鋼鐵行業焦爐煙氣新型脫硫脫硝技術應用
——以某鋼鐵企業為例

高 困

(江蘇環保產業技術研究院股份公司，江蘇 南京 210019)

1 引言

隨著《煉焦化學工業污染物排放標準》的實行，煉焦行業面臨的環保壓力日漸增大。目前國內焦爐煙氣脫硫脫硝剛剛起步，鋼鐵行業對比其他行業較成熟的煙氣處理工藝來說，做到工藝技術路線成熟、投資省、噸焦成本低、副產物及二次污染少且占地少的煙氣脫硝處理技術至關重要，尋找到比較適合的焦爐煙氣脫硫脫硝的工藝技術路線，也是鋼鐵行業普遍關心的重點。

2 鋼鐵行業焦爐煙氣處理工藝的選擇

2.1 鋼鐵行業與煤電行業煙氣的迥異

現階段火電[1]、煤電[2]等行業的煙氣脫硫脫硝技術相對成熟，主要工藝技術路線大致可分為干法、半干法、濕法三類[3]。但業界研究實踐表明，煤電行業的煙氣治理工藝并不能完全滿足鋼鐵行業焦爐煙氣排放的標準需求。因此，鋼鐵焦爐行業[4,5]在借鑒火電、煤電冶金行業成熟的脫硫脫硝技術基礎上，需結合自身焦爐工藝的特點。因為兩者主要有以下3個不同點。

(1)脫硝前煙氣溫度不同。焦爐煙氣在脫硝之前，其溫度一般為160～250 ℃，煤電煙氣脫硝前溫度為300～450 ℃,焦爐煙道的溫度無法匹配傳統工藝的溫度條件，從而阻礙了一些技術工藝在焦爐煙道氣脫硝方面的應用。

(2)煙氣的污染物成分不同。煤電行業煙道氣中SO2含量偏高，NOX含量偏低，而焦爐煙道氣中NOX含量偏高，SO2含量偏低，且含有焦油、一氧化碳、游離炭等組分，這導致活性炭聯合脫硫脫硝法等適合于高硫低氮煙氣工況的工藝在焦化行業難以適用。

(3)排煙溫度不同。焦爐煙囪內部必須保持130 ℃以上的溫度(焦化行業稱之為煙囪熱備)，在引風機出現故障時，能夠保證焦爐煙囪還能為煉焦工藝提供穩定的壓力出口條件，而不影響整個焦爐的生產，而煤電行業的排煙溫度最大限值是48 ℃，所以排煙溫度過低的濕法工藝在焦化行業的應用受到制約。

2.2 鋼鐵行業新型催化法煙氣脫硫脫硝工藝選擇

鑒于對鋼鐵行業與火電、煤電等行業煙氣的分析，干法、活性炭聯合脫硫脫硝法和濕法工藝[3]等傳統且較成熟的工藝不適用于鋼鐵行業焦爐煙氣的脫硫脫硝處理。目前，對鋼鐵企業進行調研，發現大多鋼企選擇采用旋轉噴霧法Na法脫硫(SDA)+低溫選擇性催化還原脫硝(SCR)工藝技術路線，但此工藝的系統阻損大，能耗大，投資大且工程占地面積多。因此，需要尋求一種高效、成熟、安全、節能、經濟的組合式脫硫脫硝煙氣凈化工藝。結合某鋼鐵企業的自身特點，發現新型催化法脫硫+中低溫選擇性催化還原脫硝(SCR)工藝技術路線滿足上述需求。

3 新型催化法脫硫+中低溫選擇性催化還原脫硝(SCR)工藝原理

某鋼鐵企業的焦爐煙氣凈化工藝系統主要有：煙氣系統、煙氣調質系統、新型催化法脫硫系統、SCR脫硝系統、引風機、煙囪等組成。

3.1 新型催化法反應原理

焦爐過來的煙氣首先經過調質管段將煙氣溫度穩定到140 ℃左右，然后輸送至脫硫塔，煙氣中的SO2、H2O、O2在塔內新型催化劑中被吸附，在新型催化劑作用下被SO2和O反應生成SO3，SO3進一步和H2O反應生成H2SO4，從而實現煙氣脫硫的目的。

在催化劑上的二氧化硫、三氧化硫均經催化氧化生成硫酸(SO3不會單獨存在并攜帶至后續系統)，當催化劑內的硫酸達到飽和后進行再生。再生采用梯級循環再生方式，通過不同濃度的稀酸進行分級淋洗，最終將床層內的硫酸轉化到再生液中，脫硫劑的活性得到恢復，同時獲得15%左右濃度的稀酸產品。再生完畢后的脫硫單元床層較為濕潤，可將脫硝處理后的潔凈尾氣引至該脫硫單元，對床層進行吹干處理，并可將床層提高一定溫度，處理后的床層可靜置備用。

3.2 SCR脫硝反應原理

脫硫后煙氣送入SCR脫硝系統入口煙道，SCR脫硝系統向催化劑上游的煙氣中噴入氨氣或其它合適的還原劑、利用催化劑將煙氣中的NOX轉化為N2和H2O。在通常的設計中，使用液態無水氨或氨水(氨的水溶液)，無論以何種形式使用氨，首先使氨蒸發，然后氨和稀釋空氣或煙氣混合，最后利用噴氨格柵將其噴入SCR反應器上游的煙氣中。

