球團(tuán)焙燒煙氣脫硫脫硝工藝比選及運行實踐

劉政霖，冉啟峰

[福建省三鋼(集團(tuán))有限責(zé)任公司，福建 三明 365001]

依據(jù)《關(guān)于推進(jìn)實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》《福建省鋼鐵行業(yè)超低排放改造實施方案》，實施超低排放改造，是推動鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、助力打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的重要舉措[1]。三鋼集團(tuán)于2019 年12 月投入使用一套160 萬t 產(chǎn)能帶式焙燒球團(tuán)生產(chǎn)線，煙氣處理工藝為“電除塵+循環(huán)流化床脫硫除塵（球團(tuán)煙氣干式超凈工藝）+選擇性催化還原法（SCR）脫硝”?；钚蕴浚ń梗┟摿蛎撓跻惑w化工藝近年來因其可資源化利用等優(yōu)勢，得到了廣泛關(guān)注，并在《鋼鐵企業(yè)超低排放改造技術(shù)指南》中被推薦使用。這兩種工藝有著不同的適用條件，根據(jù)企業(yè)的實際情況選擇合適的煙氣脫硫脫硝工藝至關(guān)重要，因此本文對這兩種工藝進(jìn)行了對比分析。

在三鋼集團(tuán)的球團(tuán)生產(chǎn)運行中，配料、造球、焙燒、脫硫及脫硝工序串聯(lián)一體、緊密配合，若出現(xiàn)操作失誤，將造成污染物超標(biāo)排放、生產(chǎn)線停擺。通過優(yōu)化操作方法，可以使出口數(shù)據(jù)穩(wěn)定、超標(biāo)排放時間縮短，同時能夠使設(shè)備運轉(zhuǎn)良好、作業(yè)率提高。

1 球團(tuán)煙氣的特點

1.1 煙氣成分復(fù)雜

原料礦為造球精粉，其硫含量為0.04%—0.3%，添加劑為膨潤土、輕燒鎂粉、輕燒白云石粉，燃料為焦?fàn)t煤氣。煙氣中含有二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）、氯化氫（HCl）、氟化氫（HF）、二噁英及成分復(fù)雜的顆粒物[2]。SO2來源于鐵礦石中的硫和焦?fàn)t煤氣中的SO2，因礦種及配比的不同，SO2濃度為400—2000mg/m3；NOx主要為熱力型NOx[3-4]，主要形式為一氧化氮（NO），NO 占比可達(dá)90%以上，根據(jù)運行溫度的調(diào)整，NOx濃度值正常為120—300mg/m3。

1.2 煙氣溫度波動大，含氧量和濕度值較高

隨著原料的調(diào)整，所需的焙燒溫度也有所不同，這就造成脫硫脫硝入口溫度的變化。夏季和冬季因溫度差異大，也會造成焙燒溫度不同和脫硫脫硝入口溫度的變化。帶式焙燒機(jī)生產(chǎn)過程中的煙氣含氧量基準(zhǔn)值為18%，因系統(tǒng)冷卻風(fēng)回用，目前正常運行值為18%—19%，濕度值為7%—13%。

2 活性炭（焦）脫硫脫硝工藝與“循環(huán)流化床脫硫除塵+SCR 脫硝”工藝的比選

2.1 活性炭（焦）脫硫脫硝工藝簡介

活性炭（焦）脫硫脫硝工藝技術(shù)原理為物理吸附和催化作用。SO2經(jīng)活性炭（焦）吸附，并催化氧化形成SO3，遇水形成副產(chǎn)物硫酸；NOx經(jīng)活性炭（焦）吸附，在活性炭（焦）的催化下，NOx和氨氣（NH3）反應(yīng)生成氮氣（N2）和水（H2O）[5,6]。同時，其他煙塵、二噁英等污染物也會過濾吸附在活性炭（焦）表面。

