球團生產煙氣中NOx的治理技術與實踐

孫志強，孫松山，房 強，焦東明

（淄博鐵鷹球團制造有限公司，山東 淄博 255080）

1 前 言

淄博鐵鷹球團制造有限公司50 萬t 氧化球團生產線采用鏈篦機-回轉窯工藝，獨立生產線，主體設備包括Φ6 m 造球盤（3 臺）、2.8 m×36 m 鏈篦機、4 m×30 m回轉窯及40 m2環冷機。生產線另配備煤粉制備系統、煙氣處理系統及環境除塵系統。

根據《山東省鋼鐵工業大氣污染物排放標準》（DB 37/990—2019）文件要求，球團焙燒設備排放濃度（基準含氧量16%）限值為：顆粒物10 mg/m3、SO235 mg/m3、NOx（NO2計）50 mg/m3。對常態下鐵鷹公司球團生產線尾氣中的NOx排放濃度進行檢測，在尾氣氧含量為18.5%左右時檢測值為75～90 mg/m3，以基準氧含量16%進行折算后，NOx排放濃度在150～180 mg/m3，超出了50 mg/m3達標排放限制，必須采取有效的手段對生產尾氣中的NOx進行治理，實現達標排放。

2 生產工藝煙氣的產生及煙氣參數

2.1 煙氣的產生及運行流程

鏈篦機-回轉窯球團生產線的煙氣主要產生于回轉窯窯頭燃料燃燒過程。高溫煙氣在鏈篦機兩側兩臺熱循環分機引力作用下自回轉窯進入鏈篦機預熱二室，經過多管除塵器初級除塵后在熱循環風機驅動下進入鏈篦機干燥室。來源于環冷機二段最終形成鏈篦機預熱一室的煙氣與鏈篦機干燥室的煙氣共同經過靜電除塵后，由主抽風機引入脫硫系統凈化后排入大氣。實施NOx治理前煙氣運行系統如圖1所示。

圖1 實施NOx治理前煙氣運行系統示意圖

2.2 煙氣成分及參數

經過NOx治理立項后的特定檢測，鏈篦機兩側的1#和2#熱循環風機煙氣量均≤140 000 m3/h，煙氣溫度300～350 ℃，O2含量為15.5%～16.5%，NOx含量≤200 mg/m3，SO2含量＜6 000 mg/m3；總排口煙氣量≤460 000 m3/h，煙氣溫度45～55 ℃，O2含量為18.5%～19.5%，NOx含量≤70 mg/m3，SO2含量＜50 mg/m3，顆粒物濃度＜10 mg/m3。從實際檢測數據看出，未進行NOx治理前，尾氣氧含量在18.5%～19.5%時總排口的NOx含量已超出排放限值。

3 NOx治理技術的選擇與應用

3.1 基礎參數的設計

3.1.1 煙氣溫度變化參數

回轉窯焙燒初始煙溫為1 250～1 300 ℃，至窯尾時，煙溫降至950 ℃左右進入預熱段。煙氣在預熱段經球團吸收熱量后，溫度降至350～400 ℃進入多管旋風除塵器，除塵后的煙氣通過高溫循環風機送至干燥室對球團礦進行初步加熱。干燥室的煙氣與預熱一室的煙氣匯合后進入靜電除塵后溫度降至130～150 ℃，最后通過球團主抽風機引入脫硫系統凈化后外排，溫度為45～55 ℃。

3.1.2 煙氣中NOx濃度變化參數

在循環風機出口煙氣NOx實測濃度為200 mg/m3（含氧量15.5%～16.5%），總排口煙氣NOx實測濃度為70 mg/m3（含氧量18.5%～19.5%）。

3.1.3 脫硝裝置設計基礎參數

脫硝裝置設計基礎參數包括：（1）濕基標況煙氣量120 000 m3/h。（2）脫硝裝置入口煙氣NOx濃度按含氧量16%及干基折算后≤200 m3/h。（3）煙氣總排口NOx濃度按含氧量16%及干基折算后≤50 m3/h。（4）脫硝裝置脫硝效率≥75%。

