鏈篦機—回轉窯球團煙氣脫硫脫硝技術研究

李 鵬，劉昌持，潘響明

（中冶南方都市環保工程技術股份有限公司，湖北 武漢 430000）

1 緒論

1.1 鋼鐵行業環保形勢及國家政策

鋼鐵冶煉是一個材料與能源高度密集的行業，既是原料消耗大戶，又是能耗大戶、高排放大戶，尤其是該行業煙氣中污染物的種類較多、排放量大。在2017年，鋼鐵行業的SO2、NOX、顆粒物年排放量分別為106萬t、172萬t、281萬t，占全國排放總量的7%、10%、20%。因此，鋼鐵行業已成為僅次于電力行業的第二大高污染、高耗能的行業。

在2019年4月29日生態環境部等五部委聯合印發的《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》（環大氣[2019]35號）中指出：到2020年底重點地區的鋼企超低排放改造至少要達60%；到2025年底重點區域基本完成，全國力爭80%以上完成。而鋼鐵企業燒結機機頭、球團焙燒煙氣顆粒物、SO2、NOX的排放濃度小時均值不高于10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3。

目前，為了進一步加快鋼企超低排放步伐，在2019年12月中旬，生態部印發的《關于做好鋼鐵企業超低排放評估監測工作的通知》中強調：各地區、各部門要有效開展監測工作，完善管理機制，從而保證鋼企超低排放工作落到實處。次年1月，中國鋼鐵工業協會也響應號召，在京召開會議，著力強調鋼企大力推進實現超低排放的重要意義。

1.2 球團發展現狀

近年來，隨著鋼鐵企業的快速發展，我國球團礦生產邁入了高速發展階段。球團產品具有諸多的優點，如運用到高爐冶煉中可以實現增產節能、提高成效比，同時，在生產過程中的污染物排放量相對較低，對環境影響較小，因此，球團礦得到了大力發展。目前，我國豎爐球團產量占球團總產量的35.97%；帶式焙燒機球團產量占球團總產量的5.39%；鏈篦機－回轉窯球團產量占球團總產量的58.63%。

1.3 球團煙氣治理技術現狀

通常，球團煙氣污染物中會含有SO2、NOX、二噁英以及重金屬等較多復雜成分，但大多數球團廠的排放標準仍按照《鋼鐵燒結、球團工業大氣污染物排放標準》（GB 28662－2012）執行，基本只進行了煙氣脫硫處理，所以，只有氮氧化物的排放滿足相應的指標要求。而大多數的球團生產線暫時還沒有配備脫硝裝置，所以還達不到國家超低排放的標準[1]。目前，已投產的球團煙氣脫硫技術以濕法和半干法技術為主，但這兩種脫硫路線所產生的脫硫副產物因品質太差，資源化利用難度較大。因此，為了滿足國家日益提高的環保要求，研究一種球團煙氣脫硫脫硝的工藝技術具有重要意義。

1.4 本文的研究思路及技術路線

本文針對鏈篦機－回轉窯球團工藝特點，再結合國家對球團煙氣超低排放的要求，同時綜合考慮投資和運行成本，對鏈篦機－回轉窯球團煙氣治理采用的技術路線是：通過前置SNCRSCR脫硝+活性焦干法脫硫，且根據球團熱工制度的特殊情況及有利溫度條件，利用球團鏈篦機預熱段煙罩約850～1100 ℃的高溫條件，設置SNCR脫硝系統；再利用預熱段風箱出口經多管除塵器后的溫度320～400 ℃，設置SCR脫硝系統；而過渡段和抽風干燥段出口的煙氣匯合后會進入電除塵器，出口煙氣經主抽風機增壓，煙氣降溫后，進入吸附塔，此時煙氣中的SO2和粉塵在吸附塔內被除去，該工藝實現了對球團煙氣中的SO2、NOX、粉塵、重金屬等協同處理，最終達標排放。

