燒結煙氣SCR脫硝技術的應用實踐

孫 東，梁春明

（石橫特鋼集團有限公司 煉鐵廠，山東 肥城271612）

1 前 言

燒結煙道廢氣中排放的氮氧化物含量在280～360 mg/m3，其來源主要是空氣中的氧與燒結燃料中氮元素高溫燃燒發生反應生成NOx。廢氣中的NOx主要由NO和NO2組成，其中NO約占NOx總量的95%，NO2約占NOx總量的5%。空氣中的NOx可與碳氫化合物經紫外線照射發生反應形成光化學煙霧，也可與空氣中的水反應生成硝酸和亞硝酸形成酸雨，影響人類健康，污染環境［1］。根據山東省《鋼鐵工業大氣污染物排放標準》中規定，燒結煙道廢氣中氮氧化物排放量要求在50 mg/m3以下。通過工藝調整優化，氮氧化物只能控制在270 mg/m3左右，氮氧化物減排問題已成為制約公司能否生存發展的主要瓶頸。在此背景下，石橫特鋼開展燒結煙氣NOx減排技術研究。新3#燒結SCR脫硝技術于2018年12月15日投入應用，該技術使用20%濃度的氨水作為脫硝還原劑，將燒結煙氣NOx降低至50 mg/m3以內，實現NOx超低排放。

2 SCR脫硝原理

2.1 化學反應原理

在SCR脫硝工藝中，將氨水霧化噴入燒結煙氣中，在催化劑作用下和300～400℃溫度范圍內氨與NOx反應，生成氮氣和水。主要化學反應方程式為：

2.2 化學反應機理

氨首先被催化劑活化成氨基，再與煙氣中的NO偶合，形成了極易降解為N2和H2O的亞硝基中間產物。隨著還原態的催化劑被煙氣中的氧氣所氧化，催化劑得到復原，實現了催化循環，見圖1。

圖1 脫硝反應機理

3 SCR脫硝技術工藝流程

SCR脫硝技術有以下系統：熱風爐加熱系統、網鏈除塵系統、GGH系統、SCR反應器（含3層催化劑及吹灰系統）、煙氣降溫系統、氨水儲存及輸送系統、電氣控制系統等。

工藝流程：主抽風機將130℃的原煙氣送入脫硝原煙道，煙氣流經GGH換熱器，在GGH換熱器和熱風爐的作用下，將原煙氣加熱到310℃，氨水經噴槍霧化在脫硝原煙道與加熱后原煙氣混合，經網鏈除塵器除塵，進入SCR反應器，在催化劑作用下，氨氣與煙氣中的NOx加速反應實現脫硝。脫硝后的煙氣經GGH換熱器降溫至160℃，再進入煙氣降溫器降溫至120℃，經增壓風機去往吸收塔進行脫硫除塵，最終達標排放。工藝流程見圖2。

脫硝系統設兩臺CEMS，分別安裝在脫硝入口煙道和脫硫塔出口煙道，用于檢測整套系統的出入口數據，出、入口數據CEMS的NOx數據通過硬接線接入脫硝DCS中進行監控與記錄，出口在線數據直接上傳市環保局，有力保障數據的真實性、有效性。

4 脫硝技術參數的控制

4.1 催化劑活性

圖2 脫硝系統工藝流程

催化劑是SCR系統中關鍵設備之一，其類型、結構和表面積對脫除NOx效果有很大影響，該工藝選擇金屬氧化物為催化劑，主要材質為V2O5-WO3（MoO3）/TiO2。影響催化降解效果的因素有以下幾點。

1）反應溫度。反應溫度決定著反應速度和反應活性。如果溫度過低，反應速率慢，甚至出現了一些不利于NOx降解的副反應，如銨鹽的生成反應加快。如果溫度過高，則會出現催化劑活性微晶受高溫燒結的現象，影響了催化劑的使用壽命。SCR系統反應溫度控制在300～400℃。

2）空間速率［2］。煙氣的空間速率越大，其停留時間越短。一般而言，SCR的脫硝效率將隨煙氣空間速率的增大而降低。空間速率通常是根據SCR反應器的布置位置、脫硝效率、煙氣溫度、允許的氨逃逸量以及粉塵濃度來確定的。空間速率一般在2 500～3 500 Nm3/（m3·h）。

3）煙氣流型及與氨的湍流混合。在工程設計中必須重視煙氣的流場，噴氨點應具有湍流條件以實現與煙氣的最佳混合，形成明確的均項流動區域。

4.2 脫硝率

燒結廢氣中入口NOx濃度一般在280～360 mg/m3，通過實時控制氨水流量、噴氨周期，保證SCR系統出口NOx＜50 mg/m3，脫硝率達90%以上。

4.3 催化劑壓差

催化劑運行壓差反映了煙氣經過SCR反應器催化劑層后的壓頭損失。壓差的升高趨勢，代表催化劑的堵塞嚴重程度。正常情況下，壓差＜0.6 kPa。

4.4 NH3/NOx的摩爾比

氨氮摩爾比簡稱為氨氮比［3］，理論上，1 mol的NOx需要1 mol的NH3去脫除，NH3量不足會導致NOx的脫除效率降低，但NH3過量又會帶來NH3對環境的二次污染以及產生氨鹽等腐蝕性物質。通常，噴入的NH3量隨機組負荷的變化而變化，所以煙氣的NOx在線監測設備要定期檢修、校準，保證監測數據的精準。以氨逃逸量為基準，保證能與NOx充分反應，防止逸散。NH3逃逸率一般控制在＜3%。

