩側(cè)壁，呈對沖布置，并根據(jù)需要對煙道進行少量調(diào)整及加固，具體布置如圖2 所示。

圖2 等離子點火-內(nèi)置式直燃爐布置圖

2 補燃系統(tǒng)低碳改造后的經(jīng)濟和社會效益

SCR 煙氣補燃加熱系統(tǒng)等離子點火-內(nèi)置式直燃爐改造后，經(jīng)2021 年4～6 月數(shù)據(jù)統(tǒng)計，煤氣單耗從36.36 Nm3/t 下降到27.21 Nm3/t，減少9.89 Nm3/t左右，節(jié)能比例達到20%以上。

2.1 低碳改造后的節(jié)能情況

表1 為2021 年4、5、6 三個月，等離子點火-內(nèi)置式直燃爐改造后的節(jié)能統(tǒng)計數(shù)據(jù)。由表1 可以看出三個月的平均節(jié)能率為27.21%。

表1 等離子點火- 內(nèi)置式直燃爐改造后節(jié)能統(tǒng)計數(shù)據(jù)（熱風爐煤氣單耗為36.36 Nm3/t）

2.2 低碳改造后煤氣費用節(jié)省情況

以2021 年4、5、6 三個月統(tǒng)計的平均數(shù)據(jù)為依據(jù)，對煤氣年節(jié)省費用進行測算。高爐煤氣單價按0.15 元/Nm3計，年可節(jié)省高爐煤氣費用為：燒結(jié)礦平均月產(chǎn)能×12 個月×煤氣單耗節(jié)氣量×煤氣單價=279 455×12×9.89×0.15=4 976 000 元。

2.3 低碳改造后CO2 減排情況

低碳改造后：年節(jié)省的高爐煤氣量為279 455×12×9.89=33 165 719 Nm3；按每3.5 Nm3高爐煤氣發(fā)一度測算，年可多發(fā)電33 165 719/3.5=9 475 920 kWh；按目前全國燃煤電廠平均供電煤耗330 gce/kWh 計，年節(jié)約標煤量為9 475 920×330/106=3 127 tce；按一噸標煤排放2.66～2.72tCO2計（取平均值2.69 t），年減排CO2約為3 127×2.69=8 412 t。

2.4 低碳改造后其它效果

2.4.1 燒結(jié)煙氣中CO 消減情況

低碳改造后，針對CO 消減情況，連續(xù)進行了5天測試，分析直燃爐前后CO 的變化情況，數(shù)據(jù)如表2 所示。由表2 可知，改造后煙氣中的CO 平均含量減少595 ppm，消減率達到10.5%。

表2 直燃爐前后CO 的變化情況

2.4.2 燒結(jié)煙氣中O2含量變化情況

低碳改造后，直燃爐前后煙氣中O2含量的變化情況如表3 所示。由表3 可知，因O2含量的消減率為1.40%，故NOx折算含量值消減約4%。

表3 直燃爐前后O2 含量的變化情況

3 低碳改造節(jié)能原理分析

通過改造前后的數(shù)據(jù)對比可以看出，SCR 補燃系統(tǒng)由熱風爐改為直燃爐后，在燃氣耗量方面有很大降低，主要原因如下。

3.1 引燃燒結(jié)煙氣中的CO

燒結(jié)煙氣CO 的含量約為5 000 ppm（0.5%）到10 000 ppm（1%）左右，煙氣在煙道內(nèi)流經(jīng)直燃爐火焰的時候，有一部分CO 會被引燃，這部分CO 燃燒產(chǎn)生的熱量同樣會作用于煙氣的溫升，這就減少了高爐煤氣的用量。引燃煙氣中CO 的含量與節(jié)省高爐煤氣之間的關(guān)系如表4 所示，燃燒室在煙道中布置圖如圖3 所示。

