楊海東 劉金英

(北京首鋼股份有限公司，河北 遷安 064400)

0 引言

首鋼球團(tuán)的120+200萬t/a的兩條氧化球團(tuán)生產(chǎn)線，是我國(guó)最早采用鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝的單位，無煙氣脫硫、脫硝裝置。為貫徹落實(shí)國(guó)家生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展理念及唐山市關(guān)于鋼鐵行業(yè)大氣污染防治工作要求，自2013年起開始對(duì)生產(chǎn)煙氣進(jìn)行凈化治理。其中120萬t生產(chǎn)線煙氣脫硫提標(biāo)、新建脫硝工程于2018年9月25日建成投入，是我國(guó)鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)工藝首套采用電除塵器+密相塔半干法脫硫+中低溫SCR脫硝技術(shù)對(duì)煙氣進(jìn)行脫硫脫硝的單位。改造投入后達(dá)到了河北省《鋼鐵工業(yè)大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn) 》(DB13/ 2169-2018)，要求球團(tuán)煙氣顆粒物、二氧化硫、氮氧化物小時(shí)均值排放濃度分別不高于10、35、50 mg/Nm3，基準(zhǔn)含氧量按照16%折算的排放標(biāo)準(zhǔn)要求。近期經(jīng)過熱工操作制度的優(yōu)化、低氮燃燒技術(shù)應(yīng)用、SCR催化劑備用層投入后，達(dá)到了2021年6月1日?qǐng)?zhí)行的唐山市5、20、30 mg/m3的超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

1 工藝路線

表1 120萬t/a球團(tuán)生產(chǎn)線煙氣參數(shù)表

一系列脫硫脫硝工藝采用技術(shù)路線為：煙氣由電除塵器(現(xiàn)有)→密相塔脫硫系統(tǒng)(改造)→脫硫布袋除塵器(改造)→GGH換熱器高溫段(新增)→SCR脫硝系統(tǒng)(新增)→GGH換熱器低溫段(新增)→主引風(fēng)機(jī)(改造)→煙囪(現(xiàn)有)。

脫硝系統(tǒng)采用低溫SCR工藝，催化劑反應(yīng)溫度區(qū)間為260～280 ℃。設(shè)置在密相塔脫硫除塵裝置之后，主要由氨站系統(tǒng)、氨水蒸發(fā)噴射系統(tǒng)、催化劑脫硝反應(yīng)系統(tǒng)、煙道系統(tǒng)、煙氣換熱系統(tǒng)(GGH)、煙氣加熱系統(tǒng)等部分組成。首鋼球團(tuán)脫硫脫硝工藝流程圖見圖1。

圖1 首鋼球團(tuán)脫硫脫硝工藝流程圖

2 脫硫系統(tǒng)提標(biāo)改造

2.1 脫硫劑升級(jí)替換工業(yè)試驗(yàn)

按照《球團(tuán)使用氫氧化鈣脫硫試驗(yàn)方案》，在控制操作標(biāo)準(zhǔn)不改變的情況下，脫硫系統(tǒng)從2021年2月7日18:00開始往脫硫塔加新的脫硫劑氫氧化鈣，每2小時(shí)加一次，每次按照7～8 t添加，至2月8日16:00停止，一共試驗(yàn)22 h，共計(jì)向脫硫系統(tǒng)添加氫氧化鈣89 t，同步排出廢灰168 t。此消耗量較正常使用氧化鈣進(jìn)行脫硫，并按出口外排SO2濃度小時(shí)均值100～120 mg/m3進(jìn)行操作控制時(shí)平均兩天消耗氧化鈣90～95 t基本持平。試驗(yàn)初期由于脫硫系統(tǒng)中氫氧化鈣量小，外排煙氣SO2濃度按小于100 mg/m3進(jìn)行操作控制，2月8日8:00之后按小于50 mg/m3進(jìn)行操作控制。脫硫系統(tǒng)的小時(shí)加水量按照日?？刂茦?biāo)準(zhǔn)2.5 t/h進(jìn)行微調(diào)，試驗(yàn)過程中也基本未做調(diào)整。