2 SNCR/SCR+活性焦干法脫硫技術及應用

2.1 球團煙氣SNCR/SCR脫硝系統

2.1.1 SNCR技術原理

選擇性非催化還原技術（SNCR）是將含有NHx基地還原劑，噴入溫度為850～1 100 ℃的高溫區域，該還原劑能迅速熱分解成NH3，并與煙氣中的NOx進行反應生成N2。而NH3的反應最佳溫度為850～1 100 ℃，當反應溫度過高時，由于氨的氧化會使NOx脫除效率降低；而當反應溫度過低時，氨的逃逸增加。

SNCR過程的主要化學反應為：

NH3為還原劑：

尿素為還原劑：

SNCR（噴氨）系統主要由卸氨系統、氨水罐區、氨水輸送泵及其控制系統、混合系統、分配與調節系統、噴霧系統等組成。

2.1.2 SNCR工藝流程

球團鏈篦機存在適于SNCR脫硝的高溫段，即鏈篦機預熱段的高溫區（850～1 100 ℃），根據計算機流場模擬在鏈篦機預熱段的高溫區合適位置設置SNCR脫硝系統；在SNCR反應區，氨水經與稀釋水混合稀釋、計量分配后送入SNCR噴槍，經噴槍霧化后，噴入預熱段（850～1 100 ℃），在高溫條件下完成SNCR脫硝反應[2]。

在采用SNCR工藝前要提前增加一道脫硝工藝，是基于鏈篦機特有的工藝參數，即具有預熱段的高溫區（溫度為850～1 100 ℃），此高溫段的溫度非常有利于SNCR脫硝。SNCR脫硝的優勢為：（1）還原劑使用便捷，便于施工，利于維護；（2）因不需要催化劑，不用建反應塔，節約用地，工程造價低；（3）無需升溫，無需載體，氨還原劑直接反應，運行費用低。

2.1.3 SCR技術原理

選擇性催化還原法（SCR）脫硝技術是指，在催化劑和氧氣存在的條件下，且一定的溫度范圍（300～500 ℃）內，還原劑有選擇地將煙氣中的NOx還原成為N2和H2O，以此減少NOx的排放。SCR工作原理圖如圖1所示。

圖1 SCR工作原理圖

脫硝反應方程式：

2.1.4 SCR工藝流程

在采用SCR脫硝工藝技術時，脫硝還原劑為氨水（～20%濃度），并設有一座SCR反應器。其工藝流程是：先將SCR反應器設置于預熱段耐熱風機前（SCR系統的阻力由球團耐熱風機克服），使球團多管除塵器出口煙氣接入SCR反應器入口煙道，而煙道內的煙氣與噴氨格柵噴入的氨氣混合后進入SCR反應器；再經整流格柵整流后，煙氣流經SCR催化劑，在催化劑作用下，NH3將煙氣中的NOX還原成為N2和H2O；最后脫硝后的煙氣返回抽風干燥段繼續利用余熱。SCR工藝流程如圖2所示。

圖2 SCR工藝流程圖

在實際應用中，根據鏈篦機－回轉窯球團工藝特點和熱工制度，回轉窯產生的大量NOX先進入鏈篦機預熱段，自鏈篦機預熱段煙箱抽出的熱煙氣經高效多管除塵器除塵后，進入SCR反應器進行脫硝反應，而脫硝后的高溫煙氣經預熱段耐熱風機送回至鏈篦機抽風干燥段循環利用。

2.2 球團煙氣活性焦脫硫的工藝原理及流程

2.2.1 活性焦脫硫原理

活性焦脫硫是利用活性焦特有的吸附性對煙氣中的SO2進行選擇性吸附。研究表明，當煙氣中有足量的水汽和O2時，活性焦煙氣脫硫首先發生的是物理吸附，然后焦細孔表面的某些含氧絡合物基團是SO2吸附及催化氧化的活性中心，最后在有水和氧氣存在的條件下將吸附到活性焦表面的SO2催化氧化為H2SO4。反應機理如下：

