球團廠氮氧化物超低排放改造方案討論

黃勁松，黃 雯，王萬平

（武鋼資源集團程潮礦業有限公司，湖北 鄂州 436050）

當前，鋼鐵行業大氣污染依然突出，而球團又是鋼鐵行業大氣污染首要貢獻源之一。隨著鋼鐵行業對大氣污染貢獻的比重加大，為切實落實“打贏藍天保衛戰”，2019 年生態環境部等五部委聯合頒布了《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》，對球團工序煙氣排放明確提出了最為嚴格的排放要求，其中氮氧化物排放濃度小時均值分別不高于50mg/立方米。根據《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》（環大氣[2019]35 號）,急需對現有回轉窯窯尾煙氣增設脫硝裝置，進行球團煙氣超低排放改造。

1 改造要求及數據收集

1.1 主要技術原則

（1）改造后，氮氧化物最高允許排放濃度≤50mg/Nm3。

（2）對脫硝工藝技術方案進行篩選比較，提出技術成熟，脫除效率穩定，有一定應用業績，既能保證系統可靠運行又確保不影響企業的正常生產的脫硝改造方案。

（3）選用的工藝（提效）方案應與球團廠生產工藝相適應，工藝布局滿足現場要求，方案具有先進性、可靠性、經濟合理性。

（4）在滿足技術性能要求的前提下，盡量節約投資[1]。

1.2 改造后排放指標要求

改造完成后，煙氣排放滿足以下指標要求（脫硫裝置入口粉塵含量30mg/Nm3情況下）。

2 NOx超低排放改造技術方案比選、優化分析

結合公司的實際情況，現有煙氣處理系統已配置有脫硫處理工藝裝置，但無法滿足超低排放要求；未建設有煙氣脫硝裝置。隨著環保排放要求的提高，原有除塵脫硫裝置已不能完全勝任，需根據新的排放要求對脫硫系統進行提效改造，新增氮氧化物的凈化裝置，通過比選最終確定合理的工藝技術方案。

脫硝工藝選擇。

2.1 方案一：SCR 脫硝工藝

目前球團煙氣脫硝工藝受溫度窗口選擇的影響，均采用SCR脫硝工藝。由于SCR 催化劑主要由堿金屬組成，而球團煙氣中含水率高、HCL、SO2含量高以及其他影響因素，在不去除HCL、SO2等污染物的情況下，直接與通過催化劑去除煙氣中NOx，極易使SCR 催化劑失去活性。因此，脫硝必須與煙氣溫度相結合。

選擇性催化還原（SCR）法，即在裝有催化劑的反應器內用氨作為還原劑來脫除氮氧化物。煙氣中的氮氧化物一般由體積濃度約95%的NO 和5%的NO2組成。脫硝反應按照下面的基本反應轉化成分子態的氮氣和水蒸氣。

SCR 主要反應方程式如下：

圖1 SCR 脫硝反應示意圖

選擇性催化還原(SCR)技術是目前應用最多而且最有成效的煙氣脫硝技術。

方案A：脫硫前SNCR+高溫SCR 脫硝

將SCR 脫硝裝置布置于濕法脫硫裝置前，在鏈篦機機頭位置、預熱段根據煙氣溫度、氮氧化物的不同分布和梯度，分別設置SNCR、高溫SCR 裝置，經過以上裝置處理后，煙氣所含氮氧化物濃度可降至50mg/Nm3以下。

該脫硝工藝的主要優點：

（1）投資省，造價低：該工藝充分利用球團生產煙氣溫度的不同分布梯度，在不同溫度區間設置脫硝裝置，不需要額外增加換熱器、熱風爐等設備，節省投資。

（2）運行費用低：該工藝充分利于球團生產過程中不同位置的煙氣溫度，不需進行升溫加熱，節省煤氣，減少電耗，總體運行費用大大降低。

（3）占地面積小：該工藝只考慮SCR 脫硝反應器占地及氨區占地，不需考慮因GGH、熱風爐等占地面積，所需占地面積小，可利用管束除塵器和高溫風機之間場地。

該脫硝工藝的主要缺點：

（1）煙氣中粉塵濃度較高，對催化劑磨損大：SCR 脫硝裝置由于位于管束除塵之后，雖然煙氣中大顆粒粉塵已去除，但粉塵含量仍較高，對催化劑磨損較嚴重。

（2）粉塵中其他金屬物質含量較高，影響催化劑性能：因粉塵為球團生產過程中顆粒，球團顆粒中含有鉻、鎘等重金屬，可能會對催化劑性能影響較大，嚴重時可導致催化劑中毒，失去活性。