吸附于活性炭（焦）表面的污染物需要進(jìn)行解吸處理?；钚越辜訜岬?90℃—450℃進(jìn)行解吸。解吸塔內(nèi)溫度較高，為了防止解吸塔內(nèi)的活性焦自燃，需通入N2來隔絕空氣。解吸產(chǎn)物主要為SO2，后續(xù)可制成有價值的副產(chǎn)物硫酸。

主要的反應(yīng)原理如下：

2.2 “循環(huán)流化床脫硫除塵+SCR 脫硝”工藝簡介

“循環(huán)流化床脫硫除塵+SCR 脫硝”工藝技術(shù)路線為：煙氣從吸收塔底向上，在進(jìn)口段與脫硫劑混合后通過文丘里段加速進(jìn)入循環(huán)流化床，煙氣和脫硫劑在湍流狀態(tài)進(jìn)行充分的混合，通過噴入霧化水控制反應(yīng)溫度、增濕脫硫劑表面，使SO2能夠快速與脫硫劑進(jìn)行反應(yīng)，并且能夠同步脫除HCl、HF 等酸性氣體。隨后，煙氣進(jìn)入超凈式布袋除塵器后由脫硫引風(fēng)機(jī)引出，進(jìn)入脫硝系統(tǒng)。煙氣在脫硝入口經(jīng)過煙氣換熱器（GGH）預(yù)加熱后，由熱風(fēng)爐進(jìn)一步加熱至運行溫度，同時，將充分蒸發(fā)的氨水由噴氨格柵噴入，與加熱后的煙氣混合均勻，于SCR 催化劑上進(jìn)行脫硝反應(yīng)，煙氣再經(jīng)GGH 降低煙氣溫度、回收熱量后通過煙囪排放。

主要的反應(yīng)原理如下：

2.3 活性炭（焦）脫硫脫硝工藝與“循環(huán)流化床脫硫除塵+SCR 脫硝”工藝比較

活性炭（焦）脫硫脫硝工藝與“循環(huán)流化床脫硫除塵+SCR 脫硝”工藝均屬于《排污許可證申請與核發(fā)技術(shù)規(guī)范 鋼鐵工業(yè)》（HJ846—2017）中推薦的可行技術(shù)，下面從污染物排放達(dá)標(biāo)情況、投資成本、運行成本、副產(chǎn)物處理等方面對二者進(jìn)行分析[7]。分析情況見下表。

活性炭（焦）脫硫脫硝工藝與“循環(huán)流化床脫硫除塵+SCR 脫硝”工藝比較表

兩種工藝雖然都具有技術(shù)可行性和推廣性，但“循環(huán)流化床脫硫除塵+SCR 脫硝”煙氣凈化技術(shù)與活性炭（焦）脫硫脫硝煙氣凈化技術(shù)相比，在投資、運行成本、安全性及管理等方面均具有一定優(yōu)勢。目前“循環(huán)流化床脫硫除塵+SCR 脫硝”工藝的主要問題為脫硫副產(chǎn)物——脫硫渣灰的處置問題。

結(jié)合三鋼球團(tuán)項目目前的運行情況，該項目優(yōu)選“循環(huán)流化床脫硫除塵+SCR 脫硝”工藝。

3 三鋼球團(tuán)脫硫脫硝系統(tǒng)運行實踐

3.1 脫硫脫硝系統(tǒng)工藝路線

脫硫脫硝系統(tǒng)的工藝路線為：焙燒機(jī)→電除塵→主抽風(fēng)機(jī)→脫硫吸收塔→布袋除塵→脫硫引風(fēng)機(jī)→脫硝→脫硝引風(fēng)機(jī)→煙囪排放。工藝流程見圖1[8]。