試驗(yàn)過程中生產(chǎn)原料配比為：水高粉80%，秘細(xì)粉20%，皂土配比1.95%，試驗(yàn)期間配礦始終保持穩(wěn)定，未做調(diào)整。燃料使用為：煤氣3 900 m3/h，噴煤0.4～0.7 t/h，系統(tǒng)溫度控制平穩(wěn)。

試驗(yàn)結(jié)論：

在主線生產(chǎn)原料、產(chǎn)量、質(zhì)量、操作方針不變的情況下進(jìn)行了試驗(yàn)，共計(jì)22 h，消耗氫氧化鈣89 t，同步排出廢灰168 t。此試驗(yàn)消耗量較正常使用氧化鈣進(jìn)行脫硫，并按出口外排SO2小時(shí)均值100～120 mg/m3進(jìn)行操作控制時(shí)平均兩天消耗氧化鈣90～95 t基本持平。

在脫硫系統(tǒng)操作方法相同的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，脫硫系統(tǒng)整體循環(huán)灰量為150 t左右/h，總替換量2.7%左右，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出氫氧化鈣的脫硫能力明顯要強(qiáng)于氧化鈣，如果完全替換為氫氧化鈣后，系統(tǒng)脫硫能力和效果會(huì)更加明顯。

本次試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期效果。在試驗(yàn)氫氧化鈣作為脫硫劑的過程中，外排煙氣SO2小時(shí)平均值基本能夠控制在50 mg/m3以下，但是從瞬時(shí)值來看，在往脫硫塔添加新灰20～30 min后和下一個(gè)加新脫硫劑之前的排廢灰的過程中，外排煙氣SO2瞬時(shí)值又會(huì)升高，也有較大幅度的波動(dòng)。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，將氧化鈣完全替換為氫氧化鈣后，同步對(duì)脫硫劑循環(huán)輸送系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行增容改造，提高脫硫劑的循環(huán)速率，并升級(jí)現(xiàn)用的脫硫劑入口的攪拌設(shè)備，改善脫硫劑與煙氣的接觸面積，脫硫能力也會(huì)相應(yīng)提高，能夠達(dá)到35 mg/m3以下，并形成了循環(huán)脫硫劑輸送系統(tǒng)設(shè)備增容改造方案。試驗(yàn)過程脫硫系統(tǒng)進(jìn)出口煙氣SO2小時(shí)平均值曲線見圖2、3。

圖2 進(jìn)出口煙氣SO2小時(shí)平均值曲線

圖3 出口煙氣SO2小時(shí)平均值曲線

2.2 循環(huán)脫硫劑輸送系統(tǒng)設(shè)備增容改造

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過對(duì)脫硫除塵器灰斗灰輸送方式、加濕機(jī)增容、增加攪拌器、脫硫塔底羅茨風(fēng)機(jī)增容改造后，提高了脫硫劑的循環(huán)倍率和循環(huán)量，實(shí)現(xiàn)脫硫能力、脫硫效率的提高，出口外排SO2達(dá)到了20 mg/m3以下標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 脫硫除塵布袋提標(biāo)替換改造

在現(xiàn)有煙氣成分工況條件不變的情況下，用覆膜針刺氈濾袋代替普通針刺氈濾袋，降低外排顆粒物濃度，共3 888條，濾袋型號(hào)為Φ160 mm×7 500 mm。出口外排顆粒物達(dá)到了5 mg/m3以下標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 脫硝系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及改造

根據(jù)煙氣條件，選擇中低溫SCR脫硝技術(shù)，采用20%氨水加熱蒸發(fā)作為氨源，氨水蒸發(fā)后與稀釋風(fēng)混合后進(jìn)入脫硝反應(yīng)器，在催化劑的作用下氨氣與NOx發(fā)生催化氧化還原反應(yīng)，將NOx還原成N2和H2O。同時(shí)可裂解二噁英，反應(yīng)的化學(xué)方程式如下：

