山西焦化焦爐煙氣脫硫脫硝超低排放改造方案選擇及應用

亢辰辰

（山西焦化股份有限公司，山西 臨汾 041606）

引 言

山西焦化股份有限公司（以下簡稱山焦）現有JN60型焦爐6座，設計產能360萬t/a，根據GB 16171—2012《煉焦化學工業污染物排放標準》中大氣污染物特別排放限值要求，山焦于2017年配套建成投用了5套脫硫脫硝裝置（其中2#、3#焦爐共用1套脫硫脫硝裝置）。

隨著環保標準的不斷提高，焦爐生產排放煙氣中的NOx、SO2及顆粒物已不能滿足《臨汾市2019年鋼鐵、焦化行業深度減排實施方案》中NOx質量濃度≤130 mg/m3、SO2質量濃度≤30 mg/m3、顆粒物質量濃度≤10 mg/m3的要求。為此，需要對山焦原有已建成的焦爐煙氣脫硫脫硝裝置進行超低排放改造。為保證改造效果，山焦結合原有焦爐煙氣脫硫脫硝裝置的運行情況，對國內同類型焦爐煙氣脫硫脫硝技術使用情況進行考察，最終比選確定改造技術方案后進行了項目改造。改造實施后，山焦焦爐煙氣排放濃度在基準含氧體積分數8%的條件下實現了超低排放，現將具體情況介紹如下。

1 改造技術方案選擇

1.1 原有工藝技術路線

原有1#—5#焦爐煙氣脫硫脫硝裝置采用“低溫SCR脫硝+余熱回收+SDA半干法脫硫+布袋除塵”工藝路線；6#焦爐煙氣脫硫脫硝裝置采用“SDA半干法脫硫+除塵脫硝一體化+余熱回收”的工藝路線。

1.2 改造工藝方案選擇原則

（1）此次改造要求：在現有已滿足大氣污染物特別排放要求的脫硫脫硝裝置基礎上，盡可能利用現有裝置的設備設施，縮短新舊系統銜接的停車時間，減少對現有生產系統的影響。

（2）原則上，脫硫脫硝及余熱回收裝置能滿足焦爐煙氣量變化。當焦爐煙氣量發生變化時，不需要大量的和非常規的操作即能確保污染物的排放濃度不大于限值。整套煙氣凈化系統及裝置的設置能夠滿足系統在各種工況下自動運行的要求，脫硫脫硝及余熱回收裝置及其輔助設備的啟動、正常運行監控和事故處理在控制室實現自動化，不需要再就地進行與系統運行相關的操作。

（3）為了充分利用高溫能夠提高SCR催化劑活性的特點，將低溫SCR脫硝裝置布置于工藝路線的高溫區域為佳，這樣可以充分利用煙氣溫度高達280℃的有利條件，達到高效脫硝的同時，最大程度地降低煙氣的熱量損失。

（4）將余熱回收裝置布置在脫硝之后，既能最大程度地回收熱量，又能控制煙氣溫度，從而降低煙氣風機負荷。

（5）所選擇的工藝路線不能影響焦爐的正常運行。

（6）在生產可靠的前提下，盡可能采用先進成熟的技術方案，以降低操作成本和改造基建的投入。

1.3 改造工藝方案比選

1.3.1 脫硫脫硝及余熱回收組合工藝類型

目前在焦爐煙氣的脫硫脫硝凈化及余熱回收工藝中，脫硫單元可以采用的工藝技術主要有干法、半干法、濕法等，脫硝單元可以采用的工藝技術只有低溫SCR工藝，僅催化劑的種類不同[1-2]。國內使用較多的脫硫脫硝凈化及余熱回收組合工藝主要有以下幾種：

（1）干法脫硫（半干法脫硫）→布袋除塵→低溫SCR脫硝→余熱回收→排放

該工藝路線是將脫硫裝置設置在工藝路線的最前端，煙氣從分煙道引出后，直接進入脫硫塔。吸收了SO2氣體的煙氣進入低溫SCR脫硝裝置，分解氮氧化物之后，再經余熱鍋爐將溫度降至160℃左右排放。

焦爐煙氣先脫硫，能減緩后續脫硝催化劑的硫化物中毒；余熱回收后的焦爐煙氣溫度為160℃，高于焦爐煙氣的露點溫度，不會對設備造成腐蝕[3]。

（2）低溫SCR脫硝→余熱回收→干法脫硫（半干法脫硫）→布袋除塵→排放

該工藝路線將SCR脫硝工序置于凈化路線的前端，煙氣從分煙道引出后進入SCR脫硝反應器，分解了氮氧化物的煙氣進入余熱回收裝置。煙氣從280℃降至160℃以后，再進入干法（半干法）脫硫塔。吸收了SO2的煙氣用布袋除塵器收集煙氣中的粉塵，最終達標排放。

