燒結SCR 脫硝不同運行溫度的適應性分析

林澎山 福建龍凈脫硫脫硝工程有限公司

隨著國家對環保要求的日益嚴格，針對鋼鐵行業，2019 年國家生態環境部、發展改革委等五部委聯合發布《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》，規定燒結機機頭、球團焙燒煙氣顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度小時均值分別不高于10 mg/Nm3、35 mg/Nm3、50mg/Nm3，明確了鋼鐵行業全面推進超低排放。隨著超低排放的推進，各地都推行了更加嚴格的地方標準，如山西、唐山等地都推出了35 mg/Nm3、30 mg/Nm3甚至15mg/Nm3排放標準，這對SCR 脫硝系統設計及催化劑都提出了很高要求。

燒結礦在鋼鐵生產高爐原料中占比達到80%左右，燒結生產過程中NOX的排放量約占整個鋼鐵工業的一半，是鋼鐵企業生產的重要工序，因此，燒結環保是否達標直接關系到企業能否正常生產。目前在燒結煙氣脫硝領域應用最為廣泛的是中溫SCR 脫硝工藝，反應溫度一般為280℃，由于燒結原始煙氣煙溫較低，需要配套GGH 換熱器和煙氣加熱器對煙氣進行加熱，以達到適宜的脫硝反應溫度。近幾年，低溫SCR 脫硝工藝由于其反應溫度低，可節約煙氣加熱所需的煤氣耗量越來越受到行業內的關注，但低溫催化劑的活性和運行時生成硫酸氫銨（ABS）堵塞催化劑等問題又限制了其的發展。

因此，本文從低溫SCR 脫硝工藝原理分析，對燒結SCR 脫硝系統不同運行溫度的經濟性進行對比，并闡述低溫催化劑可能面臨的潛在風險，對低溫催化劑在燒結SCR 脫硝領域的適應性進行分析。

1 燒結SCR 脫硝工作原理

鋼鐵燒結 SCR 脫硝一般都放置在煙氣脫硫之后，煙氣溫度＜100℃，該溫度并不滿足SCR 脫硝溫度點，為將脫硫后煙氣抬升到脫硝工作溫度點，則需要采用“GGH 換熱+加熱爐補熱”的組合方式來實現的，其工藝流程圖如圖1 所示。經前端脫硫后先經過GGH 原煙氣側與脫硝后的熱煙氣進行換熱，再利用煙氣加熱裝置加熱至SCR 脫硝所需的反應溫度點，然后進入SCR 反應器，在催化劑作用下進行脫硝反應，反應后的凈煙氣再經過GGH 凈煙氣側換熱降溫，最終由引風機送往煙囪排放。

圖1 典型中溫SCR 脫硝工藝流程圖

燒結SCR 脫硝工藝升溫是通過GGH 換熱+加熱爐補熱的方式來完成。加熱爐升溫補熱所需的煤氣耗量取決于GGH 的換熱端差（即GGH 原煙氣側出口與凈煙氣側進口的溫度端差）。同一燒結機上，在同等GGH 換熱端差下，SCR 運行溫度高的選用的GGH 型號大，SCR 運行溫度低的則小，此時不同運行溫度下的煤氣耗量基本相當，并不能夠節省加熱所需的煤氣耗量。只有當選用同等型號的GGH 時，由于脫硝低溫運行時GGH 換熱會比中溫運行時GGH換熱端差小，才能夠節省煙氣加熱所需的煤氣耗量。即所謂的GGH 按照中溫設計280℃設計，SCR 脫硝低溫運行，才可實現煤氣耗量的節省。

2 不同運行溫度下SCR 脫硝系統經濟性分析

GGH 中溫設計，低溫運行，可帶來煤氣的節省，但同時由于催化劑的運行溫度變低，催化劑的活性更低，體積量更大，價格也將上升，這也帶來投資成本的增加以及后期催化劑更換費用的增加。

為了更加直觀的對比不同脫硝溫度下的煤氣消耗費用及催化劑更換費用，本文以某臺265m2燒結項目為例，煙氣量為100 萬Nm3/h（濕標），入口SO2濃度＜35mg/Nm3,粉塵濃度＜5mg/Nm3，入口NOX濃度為400mg/Nm3，出口NOX排放要求為30mg/Nm3，對180 ～280℃各脫硝設計溫度下的綜合運行經濟性進行對比分析。

在煤氣消耗方面，按照中溫280℃，換熱端差30℃選型GGH型號，核算SCR 脫硝不同運行溫度下GGH端差及煤氣耗量如圖2 所示，可見隨著運行溫度的下降，GGH 換熱端差減小，即煙氣所需的升溫溫差有所減小，煤氣耗量也隨之減少。

圖2 SCR 脫硝不同運行溫度下煤氣耗量對比

在催化劑方面，根據選型，按照30 孔催化劑，3+1 方案設計，催化劑壽命3a，初步選型不同溫度下催化劑裝填量及投資成本如表1 所示。隨著運行溫度的降低，催化劑的體積大幅增加，180℃運行工況下，催化劑體積將使280℃時的2 倍之多；且催化劑的單價也隨著運行溫度的降低，價格上漲，整體投資低溫180℃催化劑相比中溫280℃投資成本增加4.5 倍之多。

