基于濕法脫硫技術(shù)的燒結(jié)煙氣超凈治理工藝分析研究

鄭海濱

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

0 引言

2019 年生態(tài)環(huán)境部等五部門印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見(jiàn)》，對(duì)鋼鐵、球團(tuán)工業(yè)大氣污染物排放限值做了新規(guī)定，并對(duì)鋼企超低排放提出了相關(guān)目標(biāo)任務(wù)，要求加快實(shí)施鋼鐵企業(yè)超低排放改造。近幾年鋼鐵企業(yè)以此為目標(biāo)，遵循綠色低碳發(fā)展的原則，開展了節(jié)能降耗、污染物減排、碳減排等一系列工作，各項(xiàng)污染物排放總量呈下降趨勢(shì)，為打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)立下了汗馬功勞，有力促進(jìn)了空氣質(zhì)量改善、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、治理水平提升和環(huán)保技術(shù)進(jìn)步，總體成效顯著。但由于我國(guó)鋼鐵工業(yè)排放總量大、基數(shù)高，鋼鐵工業(yè)在綠色發(fā)展上仍然面臨很多問(wèn)題，特別是在國(guó)家提出碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)后，在去產(chǎn)能、超低排放改造的多重壓力下，后超低排放時(shí)代精細(xì)化運(yùn)行的需求逐漸顯現(xiàn)。

鋼鐵行業(yè)作為所有制造業(yè)領(lǐng)域中碳排放量最高的行業(yè)，目前整體進(jìn)入了新一輪下行周期，呈現(xiàn)下游需求疲弱，生產(chǎn)成本高，盈利水平大幅下滑的態(tài)勢(shì)，鋼鐵工業(yè)遭遇前所未有的挑戰(zhàn)[1]。在這個(gè)環(huán)境背景下，對(duì)各類技術(shù)、工藝、裝備進(jìn)行研究具有深遠(yuǎn)意義。探討鋼鐵行業(yè)減污降碳系統(tǒng)工藝配置的實(shí)施路徑及優(yōu)化措施，將成為今后很長(zhǎng)一段時(shí)期我國(guó)鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排工作的一條主線。

1 燒結(jié)煙氣超凈治理工藝對(duì)比分析

我國(guó)燒結(jié)煙氣推行超低排放治理改造已近5 年，總體成效顯著，在工藝選擇上已經(jīng)有較成熟的方向，但部分企業(yè)在實(shí)施超低排放改造過(guò)程中選用科學(xué)性、穩(wěn)定性、可靠性存疑甚至是簡(jiǎn)易低效的治理技術(shù)，不按超低排放相關(guān)文件可行技術(shù)規(guī)范等要求開展改造，因此無(wú)論從工藝完善性、設(shè)備配置，還是運(yùn)行穩(wěn)定性方面鋼鐵企業(yè)超低排放改造仍還有較大的提升空間。

針對(duì)采用濕法脫硫工藝的燒結(jié)煙氣超凈治理項(xiàng)目，在實(shí)現(xiàn)超低排放的技術(shù)探索過(guò)程中先后出現(xiàn)了先脫硝后濕法脫硫及先濕法脫硫后脫硝這兩種路線，經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，這兩種工藝路線在技術(shù)穩(wěn)定性、投資成本及運(yùn)行成本等方面存在較大差異。

1.1 工藝路線一：機(jī)頭除塵+升溫法SCR+濕法脫硫+濕電（含MGGH）

在燒結(jié)煙氣超低排放治理改造初期，國(guó)內(nèi)有不少鋼鐵企業(yè)參考電力行業(yè)工藝，采用濕法脫硫前置SCR脫硝的煙氣超凈治理工藝（見(jiàn)圖1），其煙氣處理流程為：機(jī)頭電除塵器→主抽風(fēng)機(jī)→GGH 原煙氣側(cè)→SCR→GGH 凈煙氣側(cè)→MGGH 降溫段→增壓風(fēng)機(jī)→濕法脫硫→濕電→冷凝器→MGGH 升溫段→煙囪。其中，配備冷凝器及MGGH 的目的主要是為了對(duì)濕電出口的飽和濕煙氣進(jìn)行冷凝、換熱升溫，滿足煙氣“消白”的需求。

