梁 杰，殷喜和

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司焦化廠，山西 太原030003）

太鋼焦化廠3×70孔7.63 m焦?fàn)t均采用高爐煤氣加熱，適當(dāng)摻入焦?fàn)t煤氣。強(qiáng)化生產(chǎn)狀態(tài)下（結(jié)焦時間25 h），單座焦?fàn)t加熱煤氣瞬時用量上限為13.5萬m3/h，空氣過剩系數(shù)上限為1.5（7.63 m焦?fàn)t加熱煙道氣中氧體積分?jǐn)?shù)控制在3%～5%），加熱煙道氣瞬時流量上限為46萬m3/h，溫度為190℃～230℃，其中二氧化硫、氮氧化物、粉塵顆粒物質(zhì)量濃度分別為200 mg/m3～400 mg/m3、400 mg/m3～500 mg/m3、15 mg/m3～20 mg/m3。自2019年10月1日起，山西省焦化行業(yè)執(zhí)行GB 16171—2012中規(guī)定的特別排放限值要求：SO2質(zhì)量濃度≤30 mg/m3、NOx質(zhì)量濃度≤150 mg/m3、顆粒物質(zhì)量濃度≤15 mg/m3。為滿足特別排放限值的要求，太鋼焦化廠通過分析對比目前各種脫硫、脫硝技術(shù)及調(diào)研國內(nèi)相關(guān)焦?fàn)t加熱煙道氣脫硫脫硝裝置運行情況[1]，結(jié)合7.63 m焦?fàn)t加熱煙道氣溫度、成分及流量，選擇了碳酸氫鈉干法（SDS）脫硫除塵與中低溫選擇性催化還原脫硝（Selective Catalytic Reduction，簡稱SCR）一體化工藝。項目于2018年5月開工，10月底投入運行?，F(xiàn)就運行情況介紹如下，供行業(yè)相關(guān)人員參考。

1 SDS脫硫+SCR脫硝工藝流程

SDS干法脫硫除塵與SCR脫硝一體化工藝流程圖見圖1。焦?fàn)t加熱煙道氣在增壓風(fēng)機(jī)作用下，從總煙道引出，進(jìn)入SDS干法脫硫及除塵裝置，去除煙道氣中的二氧化硫及顆粒物，之后進(jìn)入中低溫SCR脫硝反應(yīng)器，脫除煙道氣中的氮氧化物。經(jīng)過處理后的凈煙道氣返回焦?fàn)t總煙道，經(jīng)大煙囪排入大氣。

圖1 SDS干法脫硫除塵與SCR脫硝一體化工藝流程圖

1.1 煙道氣脫硫

該工藝先以碳酸氫鈉為脫硫劑，將碳酸氫鈉磨成粒徑為20μm～25μm的細(xì)粉顆粒，通過風(fēng)機(jī)氣力輸送，經(jīng)專用的霧化噴頭，均勻噴入干式脫硫塔內(nèi)。碳酸氫鈉在脫硫塔內(nèi)利用文丘里原理，與煙道氣完成一系列復(fù)雜的物理化學(xué)變化：首先碳酸氫鈉在180℃以上的溫度下脫氫，生成的碳酸鈉具有有吸附能力的微孔結(jié)構(gòu)，生成的碳酸鈉的比表面積迅速增大至原來碳酸氫鈉的數(shù)百倍，當(dāng)這些具有微孔結(jié)構(gòu)的碳酸鈉與煙道氣中的二氧化硫接觸時，二氧化硫分子迅速被碳酸鈉微孔捕獲并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成亞硫酸鈉，亞硫酸鈉再與煙道氣中的氧氣反應(yīng)生成硫酸鈉。經(jīng)過脫硫的煙氣粉塵，通過除塵器下部螺旋輸送機(jī)和氣力輸送系統(tǒng)，將脫硫副產(chǎn)物硫酸鈉排出系統(tǒng)，送往粉煤灰綜合利用公司加氣砼車間做墻體材料，實現(xiàn)脫硫廢物變廢為寶[2]。脫硫后的煙氣中二氧化硫質(zhì)量濃度≤20 mg/m3，顆粒物質(zhì)量濃度≤10 mg/m3。

