球團(tuán)生產(chǎn)煙氣中NOx的治理技術(shù)與實(shí)踐

孫志強(qiáng)，孫松山，房 強(qiáng)，焦東明

（淄博鐵鷹球團(tuán)制造有限公司，山東 淄博 255080）

1 前 言

淄博鐵鷹球團(tuán)制造有限公司50 萬t 氧化球團(tuán)生產(chǎn)線采用鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯工藝，獨(dú)立生產(chǎn)線，主體設(shè)備包括Φ6 m 造球盤（3 臺）、2.8 m×36 m 鏈篦機(jī)、4 m×30 m回轉(zhuǎn)窯及40 m2環(huán)冷機(jī)。生產(chǎn)線另配備煤粉制備系統(tǒng)、煙氣處理系統(tǒng)及環(huán)境除塵系統(tǒng)。

根據(jù)《山東省鋼鐵工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 37/990—2019）文件要求，球團(tuán)焙燒設(shè)備排放濃度（基準(zhǔn)含氧量16%）限值為：顆粒物10 mg/m3、SO235 mg/m3、NOx（NO2計(jì)）50 mg/m3。對常態(tài)下鐵鷹公司球團(tuán)生產(chǎn)線尾氣中的NOx排放濃度進(jìn)行檢測，在尾氣氧含量為18.5%左右時(shí)檢測值為75～90 mg/m3，以基準(zhǔn)氧含量16%進(jìn)行折算后，NOx排放濃度在150～180 mg/m3，超出了50 mg/m3達(dá)標(biāo)排放限制，必須采取有效的手段對生產(chǎn)尾氣中的NOx進(jìn)行治理，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

2 生產(chǎn)工藝煙氣的產(chǎn)生及煙氣參數(shù)

2.1 煙氣的產(chǎn)生及運(yùn)行流程

鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)生產(chǎn)線的煙氣主要產(chǎn)生于回轉(zhuǎn)窯窯頭燃料燃燒過程。高溫?zé)煔庠阪滙鳈C(jī)兩側(cè)兩臺熱循環(huán)分機(jī)引力作用下自回轉(zhuǎn)窯進(jìn)入鏈篦機(jī)預(yù)熱二室，經(jīng)過多管除塵器初級除塵后在熱循環(huán)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入鏈篦機(jī)干燥室。來源于環(huán)冷機(jī)二段最終形成鏈篦機(jī)預(yù)熱一室的煙氣與鏈篦機(jī)干燥室的煙氣共同經(jīng)過靜電除塵后，由主抽風(fēng)機(jī)引入脫硫系統(tǒng)凈化后排入大氣。實(shí)施NOx治理前煙氣運(yùn)行系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 實(shí)施NOx治理前煙氣運(yùn)行系統(tǒng)示意圖

2.2 煙氣成分及參數(shù)

經(jīng)過NOx治理立項(xiàng)后的特定檢測，鏈篦機(jī)兩側(cè)的1#和2#熱循環(huán)風(fēng)機(jī)煙氣量均≤140 000 m3/h，煙氣溫度300～350 ℃，O2含量為15.5%～16.5%，NOx含量≤200 mg/m3，SO2含量＜6 000 mg/m3；總排口煙氣量≤460 000 m3/h，煙氣溫度45～55 ℃，O2含量為18.5%～19.5%，NOx含量≤70 mg/m3，SO2含量＜50 mg/m3，顆粒物濃度＜10 mg/m3。從實(shí)際檢測數(shù)據(jù)看出，未進(jìn)行NOx治理前，尾氣氧含量在18.5%～19.5%時(shí)總排口的NOx含量已超出排放限值。

3 NOx治理技術(shù)的選擇與應(yīng)用

3.1 基礎(chǔ)參數(shù)的設(shè)計(jì)

3.1.1 煙氣溫度變化參數(shù)

回轉(zhuǎn)窯焙燒初始煙溫為1 250～1 300 ℃，至窯尾時(shí)，煙溫降至950 ℃左右進(jìn)入預(yù)熱段。煙氣在預(yù)熱段經(jīng)球團(tuán)吸收熱量后，溫度降至350～400 ℃進(jìn)入多管旋風(fēng)除塵器，除塵后的煙氣通過高溫循環(huán)風(fēng)機(jī)送至干燥室對球團(tuán)礦進(jìn)行初步加熱。干燥室的煙氣與預(yù)熱一室的煙氣匯合后進(jìn)入靜電除塵后溫度降至130～150 ℃，最后通過球團(tuán)主抽風(fēng)機(jī)引入脫硫系統(tǒng)凈化后外排，溫度為45～55 ℃。

