燒結煙氣雙加熱中低溫SCR脫硝技術分析研究

張 鑫，張金成，丁勇山

(中冶京誠工程技術有限公司，北京 100176)

前言

鋼鐵工業是能源、資源消耗和污染排放的重點行業，“清潔發展”“科學發展”“可持續發展”成為鋼鐵行業結構調整和產業升級的具體方針。隨著國家和公眾的環境保護意識越來越強，綠色發展的重要性日益突出。2019 年4 月28 日，生態環境部頒布了《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》，環保要求更加嚴格，各冶金企業更加注重環保排放要求，為持續改善對周邊環境的影響，氮氧化物已成為主要控制和治理的污染物之一。

近幾年鋼鐵行業主要生產工序NOx 排放情況如表1所列。

表1 鋼鐵主要生產工序NOx排放情況及排放限值

根據統計數據顯示，鋼鐵行業的燒結（球團）NOx 排放量已占全國鋼鐵行業NOx 總排放的50%以上[1]，燒結煙氣脫硝技術在國家節能減排目標實現過程中占有舉足輕重的地位。提高燒結煙氣脫硝設備運行的經濟性、可靠性和環保性已經成為鋼廠經營管理所追求的綠色理念和主要目標，燒結NOx減排研究具有較大的潛力和重要的現實意義。

1 燒結煙氣特性

燒結機排放的煙氣成分復雜，波動性較大，燒結機排放的NOx 主要源自燒結過程中原料的燃燒，80%～90%為燃料型氮氧化物，燒結煙氣中NOx 的濃度一般在200～400 mg/m3。其種類和濃度與燒結配料、燒結溫度和空氣系數等燃燒環境有密切影響。主要具有以下特點[2]：

（1）煙氣溫度、流量變化大，煙氣會因燃燒操作的不同發生較大變化，范圍一般為80～150 ℃，煙氣流量變化幅度高達40%以上[3]。

（2）含濕量大且不穩定，一般為10%～13%；含氧量高，一般為15%～18%。為保證燒結配料的透氣性，通常會在配料時加入適量的水，導致燃燒后的煙氣含水量高，露點溫度也高，范圍在60～80 ℃。

（3）煙氣含有多種污染成份，除含有二氧化硫、粉塵外，還含有重金屬、二噁英類、氮氧化物等。機頭電除塵粉塵含有大量的氯鹽、堿金屬，其中二氧化硫濃度變化大，范圍在400～5 000 mg/m3之間；

（4）燒結過程中煙氣NOx 主要來自于燒結燃料的燃燒[4]。燒結固體燃料中的氮主要為有機氮，燒結點火的溫度在1 100～1 200 ℃，NOx 的濃度在點火后迅速上升，在燒結過程中處于較高水平。隨著燒結過程中溫度的升高，燃料NOx 的濃度開始下降。燒結過程中料層溫度最高也只能達到1 350 ℃左右且持續時間較短，而熱力型的NOx 的生成溫度需要在1 500 ℃以上。

這些特點都在一定程度上增加了鋼鐵燒結煙氣治理的難度。

2 現有燒結脫硝技術路線

結合國內外鋼廠實際情況及現狀，燒結NOx 減排應分為源頭控制[5]、過程控制和末端處理。源頭控制主要側重于燃料的含氮量，料層厚度，燒結料粒度和堿度。過程控制分為NOx 產生和NOx 分解還原，抑制NOx 產生的方法主要有低氮燃燒、低氧燃燒和分級燃燒，NOx 分解還原則需靠煙氣循環工藝[6]等。由于國內燒結煙氣脫硝技術還不夠完善，通過借鑒火電行業、化工行業脫硝技術，目前主要推廣的以末端處理技術為主。基于燒結煙氣的特殊性，市場煙氣脫硝技術可分為以下兩種：選擇性催化還原脫硝(SCR)[7]和活性炭吸附技術[8]。

2.1 選擇性催化還原脫硝(SCR)

選擇性催化劑還原（SCR）技術是在煙氣120～400 ℃溫度范圍內在催化劑作用下，利用氨作為還原劑與煙氣中的NOx 反應生成N2和H2O，而不與煙氣中的氧進行氧化反應。還原劑噴射位置在SCR反應器入口煙道，主要反應如下：

對比選擇性非催化還原脫硝(SNCR)技術是在煙氣800～1 250 ℃溫度范圍內無催化劑作用下脫硝，基于燒結煙氣的溫度范圍及燃燒特點，采用催化劑的SCR 脫硝技術通過降低活化能反應更加合理經濟。脫硝反應可在較低的溫度條件下進行，可控性能好，氨逃逸量小。