在SCR反應器內，NO通過以下反應被還原：

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O

(1)

6NO+4NH3=5N2+6H2O

(2)

當煙氣中有氧氣時，反應(1)優先進行，因此，氨消耗量與NO還原量有一對一的關系。

在燃燒煙氣中，NO2一般約占總的NOX濃度的5%，NO2參與的反應如下：

2NO2+4NH3+O2=3N2+6H2O

(3)

6NO2+8NH3=7N2+12H2O

(4)

式(3)、(4)兩個反應表明還原NO2比還原NO需要更多的氨。在絕大多數的煙氣中，NO2僅占NOX總量的一小部分(約5%左右)，因此NO2的影響并不顯著。

4 新型催化法脫硫+中低溫選擇性催化還原脫硝(SCR)技術特點

4.1 新型催化法脫硫在工程應用上的特點

新型催化法技術既具有吸附功能，又具有催化劑的催化功能。煙氣中的SO2、H2O、O2被吸附在催化劑的孔隙中，在活性組分的催化作用下變為具有活性的分子，同時反應生成H2SO4。催化反應生成的硫酸富集在載體中，當脫硫一段時間孔隙能硫酸達到飽和后再生，釋放出催化劑的活性位，催化劑的脫硫能力得到恢復。其核心是催化劑，該催化劑不同于傳統脫硫活性焦、活性炭，它是以炭材料為載體，負載一定活性組分制備而成脫硫劑，使其對SO2氧化制酸過程具有催化性。其在工程應用上的特點如下。

①脫硫效率高于傳統技術；②新型催化劑使用壽命較長，無需持續添加，每年維護即可，所以，脫硫劑一次投入后可長期使用，耗量少，避免鈣法、氨法、鎂法、鈉法、活性焦法等脫硫技術需隨時加入脫硫劑，脫硫劑耗量大的問題；③可用于氣量、濃度波動大的煙氣處理，操作彈性大；④工藝流程短，設備少。由于無需脫硫原料的制備及供料、運入、輸送系統，系統設備少，裝置相對簡單，占地相對較小，因而，減少了現場維護工作量；⑤改變了傳統脫硫活性焦、活性炭脫硫后再生需采用高溫煙氣(>400 ℃)再生耗能問題，僅需采用水洗，相應能耗較低，因此，工藝簡單，能耗低，裝置建設和運行費用較低；⑥無固廢產生，脫硫副產物為稀硫酸，是化工產品，可以根據用戶需要以硫酸、硫酸鹽等形式實現資源化利用，無二次污染的產生；⑦可與脫硝、脫碳、除重金屬工藝相結合，達到更高的環保要求；新型催化法脫硫效率高，煙氣脫硫反應窗口溫度140 ℃左右，焦爐來煙氣溫降少，這使得下游脫硝裝置的反應溫度窗口得以降低，為后續SCR反應器脫硝升溫減少了能耗，進而節約了系統能耗。

4.2 SCR脫硝技術在工程應用上的特點

煙氣脫硝SCR工藝[6]已經相當成熟，但由于焦爐煙氣較其他行業產生的煙氣溫度低，為160～250 ℃，因此，該工藝在鋼鐵行業焦爐煙氣處理的核心是選擇合適的脫硝催化劑，即選擇中低溫脫硝催化劑。其在工程應用上的特點如下。

①脫硝效率最高可以達到90%以上，NOX排放濃度可控制到50 mg/Nm3以下；②氨逃逸濃度低，可以控制在3×10-6以下；③系統簡單，操作便利，催化劑在與煙氣接觸過程中，受到氣態化學物質毒害、飛灰堵塞與沖蝕磨損等因素的影響，其活性逐漸降低，通常3～4年增加或更換一層催化劑即可繼續保證系統脫硝效果；④脫硝裝置占地小，脫硝反應器系統阻力小；⑤布置靈活，可以方便地與脫硫裝置聯合；⑥安全性高，無塵爆的風險。

5 結語

某鋼鐵公司在應用新型催化法脫硫+中低溫選擇性催化還原脫硝(SCR)工藝技術后，焦爐煙氣處理系統SO2、NOX、顆粒物去除效率提升至80%、85%、60%，不僅實現焦爐煙氣高效脫硫脫硝，而且確保焦爐煙囪始終處于“熱備用”狀態。工藝實施后焦爐煙氣相應污染物排放濃度穩定達到《煉焦化學工業污染物排放標準》(GB16171-2012)標準限值要求，并且工藝過程無廢水排放，實施后大大降低了某鋼企的焦爐煙氣污染物排放。其脫硝方案中催化劑反應溫度為200 ℃，相對中低溫催化劑，適當降低脫硝反應溫度，降低了脫硝反應器的規模、減少脫硝系統中GGH的換熱元件面積、系統中煙道的截面積，從而節省了投資。

綜上，新型催化法脫硫+中低溫選擇性催化還原脫硝(SCR)工藝技術是一種高效、成熟、安全、節能、經濟的組合式脫硫脫硝煙氣凈化工藝，鋼鐵行業焦爐煙氣的處理工作可以借鑒。