3.2 典型NOx治理（脫硝）技術的分析

市場上可供選擇的煙脫硝技術主要有三大類，即吸附法（活性炭）脫硝技術、氧化法脫硝技術和還原法脫硝技術。吸附法（活性炭）脫硝技術脫硝效率在80%左右，不能滿足山東省最新發布的《鋼鐵工業大氣污染物排放標準》要求，且項目一次投資較高，工藝復雜，不適用鐵鷹公司現狀。部分60萬t球團脫硝方案擬采取SNCR 還原法+雙氧水氧化法的脫硝方式，能夠滿足氮氧化物達標排放，但根據淄環發【2017】71號文件要求，氧化法脫硝技術為淄博市禁止使用技術。還原法脫硝方法主要分SNCR脫硝方法和SCR脫硝方法，是目前電力、水泥、工業窯爐等行業廣泛使用的技術。通過對部分企業SNCR 脫硝設施進行實地查看，單純的SNCR 脫硝設施已不能滿足日益嚴格的氮氧化物達標排放。

常規SCR脫硝設施一般建設在除塵、脫硫塔出口，要求反應溫度區間在180～420 ℃。考慮獨立球團鏈篦機-回轉窯生產線工藝特點及其氮氧化物濃度排放現狀，在政策允許范圍內，結合鐵鷹公司考察實際情況，脫硝項目宜采用鏈篦機機頭高溫段建設SNCR 脫硝+適溫段建設SCR脫硝設施的聯合脫硝技術，確保污染物穩定達標排放。

3.3 SNCR煙氣脫硝技術分析

SNCR 技術是用NH3、尿素等還原劑噴入煙氣中與NOx 進行選擇性反應，不用催化劑，因此必須在高溫區加入還原劑。還原劑噴入煙氣溫度為850～1 100 ℃的區域，該還原劑（尿素）迅速熱分解成NH3并與煙氣中的NOx進行SNCR反應生成N2。

鏈篦機預熱二室與回轉窯接口處煙溫在900～1 000 ℃，符合SNCR 反應溫度要求。SNCR 煙氣脫硝技術的脫硝效率一般為25%～50%，本技術方案需將煙氣中的氮氧化物由200 mg/m3降至50 mg/m3，單獨使用SNCR技術無法達到此脫硝效率。

3.4 SCR煙氣脫硝技術分析

3.4.1 SCR脫硝技術原理

SCR（選擇性催化還原）技術是目前應用最多且最有成效的煙氣脫硝技術，是在金屬催化劑作用下，以NH3作為還原劑，將NOx還原成N2和H2O。

通過采用合適的催化劑，上述反應可在250～410 ℃的溫度范圍內有效進行，獲得高達80%～90%的NOx脫除效率。SCR工作原理如圖2所示。

圖2 SCR工作原理

3.4.2 SCR脫銷技術的優缺點

SCR 技術對煙氣NOx控制效果顯著，具有技術成熟、脫硝效率高、占地面積小、易于操作、穩定可靠等優點，是我國燒結煙氣、球團煙氣控制NOx污染的主要手段之一。但由于SCR 要使用催化劑，設置單獨的反應器，一次投資費用相對較高。

3.5 SNCR/SCR聯合工藝煙氣脫硝技術的運用

SNCR/SCR 聯合煙氣脫硝技術是把SNCR 同SCR 工藝利用逃逸氨進行催化反應的技術結合起來，進一步脫除NOx。它是把SNCR工藝的投資費用低的特點同SCR工藝的高效率及低的氨逃逸率進行有效結合。理論上，SNCR工藝在脫除部分NOx的同時也為后面的催化法脫硝提供所需要的氨。SNCR體系可向SCR催化劑提供充足的氨，但是控制好氨的分布以適應NOx的分布的改變卻是非常困難的。為了克服這一難點，聯合工藝需要在SCR反應器中安裝一個輔助氨噴射系統。通過試驗和調節輔助氨噴射可以改善氨氣在反應器中的分布效果。SNCR/SCR聯合工藝的運行特性參數可以達到40%～90%的脫硝效率，氨的逃逸＜3×10-6。因此針對鏈篦機-回轉窯煙氣系統的特點，選用聯合工藝具有投資低、運行費用低、運行靈活、適應性強等優勢，NOx治理選用SNCR-SCR聯合工藝作為脫硝工藝方案。

3.5.1 SNCR脫硝系統的設置及系統組成

SNCR脫硝系統安裝在鏈篦機頭處，包括氨水稀釋裝置、計量及分配裝置、SNCR噴射系統。氨水稀釋裝置是利用高流量、高壓輸送控制把稀釋水輸送到計量及分配裝置，使氨水稀釋至10%左右濃度。計量及分配裝置用于控制SNCR噴射區的還原劑流量，配置1套計量分配系統，計量分配系統就近布置在噴射系統附近平臺上。噴槍采用特制的壓縮空氣霧化的雙流體噴槍，可將氨水溶液霧化成均勻的極細的液滴，噴槍采用316L制作，并設置保護和吹掃套管以防止噴嘴堵塞和飛灰侵蝕，利用空氣冷卻。