（3）預熱段煙氣溫度范圍較大，常規催化劑不適用：由于預熱段煙氣漸度從300℃-450℃的區間范圍，常規中高溫催化劑在300℃-400℃范圍，需考慮高溫時，催化劑的耐受能力和性能。

方案B：脫硫后中高溫SCR 脫硝

脫硝裝置布置于濕法脫硫裝置后，采用GGH 換熱器，利用脫硝后的270℃～280℃的凈煙氣將煙氣溫度升至220℃～250℃，再利用熱風爐將煙氣溫度升溫至280℃左右，進入SCR 脫硝反應器進行反應。反應后的煙氣再對濕法脫硫出口的煙氣升溫加熱，將溫度降至100℃左右后，通過引風機排放至煙囪。

該脫硝工藝的主要優點：

（1）SO2、粉塵對催化劑影響小：該工藝布置于濕法脫硫后，煙氣經脫硫、除塵后升溫后，進行SCR 反應器進行脫硝，煙氣中SO2、粉塵含量已在超低排放范圍內，對催化劑影響最小。

（2）催化劑生產廠家多：280℃中高溫催化劑目前在燒結、球團脫硝裝置中運行較多，可選擇的生產較廣，采購易。

（3）滿足不同工況后置煙氣脫硝要求：對于球團主工藝附近廠地緊張，無適用溫度范圍的廠區，更適宜采用后置SCR 脫硝。且不僅適用于濕法脫硫，也適用于干法、半干法脫硫之后。

該脫硝工藝的主要缺點：

（1）投資高，占地面積大：由于采用GGH 換熱，并采用熱風爐升溫工藝，占地面積，設備造價都較大。且因脫硫場地已建設或其他建筑物已將場地占據，可能需要引至他處另建，煙道、建構筑投資較大。

（2）運行費用高：該工藝因采用熱風爐進行升溫加熱，將需要耗費大量的煤氣來補充熱量，運行費用較高，可占總的運行費用約1/3，同時由于GGH 阻力較高，系統總的阻力增加，引風機電耗升高，運行費用總體偏高。

（3）受濕法脫硫影響，GGH 易結垢：由于濕法脫硫后，煙氣含有水汽及少量粉塵，在干濕交界的地方易結垢，易造成換熱效果較差等問題。

2.2 方案二：活性焦脫硝工藝

活性焦脫硝是利用活性焦具有催化性能，當向煙氣中注入合適量的氨，在活性焦催化還原作用下，煙氣中的 NOx被還原成 N2，其脫硝反應及脫硝反應式為：

吸附工藝：

活性焦工藝技術可將溫度為 110～150℃的煙氣中的 NOx還原成無污染的 N2，此溫度恰好在工業窖爐范圍內，無需進行加熱，其脫除效率可達 70%左右，另活性焦經解析后還可重復利用。

活性焦脫硝技術優點：

（1）煙氣脫除溫度低，特別是脫硝處理溫度，一般工業窖爐煙氣溫度均符合要求，無需設置加熱升溫裝置。

（2）一體化脫除煙氣中的污染物，除氮氧化物外，還可吸附煙氣中的SO2、汞、二惡英等有毒有機物。

（3）活性焦可循環重復利用，節約資源。

（4）工藝流程簡單，運行操作容易，負荷適應性強。

活性焦工藝技術缺點：

（1）脫除效率略低，該工藝、脫硝效率達70%，雖脫除率相對不錯，但按照目前環保要求的污染物超凈排放，略顯不足，且目前的技術尚無大的改進手段。

（2）反應裝置龐大，占地面積大，所需場地要求較大。

（3）控制難度大，對運行人員要求高。

（4）運行成本高，脫除劑來源性能不穩定。

（5）脫附煙溫要求達到400～450℃，本項目不具備要求，需增加升溫裝置。

2.3 脫硝還原劑方案比選

目前，常用的還原劑有液氨、尿素和氨水三種。

（1）液氨：液氨由專用密閉液氨槽車運送到液氨儲罐，液氨儲罐輸出的液氨在液氨蒸發器蒸發成氨氣，并將氨氣加熱至常溫后，送到氨氣緩沖罐備用。緩沖罐的氨氣經調壓閥減壓后，送入各機組的氨氣/空氣混合器中，與來自風機的空氣充分混合后，通過噴氨格柵（AIG）噴入煙氣中，與煙氣混合后進入SCR 催化反應器。

