鋼鐵行業(yè)燃?xì)忮仩t煙氣脫硫脫硝除塵技術(shù)對(duì)比分析

丁澤坤， 杜佳棋， 呂亮， 章洲， 史樹鋒

（1.杭州天明環(huán)保工程有限公司，杭州 310018；2.寧波興業(yè)盛泰集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315336；3.寧波愛(ài)嘉環(huán)境科技有限公司，浙江 寧波 315000)

0 引言

生態(tài)環(huán)境部等5部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見(jiàn)》指出，推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放是推動(dòng)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、助力打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的重要舉措。鋼鐵行業(yè)在我國(guó)的工業(yè)發(fā)展中扮演著重要的角色，也是我國(guó)大氣污染的主要來(lái)源之一，推動(dòng)鋼鐵行業(yè)加速向低碳轉(zhuǎn)型符合當(dāng)前形勢(shì)，有著重要意義。

隨著河北省地方標(biāo)準(zhǔn)《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB13/5161—2020）的發(fā)布，規(guī)定自2021年6月1日起，鋼鐵行業(yè)燃?xì)忮仩t的大氣污染物排放限值為：NOx的排放限值為50 mg/m3，SO2的排放限值為10 mg/m3，顆粒物的排放限值為5 mg/m3[1]，而《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB13/5161—2021）公開文件對(duì)排放要求有了進(jìn)一步的提升。

鋼鐵行業(yè)燃?xì)忮仩t煙氣實(shí)現(xiàn)全面超低排放的計(jì)劃迫在眉睫，目前國(guó)內(nèi)脫硫脫硝除塵技術(shù)相對(duì)較多，但由于原煙氣符合老排放標(biāo)準(zhǔn)，可以直接排放，所以燃煤鍋爐煙氣脫硫脫硝除塵并無(wú)先例，沒(méi)有任何可以參考的案例，如何選擇一種適合的技術(shù)路線，是目前鋼鐵行業(yè)普遍面臨的難題。

1 燃煤鍋爐超低改造現(xiàn)狀

1）煙氣條件。燃?xì)忮仩t的燃料為高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣，其將前端設(shè)備給予的煤氣予以燃燒，然后將燃燒后的煙氣進(jìn)行排放。鍋爐燃燒后的煙氣特性則與煤氣中的成分息息相關(guān)，而煤氣的成分又與礦石有關(guān)。根據(jù)鋼廠正常生產(chǎn)的情況，鋼廠選取礦石的主要考慮因素是成本，所以礦石的種類不是一成不變的，這就導(dǎo)致鍋爐燃燒后的煙氣成分發(fā)生變化，煙氣特性隨之改變，故對(duì)脫硫脫硝除塵技術(shù)的適應(yīng)性是一種考驗(yàn)。根據(jù)鋼廠一段時(shí)間內(nèi)的煙氣排放數(shù)據(jù)及運(yùn)行記錄可知，在正常情況下，鍋爐的燃料為高爐煤氣，煙氣的NOx、SO2、粉塵數(shù)值不高并且很穩(wěn)定，但是在高爐進(jìn)行檢修或者是有轉(zhuǎn)爐、焦?fàn)t煤氣時(shí)，煙氣中的污染物濃度會(huì)大大升高，能達(dá)到正常值的2～3倍，這就給全工況超低排放造成了很大的困難。

2）場(chǎng)地條件。由于原煙氣直接排放，所以燃?xì)忮仩t區(qū)域的設(shè)備布置比較緊湊，鍋爐房后就是引風(fēng)機(jī)房，隨即進(jìn)入煙囪進(jìn)行排放。由于業(yè)主當(dāng)時(shí)未考慮增添環(huán)保設(shè)備，所以廠區(qū)內(nèi)未預(yù)留安裝環(huán)保設(shè)備的空間，現(xiàn)場(chǎng)可利用的場(chǎng)地只有廠房、煙道上空、道路、綠化帶等區(qū)域，這對(duì)環(huán)保設(shè)備的占地面積和體積無(wú)疑是一種挑戰(zhàn)。

3）煙囪條件。燃?xì)忮仩t排放煙氣的煙溫為140 ℃左右，煙氣中的含水量約為3%，煙氣腐蝕性小，所以鋼廠未對(duì)煙囪進(jìn)行防腐處理。

4）施工條件。近年來(lái)，鋼材的生產(chǎn)效益越來(lái)越好，鋼廠一直處于高產(chǎn)狀態(tài)，而燃?xì)忮仩t為副產(chǎn)物煤氣的消耗設(shè)備，也一直處于工作狀態(tài)，所以對(duì)新建環(huán)保設(shè)備工程而言，可以停爐施工的時(shí)間非常短，這不僅增加了施工難度，而且很多環(huán)保技術(shù)不能滿足如此苛刻的條件。