焦爐煙氣先脫硝，高達280℃的焦爐煙氣適合低溫脫硝反應的溫度要求，脫硝效率較高，但SO2會對SCR催化劑壽命產生一定影響，且該工藝路線較長，系統阻力大，造成裝置電耗高。

（3）低溫SCR脫硝→余熱回收→濕法脫硫（脫硫劑為氧化鎂等）→排放

該工藝路線是來自分煙道的280℃煙氣首先進入脫硝裝置，充分分解了氮氧化物的煙氣進入余熱回收裝置，煙氣溫度從280℃降至160℃后，再進入濕法脫硫裝置，處理達標的煙氣由煙囪排放。

采用濕法脫硫工藝，外排的焦爐煙氣中含水量為飽和狀態，在后續的煙道及焦爐煙囪中冷凝，會產生具有較強腐蝕性的硫酸鹽溶液，對裝置造成腐蝕。

1.3.2 工藝比選及方案確定

山焦原脫硫系統采用SDA半干法脫硫工藝，其旋轉霧化器需進口，價格昂貴、維修不便，運行過程中容易結垢、堵塞；1#—5#低溫SCR脫硝+SDA半干法脫硫的焦爐煙道氣凈化工藝由于脫硫布置在脫硝后，脫硝催化劑可能無法長期穩定運行（焦爐煙氣中的焦油、無定形炭造成催化劑失活），因此將原來先脫硝后脫硫工藝調整為先脫硫后脫硝，以有效降低焦爐煙氣中的焦油和粉塵，延長脫硝催化劑使用壽命、提高脫硝效率，而且脫硫工藝由SDA半干法脫硫改為SDS干法脫硫后，避免了濕法和半干法脫硫溫降大的缺點（SDS干法脫硫工藝溫降小），有利于后續的SCR脫硝反應，減少煙氣升溫的煤氣消耗；低溫SCR脫硝裝置布置于工藝路線的高溫區域，能充分利用280℃煙氣的有利溫度條件，達到高效脫硝的同時，最大程度降低煙氣的熱量損失，為余熱回收工序帶來最大的經濟效益；余熱鍋爐由原工藝前端調整至工藝流程末端，能夠緩解焦爐煙氣粉塵、各種有害氣體對余熱鍋爐受熱管的損害，不僅能確保余熱鍋爐穩定運行，延長其使用壽命，又能控制煙氣溫度，降低煙氣風機負荷。

通過上述分析并借鑒國內同類焦爐裝置的工程經驗，山焦最終確定了1#—6#焦爐煙氣脫硫脫硝裝置采用“SDS干法脫硫+布袋除塵+SCR脫硝+余熱回收”的組合流程。改造后的脫硫脫硝余熱回收工藝流程示意圖見圖1。

圖1 改造后的脫硫脫硝余熱回收工藝流程示意圖

焦爐煙氣從焦側、機側地下煙道引出匯合后，進入SDS干法脫硫系統，通過向煙道中噴入超細NaHCO3顆粒粉末，在煙氣溫度（≥140℃）下分解，生成具有超強活性的Na2CO3和H2O，然后與煙氣中的SO2反應，確保系統出口SO2質量濃度≤30 mg/m3。

脫硫后的煙氣進入擴容后的布袋除塵系統（原布袋除塵系統和新布袋除塵系統同時運行），通過布袋的過濾、攔截，確保系統出口粉塵質量濃度≤10 mg/m3。SDS干法脫硫系統噴入的NaHCO3分解產生的多余Na2CO3也隨煙氣進入布袋除塵器，附著在布袋表面，繼續與煙氣中的SO2反應。

經脫硫除塵后的煙氣進入后續的SCR脫硝系統，通過噴氨格柵向煙道中噴入稀釋后氨氣，經氣流均布器后再進入脫硝反應器，煙氣中的NOx與NH3發生選擇性催化還原反應，生成N2和H2O，確保脫硝出口的NOx質量濃度≤130 mg/m3。為滿足SCR脫硝對煙氣溫度的要求，配套熱風爐或煙道直燃式燃燒器，確保脫硝進口煙氣溫度≥200℃；此外，燃燒器系統還具備升溫至350℃左右、對脫硝催化劑進行熱解吸的能力。