完成的主要化學(xué)反應(yīng)見式（1）、（2）：

與其他酸性物質(zhì)的反應(yīng)見式（3）、（4）：

吸收了SO2等酸性物質(zhì)的干燥含粉廢氣進(jìn)入布袋除塵器，進(jìn)行氣固分離和煙塵凈化。除塵器收集的脫硫副產(chǎn)物為干態(tài)粉狀料，其大致的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：Na2SO4約占90%、Na2CO3約占10%，通過除塵器排灰、輸送至副產(chǎn)物料倉，下料口處用噸包裝袋打包外運。脫硫除塵后的煙氣進(jìn)入SCR脫硝系統(tǒng)。

1.2 煙道氣脫硝

脫硫后的煙道氣進(jìn)入裝有低溫脫硝催化劑的脫硝反應(yīng)器。脫硝反應(yīng)器分為4個單元，每個單元里裝有2層催化劑。含有氮氧化物的煙氣在經(jīng)過脫硝反應(yīng)器前部煙道時，與經(jīng)過噴氨格柵噴入的氨空混合氣混合均勻后進(jìn)入脫硝反應(yīng)器（氨空混合氣是利用氨氣稀釋風(fēng)機(jī)，將純氨氣稀釋到體積分?jǐn)?shù)＜5%的混合氣），在低溫脫硝催化劑的作用下，煙氣溫度＞180℃時，煙氣中的氮氧化物與噴入的氨氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氮氣和水，脫硝副產(chǎn)物氮氣和水隨煙氣經(jīng)過煙囪排入大氣，達(dá)到凈化煙氣的目的。

脫硝工藝系統(tǒng)包括氨氣供應(yīng)、脫硝反應(yīng)、熱解析。煙氣中混入的氨氣作為還原劑，與煙氣中的NOx在催化劑活性成分催化下，發(fā)生反應(yīng)，生成氮氣和水蒸氣，脫除氮氧化物。凈化后的煙氣送回焦?fàn)t總煙道（閘板前），經(jīng)煙囪排放。

脫硫除塵后煙道氣中的氮氧化物一般由約95%（體積分?jǐn)?shù)）的NO和5%（體積分?jǐn)?shù)）的NO2組成，SCR脫硝反應(yīng)主要反應(yīng)式見式（5）、（6）：

1.3 脫硫脫硝系統(tǒng)的工藝介質(zhì)流程走向

1.3.1 焦?fàn)t煙道氣

焦?fàn)t煙道氣→SDS脫硫裝置→布袋除塵器→SCR脫硝裝置→增壓風(fēng)機(jī)→焦?fàn)t總煙道。

1.3.2 碳酸氫鈉粉

碳酸氫鈉儲倉→磨機(jī)進(jìn)料計量秤→磨機(jī)→引風(fēng)機(jī)→SDS脫硫裝置。

1.3.3 脫硫副產(chǎn)物

脫硫裝置→布袋除塵器→螺旋輸送機(jī)→氣力輸灰裝置→副產(chǎn)物儲倉→半自動打包裝置。

1.3.4 氨氣

氨氣緩沖罐→氨空混合器→噴氨格柵→煙道→SCR反應(yīng)器。

2 技術(shù)配置及相關(guān)參數(shù)

2.1 脫硫脫硝系統(tǒng)整體配置特點

采用先脫硫后脫硝流程的優(yōu)點：先脫硫除塵，能有效去除焦?fàn)t煙道氣中的焦油等雜質(zhì)，可以防止其對脫硝催化劑的污染，延長催化劑使用壽命。

系統(tǒng)嚴(yán)密性及散熱保溫：脫硫脫硝系統(tǒng)在設(shè)計過程中，必須充分考慮系統(tǒng)對嚴(yán)密性的要求，連接部位采用密封結(jié)構(gòu)設(shè)計和嚴(yán)密性材料；施工安裝、焊接時，進(jìn)行氣密性試驗，確保其嚴(yán)密性，以防止系統(tǒng)投用后抽入冷空氣。同時，對系統(tǒng)散熱面進(jìn)行全面保溫，高溫?zé)煹罋夤艿辣Ｗo(hù)層采用納米氣凝膠+硅酸鋁棉，確保整個系統(tǒng)煙道氣溫度達(dá)標(biāo)，以免影響脫硫脫硝效果。另外，除塵輸灰管道也要使用電伴熱保溫。