2 脫硫脫硝除塵技術(shù)簡(jiǎn)介

根據(jù)鋼廠燃?xì)忮仩t的現(xiàn)場(chǎng)情況，目前有以下幾種技術(shù)路線可供選擇：SCR脫硝技術(shù)+半干法脫硫+布袋除塵技術(shù)，SCR脫硝技術(shù)+濕法脫硫+濕電除塵技術(shù)，脈沖等離子體脫硫脫硝除塵一體化技術(shù)。

SCR脫硝技術(shù)+半干法脫硫+布袋除塵技術(shù)路線為：燃燒后的煙氣先經(jīng)過(guò)換熱器，到200 ℃左右后進(jìn)入SCR進(jìn)行脫硝，再進(jìn)入半干法脫硫塔進(jìn)行脫硫反應(yīng)，然后反應(yīng)產(chǎn)物與煙氣中的原粉塵顆粒物在布袋除塵器中被收集。

SCR脫硝技術(shù)+濕法脫硫+濕電除塵技術(shù)路線為：燃燒后的煙氣先經(jīng)過(guò)換熱器，到200 ℃左右后進(jìn)入SCR進(jìn)行脫硝，再進(jìn)入濕法脫硫塔進(jìn)行脫硫反應(yīng)，最后進(jìn)入濕式電除塵器脫除顆粒物。但由于經(jīng)過(guò)濕法脫硫后，煙氣會(huì)變成飽和濕煙氣，所以需要對(duì)煙囪進(jìn)行防腐或者是對(duì)煙氣進(jìn)行再熱。

脈沖等離子體脫硫脫硝除塵一體化技術(shù)路線為：燃燒后的煙氣經(jīng)過(guò)換熱器換熱至80 ℃左右，進(jìn)入脈沖等離子體反應(yīng)裝置進(jìn)行脫硫、脫硝、除塵的一體化脫除反應(yīng)，由于需要通過(guò)間斷噴淋的方式將收集的污染物排出設(shè)備，所以煙氣會(huì)有10 ℃左右的溫降，70 ℃左右的煙氣仍高于煙氣的露點(diǎn)溫度20 ℃以上，不會(huì)對(duì)煙囪造成腐蝕。

1）SCR脫硝技術(shù)。SCR即為選擇性催化還原技術(shù)，是目前最為成熟的脫硝技術(shù)，其原理為：在催化劑作用下，向一定溫度的煙氣中噴入氨或尿素，將NOx還原成N2和H2O。

主要反應(yīng)式為：

SCR是國(guó)際上應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)，它的反應(yīng)產(chǎn)物為N2和H2O，不會(huì)構(gòu)成二次污染，而且凈化效率高，脫硝效率可以高達(dá)90%以上；不足的是催化劑容易中毒和失效，脫硝效率會(huì)隨著使用時(shí)間的增加而逐漸降低，需要定期進(jìn)行更換，以保證其性能。

2）半干法脫硫技術(shù)。半干法脫硫原理為：往塔內(nèi)噴入石灰漿液，利用煙氣熱量來(lái)蒸發(fā)漿液中的水分，在干燥脫硫劑的過(guò)程中，與煙氣中的SO2發(fā)生反應(yīng)，生成干粉狀的產(chǎn)物。目前脫硫塔的設(shè)計(jì)主要采用循環(huán)流化床的機(jī)理，讓石灰漿液在煙氣作用下懸浮在塔內(nèi)，反復(fù)循環(huán)，從而與煙氣中的SO2充分接觸、吸收。在合適的Ga/S下，脫硫效率可以達(dá)到90%以上[2]，較濕法脫硫略低，但其脫硫劑利用率高，反應(yīng)迅速，煙氣處理時(shí)間長(zhǎng)，處理后的煙氣溫度在70～80 ℃左右，不會(huì)造成煙囪腐蝕。

3）濕法脫硫技術(shù)。濕法脫硫采用液體吸收劑對(duì)煙氣進(jìn)行洗滌，是應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的技術(shù)，目前濕法脫硫大多采用石膏法。通常，濕法脫硫的液氣比為5～14 L/m3，液氣比越大，脫硫效率越高，其脫硫效率可高達(dá)95%。由于采用噴淋液體的方式，并且液氣比相對(duì)較大，則煙氣在經(jīng)過(guò)濕法脫硫塔時(shí)，吸收液對(duì)煙氣的降溫作用比較明顯，塔出口煙溫在50 ℃左右，煙氣中含水量也會(huì)大大增加，成為飽和濕煙氣，對(duì)煙囪具有腐蝕性。

4）布袋除塵技術(shù)。袋式除塵器是一種高效除塵設(shè)備，具有除塵效率高、運(yùn)行穩(wěn)定、操作維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、有色冶金、建材、化工、食品等行業(yè)，在國(guó)外也廣泛應(yīng)用于電廠燃煤鍋爐煙氣的凈化。但其占地面積大，設(shè)備運(yùn)行阻力較大，濾袋受到煙氣的磨損，需要定期進(jìn)行更換，運(yùn)行維護(hù)成本高；由于濾料的耐溫性能，使其使用條件受到一定限制，并且對(duì)煙氣中的氧、氮氧化物等成分有嚴(yán)格的要求。