圖1 燒結(jié)煙氣脫硫前置SCR 脫硝工藝路線

某個(gè)采用此路線的項(xiàng)目穩(wěn)定運(yùn)行3 個(gè)月后，SCR系統(tǒng)催化劑發(fā)生堵塞，系統(tǒng)阻力驟升，影響燒結(jié)系統(tǒng)的正常生產(chǎn)，通過(guò)采用新增耙式吹灰器、升溫?zé)峤獾燃夹g(shù)后依舊無(wú)法解決催化劑堵塞問(wèn)題，只能通過(guò)燒結(jié)減產(chǎn)、頻繁停機(jī)、更換催化劑以短時(shí)滿足生產(chǎn)需求。對(duì)催化劑頂層防護(hù)網(wǎng)（見(jiàn)圖2）和催化劑模塊底部（見(jiàn)圖3）的堵塞物進(jìn)行XRF 檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)堵塞物成分中70%以上是重金屬氧化物及硫酸鹽物質(zhì)（見(jiàn)表1）。據(jù)此分析由于高硫煙氣中的重金屬及經(jīng)催化劑轉(zhuǎn)換形成的SO3，極容易在噴氨及催化環(huán)境下形成粘性態(tài)物質(zhì)造成催化劑堵塞。

表1 XRF 成分檢測(cè)分析檢驗(yàn)結(jié)果

圖2 催化劑模塊表層粉塵

圖3 催化劑模塊底部黏結(jié)物

1.2 工藝路線二：機(jī)頭除塵+濕法脫硫+濕電+冷凝器+升溫法SCR

經(jīng)過(guò)對(duì)工藝路線一的總結(jié)分析及改進(jìn)，濕法脫硫后SCR 脫硝的煙氣超凈治理工藝（見(jiàn)圖4）成為了鋼鐵企業(yè)在實(shí)施超低排放改造普遍推行的技術(shù)路線之一，其煙氣處理流程為：機(jī)頭電除塵器→主抽風(fēng)機(jī)→濕法脫硫→濕電→冷凝器→GGH 原煙氣側(cè)→SCR→GGH 凈煙氣側(cè)→增壓風(fēng)機(jī)→煙囪。

圖4 燒結(jié)煙氣脫硫后置SCR 脫硝工藝路線

對(duì)國(guó)內(nèi)采用此工藝的項(xiàng)目運(yùn)行狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)跟蹤，這類項(xiàng)目基本能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)燒結(jié)煙氣的超凈治理需求，各項(xiàng)排放指標(biāo)均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)值，部分經(jīng)營(yíng)管理優(yōu)質(zhì)的企業(yè)在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，可以將系統(tǒng)能耗控制在每噸礦8～9 元。

1.3 對(duì)比小結(jié)

對(duì)上述兩種燒結(jié)煙氣超凈治理工藝的技術(shù)可靠性及投資成本進(jìn)行對(duì)比，詳見(jiàn)表2。

表2 燒結(jié)煙氣超凈治理工藝對(duì)比表

通過(guò)統(tǒng)計(jì)超低排放改造政策推行初期（2018—2020 年）國(guó)內(nèi)部分鋼鐵企業(yè)新建的12 個(gè)燒結(jié)煙氣超低排放項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)，無(wú)論選擇哪種形式的催化劑，采用濕法脫硫前置SCR 脫硝工藝的6 個(gè)項(xiàng)目均先后出現(xiàn)了催化劑堵塞的狀況。為保障燒結(jié)生產(chǎn)運(yùn)行，這些項(xiàng)目只能通過(guò)增加停機(jī)頻率、更換催化劑或?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行再改造等方式以解決這類問(wèn)題。

經(jīng)實(shí)踐證明，濕法脫硫前置SCR 脫硝工藝雖然能短期滿足《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見(jiàn)》中的排放指標(biāo)，但由于SCR 前端缺乏較可靠的技術(shù)措施脫除煙氣中的重金屬及硫化物，并不適合大面積推廣用于鋼鐵燒結(jié)煙氣的超凈治理。濕法脫硫后置SCR 脫硝工藝系統(tǒng)投資成本及運(yùn)行成本較低，穩(wěn)定性高，更適合作為我國(guó)鋼鐵燒結(jié)煙氣的超凈治理技術(shù)推廣。

2 燒結(jié)煙氣超凈治理工藝配置淺析

我國(guó)鋼鐵體量大，在實(shí)現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展方面仍面臨不少挑戰(zhàn)。在這種背景下，對(duì)濕法脫硫后置SCR 燒結(jié)煙氣超凈治理系統(tǒng)的冷凝及精細(xì)除塵技術(shù)配置進(jìn)行對(duì)比分析、優(yōu)化，可以提高系統(tǒng)利用率，降低能耗，減少碳排放量，推動(dòng)我國(guó)鋼鐵行業(yè)加速低碳轉(zhuǎn)型，助力國(guó)家碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)。

2.1 煙氣冷凝技術(shù)分析

冷凝器一般設(shè)置在濕電出口，它通過(guò)將冷卻水引入冷凝器設(shè)備，將濕電出口50～55 ℃的飽和濕煙氣進(jìn)行降溫冷卻換熱，煙氣中被冷凝析出的水外排重復(fù)利用。

