河北文豐鋼鐵#3 燒結機超低排放系統設計探討

李靖菀

0 概況

河北文豐鋼鐵有限公司位于邯鄲武安，地處城西工業區，向東30 km 是京深高速公路。為了相應國家環保響應國家環保政策確保煙囪出口SO2、煙塵、NOx 排放濃度滿足環保超低排放標準要求，鋼廠決定為#3 燒結機新增脫硫、除塵、脫硝及相關配套設施。

1 原始設計參數

（1）燒結機容量：132 m2

（2）裝置出力煙氣能力：942 000 m3/h（工況）

（3）煙溫：90～150℃

（4）入口 SO2濃度：3 000 mg/Nm3

（5）入口粉塵濃度：100～150 mg/Nm3

（6）SCR 入口 NOx 濃度：350 mg/Nm3

（7）系統操作彈性：40%～110%

（8）出口 SO2濃度:＜35 mg/Nm3

（9）煙囪出口 NOx 濃度:＜50 mg/Nm3

（10）出口粉塵濃度:＜10 mg/Nm3

（11）蒸汽：無

（12）煤氣：轉爐煤氣及高爐煤氣，壓力4～20 KPa

以上污染物濃度均指標態，干基，16%O2 時的濃度。

2 工藝路線設計

燒結煙氣溫度低（90℃～150℃），不在SCR 脫硝的反應溫度窗口內，但符合濕法脫硫的要求。因此，無法采用燃煤鍋爐煙氣先脫硝后脫硫的工藝路線。

故用以下工藝路線：

主抽風機出口燒結煙氣（90℃～150℃）→脫硫濕電一體塔（50℃）→GGH 升溫（280℃）→熱風爐補溫（320℃）→SCR 中高溫脫硝→GGH 降溫（99℃）→排入煙囪該工藝利用脫硝后凈煙氣（320℃）攜帶的熱量，通過GGH 將該熱量換給原煙氣（50℃），使其升溫280℃，再通過熱風爐補熱升溫至320℃達到SCR 中高溫催化脫硝的溫度要求。

本項目選擇SCR 中高溫脫硝，而非SCR 低溫脫硝是基于以下兩點原因。一，多用于低溫SCR 脫硝的錳基催化劑，雖在低溫下活性高，但與中高溫催化劑相比，抗SO2中毒（SO2與活性金屬生成硫酸鹽，導致活性金屬減少）性能差，需再生周期短[1-2]。二，煙氣中SO3與NH3反應生成硫酸銨和硫酸氫氨，在溫度低于230℃時無法分解，會凝結黏附在催化劑表面及下游的煙道上，造成催化劑堵塞及煙道腐蝕[3]。

3 系統關鍵設備應用

3.1 脫硫濕電一體塔

經濕法脫硫吸收塔洗滌后的煙氣中仍含有超過排放標準的粉塵量（30 mg/Nm3）。粉塵中的 SiO2、Al2O3、CaO、As 等污染物吸附在 SCR 脫硝催化劑表面，減小催化劑的比表面積，抑制反應物向催化劑表面的擴散，從而影響催化劑的活性[4]。為降低脫硫后煙氣中的塵含量，采用脫硫濕電一體塔。燒結煙氣進入吸收塔后上升，與塔內霧化噴嘴噴出的循環漿液逆流接觸，煙氣中的SO2、SO3、HCl、HF 被吸收。為使塔內流場更均勻，提高脫硫效率，在噴淋層下方設置了煙氣均布器（開孔率33%）。煙氣均布器能改善流場，其表面停留的一層石灰石漿液，可增加煙氣同漿液的接觸時間，進一步提高脫硫效率。通過循環漿液洗滌后的煙氣含水量高，需通過除霧器去除煙氣中較大的霧滴。采用兩級屋脊加管式除霧器，可有效將吸收塔出口煙氣中霧滴含量控制在20 mg/Nm3以內。

通過除霧器的煙氣上升，進入塔上濕式靜電除塵器，去除煙氣中粉塵達到排放要求。濕電由陽極系統、陰極系統、電場沖洗水系統、熱風吹掃系統等構成。陽極系統由蜂窩型布置的陽極管組成，材質為2 205 雙向不銹鋼。陰極系統由絕緣子、陰極吊桿、陰極吊梁、陰極線等組成。絕緣子室的熱風吹掃系統包含密封風機和電加熱器。電場沖洗水系統與濕電下方的除霧器沖洗共用兩臺沖洗水泵（一用一備）。

3.2 GGH 換熱器

GGH 換熱器是將燒結煙氣升溫以滿足SCR 中高溫催化脫硝溫度的關鍵設備。采用回轉式煙氣換熱器，主要由轉子和煙氣通道兩部分組成。轉子由電動機帶動以0.75～2 r/min 的轉速旋轉，交替通過原煙氣（脫硫后煙氣，50℃）和凈煙氣（脫硝后煙氣，320℃）通道。在通過凈煙氣通道時，蓄熱部件吸收凈煙氣的熱量，溫度上升；再通過原煙氣通道時，蓄熱部件放熱，對原煙氣加熱。依靠轉子的熱容作用，實現原煙道與凈煙氣間連續的熱交換。

