鋼鐵行業燒結機脫硝排放系統中GGH設計探討

蒲亨林 魏永貴 劉 君 劉朝成

（東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司 四川成都 611731）

1 背景

我國經濟快速發展的同時不斷推進大氣污染的深度治理，近年來隨著火力發電廠的超凈排放進入尾聲，超凈排放逐步向鋼鐵行業燒結機覆蓋，重點地區加速推進鋼鐵行業的脫硫脫硝超凈排放改造。早期的鋼廠一般未裝設專用脫硝系統，而此次超凈排放改造需要加裝脫硝系統。在脫硝系統中，煙氣加熱器（GGH）作為重要的高效換熱設備，能夠有效進行熱量回收，提升進入脫硝反應器的煙氣溫度，提高脫硝催化劑的效率。

回轉式GGH是一種以逆流方式運行的再生式熱交換器，如圖1所示。加工成特殊波紋的金屬換熱元件被緊密地放置在轉子扇形倉格內，轉子以約1轉/分鐘的轉速旋轉，其左右兩半部份分別為未凈化煙氣（原煙氣）和凈化煙氣（凈煙氣）通道。當凈煙氣流經轉子時，將熱量釋放給換熱元件，凈煙氣溫度降低；當換熱元件旋轉到原煙氣側時，又將熱量釋放給原煙氣使其溫度升高。如此周而復始地循環，實現凈煙氣與原煙氣的熱交換。

圖1 回轉式GGH三維示意圖

2 鋼鐵行業燒結機GGH工作環境

燒結機煙氣的特點[1]：

（1）煙氣流量大、波動大，大型燒結機煙氣量為200～300萬m3/h。（2）煙氣溫度低、波動大，煙氣溫度為 120℃～220℃。（3）煙氣中污染物濃度波動大，其中NOx含量為300mg/m3～600mg/m3。（4）煙氣粉塵濃度高，粘度較大。（5）煙氣成分復雜，含濕量大，含氧量高（12%～18%）。

對于燒結煙氣NOx控制技術主要采用選擇性催化還原法（SCR）脫硝技術[2]。結合現有各條生產線的不同設備布置位置，存在著先脫硝還是先脫硫的技術路線選擇。燒結機脫硝放在脫硫前面，催化劑使用溫度范圍一般為280℃～400℃，脫硝放在脫硫后面，催化劑使用溫度范圍一般為250℃～340℃，隨著脫硝催化劑的高效反應溫度不斷降低，可以采用更低溫度區間的脫硝催化劑。結合不同的技術路線選擇，GGH的工作環境有較大差異。

3 燒結機煙氣處理路線

3.1 先脫硝再脫硫技術路線

燒結機先脫硝后脫硫，如圖2所示，燒結煙氣先經過除塵設備，除塵后的原煙氣進入脫硝GGH，原煙氣被加熱后，再經過補燃設備將燒結煙氣溫度提升至脫硝需求溫度進入脫硝裝置，脫硝后的凈煙氣進入脫硝GGH，高溫的凈煙氣通過回轉式GGH進行熱量交換，降溫后的凈煙氣進入脫硫裝置后續設備。本工藝路線采用高溫SCR脫硝技術，煙氣需要再熱至280℃以上。一

圖2 燒結機先脫硝后脫硫工藝路線

般脫硝采用高溫催化劑，該脫硝溫度場與常規煤粉爐的溫度場相近，鑒于燒結機煙氣含塵量較常規煤粉爐低了兩個數量級（常規煤粉爐進入回轉式空氣預熱器的含塵量大約在數十克），且燒結機脫硝后煙氣經過GGH換熱后，排煙溫度都在150℃以上，與傳統鍋爐回轉式空氣預熱器相比，其堵塞傾向性大大減弱。因此，采用先脫硝再脫硫技術路線的GGH設計選材要求就更低，GGH本體防腐和防堵的要求不高。

3.2 先脫硫再脫硝技術路線

圖3 燒結機先脫硫后脫硝工藝路線

燒結機先脫硫后脫硝，如圖3所示，燒結煙氣先經過脫硫除塵設備，再進入脫硝GGH。不同的脫硫工藝有濕法脫硫、半干法脫硫和干法脫硫[3]，其中濕法脫硫系統腐蝕、堵塞嚴重，對后續的GGH提出了較高的防腐要求。因此，經過脫硫后的煙氣含濕量偏高和溫度偏低，在經過GGH加熱以后，原煙氣出口的溫度一般在250℃～280℃，但是鑒于原煙氣入口溫度較低50℃～90℃，在該溫度場的環境運行，GGH要考慮防腐。干法防腐要求略低于濕法，甚至無須防腐。