2.1.1 工藝分析

由于FGD 及濕電會(huì)大幅增加煙氣含水率，在脫硫后置SCR 脫硝工藝中設(shè)置冷凝器可將煙氣中的水汽凝結(jié)析出，降低煙氣的絕對(duì)濕度。通過(guò)溫降值的設(shè)計(jì)，可以將煙氣含水率控制在10%～15%以內(nèi)，降低系統(tǒng)故障時(shí)低溫、高濕煙氣影響催化劑傳質(zhì)，避免其失活。同時(shí)可有效避免高濕煙氣進(jìn)入SCR 后造成溫度場(chǎng)、氨氣混合分布不均勻，出現(xiàn)如局部噴氨量過(guò)大、氨逃逸超標(biāo)、脫硝效率降低等問(wèn)題。另一方面煙氣含水率的降低在減輕GGH 換熱負(fù)荷的同時(shí)可以減小加熱爐升溫的煤氣耗量，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。以360 m2燒結(jié)煙氣治理為例，采用冷凝工藝將煙氣由55 ℃冷凝至50 ℃后再進(jìn)入GGH 系統(tǒng)換熱，并由加熱爐將煙氣升溫30 ℃，相對(duì)于無(wú)冷凝的工藝可節(jié)省高爐煤氣約2 533 m3/h。

冷凝技術(shù)可保障“煙氣消白”長(zhǎng)期穩(wěn)定，提高煙囪觀感。結(jié)合“白煙”的形成和消散機(jī)理，要保證煙氣在擴(kuò)散過(guò)程中始終為非飽和狀態(tài)，煙氣中的水蒸氣不會(huì)凝結(jié)、析出才能徹底消除“白煙”[2]。通過(guò)冷凝技術(shù)降低煙氣的絕對(duì)含濕量，保證煙氣向大氣擴(kuò)散過(guò)程一直為非飽和狀態(tài)，可以大幅提高煙氣的擴(kuò)散能力。當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度為30%、環(huán)境溫度為10 ℃時(shí)，未冷凝煙氣的濕煙羽消散難度大，再熱后溫度（GGH 凈煙氣側(cè)出口煙溫）需大于97 ℃才能滿足完全消白要求。若通過(guò)冷凝技術(shù)將濕電出口煙溫由55 ℃降至50 ℃，再熱后溫度（GGH 凈煙氣側(cè)出口煙溫）大于77 ℃即可實(shí)現(xiàn)“消白”。

此外通過(guò)冷凝器可將飽和濕煙氣中溶解殘留的硫酸鹽、細(xì)微粉塵、重金屬等污染成分隨冷凝水析出，輔助煙氣趨零排放，避免GGH 換熱升溫后煙氣中的硫酸鹽固化析出，堵塞催化劑微孔。同時(shí)，對(duì)煙氣冷凝水的析出回收綜合利用可以降低系統(tǒng)水耗，以360 m2燒結(jié)煙氣治理為例，將煙溫由55 ℃冷凝至50 ℃，回收水量達(dá)35 t/h，在考慮系統(tǒng)蒸發(fā)補(bǔ)水后，綜合節(jié)水量達(dá)16 t/h。

2.1.2 經(jīng)濟(jì)性分析

通過(guò)表3 分析，在僅考慮經(jīng)濟(jì)效益情況下，設(shè)置冷凝器可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行成本創(chuàng)效31.5 萬(wàn)元/a，以冷凝器20 a 的設(shè)計(jì)壽命計(jì)算，在設(shè)備有效周期內(nèi)，其投入與產(chǎn)出基本相當(dāng)。

表3 360 m2 燒結(jié)煙氣治理的冷凝系統(tǒng)年運(yùn)行綜合成本對(duì)比表

2.1.3 綜合分析

綜上所述，燒結(jié)煙氣脫硫后置SCR 脫硝工藝配備冷凝器可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，助力“煙氣消白”及煙氣多污染物的處理，對(duì)于生產(chǎn)管理優(yōu)質(zhì)的企業(yè)其創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)收益可與初次投入基本持平。

2.2 煙氣精細(xì)除塵技術(shù)分析

對(duì)于濕法脫硫+SCR 脫硝工藝，目前一般通過(guò)濕式電除塵器來(lái)保證系統(tǒng)出口粉塵排放濃度小于10 mg/m3，甚至5 mg/m3，部分項(xiàng)目由于場(chǎng)地、投資等因素采用管束式高效除塵除霧器取代濕式電除塵器。

2.2.1 工藝分析

濕式電除塵器的設(shè)備阻力一般小于250 Pa，其電場(chǎng)穩(wěn)定性好，運(yùn)行電壓高，能有效控制氣流攜帶，對(duì)PM2.5脫除效率高，除塵效率可達(dá)到90%以上，對(duì)電腐蝕的抵抗能力強(qiáng)。它作為優(yōu)異的終端控制技術(shù)，被廣泛用于電力、化工、鋼鐵等行業(yè)超低排放系統(tǒng)末端補(bǔ)集細(xì)微粉塵、氣溶膠等。