3.1.2 煙氣中NOx濃度變化參數(shù)

在循環(huán)風(fēng)機(jī)出口煙氣NOx實(shí)測濃度為200 mg/m3（含氧量15.5%～16.5%），總排口煙氣NOx實(shí)測濃度為70 mg/m3（含氧量18.5%～19.5%）。

3.1.3 脫硝裝置設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)

脫硝裝置設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)包括：（1）濕基標(biāo)況煙氣量120 000 m3/h。（2）脫硝裝置入口煙氣NOx濃度按含氧量16%及干基折算后≤200 m3/h。（3）煙氣總排口NOx濃度按含氧量16%及干基折算后≤50 m3/h。（4）脫硝裝置脫硝效率≥75%。

3.2 典型NOx治理（脫硝）技術(shù)的分析

市場上可供選擇的煙脫硝技術(shù)主要有三大類，即吸附法（活性炭）脫硝技術(shù)、氧化法脫硝技術(shù)和還原法脫硝技術(shù)。吸附法（活性炭）脫硝技術(shù)脫硝效率在80%左右，不能滿足山東省最新發(fā)布的《鋼鐵工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求，且項(xiàng)目一次投資較高，工藝復(fù)雜，不適用鐵鷹公司現(xiàn)狀。部分60萬t球團(tuán)脫硝方案擬采取SNCR 還原法+雙氧水氧化法的脫硝方式，能夠滿足氮氧化物達(dá)標(biāo)排放，但根據(jù)淄環(huán)發(fā)【2017】71號文件要求，氧化法脫硝技術(shù)為淄博市禁止使用技術(shù)。還原法脫硝方法主要分SNCR脫硝方法和SCR脫硝方法，是目前電力、水泥、工業(yè)窯爐等行業(yè)廣泛使用的技術(shù)。通過對部分企業(yè)SNCR 脫硝設(shè)施進(jìn)行實(shí)地查看，單純的SNCR 脫硝設(shè)施已不能滿足日益嚴(yán)格的氮氧化物達(dá)標(biāo)排放。

常規(guī)SCR脫硝設(shè)施一般建設(shè)在除塵、脫硫塔出口，要求反應(yīng)溫度區(qū)間在180～420 ℃?？紤]獨(dú)立球團(tuán)鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線工藝特點(diǎn)及其氮氧化物濃度排放現(xiàn)狀，在政策允許范圍內(nèi)，結(jié)合鐵鷹公司考察實(shí)際情況，脫硝項(xiàng)目宜采用鏈篦機(jī)機(jī)頭高溫段建設(shè)SNCR 脫硝+適溫段建設(shè)SCR脫硝設(shè)施的聯(lián)合脫硝技術(shù)，確保污染物穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。

3.3 SNCR煙氣脫硝技術(shù)分析

SNCR 技術(shù)是用NH3、尿素等還原劑噴入煙氣中與NOx 進(jìn)行選擇性反應(yīng)，不用催化劑，因此必須在高溫區(qū)加入還原劑。還原劑噴入煙氣溫度為850～1 100 ℃的區(qū)域，該還原劑（尿素）迅速熱分解成NH3并與煙氣中的NOx進(jìn)行SNCR反應(yīng)生成N2。

鏈篦機(jī)預(yù)熱二室與回轉(zhuǎn)窯接口處煙溫在900～1 000 ℃，符合SNCR 反應(yīng)溫度要求。SNCR 煙氣脫硝技術(shù)的脫硝效率一般為25%～50%，本技術(shù)方案需將煙氣中的氮氧化物由200 mg/m3降至50 mg/m3，單獨(dú)使用SNCR技術(shù)無法達(dá)到此脫硝效率。

3.4 SCR煙氣脫硝技術(shù)分析

3.4.1 SCR脫硝技術(shù)原理

SCR（選擇性催化還原）技術(shù)是目前應(yīng)用最多且最有成效的煙氣脫硝技術(shù)，是在金屬催化劑作用下，以NH3作為還原劑，將NOx還原成N2和H2O。

通過采用合適的催化劑，上述反應(yīng)可在250～410 ℃的溫度范圍內(nèi)有效進(jìn)行，獲得高達(dá)80%～90%的NOx脫除效率。SCR工作原理如圖2所示。

