孫彥廣，甄 眾，鄒宗來，李智勇，董云江，張 軍

（天津市新天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500）

0 引言

鋼鐵行業(yè)是我國大氣污染治理和超低排放控制的重點(diǎn)領(lǐng)域，其中燒結(jié)工序煙氣治理是鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)超低排放的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，燒結(jié)煙氣中的NOx 是大氣主要污染物之一。天鋼聯(lián)合特鋼有限公司（下稱聯(lián)合特鋼公司）兩臺(tái)230 m2燒結(jié)機(jī)脫硝工藝采用的是選擇性催化還原脫硝（SCR）技術(shù)，該煙氣脫硝技術(shù)優(yōu)勢為脫硝效率高、裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單。但聯(lián)合特鋼公司煙氣處理是先脫銷再脫硫，因此在煙氣遇到脫硝用催化劑時(shí)，可以將部分煙氣中的SO2氧化生成SO3，SO3與脫硝過程中逃逸的NH3反應(yīng)生成硫酸氫氨，硫酸氫氨具有粘性，吸附積灰后會(huì)對(duì)催化劑和回轉(zhuǎn)再生式煙氣換熱器造成堵塞，除此以外，經(jīng)過我們實(shí)際運(yùn)行情況來看，還存在其他原因?qū)е碌亩氯?/p>

因此，研究解決催化劑與GGH 堵塞的問題是實(shí)現(xiàn)燒結(jié)煙氣NOx超低排放的重要技術(shù)措施。本文介紹了SCR 脫硝原理和設(shè)備工藝布置，分析了聯(lián)合特鋼公司燒結(jié)煙氣治理系統(tǒng)催化劑和GGH 堵塞的原因，提出了工藝技術(shù)改進(jìn)建議，并對(duì)改進(jìn)效果進(jìn)行了總結(jié)。

1 SCR 脫硝原理以及脫硝裝置的工藝布置

1.1 SCR 反應(yīng)原理

聯(lián)合特鋼公司燒結(jié)煙氣治理的工藝路線為：經(jīng)電除塵脫除顆粒物的燒結(jié)煙氣通過主抽風(fēng)機(jī)進(jìn)入SCR 脫硝系統(tǒng)，脫除氮氧化物的煙氣由增壓風(fēng)機(jī)送入濕法脫硫塔中進(jìn)行脫硫，最終煙氣經(jīng)過消白處理后排出煙筒，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)煙氣超低排放。其中SCR 脫硝工藝選用NH3作為還原劑，在催化劑選擇性催化還原的作用下，煙氣中的NOx與NH3反應(yīng)生成N2和H2O。 SCR 脫硝工藝反應(yīng)原理圖如圖1 所示。

圖1 SCR 脫硝工藝反應(yīng)原理圖

1.2 脫硝裝置的工藝布置

聯(lián)合特鋼公司燒結(jié)煙氣脫硝反應(yīng)器內(nèi)布置有兩層催化劑，煙氣由上向下流動(dòng)，垂直通過催化劑。噴NH3格柵布置在煙氣入口側(cè)，與NH3混合后的煙氣經(jīng)過導(dǎo)流板和整流格柵后進(jìn)入SCR 反應(yīng)器內(nèi)部進(jìn)行催化還原反應(yīng)。聯(lián)合特鋼公司脫硝裝置布置如圖2 所示。

圖2 聯(lián)合特鋼公司脫硝裝置布置圖

2 SCR 堵塞問題原因分析

2.1 氨逃逸

聯(lián)合特鋼公司SCR 工藝采用的是蜂窩狀催化劑，其載體為TiO2，活性成分由V2O5、WO3組成。但V2O5在提高脫硝效率的同時(shí)也促進(jìn)了SO2生成SO3的反應(yīng)，而SO3能和脫硝過程中逃逸的NH3反應(yīng)生成硫酸氫氨[1]。硫酸氫氨具有粘性，能夠吸附飛灰從而造成催化劑與GGH 堵塞。生成硫酸氫氨和硫酸銨的反應(yīng)如下：

SCR 煙氣脫硝過程氨逃逸是難免的，并且會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，氨逃逸會(huì)逐步升高，氨逃逸率同運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系如圖3 所示。氨逃逸原因分析如下：

圖3 氨逃逸率同運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系

（1）反應(yīng)器注入氨流量分布不均勻。由于反應(yīng)器相當(dāng)于一個(gè)巨大的箱體，如果噴氨格柵設(shè)計(jì)與安裝位置不合理，使注入氨流量分布不均勻，會(huì)造成不同位置單位體積下的氨氣濃度差別較大，導(dǎo)致脫硝效率降低，使氨逃逸率升高.