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O

6NO2+8NH3=7N2+12H2O

NO+NO2+2NH3=2N2+3H2O

脫硝反應(yīng)器設(shè)計(jì)流速不超過6 m/s，脫硝催化劑選擇低溫蜂窩狀催化劑，脫硝溫度為260～280 ℃，設(shè)置在密相干塔脫硫除塵裝置之后，主要由氨區(qū)系統(tǒng)、氨噴射系統(tǒng)、脫硝反應(yīng)系統(tǒng)、煙道系統(tǒng)、煙氣換熱系統(tǒng)(GGH)、煙氣加熱系統(tǒng)等分系統(tǒng)組成。為保證較長(zhǎng)的接觸時(shí)間，內(nèi)部設(shè)計(jì)成“3+1”形式，其中最上一層為預(yù)留層，初裝3層，考慮不積灰設(shè)計(jì)成煙氣豎直向下流動(dòng)。球團(tuán)出口煙氣經(jīng)脫硫裝置脫硫后，自脫硫裝置出口煙道引出，經(jīng)GGH換熱器與脫硝后的凈煙氣換熱升溫至230～250 ℃，進(jìn)入脫硝反應(yīng)器入口煙道，與加熱爐送來的高溫?zé)煔獬浞只旌仙郎刂?60～280 ℃，升溫后的煙氣繼而與稀釋風(fēng)機(jī)送入的氨空氣混合氣混合，在靜態(tài)混合器的擾動(dòng)下得以充分混合，再經(jīng)過整流器整流后進(jìn)入脫硝反應(yīng)器；氨與煙氣中的NOx在催化劑表面發(fā)生氮氧化物的還原反應(yīng)，反應(yīng)后的凈煙氣由脫硝出口煙道送至GGH換熱器，與原煙氣換熱降溫到約144 ℃，最后由脫硝系統(tǒng)引風(fēng)機(jī)送至原煙囪排放。

通過燃燒一定高爐煤氣產(chǎn)生具有足夠熱量的高溫?zé)煔猓c球團(tuán)或球團(tuán)煙氣混合將煙氣溫度由250 ℃升至280 ℃以上，使原煙氣達(dá)到常規(guī)催化劑活性溫度窗口。煙氣加熱模塊設(shè)備主要為燃燒器、火焰監(jiān)測(cè)裝置、溫度探測(cè)裝置及相應(yīng)管道控制系統(tǒng)。燃料為高爐煤氣，其低位發(fā)熱量為3 141 kJ/Nm3。將原煙氣溫度由250℃升高至280℃需額外消耗高爐煤氣10 000 m3/h，將原煙氣升溫后，煙氣可通過常規(guī)SCR法脫除氮氧化物。

SCR投入后出口外排NOx達(dá)到了50 mg/m3以下標(biāo)準(zhǔn)要求。中低溫SCR脫硝流程如圖4所示。

圖4 中低溫SCR脫硝流程示意圖

3.1 鏈篦機(jī)增加SNCR前置脫硝

為了適應(yīng)SCR脫硝突發(fā)故障停機(jī)和日益衰減的催化劑活性問題。2020年球團(tuán)增加了鏈篦機(jī)SNCR脫硝裝置，如圖5所示。

生產(chǎn)過程中以SCR脫硝為主，鏈篦機(jī)SNCR為輔，在SCR脫硝不能滿足外排控制要求時(shí)，開啟鏈篦機(jī)SNCR輔助脫硝。經(jīng)過操作總結(jié)出SNCR輔助噴氨量控制在100 kg/h左右，窯尾溫度控制在930℃左右，SNCR脫硝率能夠達(dá)到35%以上。