增壓引風機布置在系統的末端（正常生產使用新引風機，原引風機作為備用），為系統提供動力，克服脫硫除塵脫硝系統的阻力，將脫硫脫硝余熱回收后的焦爐煙氣返送至原焦爐煙囪，達標排放。

改造方案中的單座焦爐煙道氣參數見表1，改造方案實施后的脫硫脫硝性能指標見表2。

表1 單座焦爐煙道氣參數

表2 改造方案實施后的脫硫脫硝性能指標

2 改造實施及試運行優化

山焦1#—6#焦爐脫硫脫硝裝置超低排放改造項目于2020年6月全面開工建設，2020年10月建成投運并對試運行中出現的問題進行了優化。

2.1 脫硝系統氨氣稀釋介質由原來的空氣改為裝置處理后的凈煙氣，有效減少了裝置處理煙氣量，降低了煙氣中的氧含量。

2.2 為最大限度地節能降耗，通過在脫硫脫硝裝置的稀釋風機管道上增設旁路，由管道自身吸力引入凈煙氣進入混合器稀釋氨氣，可替代稀釋風機運行(由裝置自身吸力引入的凈煙氣風量可達到2 000 m3/h)，將原稀釋風機的運行模式由一開一備調整為兩備，不僅減少了稀釋風機的晝夜運行電量，還節省了檢修費用。

2.3 定期對5套裝置的研磨機輸送風機葉輪進行清理，有效避免了研磨機的非計劃停車，確保了脫硫脫硝系統的穩定運行。

2.4 為降低裝置運行成本，解決進口SDS脫硫劑——NaHCO3供貨單一、價格昂貴的問題，嘗試采用國產NaHCO3替代進口NaHCO3，在充分調研、反復試驗的基礎上，山焦在1#、5#兩套脫硫脫硝裝置上首次試用國產NaHCO350余噸，通過調節工藝指標，優化工藝操作，實現了焦爐煙氣達標排放。此次國產NaHCO3成功投用后，不僅滿足了焦爐煙氣SO2超低排放標準，而且每年可為山焦降低成本約200萬元。

2.5 5套裝置中的其中1臺引風機自投產以來一直存在軸向振動偏大的問題，多次聯系設備廠家均未得到有效解決。后經分析研究，確定為引風機動平衡出現問題所致，通過對引風機進行動平衡調試，增加平衡塊，清理風機葉輪積灰，使引風機前軸軸向振動烈度由7.5 mm/s降至2.2 mm/s，不僅解決了軸向振動偏大的問題，也避免了因風機振動大造成裝置的異常停車。

3 項目性能測試及運行效果

3.1 性能測試結果

經建設單位與EPC總承包商雙方協商，于2020年12月27日開始，陸續對山焦1#—6#脫硫脫硝裝置進行168 h性能測試，具體測試結果和各裝置運行參數見表3和表4。

表3 1#—6#脫硫脫硝裝置168 h性能測試結果

表4 1#—6#脫硫脫硝裝置運行參數

由表3、表4可知，項目實施后，經脫硫脫硝的焦爐煙氣中NOx質量濃度≤130 mg/m3、SO2質量濃度≤30 mg/m3、顆粒物質量濃度≤10 mg/m3；各裝置的脫硫效率≥93%、脫硝效率≥96%，各項指標均滿足改造要求，實現了焦爐煙氣的超低排放。

3.2 社會效益

經核算項目實施后，每年可減排NOx708.16 t，減排SO2107.05 t，減排顆粒物90.58 t，在改善區域大氣環境方面具有重要意義。

4 存在問題及建議

4.1 SDS干法脫硫效率比較高，但其副產物為含Na2SO3、Na2SO4以及質量分數10%～20%的Na2CO3的混合物，目前回收利用困難，國內真正做到高效回收利用的比例較小，急需開發新的回收利用途徑。

4.2 為保證焦爐煙氣脫硫脫硝裝置連續穩定運行，滿足環保部門在線檢測要求，建議增設備用研磨機。

4.3 目前，國內已投入使用的多種焦爐煙氣脫硫脫硝技術均能滿足現有的煙氣排放標準，但需要較大的投資及高昂的運行費用；且隨著國內環保標準的逐步提高，新型焦爐煙氣脫硫脫硝關鍵技術仍亟待破解，因此建議政府和相關企業加大投入，研究新型脫硫脫硝技術，力爭在降低投資的基礎上，使運行費用大幅下降，為焦化行業的可持續發展提供服務。