3.5.2 SCR反應器安裝位置選擇及構成

經多管除塵后的煙氣溫度在350～400 ℃，其溫度區間符合SCR脫硝技術要求，通過對生產現場進行勘察，最終確定SCR反應器安裝在多管除塵與高溫循環風機之間。增設脫硝反應器后煙氣運行將增加約1 000 Pa的阻力，為了消除其影響，相應對原高溫循環風機進行改造，提升風機全壓1 200 Pa。

SCR反應器為直立式焊接鋼結構容器，內部設有催化劑支撐結構，能承受內部壓力、地震負荷、煙塵負荷、觸媒負荷和熱應力等。反應器殼外部設有加固肋及保溫層，觸媒層頂部裝有密封裝置，防止未處理過的煙氣短路。反應器采用固定床平行通道形式，安裝三層，并預留一層位置，按4 層設計，層與層之間空間凈高2.5 m。反應器的上部安裝有導流板、整流裝置，在反應器的豎直段裝有催化劑床。在每層催化劑之前設置1只耙式吹灰器，可隨時將沉積于催化劑入口處的飛灰吹除，防止堵塞催化劑通道。SCR反應器下部不設灰斗，在反應器壁上留有壓縮空氣接口以備定時吹掃底部積灰。同時進一步優化反應器下部設計，減少積灰可能性。

3.5.3 催化劑的技術要求與選擇

催化劑是SCR 系統中的主要設備，其成分組成、結構、壽命及相關參數直接影響到SCR 系統脫硝效率和運行狀況，應具有以下特性：（1）較高的NOx選擇性；（2）在較低的溫度下和較寬的溫度范圍內具有較高的催化活性；（3）較高的化學穩定性、熱穩定性和機械穩定性；（4）費用較低。

通過對蜂窩式、板式和波紋板式三種主流催化劑各類參數進行綜合分析對比，最終采用成熟的蜂窩式高溫催化劑，其活性溫度范圍在310～420 ℃，與反應器工況溫度相吻合。

3.5.4 氨水（還原劑）技術要求及供給系統設置

氨水濃度≥20%。設置1 個氨水儲罐，立式常壓容器，304制作，容積為30 m3，滿足SNCR+SCR聯合工藝裝置煙氣滿負荷工況下7 d 氨水總消耗量。氨水罐配置液位計、真空閥、安全閥等附屬設施。氨水由輸送及循環裝置自儲罐輸送至計量和分配裝置，該裝置是一個獨立的高流量傳輸系統，包括2臺全流量的多級離心泵，1用1備。內嵌雙聯式過濾器用于遠程控制和監測氨水輸送系統壓力及溫度儀表等。設置一套背壓控制閥，為計量分配裝置穩定供應氨水來調節供料泵的流量和壓力。

4 NOx治理技術的優化

根據50萬t鏈篦機-回轉窯球團生產線初始設計，鏈篦機有效長度為36 m，共12 個風箱，分干燥室、預熱一室、預熱二室共3 個室。預熱一室和預熱二室之間的隔墻上設置窗口，以解決投產初期或其他原因造成的預熱一室熱量不足的問題。通過對鏈篦機煙道運行進行分析，預熱一室的煙氣與干燥室的煙氣經共同煙道進入靜電除塵，而通過預熱一室和預熱二室之間聯通窗口進入預室的煙氣則無法經過SCR反應器進行脫硝，發生了NOx不同程度的逃逸，對NOx的最終效果產生影響。

對鏈篦機分段實施了技術改造，通過隔墻位置改變和隔墻上聯通窗口通風面積的調整，減少了預熱一室內NOx的進入量，提高了煙氣中NOx有效治理量，有效促進了NOx治理效率的提高，確保了穩定達標排放。改造前后對比如圖3所示。

圖3 優化的NOx治理鏈篦機分段技術示意圖

5 結 語

通過選擇適合的NOx治理技術及技術優化，球團NOx得到了有效治理，滿足了達標排放需要并降低了脫硝運行成本。投入運行以來，未出現煙氣NOx排放超標事件。通過生產物料數據統計對比分析，氨水平均單耗為0.72 kg/t 球，滿足初始設計單耗0.84 kg/t球設計要求并降低了用量，實現了較低的脫硝運行成本。