李智超,鄧崔翔,東 波,鄧 偉,祝 文

(西安西礦科技環(huán)保有限公司，陜西 西安 710075)

我國(guó)是世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國(guó)，年產(chǎn)量可達(dá)十幾億噸，但污染物排放量大，據(jù)統(tǒng)計(jì)鋼鐵行業(yè)已成為我國(guó)僅次于燃煤電廠的第二大工業(yè)煙氣污染物排放源。2019年4月，生態(tài)環(huán)境部會(huì)同有關(guān)部委研究發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》[1]，逐步要求鋼鐵行業(yè)的超低排放要求，其中燒結(jié)機(jī)煙氣顆粒物、二氧化硫、氮氧化物平排放濃度小時(shí)均值分別不高于10，35，50mg/m3。本文主要介紹了國(guó)內(nèi)燒結(jié)煙氣主流的脫硫脫硝技術(shù)方法，以及針對(duì)燒結(jié)煙氣超低排放提出相應(yīng)的脫硫脫硝工藝技術(shù)方案。

1 燒結(jié)煙氣脫硫脫硝技術(shù)

1.1 燒結(jié)煙氣特點(diǎn)

所謂燒結(jié)煙氣就是燒結(jié)礦等混合料經(jīng)高溫?zé)Y(jié)成型過程中產(chǎn)生的氣體，具有以下特點(diǎn)：煙氣量大，1T燒結(jié)礦可產(chǎn)生4000～6000m3煙氣[2-3]；煙氣不穩(wěn)定，成分隨燒結(jié)礦料配比的變化而變化；煙氣溫度低、濕度大、粉塵含量高等。

1.2 燒結(jié)煙氣脫硫技術(shù)

針對(duì)燒結(jié)煙氣的特點(diǎn)，常用的脫硫工藝根據(jù)脫硫劑形態(tài)的不同可分為濕法、半干法和干法。其中濕法脫硫石灰石/石灰-石膏法，半干法脫硫循環(huán)流化床法(CFB)、旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法(SDA)應(yīng)用最為廣泛，占比可達(dá)86.9%[4](按面積計(jì)算)。

石灰石/石灰-石膏法

石灰石/石灰-石膏法是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最為廣泛的燒結(jié)煙氣脫硫工藝[5-6]，其原理是：采用石灰石或石灰作為脫硫劑，經(jīng)消化處理后制成漿液，在吸收塔上部經(jīng)噴淋后與煙氣中SO2發(fā)生反應(yīng)生成CaSO3，在吸收塔底部被鼓入的空氣氧化成CaSO4，達(dá)到脫硫的目的。該工藝運(yùn)行穩(wěn)定、脫硫效率高，副產(chǎn)物可制成石膏回收再利用；但前期投入大、系統(tǒng)復(fù)雜、占地面積大，且會(huì)產(chǎn)生大量廢水。

循環(huán)流化床法(CFB)

循環(huán)流化床煙氣脫硫技術(shù)是德國(guó)魯奇公司20世紀(jì)80年代末開發(fā)的一種新型半干法煙氣脫硫工藝[7-8]，其原理是：煙氣從底部進(jìn)入吸收塔，與加入的消石灰脫硫劑、循環(huán)灰充分混合，經(jīng)吸收塔下端的文丘里管加速，在氣流作用下形成流化床，使煙氣與消石灰充分接觸，從而去除煙氣中的SO2。該方法Ca/S高達(dá)40～50，消石灰利用率高，脫硫效率高；吸收塔無內(nèi)件且無需防腐；后續(xù)設(shè)備無粘結(jié)、堵塞和腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法(SDA)

所謂旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法煙氣脫硫[9-10]，就是將生石灰加水配置成消石灰乳，在自流狀況下通過高速旋轉(zhuǎn)霧化器霧化成細(xì)小液滴，液滴在塔內(nèi)與煙氣中的SO2充分反應(yīng)，達(dá)到去除SO2的目的。該工藝核心設(shè)備旋轉(zhuǎn)霧化器主要從國(guó)外進(jìn)口，前期投入較大；排煙溫度高于煙氣酸露點(diǎn)，是設(shè)備無需防腐處理。

1.3 燒結(jié)煙氣脫硝技術(shù)