圖2 SCR工作原理

3.4.2 SCR脫銷技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

SCR 技術(shù)對煙氣NOx控制效果顯著，具有技術(shù)成熟、脫硝效率高、占地面積小、易于操作、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，是我國燒結(jié)煙氣、球團(tuán)煙氣控制NOx污染的主要手段之一。但由于SCR 要使用催化劑，設(shè)置單獨(dú)的反應(yīng)器，一次投資費(fèi)用相對較高。

3.5 SNCR/SCR聯(lián)合工藝煙氣脫硝技術(shù)的運(yùn)用

SNCR/SCR 聯(lián)合煙氣脫硝技術(shù)是把SNCR 同SCR 工藝?yán)锰右莅边M(jìn)行催化反應(yīng)的技術(shù)結(jié)合起來，進(jìn)一步脫除NOx。它是把SNCR工藝的投資費(fèi)用低的特點(diǎn)同SCR工藝的高效率及低的氨逃逸率進(jìn)行有效結(jié)合。理論上，SNCR工藝在脫除部分NOx的同時(shí)也為后面的催化法脫硝提供所需要的氨。SNCR體系可向SCR催化劑提供充足的氨，但是控制好氨的分布以適應(yīng)NOx的分布的改變卻是非常困難的。為了克服這一難點(diǎn)，聯(lián)合工藝需要在SCR反應(yīng)器中安裝一個(gè)輔助氨噴射系統(tǒng)。通過試驗(yàn)和調(diào)節(jié)輔助氨噴射可以改善氨氣在反應(yīng)器中的分布效果。SNCR/SCR聯(lián)合工藝的運(yùn)行特性參數(shù)可以達(dá)到40%～90%的脫硝效率，氨的逃逸＜3×10-6。因此針對鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯煙氣系統(tǒng)的特點(diǎn)，選用聯(lián)合工藝具有投資低、運(yùn)行費(fèi)用低、運(yùn)行靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢，NOx治理選用SNCR-SCR聯(lián)合工藝作為脫硝工藝方案。

3.5.1 SNCR脫硝系統(tǒng)的設(shè)置及系統(tǒng)組成

SNCR脫硝系統(tǒng)安裝在鏈篦機(jī)頭處，包括氨水稀釋裝置、計(jì)量及分配裝置、SNCR噴射系統(tǒng)。氨水稀釋裝置是利用高流量、高壓輸送控制把稀釋水輸送到計(jì)量及分配裝置，使氨水稀釋至10%左右濃度。計(jì)量及分配裝置用于控制SNCR噴射區(qū)的還原劑流量，配置1套計(jì)量分配系統(tǒng)，計(jì)量分配系統(tǒng)就近布置在噴射系統(tǒng)附近平臺上。噴槍采用特制的壓縮空氣霧化的雙流體噴槍，可將氨水溶液霧化成均勻的極細(xì)的液滴，噴槍采用316L制作，并設(shè)置保護(hù)和吹掃套管以防止噴嘴堵塞和飛灰侵蝕，利用空氣冷卻。

3.5.2 SCR反應(yīng)器安裝位置選擇及構(gòu)成

經(jīng)多管除塵后的煙氣溫度在350～400 ℃，其溫度區(qū)間符合SCR脫硝技術(shù)要求，通過對生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行勘察，最終確定SCR反應(yīng)器安裝在多管除塵與高溫循環(huán)風(fēng)機(jī)之間。增設(shè)脫硝反應(yīng)器后煙氣運(yùn)行將增加約1 000 Pa的阻力，為了消除其影響，相應(yīng)對原高溫循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，提升風(fēng)機(jī)全壓1 200 Pa。

SCR反應(yīng)器為直立式焊接鋼結(jié)構(gòu)容器，內(nèi)部設(shè)有催化劑支撐結(jié)構(gòu)，能承受內(nèi)部壓力、地震負(fù)荷、煙塵負(fù)荷、觸媒負(fù)荷和熱應(yīng)力等。反應(yīng)器殼外部設(shè)有加固肋及保溫層，觸媒層頂部裝有密封裝置，防止未處理過的煙氣短路。反應(yīng)器采用固定床平行通道形式，安裝三層，并預(yù)留一層位置，按4 層設(shè)計(jì)，層與層之間空間凈高2.5 m。反應(yīng)器的上部安裝有導(dǎo)流板、整流裝置，在反應(yīng)器的豎直段裝有催化劑床。在每層催化劑之前設(shè)置1只耙式吹灰器，可隨時(shí)將沉積于催化劑入口處的飛灰吹除，防止堵塞催化劑通道。SCR反應(yīng)器下部不設(shè)灰斗，在反應(yīng)器壁上留有壓縮空氣接口以備定時(shí)吹掃底部積灰。同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)器下部設(shè)計(jì)，減少積灰可能性。