2.2 主要運行參數(shù)

脫硫脫硝裝置主要運行參數(shù)見表1。

表1 主要運行參數(shù)

2.3 脫硫劑

SDS干法脫硫的脫硫劑曾多次試用國內(nèi)食品級碳酸氫鈉，但在研磨環(huán)節(jié)，頻繁出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象，影響系統(tǒng)運行，后最終使用索爾維（SOLVAY）公司生產(chǎn)的碳酸氫鈉產(chǎn)品作為高效脫硫劑。

SDS脫硫工藝在管道直接噴射脫硫劑，可根據(jù)煙氣中酸性物質(zhì)含量隨時調(diào)節(jié)脫硫劑的注入量，不受其他因素影響，對工況適應(yīng)性強(qiáng)，在負(fù)荷調(diào)整時有良好的、適宜的調(diào)節(jié)特性。

2.4 脫硝催化劑

SCR脫硝反應(yīng)催化劑選用蜂窩式釩鈦系中低溫催化劑，主要成分為V2O5、TiO2等，具有催化反應(yīng)溫度調(diào)節(jié)范圍寬、SO2轉(zhuǎn)化率和NH3逃逸率低、抗硫性好、脫除效率高、比表面積大、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、壽命長等特點。催化劑采用模塊化密封設(shè)計，可有效防止煙氣短路，各層模塊規(guī)格統(tǒng)一，具有互換性、抗水性、抗黏性。催化劑模塊采用鋼結(jié)構(gòu)框架，便于運輸、安裝、起吊，可縮短安裝、更換催化劑的作業(yè)時間。

催化劑的安裝按2+1層設(shè)置，其中初裝2層，備用1層。在初期的2層催化劑運行2 a后，增加布置第3層催化劑，之后每年循環(huán)更換1層催化劑。同時，用耐高溫陶瓷纖維氈對催化劑間隙進(jìn)行密封。在催化劑頂加裝聲波吹灰裝置，用以吹掃催化劑表面的積灰，保證煙氣通道的暢通。

在SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)還安裝有吹灰器，定期對催化劑進(jìn)行吹掃，可保證脫硝效率，并延長催化劑使用壽命。

2.5 脫硝催化劑熱解析系統(tǒng)

脫硝催化劑熱解析再生系統(tǒng)采用在線解析的方式，啟動煤氣熱風(fēng)爐，通過閥門調(diào)節(jié)煤氣用量，將煙氣加熱至300℃以上，用以清除催化劑表面的附著物，包括焦油、有機(jī)物等。根據(jù)脫硝運行狀況，熱解析系統(tǒng)約每12個月投運一次，每次一個倉室，4個倉室輪流進(jìn)行，每次升溫時間約持續(xù)12 h。熱解析系統(tǒng)可及時清理催化劑的表面，保持催化劑的活性，延長催化劑的使用壽命，降低運行成本[3]。

2.6 氨氣供應(yīng)系統(tǒng)

氨氣供應(yīng)系統(tǒng)的進(jìn)口煙道上設(shè)置噴氨格柵，將煙道截面劃分為多個控制區(qū)域，每個控制區(qū)域有若干個噴射孔。通過煙氣導(dǎo)流板和調(diào)整各氨氣噴嘴閥門的開度，使各氨氣噴嘴流量與煙氣中需還原的NOx含量相匹配，使氨在煙氣中均勻分布，確保進(jìn)入SCR反應(yīng)器的煙氣氣流保持均勻，避免局部噴氨過量。同時，調(diào)整反應(yīng)器中第一層催化劑上方煙氣的NH3、NOx摩爾比，改善氨的擴(kuò)散及與煙氣的混合均勻程度。

2.7 脫硝系統(tǒng)進(jìn)口煙道氣溫度控制

當(dāng)脫硝系統(tǒng)入口煙道氣溫度過低時（＜170℃），啟動煤氣熱風(fēng)爐（用焦?fàn)t煤氣點火，以高爐煤氣為熱源），對煙道氣進(jìn)行補(bǔ)充加熱，以確保煙道氣溫度穩(wěn)定在中低溫脫硝催化劑活性溫度范圍內(nèi)，從而達(dá)到運行穩(wěn)定、高效脫硝。

