基于濕法脫硫技術的燒結煙氣超凈治理工藝分析研究

鄭海濱

（福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

0 引言

2019 年生態環境部等五部門印發了《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》，對鋼鐵、球團工業大氣污染物排放限值做了新規定，并對鋼企超低排放提出了相關目標任務，要求加快實施鋼鐵企業超低排放改造。近幾年鋼鐵企業以此為目標，遵循綠色低碳發展的原則，開展了節能降耗、污染物減排、碳減排等一系列工作，各項污染物排放總量呈下降趨勢，為打贏藍天保衛戰立下了汗馬功勞，有力促進了空氣質量改善、產業結構優化、治理水平提升和環保技術進步，總體成效顯著。但由于我國鋼鐵工業排放總量大、基數高，鋼鐵工業在綠色發展上仍然面臨很多問題，特別是在國家提出碳達峰、碳中和目標后，在去產能、超低排放改造的多重壓力下，后超低排放時代精細化運行的需求逐漸顯現。

鋼鐵行業作為所有制造業領域中碳排放量最高的行業，目前整體進入了新一輪下行周期，呈現下游需求疲弱，生產成本高，盈利水平大幅下滑的態勢，鋼鐵工業遭遇前所未有的挑戰[1]。在這個環境背景下，對各類技術、工藝、裝備進行研究具有深遠意義。探討鋼鐵行業減污降碳系統工藝配置的實施路徑及優化措施，將成為今后很長一段時期我國鋼鐵行業節能減排工作的一條主線。

1 燒結煙氣超凈治理工藝對比分析

我國燒結煙氣推行超低排放治理改造已近5 年，總體成效顯著，在工藝選擇上已經有較成熟的方向，但部分企業在實施超低排放改造過程中選用科學性、穩定性、可靠性存疑甚至是簡易低效的治理技術，不按超低排放相關文件可行技術規范等要求開展改造，因此無論從工藝完善性、設備配置，還是運行穩定性方面鋼鐵企業超低排放改造仍還有較大的提升空間。

針對采用濕法脫硫工藝的燒結煙氣超凈治理項目，在實現超低排放的技術探索過程中先后出現了先脫硝后濕法脫硫及先濕法脫硫后脫硝這兩種路線，經過實踐檢驗，這兩種工藝路線在技術穩定性、投資成本及運行成本等方面存在較大差異。

1.1 工藝路線一：機頭除塵+升溫法SCR+濕法脫硫+濕電（含MGGH）

在燒結煙氣超低排放治理改造初期，國內有不少鋼鐵企業參考電力行業工藝，采用濕法脫硫前置SCR脫硝的煙氣超凈治理工藝（見圖1），其煙氣處理流程為：機頭電除塵器→主抽風機→GGH 原煙氣側→SCR→GGH 凈煙氣側→MGGH 降溫段→增壓風機→濕法脫硫→濕電→冷凝器→MGGH 升溫段→煙囪。其中，配備冷凝器及MGGH 的目的主要是為了對濕電出口的飽和濕煙氣進行冷凝、換熱升溫，滿足煙氣“消白”的需求。

圖1 燒結煙氣脫硫前置SCR 脫硝工藝路線

某個采用此路線的項目穩定運行3 個月后，SCR系統催化劑發生堵塞，系統阻力驟升，影響燒結系統的正常生產，通過采用新增耙式吹灰器、升溫熱解等技術后依舊無法解決催化劑堵塞問題，只能通過燒結減產、頻繁停機、更換催化劑以短時滿足生產需求。對催化劑頂層防護網（見圖2）和催化劑模塊底部（見圖3）的堵塞物進行XRF 檢測分析發現堵塞物成分中70%以上是重金屬氧化物及硫酸鹽物質（見表1）。據此分析由于高硫煙氣中的重金屬及經催化劑轉換形成的SO3，極容易在噴氨及催化環境下形成粘性態物質造成催化劑堵塞。

表1 XRF 成分檢測分析檢驗結果

圖2 催化劑模塊表層粉塵

圖3 催化劑模塊底部黏結物

1.2 工藝路線二：機頭除塵+濕法脫硫+濕電+冷凝器+升溫法SCR

經過對工藝路線一的總結分析及改進，濕法脫硫后SCR 脫硝的煙氣超凈治理工藝（見圖4）成為了鋼鐵企業在實施超低排放改造普遍推行的技術路線之一，其煙氣處理流程為：機頭電除塵器→主抽風機→濕法脫硫→濕電→冷凝器→GGH 原煙氣側→SCR→GGH 凈煙氣側→增壓風機→煙囪。