（2）噴氨量的控制問題?？刂坪肗H3和NOx的化學(xué)計(jì)量比至關(guān)重要，根據(jù)入口氮氧化物濃度的變化及時(shí)調(diào)整噴氨量，避免出現(xiàn)過量噴氨的情況。

2.2 催化劑溫度

燒結(jié)煙氣通過催化劑的溫度和催化劑的活性密切相關(guān)[1]，催化劑最佳活性溫度區(qū)間320 ℃～420℃。當(dāng)煙氣溫度過低時(shí)，催化劑活性降低，從而降低NOx的脫出效率，在此溫度下噴入的NH3還會(huì)與煙氣中的SOx反應(yīng)生成硫酸氫氨，硫酸氫氨容易吸附飛灰造成催化劑與GGH 堵塞；當(dāng)煙氣溫度過高時(shí)，NH3會(huì)和O2反應(yīng)，導(dǎo)致煙氣中的NOx增加，從而抵消脫硝效果。因此，精準(zhǔn)的煙氣溫度控制是脫硝穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

2.3 催化劑吹灰系統(tǒng)問題

燒結(jié)煙氣中含有大量的灰塵，經(jīng)過機(jī)頭電除塵過濾后塵濃度大幅降低，但長期運(yùn)行后仍會(huì)堆積在催化劑表面，使NH3和NOx不能正常的在催化劑的作用下發(fā)生還原反應(yīng)；隨著時(shí)間的推移，煙氣的阻力也會(huì)逐步增加，催化劑良好的吹灰效果是SCR 脫硝長期穩(wěn)定運(yùn)行的基本條件。燒結(jié)煙氣的灰塵中包含多種堿金屬，堿金屬能化學(xué)性地吸附在活性催化劑的毛細(xì)孔表面并引起堵塞，其中Na 和K 是最主要的兩類[2]。機(jī)頭除塵灰主要成分如表1 所示。

表1 機(jī)頭除塵灰成分 /%

通過表1 可以看出，燒結(jié)煙氣中堿金屬的比例是非常高的，尤其是K2O，已經(jīng)達(dá)到了14.83%，所以及時(shí)清理催化劑表面的積灰十分重要。反應(yīng)器每層催化劑配備5 臺(tái)耙式吹灰器，每臺(tái)耙式吹灰器分三組耙管，每根耙管噴嘴數(shù)19 個(gè)。耙式吹灰器布置如圖4 所示。

圖4 耙式吹灰器布置圖

耙式吹灰器吹灰時(shí)按照先上層后下層，逐一進(jìn)行吹灰的方式運(yùn)行，通過耙式吹灰器布置圖來看，催化劑可以全面的得到吹掃。但實(shí)際運(yùn)行情況非常糟糕，吹灰效果并不理想，催化劑堵塞嚴(yán)重，未能達(dá)到理想的效果。催化劑積灰情況如圖5 所示。

圖5 催化劑積灰情況

3 SCR 堵塞問題改進(jìn)措施

3.1 催化劑溫度的精準(zhǔn)控制

硫酸氫氨的形成是可逆的，將溫度升高到316℃即可使硫酸氫氨升華[3]。煙氣經(jīng)過催化劑的溫度區(qū)間也決定了脫硝效率與SO2/SO3轉(zhuǎn)化率的高低，參考催化劑技術(shù)協(xié)議中相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，我們選取320 ℃～330 ℃為催化劑溫度的控制范圍，在保證較高的脫硝效率和降低氨逃逸的同時(shí)，使SO2/SO3轉(zhuǎn)化率處于低位，從根本上減少硫酸氫氨的生成。另外催化劑溫度在320 ℃～330 ℃之間，可同時(shí)保證GGH凈煙氣熱端溫度在316 ℃以上，可以使生成的硫酸氫氨升華，在GGH 冷端形成的少量硫酸氫氨可以用吹灰器清除。SO2/SO3轉(zhuǎn)化率同煙氣溫度的曲線如圖6 所示，脫硝效率同煙氣溫度曲線如圖7 所示。

圖6 SO2/SO3 轉(zhuǎn)化率同煙氣溫度的曲線

圖7 脫硝效率同煙氣溫度曲線

3.2 催化劑吹灰系統(tǒng)的改進(jìn)

（1）分析催化劑表面積灰情況，發(fā)現(xiàn)吹灰效果并不均勻，我們用壓縮空氣進(jìn)行人工吹掃，積灰可以有效的得到清理。要想吹灰器達(dá)到理想的效果，需要調(diào)整吹灰器的工藝布置，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研和實(shí)驗(yàn)決定將耙式吹灰器的高度降低130 mm,使得噴嘴與催化劑表面距離縮短，并每根耙管噴嘴數(shù)量由原有的19 個(gè)增加至37 個(gè)，降低吹灰器噴嘴高度的同時(shí)增加了噴嘴的密度。