圖3 燃燒室在煙道中布置圖

表4 引燃煙氣中CO 的含量與節(jié)省高爐煤氣之間的關(guān)系

在本項目中，煙氣溫升為40 ℃，燒結(jié)煙氣中CO的消減為595 ppm，因為引燃煙氣中CO 產(chǎn)生的節(jié)能比例為14%左右。

3.2 等離子點火-內(nèi)置式直燃爐具有更高的能源利用效率

等離子點火-內(nèi)置式直燃爐具有極高的能源利用效率，主要在以下幾方面：

（1）散熱損失。因直燃爐布置在煙道內(nèi)，基本無散熱，散熱熱損失減少約2%左右。

（2）排煙熱損失。因助燃風絕大部分都是熱煙氣，排煙熱損失減少約4.6%左右。

（3）熱風爐為保護聯(lián)箱、管道等，需要摻入冷風，使熱風爐煙氣溫度降至600 ℃左右，直燃爐不需摻混冷風，這部分熱損失減少約4.2%左右。

由上述可見，因能源利用效率提高，產(chǎn)生的節(jié)能比例約為11%左右。

4 SCR 工藝直燃爐改造的難點

由上述分析數(shù)據(jù)可以看出，對SCR 工藝補燃系統(tǒng)進行直燃爐改造后，具有明顯的經(jīng)濟性和減碳效果，但每種技術(shù)都有其固有的困難。直燃爐改造的困難是：技術(shù)難度高，如果不能有效的處理好以下幾個方面的問題，很容易造成耗能和污染性氣體增加的后果。

4.1 溫度場均勻性問題

4.1.1 溫度場均勻性的重要性

SCR 補燃系統(tǒng)的主要目的是對燒結(jié)煙氣進行加熱，使燒結(jié)煙氣溫度達到SCR 催化劑的反應溫度區(qū)間，所以SCR 系統(tǒng)催化劑入口截面的溫度場均勻性就顯得尤為重要。如果溫度場不能均勻，溫度過高或過低的區(qū)域內(nèi)，因為催化劑活性不夠，NOx和氨水就無法充分反應。最直接的后果是：氨逃逸大；SCR 催化劑只有一部分得到有效利用；逃逸的氨與SO3發(fā)生反應，產(chǎn)物沾附在GGH 上。

4.1.2 保證溫度場均勻的措施

保證煙氣溫度場均勻最有效的措施是保持熱源的均勻。因熱風爐和直燃爐熱源的形式和分布不同，造成各自達到煙氣溫度場均勻路徑的不同。

熱風爐是通過多點熱源來保證熱源的均勻。熱風爐一般通過煙道內(nèi)的分散管，將熱風爐過來的熱煙氣（600 ℃左右）平均分配到SCR 煙道斷面上（一般分36 個點送入），因熱源點多且均布，技術(shù)上煙氣溫度可以非常容易加熱均勻（一般可以滿足溫度偏差±10 ℃的要求）。

直燃爐是通過增加熱源的覆蓋面積來保證熱源的均勻。直燃爐提供的熱量是由火焰直接帶入，燃燒器一般只能布置幾臺，不可能多到十幾臺甚至幾十臺，通過增加熱源點數(shù)量的方案不可行。要在有限的幾個熱源點上，將熱源調(diào)整均勻，只能擴大單個熱源的覆蓋面積。這就需要直燃爐火焰保持一定的寬度和長度，讓直燃爐火焰盡可能充滿其所在的煙道斷面，這樣才能使直燃爐的熱源保持均勻，從而保證整個煙道溫度場的均勻性，

實踐表明，增加直燃爐的火焰的長度和寬度，能夠有效解決直燃爐溫度場均勻性的問題，經(jīng)過煙道網(wǎng)格法實際測量，改造后溫度場的偏差可以控制在±10 ℃以內(nèi)。

4.2 導流阻力問題

從理論上來說，如果可以容忍阻力足夠大，煙道內(nèi)的溫度場能夠調(diào)整的無限接近于均勻，但是阻力過大會增加風機的電耗，其關(guān)系如下：

式中：P 為風機軸功率，kW；Q 為風機風量，m3/h；p為風機全壓，Pa；η0 為風機的內(nèi)效率，一般取0.75～0.85，小風機取低值，大風機取高值；η1 為風機的機械效率，風機與電機直聯(lián)取1，采用聯(lián)軸器聯(lián)接取0.95～0.98，采用三角皮帶聯(lián)接取0.9～0.95，采用平皮帶傳動取0.85。