4 GGH設計重要參數

4.1 換熱性能

GGH的換熱性能是其關鍵指標。為了減少補燃設備的補燃量，減少燃料的消耗，在滿足環保要求的最低排放煙氣溫度前提下，應該盡量將脫硝后的凈煙氣熱量傳遞給原煙氣。由于GGH存在換熱時間和空間的限制，一般換熱存在極限，推薦凈煙氣入口溫度與原煙氣出口溫度溫差在25℃時，其換熱將到達線性極限。當溫差超過25℃時，可以通過增加部分GGH的換熱元件，到達快速提升原煙氣溫度的目的，當溫差要求小于25℃時，提升相同的原煙氣溫度，需要增加GGH的換熱元件量就更多，此時會造成GGH的阻力快速增加，同時GGH本體重量也會快速增加，其關系趨勢如圖4所示。

圖4 凈煙氣入口溫度和原煙氣出口溫度溫差與換熱元件面積關系趨勢

4.2 漏風率

漏風率按下列公式計算：

式中：E1—煙氣再熱器凈煙氣入口煙氣量kg/s；E2—煙氣再熱器凈煙氣出口煙氣量kg/s。

在實際測試過程中，可采用間接測量法，類似于空氣預熱器性能測試，通過GGH煙氣成分進行推算，即GGH煙氣換熱器漏風率按SCR出口測GGH換熱器進出口煙氣中的NOx濃度計算，如下[4]：

式中：A——實測的GGH煙氣換熱器漏風率，%；NOx——實測的GGH煙氣換熱器原煙氣進口NOx濃度，ppm；NOx2——實測的GGH煙氣換熱器凈煙氣入口NOx濃度，ppm；NOx1——實測的GGH煙氣換熱器凈煙氣出口NOx濃度，ppm。

漏風率作為回轉式換熱器的重要指標，對燒結機的煙氣排放指標有影響，即漏風率過大會造成NOx排放超標，達不到排放指標要求。

4.3 阻力

GGH的阻力大小對風機電耗有影響，阻力分為阻力定量與阻力增量。阻力定量指在設計條件下阻力的初始值，一般原煙氣側和凈煙氣側總阻力為1200pa～1800pa；而阻力增量指GGH在運行一段時間后阻力的增加值，如果出現GGH阻力增量快速增大，輕則導致廠用電增加，漏風率增加，重則導致風機達到最大出力，影響燒結機生產線的最大產能。因此阻力增量是衡量GGH防堵性能的重要指標[5]。

5 GGH應用要求

GGH設計要求高可用率、低阻力高效傳熱和低漏風率特性等。

5.1 高可用率

為了與燒結機生產線相匹配，GGH設計不間斷地連續運行時間大于8000小時，對GGH的各功能部件的魯棒性提出了非常高的要求。

5.2 低阻力高效傳熱

在實際設計過程中，鑒于GGH的放置位置受場地限制，GGH的設計直徑受到限制約束，因此只能在高效傳熱和低阻力特性有所取舍，在滿足同等要求換熱量的前提下，用盡量少的金屬耗量換熱元件完成換熱，兼顧流體較低的通流阻力。與此同時，提升換熱元件自清潔特性，即提升通過流體沖刷后帶走表面粘附物的能力，保證GGH阻力增量較小。

5.3 低漏風率

在設置徑向密封系統、軸向密封系統和旁路密封系統基礎之上，為了保證超凈排放，GGH會選擇性增加一套低泄露系統，從而保證GGH的漏風率控制在2%以下甚至更低。

低泄露系統主要是利用風機抽取GGH出口的凈煙氣，通過注入GGH轉動體內，減少原煙氣向凈煙氣的直接泄露和攜帶泄露，在大型號GGH中，設置熱端扇形板間隙跟蹤裝置，減少低泄露系統的風機功率，節省運行成本。各重要部件的選材配置見表1。

表1 GGH各重要部件選材配置

結語

文章通過介紹GGH在燒結機脫硝煙氣處理中的作用，結合脫硝不同工藝路線的選擇和進入GGH設備的煙氣成分，明確了GGH在設計過程中需要重點關切的換熱性能、漏風率和阻力特性的性能指標，提出了GGH在設計過程中各重要部件的選材和配置，解決了GGH的腐蝕和漏風大的難題。隨著GGH不斷在燒結機中的投運，對其認識將更加深刻，將持續細分其設計要領，設計出更加高效節能的熱交換器。