圖1 三鋼球團(tuán)工程脫硫脫硝工藝流程圖

3.2 運行實踐中遇到的故障和問題

3.2.1 脫硫吸收塔塌床事故

目前，吸收塔踏床事故的主要成因是塔內(nèi)風(fēng)量的瞬間丟失，風(fēng)量的丟失原因可分為人為操作原因和設(shè)備故障原因。人為誤操作的情況（如主抽風(fēng)機(jī)頻率下降過快、脫硫和脫硝引風(fēng)機(jī)關(guān)小量過大等）導(dǎo)致脫硫塔內(nèi)風(fēng)量下降過快；設(shè)備故障的情況為各風(fēng)機(jī)的故障，如停電、模塊故障、聯(lián)鎖信號點位故障等。雖然脫硫系統(tǒng)有風(fēng)量、床壓、水泵和物料的聯(lián)鎖保護(hù)，在風(fēng)量不足時會馬上切斷物料閥和水泵，但是由于主抽風(fēng)門故障、主抽頻率的瞬間降低等原因依然會直接造成塌床事故，塔底大面積積灰，白灰會通過循環(huán)煙道進(jìn)入脫硝系統(tǒng)，導(dǎo)致出口粉塵排放超標(biāo)，同時縮短了脫硝設(shè)備和催化劑的使用壽命，處理不當(dāng)則會造成長時間的停機(jī)停產(chǎn)，造成重大損失。

3.2.2 吸收塔塌床事故的應(yīng)對方法

為減少塌床事故的發(fā)生，可將運行風(fēng)量提高，加大循環(huán)風(fēng)擋的開度，降低前端波動對吸收塔床壓的影響。

塌床事故發(fā)生后，主機(jī)已經(jīng)進(jìn)入停產(chǎn)狀態(tài)，為盡快恢復(fù)生產(chǎn)，一方面需盡快修復(fù)設(shè)備故障，另一方面需要對吸收塔塔底積灰進(jìn)行處理。一般情況下，如塔底大量積灰已經(jīng)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)無法啟動，就需要先打開人孔門進(jìn)行排灰，處理時間較長；當(dāng)煙道有一定余量時，可啟動脫硫引風(fēng)機(jī)，將積灰吹掃抽送至布袋除塵器，當(dāng)脫硫系統(tǒng)風(fēng)量和吸收塔床壓滿足使用要求后，可投入生產(chǎn)使用。

為避免塌床事故產(chǎn)生的大量白灰進(jìn)入脫硝系統(tǒng)，造成脫硝系統(tǒng)積灰、GGH 換熱效率降低和催化劑活性降低，故障后應(yīng)馬上關(guān)閉循環(huán)風(fēng)擋。對于已經(jīng)進(jìn)入脫硝系統(tǒng)的白灰，應(yīng)當(dāng)停機(jī)將催化劑表面以及GGH表面的積灰清理干凈，建議采用吸塵的方式進(jìn)行清理，直接吹掃可能會導(dǎo)致催化劑孔道堵塞。同時，也需要將煙道中積存的白灰清理掉，避免出口粉塵超標(biāo)排放。白灰清理干凈后，在初期運行中，需增加吹掃次數(shù)和吹掃時間，從而對催化劑和GGH 進(jìn)行進(jìn)一步清理。

3.2.3 脫硝熱風(fēng)爐故障及應(yīng)對方案

脫硝熱風(fēng)爐是提供脫硝反應(yīng)的熱量保障，但也會出現(xiàn)各種問題導(dǎo)致停機(jī)故障的發(fā)生：（1）操作不當(dāng)，爐膛溫度過高導(dǎo)致的保護(hù)跳停；（2）外部煤氣供應(yīng)不足或者煤氣熱值過低、含濕量過大造成的熱風(fēng)爐停機(jī)；（3）助燃風(fēng)機(jī)、閥門等機(jī)械設(shè)備故障造成的停機(jī)；（4）跳電、通訊故障等電氣原因造成的熱風(fēng)爐停機(jī)。

熱風(fēng)爐停機(jī)后，脫硝系統(tǒng)能夠維持脫硝所需溫度的時間非常短暫，以250℃—260℃正常運行溫度為例，持續(xù)噴氨會使溫度快速降至220℃以下，無法維持正常的脫硝，會造成出口NOx超標(biāo)，一般情況下，這段時間不會超過10min，所以應(yīng)保證盡快修復(fù)故障、重新供熱。