對于已建脫硫項目的燒結煙氣，建議的技術路線是在脫硫后采用中低溫SCR 脫硝技術，將燒結煙氣升溫至260～350 ℃范圍，通過催化劑工藝進行脫硝處理，最后排放至煙囪達到超低排放的指標。

2.2 活性炭吸附技術

活性炭吸附技術利用活性炭的變溫吸附性能，在低溫時將煙氣中的SO2吸附，并被儲存在活性炭孔隙內，在活性炭被高溫加熱時，活性炭發生脫附反應，得到高濃度SO2解析氣，并回收利用制取硫酸，同時活性炭恢復吸附性能，循環利用。活性炭脫硝則分為物理吸附和催化還原兩方面，通過物理吸附可脫除15%的NOx 去除率，而利用活性炭的催化活性，通過向煙氣噴氨后，在活性炭的催化作用下氨與NOx 發生選擇性催化還原反應生成氮氣和水，實現脫硝。優勢是反應發生所需溫度低，不需要對煙氣進行升溫，更有利于節能降耗。缺點是設備龐大，造價高昂，活性炭用量大且需再生，酸性副產物需要特殊處理。

如何保證煙氣脫硝系統在燒結正常生產工況下安全、連續、穩定運行是研究的重點。但對于燒結工藝的特殊性來說，選擇性催化還原脫硝(SCR)適應性更強，建設投資和運行成本更加經濟可靠。煙氣脫硝的末端處理技術是現階段改造項目的主流工藝，新建項目建議采用源頭控制加末端處理煙氣脫硫脫硝協同工藝處理。

3 燒結煙氣中低溫SCR脫硝系統應用

選取某200 m2燒結機煙氣脫硝項目為案例，通過在原有燒結煙氣濕法脫硫裝置后建設一套脫硝系統。對鋼鐵企業燒結機的煙氣脫硝主要方式進行了分析對比，并首次提出了一種燒結煙氣雙加熱中低溫SCR 脫硝技術方案。該方案自建成投運后，煙氣處理后NOX排放值范圍僅為10～20 mg/m3，煙氣出口各項指標大幅優于生態環境部頒布的超低排放指標，且系統運行穩定可靠。

3.1 依托方案介紹

(1)原有設施系統

依托方案為唐山地區某200 m2燒結機煙氣脫硝項目，該項目燒結機原有設施已上一臺濕法脫硫裝置，燒結煙氣經機頭電除塵后，先經過濕法脫硫塔脫硫，再經過濕電除塵，直接由煙囪排放。

圖1 原燒結煙氣脫硫系統布置

(2)脫硝系統前煙氣入口參數

目前脫硫設施運行穩定，且考慮到防止硫酸氫銨堵塞催化劑，在現有脫硫工藝后增加脫硝工藝是最可行最有效的方法。200 m2燒結機尾部煙氣參數如下。

煙氣量(標況，濕基):750 000 m3/h;

O2含量(Vol.%.wet):15%;

NOx含量:280 mg/m3;

脫硝入口煙氣溫度:55 ℃。

3.2 燒結煙氣脫硝系統設計

3.2.1 工藝流程

改造項目受現有場地的限制，該方案脫硝裝置設置于脫硫系統和濕電除塵器后，但濕電除塵器后煙氣溫度較低，為50～60 ℃，不能達到催化劑反應溫度區間，因此需要對煙氣進行升溫補熱，熱量主要由系統的煙氣升溫爐系統提供。主要脫硝設備有GGH 換熱器、煙氣加熱爐、煙氣快混裝置、SCR 脫硝反應器、增壓風機和新建煙囪。

脫硫后煙氣溫度55 ℃左右，首選中低溫選擇性催化還原脫硝技術。通過大量的調研和考察，SCR脫硝催化劑對于煙氣中水蒸氣、SO2和堿金屬含量較為敏感。因此，考慮到燒結煙氣成分的復雜性，通過對比催化劑的市場價格以及運行經濟性，根據熱效率和熱經濟計算后，采用設計溫度260℃的SCR脫硝催化劑。系統布置如圖2所示。