（2）氨水：通常是用25%的氨水溶液，將其置于存儲罐中，然后通過加熱裝置使其蒸發，形成氨氣和水蒸汽。可以采用接觸式蒸發器或采用噴淋式蒸發器。但對于20%以下氨水，目前不作為危險化學品進行要求，故在工程所在地100km 范圍內如有氨水，運行費用較少。

（3）尿素法：尿素制氨分為水解技術與熱解技術。尿素熱解技術的工藝流程如下：尿素顆粒儲存于儲庫，由機械或人工機輸送到溶解罐里，用除鹽水將固體尿素溶解成40%～55%質量濃度的尿素溶液，通過尿素溶液循環泵輸送到尿素溶液儲罐；尿素溶液經由供液泵、計量與分配裝置、霧化噴嘴等進入絕熱分解室，稀釋空氣經加熱后也進入分解室。

尿素溶液可直接用作SNCR 脫硝工藝還原劑。

使用氨水作為脫硝還原劑，對存儲、卸車、制備區域以及采購、運輸路線等國家沒有嚴格規定，但氨水運輸量大，運輸費用高，制氨區占地面積大，而且在制氨過程中需要利于蒸汽進行氣化，消耗大量的熱能，運行成本較高。由于液氨來源廣泛、價格便宜、投資及運行費用均較其他兩種物料節省，因而目前國內大多數SCR裝置都采用液氨作為SCR脫硝還原劑；但同時液氨屬于危險品，對于存儲、卸車、制備、采購及運輸路線國家均有較為嚴格的規定。

尿素熱解制氨工藝安全成熟可靠，占地面積小，而且國家目前對尿素作為脫硝還原劑在存儲、卸車、制備、采購及運輸路線方面尚無要求，但由于尿素熱解需要使用專用設備，投資成本高，而且尿素價格高，制氨過程中需要消耗大量的熱量，運行成本高，所以在國內只有城市電廠因安全和占地等因素使用尿素作為脫硝劑。本項目遠離城市邊緣，且廠區內沒有建設液氨站的場地，如在廠區外建設氨站一方面氨氣輸送距離長，另一方面不便于安全和生產管理，存在事故隱患，因此不宜采用液氨作為還原劑。

廠區附近有氨水供應，氨水受運輸距離限制，且制備氣氨簡單、投次較省，適宜作為本項目脫硝還原劑。

因此，本可研脫硝還原劑按照20%氨水進行設置。

3 結論

對比上述兩個脫硝工藝方案，均可滿足NOx超低排放要求。方案二目前脫硝效率不穩定，在低NOx時可以滿足要求，但當煙氣中NOx超過200mg/Nm3時，無法保證超低排放效果；同時活性焦脫硝常與活性焦脫硫配套建設，投資高，占地大，脫除劑需要再生等，對比方案一SCR 脫硝，方案一更符合球團脫硝要求。因此，本項目脫硝工藝采用方案一：SCR 脫硝工藝，采用20%氨水做為還原劑。

對比方案一中A、B 方案，方案A 改造量較小，煙氣阻力增加較少，占地面積小，投資少，運行費用低，但目前成功案例不多，催化劑生產廠家少，不普遍。方案B 相對改造量大，煙氣阻力增加較多，占地大，投資大，運行費用高。從投資及工程量來說，方案A 比方案B 投資少、運行費用，且阻力低、占地較小，雖然目前成功案例較少，但仍是日前球團脫硝大趨勢。

綜合考慮推薦方案一中方案A 為本次脫硝工藝方案，后續超低排放工藝路線中將以方案A：脫硫前SNCR+高溫SCR 脫硝進行改造。