回轉式煙氣換熱器采用低泄漏密封系統，減小原煙氣對凈煙氣的污染。為避免煙氣腐蝕設備，GGH 與煙氣接觸部件均采取防腐措施。對于GGH 靜態部件采用玻璃鱗片樹脂保護，回轉部件采用考登鋼，換熱元件采用鍍搪瓷的鋼板。

原煙氣（脫硫除塵后的煙氣）還攜帶飛灰，飛灰在GGH 內沉積會降低傳熱效率和增加阻力，因此配置壓縮空氣吹灰裝置及高壓沖洗水系統，以保證設備壓損不高于1 800 Pa。考慮到進入GGH 的原煙氣溫度在露點以下，與GGH 配套的低泄漏風機葉輪需采用316 L，保證設備的耐腐蝕能力。

3.3 熱風爐加熱系統

利用GGH 只能將原煙氣升溫至280℃，而SCR 中高溫脫硝的反應溫度在310℃以上[5]，因此需設置煙氣加熱裝置將煙氣升溫40℃至320℃。由于煙氣量大（600 302 Nm3/h，濕基），升溫40℃需消耗8 550 KW 熱量，故選擇熱風爐加熱系統。該系統由熱風爐本體、燃燒器、點火裝置、高爐煤氣閥組、助燃風機及控制系統等組成。熱風爐燃燒高爐煤氣來加熱少量濕煙氣（26 000 Nm3/h）至1 000℃。這部分煙氣與經GGH 升溫至280℃的原煙氣混合成320℃煙氣，進入SCR 脫硝反應器。熱風爐的控制系統配有觸摸屏，顯示爐膛溫度、熱風溫度、煙氣溫度等報警參數。

3.4 SCR 中高溫脫硝系統

本項目SCR 中高溫脫硝系統由氨水蒸發系統及SCR 反應器構成。氨水槽車運來的20%氨水通過卸料泵進入氨水儲罐，再經過氨水循環輸送系統及計量分配模塊噴入氨水蒸發器。在蒸發器內氨水吸收高溫煙氣的熱量蒸發后，進入SCR 脫硝反應器噴氨格柵。在設計工況下，20%的氨水蒸發量為360 kg/h。SCR反應器內布置2+1 層氧化鈦基（V2O5-WO3/TiO2）催化劑，其中一層為預留層。在處理100%的煙氣時，2 層催化劑的脫硝效率不低于90%。催化劑型式為蜂窩式（25 孔），孔內流速不超過8 m/s。為避免煙氣在催化劑表面積灰，每層催化劑均設置聲波吹灰器，備用層也預留了吹灰器的空間及接口。根據反應器的截面尺寸8 000 mm（寬）×9 700 mm（長），以及聲波吹灰器的吹灰距離8m（軸向）、2～4 m（徑向），在 9 700 mm 長度上每層布置 3 臺聲波吹灰器。

4 運行情況

正式投運一年來系統運行正常，主要指標達到設計要求。燒結煙氣經脫硫除塵一體塔處理后含塵量低于10 mg/Nm3，加上催化劑層布置了合理的聲波吹灰系統，未發現催化劑堵塞和磨損問題。

5 結語

該系統采用了先脫硫除塵后脫硝的工藝。經脫硫濕電一體塔處理后的煙氣通過GGH 升溫及熱風爐補熱后，進入SCR 脫硝反應器脫除NOx，再回到GGH 降溫至99℃，排入煙囪。將SCR 反應器布置在脫硫濕電一體塔后，可使催化劑在低SO2、低塵的煙氣中工作，降低了飛灰對反應器的堵塞及腐蝕的風險，避免了催化劑污染、中毒，提高了催化劑的使用壽命。采用該工藝還可避免排煙溫度低造成的“白霧”現象。然而，為了將燒結煙氣升溫至SCR 脫硝反應的溫度窗口內，采用了GGH 和熱風爐，造成投資及運行成本比同等規模的電廠鍋爐脫硫脫硝煙氣凈化裝置高。

除了SCR 脫硝外，也有臭氧法、活性炭吸附法、微生物凈化法、濕式絡合吸收法、脈沖電子暈等離子法及電子束照射法等其他脫硝方式。臭氧脫硝國內應用還不成熟，臭氧利用率低。臭氧脫硝產出的硝酸鹽廢水需有效處理后，才可排入環境水體。

活性炭吸附脫硝雖然設備簡單，且能同時脫除SO2，但吸附劑容量有限，需要的吸附劑量大，設備龐大。加上活性炭再生利用的消耗大，市場價格高，其投資及運行費用較高[6]。

微生物凈化法是利用反硝化細菌的合成代謝將NOx還原成有機氮化物，成為菌體的一部分或通過異化反硝化作用最終轉化為N2，該方法還處于研究階段。

濕式絡合吸收法利用液相絡合劑與NO 反應，增加NO 在水中的溶解度，從而使NO 從氣相轉入液相，再通過對脫硫設備的改造，實現同時脫除SO2和NOx。但脫硝效率低、且副產物難處理。

脈沖電暈等離子法和電子束照射法都是利用高能電子將煙氣中的H2O 和O2分子激活、電離或裂解，生成強氧化性的自由基。這些自由基可將SO2和NOx進行等離子體催化氧化，生成SO3和NO2或相應的酸，在添加劑的作用下，生成相應的鹽而沉降。這兩種方法技術含量和投資費用都較高，且脫硝效率不如SCR。

脫硝方法工業化應用還需改進。目前，高溫脫硝仍是比較成熟、有效的方法。