圖2 燒結煙氣雙加熱中低溫SCR脫硝系統布置

新建SCR 脫硝系統采用國內首創雙加熱專利系統，分別在GGH 換熱器脫硫側入口前和脫硝側入口前各增設一套煙氣加熱爐和煙氣快混裝置。從濕電除塵出來的55 ℃左右的燒結原煙氣先通過煙氣一次快混裝置補熱至65 ℃，進入GGH 換熱器后再通過煙氣二次快混裝置，補熱至260 ℃后先與噴氨裝置噴入的氨氣混合，再進入SCR 催化劑脫硝反應器與催化劑反應，被凈化的煙氣再進入GGH 換熱器與原煙氣進行換熱后通過增壓風機引出至煙囪排放。

3.2.2 系統特點

常規中低溫SCR 脫硝技術僅在GGH 后進行一次加熱，在此基礎上，采用了雙加熱系統，其優點如下。

（1）整個脫硝系統通過利用2 套煙氣加熱爐燃燒高爐煤氣將高溫煙氣混入煙道后對煙氣進行升溫，保證達到催化劑反應溫度，再加上噴氨系統在煙道內均勻噴入的氨氣與煙氣反應，進而實現在脫硝反應器內催化劑作用下脫除NOx，實現超低排放。

（2）燒結煙氣300 ℃以下，硫酸氫銨會發生結露現象，堵塞GGH 換熱器和催化劑模塊，形成堆積黏附堵塞現象，需要定期300 ℃以上升溫進行催化劑再生，熱解硫酸氫銨。在GGH 換熱器脫硫側前增設一次煙氣加熱爐和煙氣一次快混裝置，先保證濕電后煙氣升溫10～15 ℃處于過熱狀態，能大大降低GGH 堵塞問題，減少系統的壓損，再在SCR 脫硝反應器入口前進行二次煙氣升溫，保證催化劑的反應溫度，有效緩解催化劑的堵塞和中毒現象，提高脫硝系統的安全穩定性。

（3）常規SCR 脫硝技術由于脫硫濕電后的煙氣含水量較大，脫硝側堵塞后運行時間長壓損增大，脫硝系統運行能耗將增大。采用耙式+聲波吹灰的清灰方式，能有效地杜絕此現象，減少GGH 換熱器和脫硝反應器的壓損。

（4）煙氣快混裝置是將煙氣加熱爐產生的高溫煙氣快速均勻混入脫硫后煙氣，避免煙氣混合不均勻對脫硝效率和脫硝設備使用壽命造成的影響。煙氣加熱爐及煙氣快混裝置可針對燒結機的運行方式以及脫硫煙氣特點，自動通過溫度濕度壓力等影響因素多維控制補熱效果，該種組合方式相對現有脫硝技術具有明顯的優勢。

3.3 技術經濟分析

根據燒結煙氣性質、熱力系統結構和參數的特點，假設機組燃料供應穩定，脫硝系統在催化劑保證的化學壽命期內，計算結果表明，設計機組采用煙氣雙加熱脫硝技術后，NOx量從入口350 mg/m3降低到出口設計≤40 mg/m3，脫硝效率高達90%，氨逃逸≤3×10-6，SO2/SO3轉化率小于1%，排煙溫度為90～110 ℃，減排效益顯著。自投產后，整套系統運行情況良好，污染物排放情況完全滿足國家超低排放要求。主要能源消耗量見表2。

表2 能源消耗量

3.4 社會效益分析

鋼鐵行業煙氣超低排放治理已提升到了新的高度，迫切需要可靠、綠色、經濟節能的污染物控制技術和裝備，實現綠色發展和降本增效的協同。對于現有燒結機煙氣處理系統改造方案，首要條件是能夠滿足生產需求，其次是投資及運行成本的合理支配。

該方案積極響應國家環保政策，方案的實施直接減少NOx 排放量達到1 680 t/a。采用的脫硝工藝脫硝效率高，脫硝催化劑要求溫度適中，通過雙加熱中低溫SCR 脫硝技術可以較好的保障脫硝催化劑長期穩定運行。同時，脫硝系統布置于除塵系統、濕法脫硫系統后，煙氣成分相對穩定，很好地克服了燒結煙氣工況波動大成分復雜等缺點，對燒結工藝的適應性更強，具備普及推廣的優勢。

4 結論

隨著國家環保要求越來越嚴格，燒結煙氣的脫硝勢在必行。選擇一種脫硝效率高，技術成熟可靠，穩定性更好的脫硝工藝異常重要。所有污染物排放指標符合國家環保標準，且能滿足今后5～10年內不斷趨嚴的國家排放標準要求是脫硝工程建設的基本要求。

本次實施的燒結尾部煙氣脫硝方案，脫硝效率90%，煙氣NOx排放滿足超低排放要求。