4.5 聲波吹灰器操作

為防止催化劑積灰，提高催化劑使用壽命，在3層催化劑上方各均勻設有5套聲波吹灰裝置循環吹灰，聲波吹灰器每15 min噴吹1遍，利用金屬膜片在壓縮空氣下產生聲波，將壓縮空氣攜帶的能量轉為高強聲波對積灰產生剝離振動，使灰粒子和空氣產生震蕩，以便煙氣或重力將其帶走。聲波吹灰器工作壓力應＞0.5 MPa，否則難以達到除灰效果。

5 運行中存在的問題及對策

5.1 催化劑堵塞

催化劑堵塞主要是由于銨鹽及飛灰的小顆粒沉積在催化劑小孔中，阻礙了 NOx、NH3、O2到達催化劑活性表面，引起催化劑鈍化。

新3#燒結脫硝系統于2018年12月15日投入運行，運行后由于對反應溫度、吹掃周期及吹掃壓力等工藝參數的控制缺乏經驗，運行不到1個月時間，催化劑總壓差由0.48 kPa逐步升高至1.5 kPa，系統阻力增加，導致燒結負壓降低，影響燒結礦產量降低。于2019年2月15日對脫硝系統工藝停機檢查，經檢查發現催化劑堵塞嚴重。檢修開機后采取增加吹掃頻次、降低反應溫度等措施，但催化劑仍有堵塞現象，于4月7日再次停機清理催化劑堵塞；此次停機在清理堵塞的同時，采取了降低噴吹管與催化劑的垂直距離，距離由500 mm降低至300 mm；另外在第三層催化劑上部增加網鏈清掃裝置，運行中定時對催化劑吹掃、聲波振打等，減少催化劑積灰。此次檢修開機后，催化劑堵塞現象得到一定改善，但壓差還是有緩慢升高趨勢。

為徹底解決催化劑堵塞對生產的影響，脫硝攻關小組不斷創新，擬在吹風管道中兌入調質劑。2019年5月11日停機12 h，通過對相關設備的改造和對接，實現往吹風管道中兌入調質劑。調質劑的主要作用是改善煙氣的品質，降低煙氣的黏度。調質劑使用后催化劑堵塞現象得以消除，實現了SCR系統的長期平穩運行。

5.2 催化劑的磨損

催化劑的磨蝕主要是由于飛灰撞擊催化劑表面形成的，磨蝕強度與氣流速度、飛灰特性、撞擊角度及催化劑本身特性有關。預防措施：加強生產操作管控，控制適宜的混合料水分，杜絕混合料出現干料；使用鋪底料工藝，提高機頭除塵效率，減少粉塵顆粒物進入脫硝系統。

5.3 催化劑堿金屬及砷中毒

堿金屬中毒主要是煙氣中Na、K腐蝕性混合物與催化劑表面接觸，降低催化劑活性。砷（As)中毒主要是由煙氣中的As2O3擴散進入催化劑表面及堆積在催化劑小孔中，在催化劑的活性位置與其他物質發生反應堆積，引起催化劑活性降低。預防措施：一是燒結配礦時綜合考慮原料中堿金屬及砷元素帶入量，控制燒結礦中K2O≤0.12%、Na2O≤0.05%、As≤0.07%；二是做好機頭除塵設備維護，提高除塵運行效率。通過以上措施減少堿金屬及砷進入SCR系統。

5.4 NH3逃逸

監控顯示SCR反應器出口氨濃度＞3×10-6。NH3逃逸一般是NH3/NOx的摩爾比參數控制過高或催化劑性能降低，不僅浪費了生產成本，而且造成環境的二次污染；另外，逃逸了的NH3與煙氣中的SO3反應生成NH4HSO4和（NH4）2SO4等黏稠狀的銨鹽，粘結在下游設備上，并腐蝕這些設備，同時增大了沿程阻力。減少NH3逃逸的措施：在保證SCR系統出口NO濃度達標排放的情況下，減少噴氨量；停機檢查催化劑是否完好或檢測催化劑的性能指標是否滿足要求；檢測煙氣流場是否均勻。

5.5 催化劑的更換與保養

當催化劑磨損或堵塞嚴重時，催化劑反應面積減少，會引起煙氣流不均勻和催化劑反應不充分，影響脫硝效率降低，氨逃逸率增加，需要對催化劑進行更換或清理。催化劑活性與氨逃逸率關系見圖3。

圖3 催化劑活性與氨逃逸率關系

6 運行指標及效果

1）石橫特鋼燒結SCR脫硝技術應用以來，燒結煙氣中NOx排放濃度由350 mg/m3降至50 mg/m3以內，實現了環保超低排放要求，每年可減排氮氧化物約1 100 t，環境效益和社會效益顯著。

2）2019年5—10月，脫硝運行電耗0.79（kw·h）/t、加熱爐煤氣消耗4.81 m3/t、氨水消耗0.7 kg/t、調質劑消耗0.38 kg/t、氮氣消耗5.78 m3/t、水消耗0.06 m3/t，綜合人工、維修合計運行成本7～8元/t。

3）噴吹壓力及頻次、噴吹管與催化劑垂直距離、調質劑的使用、堿金屬含量控制是實現催化劑穩定運行的關鍵，必須嚴格控制。