3.2 優(yōu)化熱工參數(shù)控制，從源頭降低氮氧化物生成

球團(tuán)煙氣的氮氧化物中約有95%是NO，剩余5%是NO2、N20和N203等化合物。在球團(tuán)的生產(chǎn)過程中對(duì)影響氮氧化物生成的焙燒溫度、焙燒氣氛、焙燒過程的含氧量、燃料類型等進(jìn)行有針對(duì)性的生產(chǎn)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)將影響最為主要的焙燒溫度和焦?fàn)t煤氣使用量進(jìn)行優(yōu)化控制，取得了非常明顯的成效，如圖6所示，球團(tuán)原煙氣的NOx平均濃度降至136.8 mg/m3，降幅達(dá)到20%，為實(shí)現(xiàn)超低排放創(chuàng)造了有利的條件。

圖6 焙燒溫度、焦?fàn)t煤氣與氮氧化物濃度變化趨勢(shì)圖

3.3 回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒技術(shù)的應(yīng)用

在鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)生產(chǎn)工藝中，燃料通過回轉(zhuǎn)窯主燃燒器噴入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)行燃燒，為系統(tǒng)提供熱量。原使用的HP型四通道燃燒器于2021年3月利用檢修更換為低氮燃燒器，如圖7所示。

圖7 一系列低氮燃燒器結(jié)構(gòu)圖

四通道燃燒器的原煙氣NOx在150～300 mg/m3，使用低氮燃燒器后，原煙氣NOx在110～190 mg/m3，對(duì)比原煙氣中NOx平均降低50 mg/m3。氨水消耗顯著的降低，如圖8所示。4月份氨水單耗對(duì)比2月份降低了1.14 kg/t球。

圖8 使用低氮燃燒器前后氨水消耗變化

3.4 SCR新增噴氨格柵，解決空氨混合器結(jié)晶難題

隨著SCR投入時(shí)間的延長(zhǎng)，空氨混合器出現(xiàn)不同程度的結(jié)晶、堵塞管道，氨水蒸發(fā)器氣相壓力高，最高120.78 kPa，通過人工清理后，氨水氣相壓力恢復(fù)正常，如圖9所示。

圖9 空氨混合器堵塞情況

為了便于在生產(chǎn)過程中對(duì)結(jié)晶物進(jìn)行清理疏通，在原噴氨格柵上部新增一套空氨混合器及噴氨格柵，改造后可在正常生產(chǎn)時(shí)，不停機(jī)、不影響外排數(shù)據(jù)控制情況下處理管路結(jié)晶堵塞問題，提高了脫硝效率，形成了備用倒修規(guī)范。

3.5 SCR脫硝“3+1”增加備用層催化劑

SCR催化劑設(shè)計(jì)使用壽命為3年。隨著SCR投入運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，脫硝效率明顯降低。2020年12月份開始氨水消耗量增高。經(jīng)與催化劑廠家溝通、檢測(cè)現(xiàn)用催化劑的衰減程度，2021年5月份在備用層安裝一層催化劑，實(shí)現(xiàn)了“3+1”層催化劑設(shè)計(jì)布置方式，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了脫銷效率提高、氨水消耗量降低。

4 應(yīng)用效果及氨水消耗分析

4.1 應(yīng)用效果

2021年5月份檢修后球團(tuán)一系列生產(chǎn)線外排數(shù)據(jù)達(dá)到了唐山市超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求的5、20、30 mg/m3以下，在任何工況條件下可將氨的逃逸濃度控制在2.27 mg/Nm3以內(nèi)，未出現(xiàn)過超標(biāo)。

2021年5月份檢修前7天噴氨量數(shù)據(jù)平均值為57.4 kg/h，檢修后7天噴氨量數(shù)據(jù)平均值為42.69 kg/h，平均值降低14.71 kg/h，較4月份檢修前降低更多。6月份氨水單耗為0.35 kg/t球，對(duì)比2020年平均氨水單耗降低了1.45 kg/t球，如圖10所示。