3 特殊操作

3.1 在脫硫脫硝系統(tǒng)入口管道上設(shè)置氣動快速切換翻板，能夠在10 s內(nèi)迅速開啟/關(guān)閉，實現(xiàn)脫硫系統(tǒng)與焦?fàn)t加熱煙道氣原排氣系統(tǒng)的快速切換。脫硫系統(tǒng)正常運行時，旁路翻板關(guān)閉，原煙道氣進(jìn)口翻板打開，煙道氣經(jīng)脫硫脫硝系統(tǒng)處理后，經(jīng)焦?fàn)t煙囪排出；脫硫脫硝裝置發(fā)生故障、出現(xiàn)意外緊急停機(jī)或檢修時，進(jìn)口翻板關(guān)閉，焦?fàn)t總煙道旁路翻板打開，焦?fàn)t加熱煙道氣直接切出脫硫脫硝系統(tǒng)，確保不影響焦?fàn)t的正常工作。

3.2 脫硫除塵布袋材質(zhì)耐高溫度為250℃，要求煙道氣溫度不得超過240℃。除塵倉煙道氣進(jìn)口溫度≥240℃時的應(yīng)急操作：（1）打開快切閥；（2）逐步降低增壓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；（3）觀察脫硫塔入口溫度，降低到220℃以下時，關(guān)閉快切閥；（4）逐步提高增壓風(fēng)機(jī)頻率，使焦?fàn)t加熱吸力符合要求。

3.3 碳酸氫鈉脫硫劑具有吸濕性，研磨系統(tǒng)停止前，利用磨機(jī)系統(tǒng)配置的輸送風(fēng)機(jī)，先將磨機(jī)及輸送管道中的脫硫劑全部吹送至脫硫塔中反應(yīng)完。

3.4 系統(tǒng)增壓風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速，開啟增壓風(fēng)機(jī)時，初始設(shè)定風(fēng)機(jī)的頻數(shù)為20 Hz，而后再緩慢增加風(fēng)機(jī)電機(jī)頻數(shù)，直至達(dá)到系統(tǒng)要求、穩(wěn)定運行；系統(tǒng)停機(jī)時，緩慢降低增壓風(fēng)機(jī)變頻至20 Hz，而后再停運增壓風(fēng)機(jī)。

4 運行效果

太鋼焦化廠焦?fàn)t煙道氣碳酸氫鈉干法（SDS）脫硫除塵與SCR中低溫脫硝一體化工藝系統(tǒng)自2018年投運以來，裝置運行穩(wěn)定，凈化后的指標(biāo)低于GB 16171—2012中規(guī)定的特別排放限值要求（脫硫脫硝系統(tǒng)實際運行指標(biāo)見表2）。

表2 脫硫脫硝系統(tǒng)實際運行指標(biāo)mg/m3

由表2可見，三套系統(tǒng)脫硫和脫硝效率均大于90%、顆粒物脫除效率大于85%。

總體來講，該脫硫脫硝一體化系統(tǒng)脫除效率高，對焦?fàn)t負(fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng)，NH3逃逸率低，催化劑活性好、失活率低、壽命長；系統(tǒng)氣流分布均勻、阻力小，對其他酸性物如HCl、SO3、HF等也具有很高的脫除率。同時，脫硫副產(chǎn)物硫酸鈉純度高，方便利用。而且處理后的煙道氣沒有因降溫造成的白霧現(xiàn)象，無需再對煙道氣進(jìn)行消白處理，避免了視覺污染。該系統(tǒng)運行兩年以來，穩(wěn)定可靠、安全性高，便于維護(hù)，運行成本低。

對于獨立焦化廠而言，該工藝在脫硫工序采用鈉鹽作為脫硫劑，生產(chǎn)的硫酸鈉處理困難，需進(jìn)一步拓展工藝；同時建議脫硫脫硝系統(tǒng)配套大功率的增壓風(fēng)機(jī)，以滿足焦?fàn)t加熱系統(tǒng)對吸力的要求。新建焦?fàn)t煙道氣脫硫脫硝設(shè)施時，可同步考慮處理干熄焦煙氣負(fù)荷，以降低新建干熄焦煙氣脫硫脫硝成本。