以300 m2左右燒結(jié)機為例，煙氣量取常規(guī)標方流量120×104Nm3/h，工方流量173×104m3/h（溫度120 ℃），如果增加500 Pa 阻力，克服這些阻力增加引風機的電耗為：173×104×500/（3 600×1 000×0.85×0.95）=298 kW。電費按0.5 元/kWh 計算，年運行小時數(shù)按8 000 h 計算，年增加電費約119 萬元。

熱風爐分散管的系統(tǒng)阻力一般在200～300 Pa左右，一般可以認為，直燃爐導流的阻力控制在200 Pa 以下是合理的。

4.3 CO 的燒失問題

熱風爐的熱煙氣進入SCR 煙道的溫度在600℃左右，但經(jīng)實測，并不能有效的引燃燒結(jié)煙氣中的CO，這主要是因為引燃CO 的反應時間與溫度的高低有直接關(guān)系，理論分析計算的結(jié)果如圖4所示。

圖4 引燃CO 的反應時間與溫度的關(guān)系

從圖4 中可以看出，對于CO 為4 000 ppm，溫度為900 K（627 ℃）的情況，消除CO 需要10 s 的時間，目前煙道中煙氣的流速普遍在10～15 m/s，也就是說要消除4 000 ppm 的CO，需要煙氣在627 ℃的環(huán)境中行進最少100 米才有可能，這顯然是做不到的，這就是為什么熱風爐不能引燃CO 的原因。

當溫度達到800 ℃（1 073 K）以上后，對于CO為4 000 ppm 煙氣，消除CO 的反應時間下降到10-2秒以下，按10 m/s 的風速，煙氣只需要在800 ℃以上的溫度區(qū)域內(nèi)行進0.1 米，甚至更短的距離就可以消除CO。而在煙道內(nèi)具有800 ℃以上溫度的區(qū)域必定是火焰，只有火焰的高溫才能消減燒結(jié)煙氣中的CO。

所以，想要盡可能消減燒結(jié)煙氣中的CO，也需要火焰盡可能充滿煙道截面，也就是需要煙道內(nèi)的火焰盡量寬和長，而無火焰或短火焰都很難消減燒結(jié)煙氣中的CO。

4.4 高爐煤氣不完全燃燒問題

熱風爐火焰穩(wěn)定的機理是保持爐膛內(nèi)的溫度在800 ℃以上，這樣進入爐膛的高爐煤氣可以穩(wěn)定的燃燒，但直燃爐的燃燒環(huán)境和熱風爐完全不一樣，為保證溫度場、消除CO，直燃爐的火焰需要裸露在燒結(jié)煙氣中，火焰四周都是在放熱，所以簡單地將熱風爐的燃燒器插到煙道上作為直燃爐燃燒器，會產(chǎn)生頻繁滅火、燃燒不完全等問題，必須對燃燒器的結(jié)構(gòu)進行改良，形成適應直燃爐的火焰。

此次改造，對傳統(tǒng)熱風爐燃燒器的結(jié)構(gòu)和原理進行了升級改進，在保證煙道中長火焰的同時，不滅火而且充分燃燒。

5 結(jié)語

SCR 直燃爐可以節(jié)能這個命題已經(jīng)深入人心，但是之前都是理論計算的數(shù)據(jù)和結(jié)果，本次改造第一次以實際數(shù)據(jù)證明了直燃爐的節(jié)能效果，我們可以得出結(jié)論，直燃爐相對于熱風爐可以節(jié)能20%以上是真實的、可信的，是能夠大幅度減排CO2的。

但直燃爐是一個新生的事物，在改造中面臨一系列的技術(shù)難題，溫度場均勻性問題、導流板阻力問題、燒結(jié)煙氣CO 燒失問題、高爐煤氣的燃盡問題等，如果這些問題得不到有效解決，極有可能不節(jié)能反而耗能，甚至產(chǎn)生其它嚴重問題，因此在直燃爐的改造中務必要小心處理這些技術(shù)難題。經(jīng)過直燃爐改造的實踐，我們認為解決上述技術(shù)難題的核心，在于直燃爐的火焰有一定的剛性和長度，在煙道斷面上有盡可能大的覆蓋面積，不能簡單地將熱風爐的燃燒器插到煙道上作為直燃爐燃燒器。