國(guó)內(nèi)外主流的煙氣脫硝工藝主要有選擇性非催化還原法(SNCR)和選擇性催化還原法(SCR)。選擇性非催化還原法[11-12](SNCR)是氨或尿素在1000℃左右的溫度下將煙氣中NOx還原成N2，達(dá)到脫硝的目的，主要應(yīng)用于鍋爐等領(lǐng)域，不適用于燒結(jié)煙氣；結(jié)合燒結(jié)煙氣溫度和特點(diǎn)其脫硝一般采用SCR，所謂SCR[13-14]就是在催化劑的作用下，以氨作為還原劑脫除煙氣中的NOx；催化劑的存在可以大幅降低NOx分解所需的活化能，使其反應(yīng)溫度降至300℃左右，該技術(shù)NOx脫除率可達(dá)95%以上。

2 燒結(jié)煙氣脫硫脫硝工藝

隨著鋼鐵行業(yè)超低排放要求的提出，近年來大量鋼廠開始對(duì)燒結(jié)煙氣進(jìn)行脫硫脫硝超低改造，根據(jù)調(diào)研及我公司已有運(yùn)行業(yè)績(jī)，其主要工藝路線有：濕法脫硫+冷凝+SCR脫硝+布袋除塵、CFB脫硫+布袋除塵+SCR脫硝、SCR脫硝+濕法脫硫+濕電。

2.1 路線一：SCR脫硝+濕法脫硫+濕電

燒結(jié)煙氣超低排放工藝流程路線見圖1。

圖1 燒結(jié)煙氣超低排放工藝流程路線

Fig.1 ultra low emission process route one of sintering flue gas

該路線流程是：經(jīng)燒結(jié)主抽送過來的高溫?zé)煔馔ㄟ^SCR脫硝后再依次經(jīng)過濕法脫硫和濕電除塵達(dá)標(biāo)后從煙囪排放。該工藝適用于煙氣中粉塵含量相對(duì)較小的燒結(jié)廠，否則煙氣中顆粒物會(huì)堵塞催化劑表面和煙氣換熱器(GGH)，增加系統(tǒng)阻力，影響系統(tǒng)的運(yùn)行；為了盡可能減小粉塵對(duì)脫硝系統(tǒng)的影響，設(shè)計(jì)中煙氣換熱器增加了高壓水沖洗系統(tǒng)，催化劑層增加耙式吹灰系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

我公司負(fù)責(zé)的河北興華鋼鐵有限公司200m2燒結(jié)煙氣超低改造工程采用該工藝路線，業(yè)主已建濕法脫硫，本次改造在脫硫前增加SCR脫硝，脫硫后增設(shè)濕法電除塵，于2018年12投產(chǎn)使用，至今系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；其中煙氣量80萬Nm3/h，SCR反應(yīng)溫度≥320℃，采用20%氨水作為還原劑，NOx從250mg/m3降至45mg/m3以下，實(shí)現(xiàn)超低排放。

2.2 路線二：濕法脫硫+冷凝+SCR脫硝+布袋除塵

燒結(jié)煙氣超低排放工藝流程路線見圖2。

圖2 燒結(jié)煙氣超低排放工藝流程路線

Fig.2 ultra low emission process route two of sintering flue gas

該路線主要針對(duì)現(xiàn)有燒結(jié)煙氣已建濕法脫硫，在其后增加冷凝器，析出煙氣中過量飽和水，再次經(jīng)煙氣換熱器(GGH)和熱風(fēng)爐加熱后達(dá)到脫硝反應(yīng)所需溫度，最后經(jīng)過布袋除塵、煙囪排放。該工藝在濕法脫硫后增加冷凝器，在脫除煙氣中水分的同時(shí)也可去除部分顆粒物，減少顆粒物對(duì)后面工序的影響；但煙氣經(jīng)脫硫水洗和冷凝后溫度在50℃左右，而SCR脫硝反應(yīng)溫度區(qū)間在250～320℃，需要消耗大量的能量對(duì)煙氣進(jìn)行加熱；煙氣中濕度相對(duì)較大，對(duì)后續(xù)設(shè)備存在腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

丹陽龍江1×100m2+1×180m2燒結(jié)機(jī)煙氣超低排放由我公司采用該工藝路線進(jìn)行改造，已達(dá)標(biāo)排放穩(wěn)定運(yùn)行3月有余。設(shè)計(jì)參數(shù)如下：煙氣量：126萬m3/h、脫硝反應(yīng)溫度：≥280℃、還原劑：20%氨水，NOx從300mg/m3降至40mg/m3以下，脫硝效率：86.7%。