（2）由于耙式吹灰器氣源為氮?dú)?，溫度為常溫，相?duì)于脫硝催化劑320 ℃的溫度來說非常低，吹灰的同時(shí)也給催化劑表面起到了降溫的作用，催化劑表面溫度過低不僅會(huì)降低脫硝效率而且會(huì)生成硫酸氫氨堵塞催化劑。經(jīng)過反復(fù)設(shè)計(jì)，最終決定氮?dú)鈿庠垂茉诜磻?yīng)器一層催化劑與二層催化劑之間進(jìn)行盤管，利用反應(yīng)器內(nèi)的高溫對(duì)氮?dú)膺M(jìn)行加熱，使氮?dú)鉁囟壬仙壳澳苓_(dá)到120 ℃，減小低溫對(duì)催化劑的影響，加強(qiáng)吹灰效果。

3.3 加強(qiáng)GGH 堵塞后的清理

我們采集了GGH 部分堵塞物樣品，實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)其易溶于水。經(jīng)調(diào)研論證，并結(jié)合之前行業(yè)上對(duì)GGH 在線清洗實(shí)施成功的方案，決定對(duì)GGH 的堵塞物實(shí)施水清洗方案，即采取高壓水沖洗與低壓水清洗相結(jié)合的方式進(jìn)行GGH 的單側(cè)清洗[4]。聯(lián)合特鋼公司利用燒結(jié)機(jī)3 天檢修契機(jī)，在GGH 內(nèi)部布置了沖洗水管路和噴嘴，利用沖洗水泵對(duì)GGH的堵塞物進(jìn)行水洗，并通過手動(dòng)盤車的方式完成整體的沖洗工作。開機(jī)后GGH 差壓從之前的1600 pa 降低到500 pa，效果明顯。GGH 沖洗噴嘴如圖8所示。

圖8 GGH 沖洗噴嘴

3.4 增加反應(yīng)器內(nèi)煙氣流速

增壓風(fēng)機(jī)功率偏小也會(huì)在一定程度上影響煙氣脫硝的穩(wěn)定運(yùn)行。煙氣壓力過低，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)煙氣流速變慢，飛灰更容易沉積在催化劑表面，導(dǎo)致吹灰器需要處理的塵量變大，而吹灰器是間斷運(yùn)行的，吹灰時(shí)加大的煙塵濃度給GGH 也造成了比較大的壓力，同時(shí)不利于外排顆粒物的穩(wěn)定控制。

3.5 降低煙氣飛灰黏度

堵塞催化劑的積灰黏度高，甚至有板結(jié)在催化劑表面的情況發(fā)生。為了改善這一情況，經(jīng)過詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究與論證，一種調(diào)質(zhì)劑可以緩解堵塞催化劑積灰粘度高的問題，雖然調(diào)質(zhì)劑會(huì)有讓催化劑中毒的風(fēng)險(xiǎn)，但積灰粘度降低后會(huì)被吹灰器及時(shí)清理，因此調(diào)質(zhì)劑對(duì)催化劑的影響可以忽略不計(jì)。我們向脫硝之前的原煙氣中噴入適量的調(diào)質(zhì)劑粉末，調(diào)質(zhì)劑的投入效果十分明顯，積灰黏度明顯降低、質(zhì)地如流沙，配合經(jīng)過改進(jìn)的吹灰器，催化劑在正常生產(chǎn)過程當(dāng)中的清理效果明顯改進(jìn)。連續(xù)運(yùn)行77天后催化劑狀態(tài)如圖9 所示。

圖9 連續(xù)運(yùn)行57 天后催化劑狀態(tài)

4 結(jié)語

在SCR 脫硝工藝中，催化劑中的活性成分V2O5會(huì)促進(jìn)煙氣中SO2氧化成SO3，而氨逃逸是無法完全避免的。因此控制催化劑溫度320 ℃～330 ℃之間可以使SO2/SO3轉(zhuǎn)化率與脫硝效率取得平衡，可在脫硝的過程中最大限度的減少硫酸氫氨的生成。只要催化劑吹灰系統(tǒng)吹灰器定時(shí)吹掃，GGH 凈煙氣入口溫度高于316 ℃，堵塞的可能性明顯降低，GGH即使長時(shí)間運(yùn)行堵塞后也可以用水洗的方法解決。

通過實(shí)施催化劑吹灰系統(tǒng)的改進(jìn)、加強(qiáng)GGH堵塞后的清理、增加反應(yīng)器內(nèi)煙氣流速、向煙氣中加入調(diào)質(zhì)劑等工藝改進(jìn)措施，保障了SCR 脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行效果。目前聯(lián)合特鋼公司SCR 脫硝系統(tǒng)未再發(fā)生過因催化劑與GGH 堵塞造成的停機(jī)檢修情況，有效解決了前置SCR 脫硝催化劑、GGH 堵塞的問題。