管束除塵除霧器是以高速旋流產(chǎn)生慣性離心作用力，將霧滴和粉塵拋向筒壁捕集。相對(duì)于濕電系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，不需要有維持高壓電場(chǎng)的電控設(shè)備。但它在低負(fù)荷狀態(tài)下效率很低或失效：負(fù)荷小于80%時(shí)效率衰減較嚴(yán)重，負(fù)荷低于60%時(shí)基本失效；在80%～110%設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)的效果最佳；負(fù)荷高于110%時(shí)易造成二次逃逸。正常工況下設(shè)備阻力一般在650 Pa 左右。具有投資費(fèi)用低、運(yùn)行費(fèi)用低、施工及維護(hù)方便、改造周期短、場(chǎng)地要求較低等特點(diǎn)。

濕式電除塵器的結(jié)構(gòu)較管束除霧器復(fù)雜，安裝周期較長(zhǎng)，運(yùn)行維護(hù)較為繁瑣，對(duì)場(chǎng)地的要求較高。它對(duì)煙氣的凈化程度及穩(wěn)定性均高于管束除塵除霧技術(shù)，尤其對(duì)于亞微米超細(xì)粉塵、SO3、石膏微液滴以及重金屬的水溶性化合物均有較高的脫除效率，二者性能對(duì)比見(jiàn)表4。高效除霧技術(shù)對(duì)工況特性較為敏感，對(duì)入口粉塵濃度要求高，需對(duì)前端電除塵器進(jìn)行改造提效，同時(shí)脫硫塔內(nèi)也需采用托盤、導(dǎo)流板等技術(shù)手段作為保障，才能充分發(fā)揮其性能。

表4 濕式電除塵器與管束除塵除霧器性能對(duì)比表

2.2.2 經(jīng)濟(jì)性分析（見(jiàn)表5）

表5 濕式電除塵器與管束除塵除霧器經(jīng)濟(jì)性對(duì)比表

1）設(shè)備一次性投資費(fèi)用：以360 m2燒結(jié)煙氣治理為例，濕式電除塵器的初次投資費(fèi)用約為1 250 萬(wàn)元，管束除塵除霧器費(fèi)用約為870 萬(wàn)元。

2）運(yùn)行費(fèi)用：濕式電除塵器需配備沖洗水泵、高壓電源、熱風(fēng)吹掃風(fēng)機(jī)及空氣加熱器，而管束除塵除霧器僅需沖洗水泵。

2.2.3 綜合分析

綜上所述，相對(duì)于濕式電除塵器技術(shù)，管束除塵除霧器的技術(shù)可靠性較低，特別是對(duì)工況波動(dòng)較為敏感。該技術(shù)在初次投資上具有優(yōu)勢(shì)，為保證進(jìn)入管束除塵除霧器的粉塵濃度低，需對(duì)機(jī)頭電除塵器及濕法脫硫進(jìn)行改造提效，綜合改造成本后，兩種技術(shù)在初期的投資基本相當(dāng)。但采用管束除塵除霧器工藝的運(yùn)行成本有較大優(yōu)勢(shì)，在機(jī)頭電除塵器及脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)配置，采用管束除塵除霧器取代濕式電除塵器可以減小系統(tǒng)能耗，適用于礦物來(lái)源穩(wěn)定、燒結(jié)工況及工藝控制較好的新建項(xiàng)目推廣。

3 結(jié)語(yǔ)

濕法脫硫前置SCR 脫硝工藝因技術(shù)可靠性不強(qiáng)，已被證明不適合在鋼鐵燒結(jié)煙氣的超凈治理中推廣應(yīng)用。對(duì)于穩(wěn)定性高的濕法脫硫后置SCR 脫硝工藝，采用濕式電除塵器+冷凝器的配置在技術(shù)可靠性上具有明顯優(yōu)勢(shì)，但該技術(shù)初次投資大、運(yùn)行費(fèi)用較高。在國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和的政策背景下，通過(guò)優(yōu)化健全燒結(jié)工藝控制措施實(shí)現(xiàn)燒結(jié)工況穩(wěn)定，推動(dòng)機(jī)頭電除塵器及濕法脫硫的提效改造，研究升級(jí)煙氣冷凝技術(shù)及管束式除塵除霧器技術(shù)，采用管束式除塵除霧器部分替代濕式電除塵器等措施以優(yōu)化系統(tǒng)配置，降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)效，對(duì)于加快推動(dòng)國(guó)家節(jié)能減排工作，推動(dòng)我國(guó)鋼鐵行業(yè)加速低碳轉(zhuǎn)型，早日實(shí)現(xiàn)碳中和具有深遠(yuǎn)意義。