2.2.2 工藝流程

活性焦脫硫主要是由脫硫系統，活性焦再生系統，物料輸送系統，煙氣系統組成。其工藝流程是：鏈篦機抽風干燥段及過渡段的煙氣經主抽風機抽至電除塵器除塵后，經降溫措施使煙氣溫度降低至120～135 ℃后進入活性焦吸附塔，此時煙氣中的SO2等會被吸附在活性焦細孔上，而脫硫后的煙氣由煙囪排放。其中，活性焦在吸附塔自上而下緩慢運動，運動方向與煙氣方向垂直，而吸附SO2的活性焦由吸附塔底部排出，并通過鏈斗機被送入再生塔升溫加熱，進行再生處理；當加熱到400～450 ℃時，釋放出SO2和H2O等，這時重新具有了新孔隙；再生后活性焦與補充的新活性焦再通過鏈斗機輸送至脫硫塔循環使用，SO2氣送入硫酸生產裝置制備濃硫酸。

2.3 球團煙氣SNCR/SCR脫硝+活性焦脫硫工藝的優勢

鏈篦機－回轉窯球團前置SNCR/SCR脫硝技術，主要是針對鏈篦機－回轉窯球團生產的工藝特點，在鏈篦機預熱段850～1 100 ℃的煙氣中直接噴射氨水實現SNCR預脫硝，然后再將SCR脫硝反應裝置與球團生產工藝相結合，使脫硝裝置嵌入到常規鏈篦機－回轉窯球團工藝的多管除塵器與耐熱風機之間，并充分利用溫度熱性進行SCR脫硝。由以上內容可以看，主要具有以下優勢：

（1）脫硝處理煙氣量僅為鏈篦機預熱二段風箱煙氣，約占球團排放總煙氣量的60%，降低了脫硝裝置的投資成本和運行費用；

（2）同后置SCR脫硝相比，無需增加GGH、加熱爐等換熱補熱設施，可減少投資和運行成本，同時可減少補熱燃料燃燒產生的碳排放；

（3）脫硝裝置可作為一個設備嵌入到球團生產工藝中，可與球團工藝設置綜合考慮，節約占地面積，較少投資。

另外，預熱段煙氣經前置脫硝裝置處理后，在通過耐熱風機返回鏈篦機過渡段利用余熱。而鏈篦機抽風干燥段及過渡段的煙氣采用活性焦吸附塔進行脫硫，主要具有以下優勢：

（1）球團煙氣成分復雜，活性焦干法脫硫不僅可以脫除煙氣中的SO2，同時還可以利用活性焦的吸附特性脫除煙氣中的NOx、二噁英和汞等污染物，具有一套裝置脫除多種污染物的功能；

（2）活性焦脫硫幾乎不消耗水，而且不產生廢水，另外，活性焦脫硫后的再生氣可通過濃硫酸制備工藝生產高純濃硫酸，可以為企業帶來一定的經濟效益。由此，在實現了污染物超低排放的同時，產出的副產物也可以資源化利用。

2.4 球團煙氣SNCR/SCR脫硝+活性焦脫硫注意事項

目前，SCR脫硝是工業中煙氣脫硝采用最多的技術路線，在國內的SCR脫硝應用中十分廣泛，且多用于發電行業。但球團煙氣采用SCR脫硝時，要注意以下事項：

（1）在進行高溫SCR反應時，會發生副反應，即SO2氧化成SO3，同時有銨鹽生成，且副反應生成的銨鹽會吸附在催化劑表面，造成催化劑失活中毒，同時，還會影響脫硝裝置下游設備發生腐蝕；

（2）在脫硝后，煙氣經耐熱風機送回至鏈篦機內利用煙氣余熱的同時，因鏈篦機不同溫度段之間是采用物理隔煙墻隔開，會存在串煙的問題，所以，隔煙墻的形式及密封是前置脫硝需要克服的一項重要難題；

（3）在SCR脫硝過程中，NOx脫除率會隨著氨逃逸率的增加而增加，而在實際生產中，既要保證脫除效果，又要降低氨逃逸率，因此，必須要控制好氨的噴射量。

3 結語

環境是人類賴以生存和發展的空間和物質條件，因此，必須要加強環境治理、改善大氣環境，實現生態環境與社會經濟和諧發展的局面。而煙氣脫硫脫硝技術在一定程度上能實現對大氣污染的治理和對大氣質量的有效監控，因此，該技術具有實際的發展意義。在未來，我國應不斷探索新的技術，更好地實現脫硫脫硝，從而將鋼鐵企業生產對環境產生的不利影響降到最低，這樣既可以有效保護生態環境，又促進了該行業的可持續發展。