高爐熱風爐煙氣脫硫脫硝工藝選擇及應用

摘要：目前，鈉基干法脫硫（SDS）是鋼鐵廠常用的脫硫工藝，選擇性催化還原（SCR）是其常用的脫硝工藝。本文通過分析高爐熱風爐煙氣的特點，對比不同煙氣脫硫脫硝工藝路線的運行條件，結合項目實際情況，選擇中高溫SCR+SDS+布袋除塵的工藝路線，實現煙氣超低排放。

關鍵詞：脫硫；脫硝；超低排放；煙氣

中圖分類號：X757 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）05-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.05.045

Abstract： At present， sodium based dry sorbent injection （SDS） is a commonly used desulfurization process in steel plants， and selective catalytic reduction （SCR） is their commonly used denitrification process. By analyzing the characteristics of flue gas from hot blast stove of blast furnace， this paper compares the operating conditions of different flue gas desulfurization and denitrification process routes， selects the process route of medium to high temperature SCR+SDS+bag dust removal based on the actual situation of the project， so as to achieve ultra-low flue gas emissions.

Keywords： desulfurization; denitrification; ultra-low emission; flue gas

為滿足河北省地方標準以及唐山市相關政策要求[1-2]，唐山市某鋼鐵廠高爐熱風爐需要進行超低排放改造。本文通過分析高爐熱風爐的運行原理及煙氣特點，對比不同的脫硫脫硝工藝，最終選擇中高溫SCR+SDS+布袋除塵的工藝路線，實現超低排放，即煙塵、SO2、氮氧化物（NOx）的排放濃度分別不高于10 mg/m3、20 mg/m3、50 mg/m3。

1 高爐熱風爐的運行原理及煙氣特點

1.1 高爐熱風爐的運行原理

熱風爐作為鋼鐵廠高爐的主要配套設備之一，分為蓄熱式和連續換熱式。該鋼鐵廠配套4臺蓄熱式熱風爐，運行方式為兩燒兩送，為高爐持續提供1 000 ℃以上的高溫熱風，提高高爐的綜合效益和運行效率。蓄熱式熱風爐是通過在燃燒室燃燒高爐煤氣，生成高溫煙氣加熱蓄熱體，當廢氣溫度到達預設溫度后轉為燜爐，轉送風模式時冷風經過蓄熱體升溫送入高爐，蓄熱體溫度降低到預設溫度后停止送風，待廢氣排盡后轉燜爐，然后再一次排盡廢氣進入燃燒階段[3]。

1.2 高爐熱風爐的煙氣特點

高爐熱風爐為間歇運行，整套熱風爐系統在運行過程中需要頻繁換爐，燃燒、燜爐階段均有廢氣排出熱風爐，廢氣進入煤煙換熱器預加熱高爐煤氣和助燃空氣后，煙氣溫度降低至150～200 ℃，將其排放至煙囪，煙氣流量、溫度與壓力變化大，污染物濃度波動大。

2 煙氣脫硫脫硝工藝的選擇

2.1 脫硫工藝對比

煙氣脫硫工藝主要分為三種，即干法、半干法和濕法。干法脫硫過程在無液相介入的干燥狀態下進行，脫硫吸收劑和產物均為干態；濕法脫硫過程在溶液中進行，脫硫吸收劑和脫硫產物均為濕態；半干法脫硫介于干法與濕法之間，脫硫吸收劑為濕態，而脫硫產物為干態[4-5]。常見的脫硫工藝有鈉基干法脫硫（SDS）、循環流化床（CFB）、旋轉噴霧干燥法（SDA）、石灰石/石灰-石膏濕法脫硫工藝，各種工藝對比如表1所示。其中，循環流化床與旋轉噴霧干燥法均屬于半干法脫硫工藝。

2.2 脫硝工藝對比

煙氣脫硝工藝主要分為三種，即催化還原法、吸收法、固體吸附法。催化還原法采用含有NHx基的還原劑，在有或無催化劑的情況下將煙氣中的NOx還原成N2和H2O；吸收法采用水、硝酸、氫氧化鈉等液體作為吸收劑，溶解吸收煙氣中的NOx；固體吸附法采用活性炭、分子篩、泥煤等作為吸收劑，通過較大的比表面積和微孔結構吸收煙氣中的NOx[6]。常見的脫硝工藝有選擇性催化還原法（SCR）、選擇性非催化還原法（SNCR）、臭氧氧化法，各種工藝對比如表2所示。

2.3 煙氣設計參數

該鋼鐵廠高爐熱風爐煙氣設計參數如表3所示。

2.4 工藝選擇

早期建設的高爐熱風爐基本上都沒有預留脫硫脫硝超低排放改造場地，僅能在熱風爐附近尋找空地或者在通道上方挑空布置，并且入口SO2濃度較低，唐山市對脫硫尾氣產生的白色煙羽有消白要求，占地面積較大及配套系統復雜的濕法、半干法工藝均不滿足要求，因此煙氣脫硫采用SDS工藝。熱風爐燃燒室溫度是波動的，無法穩定滿足SNCR的溫度要求，臭氧氧化法需要建設滿足防火要求的液氧站，并在后端增加硝酸吸收裝置，占地面積過大，處理完的煙氣需要消白后排放，所以煙氣脫硝選用SCR工藝。

3 工程應用

現場踏勘發現，該鋼鐵廠高爐熱風爐煙氣經過煤煙換熱器后，與煙囪連接的煙道過短，無法直接引出進行脫硫脫硝超低排放改造。熱風爐位于渣池一側，與渣池之間的通道作為改造場地，不能全部占用，改造方案需要結合現場實際情況調整。