表1 不同運行溫度下催化劑裝填量及投資成本

以煤氣單價0.1 元/Nm3，年運行8000h，同時后續催化劑按照每年需要更換一層考慮，綜合對比煤氣消耗及催化劑更換成本，如圖3 所示。在250～280℃之間，隨著運行溫度每降低10℃，綜合運行費用可將低50 萬～60 萬元，該溫度區間，運行費用降低明顯；此后運行費用則降低不多，在220～250℃之間，隨著運行溫度每降低10℃，運行費用降低15 萬～20 萬元；而在180～220℃之間，運行費用反而會由于催化劑更換費用的增加而有所增加。

圖3 不同運行溫度下煤氣+催化劑更換綜合運行費用

3 燒結SCR 脫硝低溫運行下存在的問題

適當降低SCR 脫硝運行溫度，其可以降低整體SCR 脫硝的運行費用。但從已有項目考察來看，低溫下，低溫催化劑還是存在一些需要進一步改進的地方。

(1) 低溫活性低，穩定性不高

從考察來看，很多項目存在運行溫度比催化劑選型溫度高20～30℃，有的甚至50℃。這說明低溫催化劑在設計溫度下活性仍然偏低，不足以確保排放指標達標，只能夠提升運行溫度來提高催化劑活性。而提升運行溫度，則能夠實現的煤氣節省將更少了。

此外，在測試低溫催化劑活性的實驗中，反饋數據體現，其脫硝效率達到穩定的時間遠比常規中溫催化劑長幾倍。且在工程測試中，當運行溫度從更高溫度向催化劑設計溫度降低時，其他參數基本不變的情況，會發現一段長時間內出口NOX不好控制，脫硝效率臨界的情況。這說明，低溫催化劑達到反應穩定的時間不長，響應性較差，穩定性不高。

(2) 低溫硫酸氫銨中毒

低溫催化劑硫酸氫銨中毒現象主要是因為SO2被催化劑氧化成SO3，然后與NH3和H2O 反應生成NH4HSO4，生成的硫酸氫銨冷凝占據催化劑表面的活性位點，堵塞催化劑孔道，阻止了脫硝反應的進行，導致催化劑中毒失活。燒結SCR 脫硝硫酸氫銨的露點溫度在250～260℃，為此低溫催化劑普遍運行在硫酸氫銨露點一下，存在中毒問題。目前，低溫催化劑主要通過定期安排熱解析來解決，但實際如何判定什么時候需要進行熱解析，并未有很好的判定模型，而純粹是靠現場運行狀況來判斷，而待運行狀況都體現出來了，此時催化劑中毒已經就比較嚴重了，整體氨逃逸已經嚴重超標。

此外，低溫催化劑受前端脫硫、除塵的影響較大，一旦前端脫硫、除塵不夠穩定，催化劑中毒將會非常迅速，屆時不僅不能夠實現節省煤氣，反而可能帶來環保超標的風險。為此前端脫硫除塵的優劣對后端低溫SCR 脫硝運行有重大影響。

(3) 低溫運行氨逃逸高、煙囪冒藍煙

由于低溫催化劑活性低，穩定性不高、硫酸氫銨中毒的問題，也帶來低溫催化劑項目普遍存在氨逃逸高，其氨逃逸基本均超標準值幾倍甚至幾十倍。氨氣作為堿性氣體，其隨煙囪排入大氣，極易與煙氣中的SOX和NOX結合生成硫酸銨和硝酸銨PM2.5。這些PM2.5將形成藍色煙羽，煙囪冒藍煙，拖尾嚴重，為某項目采用低溫催化劑運行時煙囪冒藍煙的情況。

隨著大氣污染綜合治理的推進，后續氨逃逸若成為一項與NOX排放相同要求的污染物排放控制指標，這將對低溫SCR 脫硝是不利的。

4 結語

燒結SCR 脫硝在GGH 按照中溫選型，低溫運行的條件下，運行溫度的降低將會使得GGH 換熱端差降低，所需加熱升溫的煤氣量也將減少，可一定程度上減少煤氣消耗。但同時也會帶來催化劑投資及后期更換費用的增加。

綜合對比不同運行溫度下煤氣消耗及催化劑更換成本，當運行溫度從280℃降低至250℃時，運行費用節省率為50 萬～60 萬元/10℃，運行溫度從250℃降低至210℃時，運行費用節省率下降至15 萬～20 萬元/10℃，運行溫度進一步降低，反而整體運行費用會隨催化劑更換成本的大幅增加而有所增加。

燒結低溫SCR 脫硝目前普遍存在催化劑活性低、穩定性不足的問題，很多項目存在運行溫度比設計溫度高20～30℃現象，實際節省煤氣將會更低。此外硫酸氫銨中毒也是燒結低溫SCR 脫硝的共性問題，目前的熱解析措施還不夠完善，難以解決由此帶來氨逃逸高、煙囪冒藍煙的不利影響。

針對燒結SCR 脫硝運行溫度，建議需要從脫硝性能、系統響應能力以及運行費用綜合考量來選取。在前端脫硫穩定可靠的前提條件下，可考慮將SCR 脫硝運行溫度設置在250℃左右，既能夠有效節省SCR系統的運行費用，又能夠減緩催化劑中毒堵塞現象的發生。