5）濕電除塵技術(shù)。濕式電除塵器是環(huán)保設(shè)備的終端處理設(shè)備，利用靜電力將氣體中粉塵分離，在高電場(chǎng)強(qiáng)度的作用下，電暈極周圍小范圍內(nèi)氣體電離，產(chǎn)生大量自由電子及正離子，當(dāng)含塵氣體通過(guò)存在大量負(fù)離子及電子的空間時(shí)，負(fù)離子及電子會(huì)附著在粉塵上，在電場(chǎng)力作用下，荷電粉塵向其極性反方向運(yùn)動(dòng)，在負(fù)電暈電場(chǎng)中，大量荷負(fù)電粉塵移向接地的集塵極，最終吸附在收塵極上，采用噴水的方式，將收集的粉塵帶出設(shè)備，完成煙氣凈化的過(guò)程。濕式電除塵器沒(méi)有二次揚(yáng)塵，具有很高的除塵效率，用水來(lái)代替振打清灰，設(shè)備的可靠性大大提升，但由于采用連續(xù)噴水的方式清灰，且煙氣濕度較大，需要有良好防腐措施。

6）脈沖放電等離子體脫硫脫硝除塵一體化技術(shù)。脈沖放電等離子體煙氣一體化凈化技術(shù)是以氣體高壓放電為基礎(chǔ)，激發(fā)煙氣中的H2O、O2等分子，生成OH*、H*和水合分子等活性自由基[3]，這些自由基與煙氣中的SO2、NO等污染物結(jié)合，生成相應(yīng)的H2SO4、HNO3等霧滴，與粉塵顆粒一樣，在靜電場(chǎng)的作用下荷電并被收集，具體反應(yīng)機(jī)理如下：脈沖放電等離子體煙氣一體化凈化技術(shù)可以同時(shí)脫除多種污染物，無(wú)二次污染，空間占用小，可以有效地避免出現(xiàn)“白煙”現(xiàn)象，但其適合中低濃度煙氣治理，如果在高濃度煙氣條件下使用，經(jīng)濟(jì)性很差。

3 脫硫脫硝除塵技術(shù)路線對(duì)比分析

從上述技術(shù)簡(jiǎn)要介紹可知，SCR脫硝技術(shù)+半干法脫硫+布袋除塵技術(shù)、SCR脫硝技術(shù)+濕法脫硫+濕電除塵技術(shù)、脈沖等離子體脫硫脫硝除塵一體化技術(shù)等3種技術(shù)路線都能實(shí)現(xiàn)鋼廠燃?xì)忮仩t超低排放的功能，但三者在占地面積、投資成本及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用上存在一定的差異。

如表1所示，SCR脫硝技術(shù)+半干法脫硫+布袋除塵技術(shù)路線和SCR脫硝技術(shù)+濕法脫硫+濕電除塵技術(shù)路線的占地面積為脈沖放電等離子體煙氣一體化凈化技術(shù)路線設(shè)備的6倍，運(yùn)行費(fèi)用為其10倍左右，三者的投資成本比較接近。

表1 技術(shù)路線對(duì)比表

從三者的反應(yīng)溫度看，脈沖放電等離子體煙氣一體化凈化技術(shù)的反應(yīng)溫度為80 ℃左右，而SCR脫硝技術(shù)+半干法脫硫+布袋除塵技術(shù)和SCR脫硝技術(shù)+濕法脫硫+濕電除塵技術(shù)的反應(yīng)溫度都在200 ℃左右，這對(duì)煙氣熱量也是一種浪費(fèi)。

4 結(jié)論

綜上所述，從成本上考慮，脈沖放電等離子體煙氣一體化凈化技術(shù)路線明顯優(yōu)于另外兩種技術(shù)路線，占地面積也要小得多，并且脈沖放電等離子體煙氣一體化凈化設(shè)備可以架空布置，放置在煙道、房屋、馬路等設(shè)施的上空，不會(huì)占用地面空間，也不會(huì)影響其他設(shè)施設(shè)備的正常工作，整體改造工程量要小得多。

脈沖放電等離子體煙氣一體化凈化技術(shù)設(shè)備可完成多種污染物的脫除，設(shè)備比較簡(jiǎn)單，設(shè)備數(shù)量少，附屬系統(tǒng)也少；設(shè)備操作簡(jiǎn)單，故障率低，運(yùn)行維護(hù)人員上手快，人員需求少，大大減小了設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)工作量。

鋼鐵行業(yè)燃?xì)忮仩t煙氣的脫硫脫硝除塵技術(shù)處于起步和探索階段，需要結(jié)合燃?xì)忮仩t煙氣的特點(diǎn)，不斷創(chuàng)新和改進(jìn)脫硫脫硝除塵技術(shù)，集各家之所長(zhǎng)，在保證性能的同時(shí)降低投資和運(yùn)行成本，同時(shí)減少對(duì)環(huán)境的二次污染，促進(jìn)鋼鐵行業(yè)健康快速地發(fā)展。