圖4 燒結煙氣脫硫后置SCR 脫硝工藝路線

對國內采用此工藝的項目運行狀況進行統計跟蹤，這類項目基本能穩定實現燒結煙氣的超凈治理需求，各項排放指標均優于標準值，部分經營管理優質的企業在實現系統穩定運行的同時，可以將系統能耗控制在每噸礦8～9 元。

1.3 對比小結

對上述兩種燒結煙氣超凈治理工藝的技術可靠性及投資成本進行對比，詳見表2。

表2 燒結煙氣超凈治理工藝對比表

通過統計超低排放改造政策推行初期（2018—2020 年）國內部分鋼鐵企業新建的12 個燒結煙氣超低排放項目發現，無論選擇哪種形式的催化劑，采用濕法脫硫前置SCR 脫硝工藝的6 個項目均先后出現了催化劑堵塞的狀況。為保障燒結生產運行，這些項目只能通過增加停機頻率、更換催化劑或對系統進行再改造等方式以解決這類問題。

經實踐證明，濕法脫硫前置SCR 脫硝工藝雖然能短期滿足《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》中的排放指標，但由于SCR 前端缺乏較可靠的技術措施脫除煙氣中的重金屬及硫化物，并不適合大面積推廣用于鋼鐵燒結煙氣的超凈治理。濕法脫硫后置SCR 脫硝工藝系統投資成本及運行成本較低，穩定性高，更適合作為我國鋼鐵燒結煙氣的超凈治理技術推廣。

2 燒結煙氣超凈治理工藝配置淺析

我國鋼鐵體量大，在實現低碳轉型發展方面仍面臨不少挑戰。在這種背景下，對濕法脫硫后置SCR 燒結煙氣超凈治理系統的冷凝及精細除塵技術配置進行對比分析、優化，可以提高系統利用率，降低能耗，減少碳排放量，推動我國鋼鐵行業加速低碳轉型，助力國家碳達峰與碳中和目標順利實現。

2.1 煙氣冷凝技術分析

冷凝器一般設置在濕電出口，它通過將冷卻水引入冷凝器設備，將濕電出口50～55 ℃的飽和濕煙氣進行降溫冷卻換熱，煙氣中被冷凝析出的水外排重復利用。

2.1.1 工藝分析

由于FGD 及濕電會大幅增加煙氣含水率，在脫硫后置SCR 脫硝工藝中設置冷凝器可將煙氣中的水汽凝結析出，降低煙氣的絕對濕度。通過溫降值的設計，可以將煙氣含水率控制在10%～15%以內，降低系統故障時低溫、高濕煙氣影響催化劑傳質，避免其失活。同時可有效避免高濕煙氣進入SCR 后造成溫度場、氨氣混合分布不均勻，出現如局部噴氨量過大、氨逃逸超標、脫硝效率降低等問題。另一方面煙氣含水率的降低在減輕GGH 換熱負荷的同時可以減小加熱爐升溫的煤氣耗量，降低系統運行成本。以360 m2燒結煙氣治理為例，采用冷凝工藝將煙氣由55 ℃冷凝至50 ℃后再進入GGH 系統換熱，并由加熱爐將煙氣升溫30 ℃，相對于無冷凝的工藝可節省高爐煤氣約2 533 m3/h。

冷凝技術可保障“煙氣消白”長期穩定，提高煙囪觀感。結合“白煙”的形成和消散機理，要保證煙氣在擴散過程中始終為非飽和狀態，煙氣中的水蒸氣不會凝結、析出才能徹底消除“白煙”[2]。通過冷凝技術降低煙氣的絕對含濕量，保證煙氣向大氣擴散過程一直為非飽和狀態，可以大幅提高煙氣的擴散能力。當環境相對濕度為30%、環境溫度為10 ℃時，未冷凝煙氣的濕煙羽消散難度大，再熱后溫度（GGH 凈煙氣側出口煙溫）需大于97 ℃才能滿足完全消白要求。若通過冷凝技術將濕電出口煙溫由55 ℃降至50 ℃，再熱后溫度（GGH 凈煙氣側出口煙溫）大于77 ℃即可實現“消白”。

此外通過冷凝器可將飽和濕煙氣中溶解殘留的硫酸鹽、細微粉塵、重金屬等污染成分隨冷凝水析出，輔助煙氣趨零排放，避免GGH 換熱升溫后煙氣中的硫酸鹽固化析出，堵塞催化劑微孔。同時，對煙氣冷凝水的析出回收綜合利用可以降低系統水耗，以360 m2燒結煙氣治理為例，將煙溫由55 ℃冷凝至50 ℃，回收水量達35 t/h，在考慮系統蒸發補水后，綜合節水量達16 t/h。