圖10 2020年對(duì)比2021年1-6月氨水消耗圖

4.2 運(yùn)行成本分析

4.2.1 脫硫運(yùn)行成本分析

首鋼球團(tuán)120萬t/a氧化球團(tuán)生產(chǎn)線自2018年9月25日投入試調(diào)試運(yùn)行，2018年10月15日通過了環(huán)保部門的連續(xù)168 h穩(wěn)定在上述標(biāo)準(zhǔn)以下的驗(yàn)收，并出具了驗(yàn)收?qǐng)?bào)告，是國(guó)內(nèi)鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯工藝球團(tuán)生產(chǎn)線采用密相塔半干法+低溫SCR進(jìn)行脫硫脫硝達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)的首套生產(chǎn)線。

按照首鋼球團(tuán)120萬t生產(chǎn)線脫硫脫硝系統(tǒng)運(yùn)行消耗情況進(jìn)行成本統(tǒng)計(jì)分析如下，其中球團(tuán)礦產(chǎn)量為119 300 t，脫硫脫硝系統(tǒng)入口顆粒物小時(shí)均值56 mg/m3，SO2小時(shí)均值636 mg/m3，NOx小時(shí)均值268 mg/m3。

密相塔半干法脫硫工藝主要運(yùn)行成本為脫硫劑Ca(OH)2、加濕水、布袋除塵器反吹壓縮風(fēng)、脫硫劑循環(huán)輸送設(shè)備的電能、除塵布袋、廢灰外排、設(shè)備維護(hù)及布袋更換修理費(fèi)、崗位人工成本等，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 球團(tuán)120萬噸球團(tuán)生產(chǎn)線脫硫系統(tǒng)運(yùn)行成本統(tǒng)計(jì)表

4.2.2 脫硝運(yùn)行成本分析

SCR中低溫脫硝工藝主要運(yùn)行成本為催化劑模塊、氨水、煙氣加熱爐的焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、氨水蒸發(fā)用的蒸汽、與脫硫共用的催化劑模塊反吹壓縮風(fēng)、換熱器等設(shè)備維護(hù)及布袋更換修理費(fèi)、崗位人工成本等，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 球團(tuán)120萬t球團(tuán)生產(chǎn)線脫硝系統(tǒng)運(yùn)行成本統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)語

1)球團(tuán)密相塔半干法脫硫+低溫SCR脫硝+鏈篦機(jī)SNCR輔助脫銷+低氮燃燒技術(shù)在球團(tuán)一系列生產(chǎn)線上的成功應(yīng)用，使脫硫脫硝系統(tǒng)的外排指標(biāo)快速達(dá)到了唐山市下達(dá)的超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

2)通過對(duì)原有脫硫劑(氧化鈣)升級(jí)替換為氫氧化鈣，提高了對(duì)主生產(chǎn)工藝的適應(yīng)性，將原有循環(huán)脫硫劑輸送設(shè)備進(jìn)行增容后，可滿足入口二氧化硫800 mg/m3以下時(shí)超低排放標(biāo)準(zhǔn)，脫硫效率穩(wěn)定在95%以上。

3)將脫硫脫硝系統(tǒng)串聯(lián)組合布置，實(shí)現(xiàn)脫硫、脫硝與主工藝除塵器的“無縫銜接”，裝備布置緊湊，煙氣流程短，系統(tǒng)壓降控制在3 500 Pa以下，達(dá)到了脫硫脫硝系統(tǒng)與主線生產(chǎn)工藝系統(tǒng)100%同步運(yùn)行。

4)脫硫脫硝系統(tǒng)設(shè)備布置靈活緊湊，建設(shè)耗鋼量降低30%，投資少，占地面積小，不僅降低了初次投資費(fèi)用，而且減少了投入后的日常運(yùn)行成本及維護(hù)費(fèi)用。

5)脫硫脫硝系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，運(yùn)行穩(wěn)定可靠、日常維護(hù)簡(jiǎn)便。脫硫脫硝系統(tǒng)與主工藝生產(chǎn)風(fēng)機(jī)共同使用一臺(tái)引風(fēng)機(jī)，在生產(chǎn)能力不變的情況下，比直接增加一臺(tái)脫硫脫硝增壓風(fēng)機(jī)的電單耗低2.66 kW·h/t球。