2.3 路線三：CFB脫硫+布袋除塵+SCR脫硝

燒結(jié)煙氣超低排放工藝流程路線見圖3。

該工藝是目前燒結(jié)煙氣超低排放最成熟的工藝之一，其路線是：經(jīng)燒結(jié)機(jī)機(jī)頭除塵的煙氣通過主抽送至CFB脫硫和布袋除塵后，再依次流經(jīng)SCR脫硝，達(dá)標(biāo)后經(jīng)增壓風(fēng)機(jī)從煙囪排放。該工藝采用CFB半干法脫硫，與濕法脫硫相比，不會(huì)產(chǎn)生脫硫廢水，無二次污染；經(jīng)脫硫和布袋后煙氣溫度可達(dá)100℃左右，相對(duì)濕法工藝SCR脫硝能耗較??；后續(xù)設(shè)備無腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；在運(yùn)行過程中受燒結(jié)機(jī)負(fù)荷波動(dòng)影響較大，負(fù)荷較低時(shí)需通過增壓風(fēng)機(jī)和循環(huán)煙道及時(shí)調(diào)整通過CFB脫硫塔煙氣量，否則會(huì)出現(xiàn)踏床現(xiàn)象，對(duì)操作人員要求較高。

中新鋼鐵2×198m2燒結(jié)煙氣超低排放采用該工藝路線，我公司負(fù)責(zé)其中的SCR脫硝部分，2條線均已投產(chǎn)達(dá)標(biāo)排放。具體參數(shù)如下：煙氣量：114萬m3/h、脫硝反應(yīng)溫度：≥280℃、脫硝還原劑：20%氨水、脫硫劑：消石灰；總排口參數(shù)：SO2<30mg/m3、NOx<50mg/m3、粉塵<5mg/m3、氨逃逸<3ppm。

圖3 燒結(jié)煙氣超低排放工藝流程路線

Fig.3 ultra low emission process route three of sintering flue gas

3 燒結(jié)煙氣超低排放中存在的問題

近年來隨著燒結(jié)煙氣超低排放改造項(xiàng)目的不斷增加，技術(shù)和工藝路線也在不斷完善，但SCR脫硝仍然面臨亟需解決的問題，如能耗高和催化劑堵塞等。

3.1 能耗高

無論采用哪種超低煙氣處理工藝，在SCR脫硝過程中均需將煙氣溫度加熱至300℃左右，雖然采用煙氣換熱器(GGH)可回收一部分熱量，但仍需采用加熱爐將煙氣溫升40℃左右，需要消耗大量的能量。

為了解決能耗高問題，大量的學(xué)者將精力主要集中在低溫催化劑研究上，通過對(duì)催化劑性能的優(yōu)化和改進(jìn)，降低SCR脫硝反應(yīng)所需的溫度，進(jìn)而降低能耗。喬南利等[15]從活性組分和載體兩方面介紹了低溫NH3-NOx催化劑，提出研究和開發(fā)低溫NH3-NOx脫硝技術(shù)的必要性，并探討了低溫NH3-NOx催化劑抗水、抗硫及失活的原因。

3.2 催化劑堵塞

SCR脫硝過程中催化劑會(huì)將部分煙氣中的SO2氧化成SO3，并與過量未參與反應(yīng)的氨氣生成硫酸氫銨，硫酸氫銨是一種黏性很強(qiáng)且具有腐蝕性的物質(zhì)，易黏附煙氣中的飛灰顆粒，堵塞催化劑表面，造成催化劑失活和設(shè)備腐蝕等影響。目前主要通過減少氨逃逸量、優(yōu)化噴氨流場(chǎng)、及控制SO2氧化率等方面來控制。倪建東等[16]利用Fluent軟件對(duì)某鋼廠燒結(jié)煙氣SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決煙氣回流問題，降低氨與NOx摩爾比的標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)。

4 結(jié)束語

目前煤電行業(yè)已逐步實(shí)現(xiàn)超低排放要求，減排的焦點(diǎn)已開始向化工、建材、冶金等行業(yè)轉(zhuǎn)移，尤其冶金行業(yè)，近幾年面臨越來越嚴(yán)格的排放要求，河北地區(qū)已出臺(tái)冶金行業(yè)相應(yīng)的超低排放地方性標(biāo)準(zhǔn)。本文總結(jié)了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)主要的燒結(jié)煙氣脫硫、脫硝技術(shù)工藝，提出幾種不同的超低排放工藝路線，結(jié)合我公司已改造完成并運(yùn)行的項(xiàng)目實(shí)際，為燒結(jié)煙氣超低改造提供借鑒。