2.1.2 經濟性分析

通過表3 分析，在僅考慮經濟效益情況下，設置冷凝器可實現運行成本創效31.5 萬元/a，以冷凝器20 a 的設計壽命計算，在設備有效周期內，其投入與產出基本相當。

表3 360 m2 燒結煙氣治理的冷凝系統年運行綜合成本對比表

2.1.3 綜合分析

綜上所述，燒結煙氣脫硫后置SCR 脫硝工藝配備冷凝器可以增加系統的穩定性，助力“煙氣消白”及煙氣多污染物的處理，對于生產管理優質的企業其創造的經濟收益可與初次投入基本持平。

2.2 煙氣精細除塵技術分析

對于濕法脫硫+SCR 脫硝工藝，目前一般通過濕式電除塵器來保證系統出口粉塵排放濃度小于10 mg/m3，甚至5 mg/m3，部分項目由于場地、投資等因素采用管束式高效除塵除霧器取代濕式電除塵器。

2.2.1 工藝分析

濕式電除塵器的設備阻力一般小于250 Pa，其電場穩定性好，運行電壓高，能有效控制氣流攜帶，對PM2.5脫除效率高，除塵效率可達到90%以上，對電腐蝕的抵抗能力強。它作為優異的終端控制技術，被廣泛用于電力、化工、鋼鐵等行業超低排放系統末端補集細微粉塵、氣溶膠等。

管束除塵除霧器是以高速旋流產生慣性離心作用力，將霧滴和粉塵拋向筒壁捕集。相對于濕電系統更簡單，不需要有維持高壓電場的電控設備。但它在低負荷狀態下效率很低或失效：負荷小于80%時效率衰減較嚴重，負荷低于60%時基本失效；在80%～110%設計負荷時的效果最佳；負荷高于110%時易造成二次逃逸。正常工況下設備阻力一般在650 Pa 左右。具有投資費用低、運行費用低、施工及維護方便、改造周期短、場地要求較低等特點。

濕式電除塵器的結構較管束除霧器復雜，安裝周期較長，運行維護較為繁瑣，對場地的要求較高。它對煙氣的凈化程度及穩定性均高于管束除塵除霧技術，尤其對于亞微米超細粉塵、SO3、石膏微液滴以及重金屬的水溶性化合物均有較高的脫除效率，二者性能對比見表4。高效除霧技術對工況特性較為敏感，對入口粉塵濃度要求高，需對前端電除塵器進行改造提效，同時脫硫塔內也需采用托盤、導流板等技術手段作為保障，才能充分發揮其性能。

表4 濕式電除塵器與管束除塵除霧器性能對比表

2.2.2 經濟性分析（見表5）

表5 濕式電除塵器與管束除塵除霧器經濟性對比表

1）設備一次性投資費用：以360 m2燒結煙氣治理為例，濕式電除塵器的初次投資費用約為1 250 萬元，管束除塵除霧器費用約為870 萬元。

2）運行費用：濕式電除塵器需配備沖洗水泵、高壓電源、熱風吹掃風機及空氣加熱器，而管束除塵除霧器僅需沖洗水泵。

2.2.3 綜合分析

綜上所述，相對于濕式電除塵器技術，管束除塵除霧器的技術可靠性較低，特別是對工況波動較為敏感。該技術在初次投資上具有優勢，為保證進入管束除塵除霧器的粉塵濃度低，需對機頭電除塵器及濕法脫硫進行改造提效，綜合改造成本后，兩種技術在初期的投資基本相當。但采用管束除塵除霧器工藝的運行成本有較大優勢，在機頭電除塵器及脫硫系統穩定運行的基礎上，通過優化系統配置，采用管束除塵除霧器取代濕式電除塵器可以減小系統能耗，適用于礦物來源穩定、燒結工況及工藝控制較好的新建項目推廣。

3 結語

濕法脫硫前置SCR 脫硝工藝因技術可靠性不強，已被證明不適合在鋼鐵燒結煙氣的超凈治理中推廣應用。對于穩定性高的濕法脫硫后置SCR 脫硝工藝，采用濕式電除塵器+冷凝器的配置在技術可靠性上具有明顯優勢，但該技術初次投資大、運行費用較高。在國家碳達峰、碳中和的政策背景下，通過優化健全燒結工藝控制措施實現燒結工況穩定，推動機頭電除塵器及濕法脫硫的提效改造，研究升級煙氣冷凝技術及管束式除塵除霧器技術，采用管束式除塵除霧器部分替代濕式電除塵器等措施以優化系統配置，降低系統運行能耗，實現技術創效，對于加快推動國家節能減排工作，推動我國鋼鐵行業加速低碳轉型，早日實現碳中和具有深遠意義。