3.2.4 脫硝催化劑的解吸操作

在運行過程中，難免會有SO2進(jìn)入脫硝系統(tǒng)，NH3和SO2反應(yīng)生成的硫酸氫銨（NH4HSO4）等物質(zhì)會黏附于催化劑表面，造成催化劑中毒，而這一化學(xué)反應(yīng)過程是可逆的，在高溫狀態(tài)下，NH4HSO4又會分解成SO2和NH3，通過煙囪排放。

為使得解吸過程明確且有意義，此次解吸選擇在開機(jī)過程中進(jìn)行操作，并保證脫硫出口SO2濃度為0，脫硝出口的SO2可以認(rèn)為是解吸生成的，可極大程度避免停機(jī)或正常生產(chǎn)中造成煙囪出口SO2排放濃度超標(biāo)。球團(tuán)系統(tǒng)在運行一年半后進(jìn)行第一次解吸，解吸數(shù)據(jù)表明催化劑確實存在NH4HSO4等化合物黏附的情況，解吸曲線見圖2。

圖2 球團(tuán)脫硝催化劑解吸曲線圖

由圖2 可知，當(dāng)催化劑溫度達(dá)到125℃以上3h后，就已經(jīng)可以在煙氣中監(jiān)測到SO2，催化劑溫度在125℃—240℃的900min（15h）期間，監(jiān)測到SO2數(shù)據(jù)波動幅度較大，整體值偏低，說明SO2已經(jīng)開始解吸但沒有良好的解吸效果；溫度在250℃—320℃的600min（10h）期間，監(jiān)測到SO2濃度整體較高，隨后SO2濃度下降，直至2100min 處（第35h），SO2濃度已經(jīng)近乎為0，并持續(xù)達(dá)150min 以上，可認(rèn)為解吸完成，后轉(zhuǎn)為正常生產(chǎn)過程的污染物控制過程。由此可以認(rèn)為，在日常運行中，催化劑運行溫度控制在250℃以上時有利于抑制催化劑上硫酸鹽的形成。對于解吸操作而言，綜合考慮GGH 等設(shè)備的運行要求（此套設(shè)備中，GGH 設(shè)備設(shè)計溫度為250℃，在超過310℃后出現(xiàn)了密封件和導(dǎo)熱元件膨脹摩擦、電流波動大的問題），可以將解吸溫度設(shè)定為280℃—300℃。從解吸結(jié)果和解吸時間來看，如按超低排放的要求運行，脫硝催化劑在1.5—2 年解吸1 次較為適宜。

4 結(jié)語

（1）活性焦工藝由于其系統(tǒng)運行操作復(fù)雜、投資和運行成本較高、副產(chǎn)物生產(chǎn)和銷售受限等原因無法在三鋼球團(tuán)生產(chǎn)線得到應(yīng)用。而“循環(huán)流化床脫硫除塵+SCR 脫硝”工藝作為成熟的脫硫脫硝聯(lián)合工藝，已經(jīng)被證明適用于處理球團(tuán)帶式焙燒煙氣，并能實現(xiàn)超低排放。同時，通過運行實踐進(jìn)行工藝調(diào)整和操作流程優(yōu)化，該工藝具有良好的穩(wěn)定性，能夠良好地適應(yīng)原料硫的價格波動、帶式焙燒機(jī)球團(tuán)生產(chǎn)線的高作業(yè)率和檢修開停機(jī)升降溫時間長等特點。

（2）通過運行操作標(biāo)準(zhǔn)化、定期維護(hù)和檢修、預(yù)防脫硝設(shè)備積灰、及時檢查并排除設(shè)備故障，使脫硫除塵和脫硝設(shè)備互相配合，能有效延長設(shè)備的使用壽命，降低成本。