3.5.3 催化劑的技術(shù)要求與選擇

催化劑是SCR 系統(tǒng)中的主要設(shè)備，其成分組成、結(jié)構(gòu)、壽命及相關(guān)參數(shù)直接影響到SCR 系統(tǒng)脫硝效率和運(yùn)行狀況，應(yīng)具有以下特性：（1）較高的NOx選擇性；（2）在較低的溫度下和較寬的溫度范圍內(nèi)具有較高的催化活性；（3）較高的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性；（4）費(fèi)用較低。

通過對蜂窩式、板式和波紋板式三種主流催化劑各類參數(shù)進(jìn)行綜合分析對比，最終采用成熟的蜂窩式高溫催化劑，其活性溫度范圍在310～420 ℃，與反應(yīng)器工況溫度相吻合。

3.5.4 氨水（還原劑）技術(shù)要求及供給系統(tǒng)設(shè)置

氨水濃度≥20%。設(shè)置1 個(gè)氨水儲罐，立式常壓容器，304制作，容積為30 m3，滿足SNCR+SCR聯(lián)合工藝裝置煙氣滿負(fù)荷工況下7 d 氨水總消耗量。氨水罐配置液位計(jì)、真空閥、安全閥等附屬設(shè)施。氨水由輸送及循環(huán)裝置自儲罐輸送至計(jì)量和分配裝置，該裝置是一個(gè)獨(dú)立的高流量傳輸系統(tǒng)，包括2臺全流量的多級離心泵，1用1備。內(nèi)嵌雙聯(lián)式過濾器用于遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測氨水輸送系統(tǒng)壓力及溫度儀表等。設(shè)置一套背壓控制閥，為計(jì)量分配裝置穩(wěn)定供應(yīng)氨水來調(diào)節(jié)供料泵的流量和壓力。

4 NOx治理技術(shù)的優(yōu)化

根據(jù)50萬t鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)生產(chǎn)線初始設(shè)計(jì)，鏈篦機(jī)有效長度為36 m，共12 個(gè)風(fēng)箱，分干燥室、預(yù)熱一室、預(yù)熱二室共3 個(gè)室。預(yù)熱一室和預(yù)熱二室之間的隔墻上設(shè)置窗口，以解決投產(chǎn)初期或其他原因造成的預(yù)熱一室熱量不足的問題。通過對鏈篦機(jī)煙道運(yùn)行進(jìn)行分析，預(yù)熱一室的煙氣與干燥室的煙氣經(jīng)共同煙道進(jìn)入靜電除塵，而通過預(yù)熱一室和預(yù)熱二室之間聯(lián)通窗口進(jìn)入預(yù)室的煙氣則無法經(jīng)過SCR反應(yīng)器進(jìn)行脫硝，發(fā)生了NOx不同程度的逃逸，對NOx的最終效果產(chǎn)生影響。

對鏈篦機(jī)分段實(shí)施了技術(shù)改造，通過隔墻位置改變和隔墻上聯(lián)通窗口通風(fēng)面積的調(diào)整，減少了預(yù)熱一室內(nèi)NOx的進(jìn)入量，提高了煙氣中NOx有效治理量，有效促進(jìn)了NOx治理效率的提高，確保了穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。改造前后對比如圖3所示。

圖3 優(yōu)化的NOx治理鏈篦機(jī)分段技術(shù)示意圖

5 結(jié) 語

通過選擇適合的NOx治理技術(shù)及技術(shù)優(yōu)化，球團(tuán)NOx得到了有效治理，滿足了達(dá)標(biāo)排放需要并降低了脫硝運(yùn)行成本。投入運(yùn)行以來，未出現(xiàn)煙氣NOx排放超標(biāo)事件。通過生產(chǎn)物料數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對比分析，氨水平均單耗為0.72 kg/t 球，滿足初始設(shè)計(jì)單耗0.84 kg/t球設(shè)計(jì)要求并降低了用量，實(shí)現(xiàn)了較低的脫硝運(yùn)行成本。