鋼鐵行業(yè)燒結(jié)機(jī)脫硝排放系統(tǒng)中GGH設(shè)計探討

蒲亨林 魏永貴 劉 君 劉朝成

（東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司 四川成都 611731）

1 背景

我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時不斷推進(jìn)大氣污染的深度治理，近年來隨著火力發(fā)電廠的超凈排放進(jìn)入尾聲，超凈排放逐步向鋼鐵行業(yè)燒結(jié)機(jī)覆蓋，重點地區(qū)加速推進(jìn)鋼鐵行業(yè)的脫硫脫硝超凈排放改造。早期的鋼廠一般未裝設(shè)專用脫硝系統(tǒng)，而此次超凈排放改造需要加裝脫硝系統(tǒng)。在脫硝系統(tǒng)中，煙氣加熱器（GGH）作為重要的高效換熱設(shè)備，能夠有效進(jìn)行熱量回收，提升進(jìn)入脫硝反應(yīng)器的煙氣溫度，提高脫硝催化劑的效率。

回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子扇形倉格內(nèi)，轉(zhuǎn)子以約1轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，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(dāng)凈煙氣流經(jīng)轉(zhuǎn)子時，將熱量釋放給換熱元件，凈煙氣溫度降低；當(dāng)換熱元件旋轉(zhuǎn)到原煙氣側(cè)時，又將熱量釋放給原煙氣使其溫度升高。如此周而復(fù)始地循環(huán)，實現(xiàn)凈煙氣與原煙氣的熱交換。

圖1 回轉(zhuǎn)式GGH三維示意圖

2 鋼鐵行業(yè)燒結(jié)機(jī)GGH工作環(huán)境

燒結(jié)機(jī)煙氣的特點[1]：

（1）煙氣流量大、波動大，大型燒結(jié)機(jī)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(fù)雜，含濕量大，含氧量高（12%～18%）。

對于燒結(jié)煙氣NOx控制技術(shù)主要采用選擇性催化還原法（SCR）脫硝技術(shù)[2]。結(jié)合現(xiàn)有各條生產(chǎn)線的不同設(shè)備布置位置，存在著先脫硝還是先脫硫的技術(shù)路線選擇。燒結(jié)機(jī)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(yīng)溫度不斷降低，可以采用更低溫度區(qū)間的脫硝催化劑。結(jié)合不同的技術(shù)路線選擇，GGH的工作環(huán)境有較大差異。

3 燒結(jié)機(jī)煙氣處理路線

3.1 先脫硝再脫硫技術(shù)路線

燒結(jié)機(jī)先脫硝后脫硫，如圖2所示，燒結(jié)煙氣先經(jīng)過除塵設(shè)備，除塵后的原煙氣進(jìn)入脫硝GGH，原煙氣被加熱后，再經(jīng)過補燃設(shè)備將燒結(jié)煙氣溫度提升至脫硝需求溫度進(jìn)入脫硝裝置，脫硝后的凈煙氣進(jìn)入脫硝GGH，高溫的凈煙氣通過回轉(zhuǎn)式GGH進(jìn)行熱量交換，降溫后的凈煙氣進(jìn)入脫硫裝置后續(xù)設(shè)備。本工藝路線采用高溫SCR脫硝技術(shù)，煙氣需要再熱至280℃以上。一

圖2 燒結(jié)機(jī)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(guī)煤粉爐的溫度場相近，鑒于燒結(jié)機(jī)煙氣含塵量較常規(guī)煤粉爐低了兩個數(shù)量級（常規(guī)煤粉爐進(jìn)入回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的含塵量大約在數(shù)十克），且燒結(jié)機(jī)脫硝后煙氣經(jīng)過GGH換熱后，排煙溫度都在150℃以上，與傳統(tǒng)鍋爐回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)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(shù)路線的GGH設(shè)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(shù)路線

圖3 燒結(jié)機(jī)先脫硫后脫硝工藝路線

燒結(jié)機(jī)先脫硫后脫硝，如圖3所示，燒結(jié)煙氣先經(jīng)過脫硫除塵設(shè)備，再進(jìn)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(tǒng)腐蝕、堵塞嚴(yán)重，對后續(xù)的GGH提出了較高的防腐要求。因此，經(jīng)過脫硫后的煙氣含濕量偏高和溫度偏低，在經(jīng)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(huán)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(shè)計重要參數(shù)

4.1 換熱性能

GGH的換熱性能是其關(guān)鍵指標(biāo)。為了減少補燃設(shè)備的補燃量，減少燃料的消耗，在滿足環(huán)保要求的最低排放煙氣溫度前提下，應(yīng)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(dá)線性極限。當(dāng)溫差超過25℃時，可以通過增加部分GGH的換熱元件，到達(dá)快速提升原煙氣溫度的目的，當(dāng)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(guān)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(guān)系趨勢

4.2 漏風(fēng)率

漏風(fēng)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(yù)熱器性能測試，通過GGH煙氣成分進(jìn)行推算，即GGH煙氣換熱器漏風(fēng)率按SCR出口測GGH換熱器進(jìn)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(fēng)率，%；NOx——實測的GGH煙氣換熱器原煙氣進(jìn)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(fēng)率作為回轉(zhuǎn)式換熱器的重要指標(biāo)，對燒結(jié)機(jī)的煙氣排放指標(biāo)有影響，即漏風(fēng)率過大會造成NOx排放超標(biāo)，達(dá)不到排放指標(biāo)要求。

4.3 阻力

GGH的阻力大小對風(fēng)機(jī)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(shè)計條件下阻力的初始值，一般原煙氣側(cè)和凈煙氣側(cè)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(xiàn)GGH阻力增量快速增大，輕則導(dǎo)致廠用電增加，漏風(fēng)率增加，重則導(dǎo)致風(fēng)機(jī)達(dá)到最大出力，影響燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)線的最大產(chǎn)能。因此阻力增量是衡量GGH防堵性能的重要指標(biāo)[5]。

5 GGH應(yīng)用要求

GGH設(shè)計要求高可用率、低阻力高效傳熱和低漏風(fēng)率特性等。

5.1 高可用率

為了與燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)線相匹配，GGH設(shè)計不間斷地連續(xù)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(shè)計過程中，鑒于GGH的放置位置受場地限制，GGH的設(shè)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(fēng)率

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

低泄露系統(tǒng)主要是利用風(fēng)機(jī)抽取GGH出口的凈煙氣，通過注入GGH轉(zhuǎn)動體內(nèi)，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(shè)置熱端扇形板間隙跟蹤裝置，減少低泄露系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)功率，節(jié)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(jié)語

文章通過介紹GGH在燒結(jié)機(jī)脫硝煙氣處理中的作用，結(jié)合脫硝不同工藝路線的選擇和進(jìn)入GGH設(shè)備的煙氣成分，明確了GGH在設(shè)計過程中需要重點關(guān)切的換熱性能、漏風(fēng)率和阻力特性的性能指標(biāo)，提出了GGH在設(shè)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(fēng)大的難題。隨著GGH不斷在燒結(jié)機(jī)中的投運，對其認(rèn)識將更加深刻，將持續(xù)細(xì)分其設(shè)計要領(lǐng)，設(shè)計出更加高效節(jié)能的熱交換器。