3.1 工藝路線對比及選擇

根據高爐熱風爐的煙氣入口溫度（150～200 ℃），煙氣脫硫脫硝工藝路線分為兩種。路線一脫硝置于脫硫之前，若使用中低溫催化劑，需要考慮催化劑失活再生，若將煙氣升溫，使用中高溫催化劑避免再生，需要在脫硫前再次降低煙氣溫度，保護布袋除塵器，此路線需要設置煙氣加熱器，消耗大量高爐煤氣，將煙氣溫度升高至大于280 ℃；路線二脫硝置于脫硫后，可以采用煙氣換熱器（GGH）+煙氣加熱器將溫度升至中高溫催化劑適用溫度，此路線占地面積較大，物耗高且工藝流程較為復雜。兩種路線均無白色煙羽，滿足超低排放技術要求，但需要結合現場條件進行優化。

根據現場實際情況，熱風爐煙氣引出位置由后端改為前端（見圖1），煤煙換熱器移位重新安裝，利用煤煙換熱器前端高溫煙氣（約300 ℃），采用中高溫催化劑進行SCR脫硝，然后煙氣通過煤煙換熱器降溫至150 ℃進入脫硫塔，再經過布袋除塵器脫除粉塵，由增壓風機送回原有混凝土煙囪排放。優化后的工藝路線為：熱風爐煙氣→SCR脫硝→煤煙換熱器→SDS脫硫→布袋除塵器→增壓風機→煙囪。整個流程簡單，充分利用系統內不同的煙氣溫度區間，煙氣阻力小，節能環保，經濟性高。

3.2 方案實施

脫硫脫硝除塵系統呈單列布置在熱風爐與渣池之間的通道內，在不減少現有通道寬度的情況下，脫硝反應器及脫硫塔鋼架加寬，橫跨整個通道，布袋除塵器鋼架挑高布置；受限于場地大小，采用單列灰斗側出布袋除塵器，方便增壓風機引接，由于整個系統位于煤氣區域，所有設備按照防爆要求設計。脫硝還原劑采用濃度20%的氨水，通過氨水輸送泵送至脫硝反應器入口煙道，經過多支噴槍霧化，再由高溫煙氣蒸發后進行催化還原反應；脫硫劑采用粒徑30 μm的NaHCO3，通過研磨機研磨成粒徑15～20 μm的超細粉末，利用氣力輸送到脫硫塔噴入口，在脫硫塔、煙道及除塵器內布袋表面完成脫硫。

3.3 運行結果

實際運行中，熱風爐排煙溫度維持在280 ℃左右，經過脫硝系統和煤煙換熱器后，煙氣溫度保持在180 ℃左右，滿足中高溫SCR、SDS的溫度要求；SO2濃度一般保持在50～90 mg/Nm3，熱風爐燃燒和換爐階段產生的SO2較多，瞬時最高濃度可超過300 mg/Nm3；NOx濃度一般保持在10～40 mg/Nm3，送風階段產生較多的NOx，送風完成后，排氣時瞬時最高濃度可達90 mg/Nm3。由于高爐煤氣經過除塵凈化后才進入熱風爐，初始粉塵濃度很小，脫硫脫硝除塵系統投運后，出口煙氣中煙塵、SO2、NOx排放濃度分別不高于5 mg/m3、20 mg/m3、50 mg/m3，氨水、NaHCO3耗量及電耗均未超過設計值。

3.4 小結

熱風爐排煙中SO2濃度瞬時超過設計值，可通過優化熱風爐燃燒階段的煤氣/助燃空氣量、調整研磨機出力、暫停除塵器布袋清灰等方式，降低出口SO2濃度，使其不超過排放限值；NOx濃度偏低，不處理的情況下也滿足排放標準（≤150 mg/m3）。改造完成后，系統同時滿足中高溫SCR+SDS運行及高爐煤氣和助燃空氣預熱的溫度要求，工藝流程簡單，運行阻力小，占地面積小，電耗低，排煙溫度變化小。

4 結論

該鋼鐵廠需要進行超低排放改造，但場地緊張，高爐熱風爐煙氣入口SO2濃度波動大。本文結合高爐熱風爐煙氣的特點，對比不同煙氣脫硫脫硝工藝路線的運行條件，選擇合適的工藝路線，從而實現煙氣超低排放。SDS具有占地面積小、易操作、調整方便、運行穩定等優點，且熱風爐配套的煤煙換熱器前后溫度分別滿足中高溫SCR及SDS運行溫度要求，SCR可將出口NOx濃度控制在50 mg/m3以內，在排放標準日益嚴格的形勢下，中高溫SCR+SDS+布袋除塵的工藝路線具有重要的意義。

參考文獻

1 河北省環境保護廳，河北省質量技術監督局.鋼鐵工業大氣污染物超低排放標準：DB 13/2169—2018[S].北京：中國標準出版社，2018.

2 唐山市大氣污染防治工作領導小組辦公室.關于開展鋼鐵企業工程減排深度治理工作的通知[EB/OL].（2021-01-26）[2023-01-12].https：//www.doc88.com/p-68739065104326.html.

3 胡 先.高爐熱風爐操作技術[M].北京：冶金工業出版社，2006：81-83.

4 周至祥，段建中，薛建明.火電廠濕法煙氣脫硫技術手冊[M].北京：中國電力出版社，2006：13.

5 Dikshit A K，Dutta A，Ray S.Least cost SO2 emission minimization for a petroleum refinery by optimum use of source reduction，tail gas treatment and flue gas desulphurization[J].Clean Technologies amp; Environmental Policy，2005（3）：182-189.

6 蔣文舉，趙君科，尹華強，等.煙氣脫硫脫硝技術手冊[M].北京：化學工業出版社，2006：399-413.