鋼鐵廠燒結(jié)煙氣SCR脫硝技術(shù)應(yīng)用探討

周立榮，高春波，楊石玻

（浙江融智能源科技有限公司，杭州 310012）

1 前言

鋼鐵工業(yè)是我國工業(yè)的一個重要組成部分，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量的大氣污染物，鋼鐵廠中各種設(shè)備排放的NOx總量在固定發(fā)生源中占第二位，僅次于SO2的排放量[1]。燒結(jié)生產(chǎn)是現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)的最重要的工藝單元之一，燒結(jié)過程中NOx排放量約占鋼鐵廠NOx排放總量的48%[2]，燒結(jié)煙氣NOx排放量約占NOx總排放量10%[3]。隨著我國環(huán)保要求的日益提高，《鋼鐵工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》對能源、環(huán)境、原料的約束增強。針對鋼鐵企業(yè)，環(huán)境保護(hù)部和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局頒布了國家強制性標(biāo)準(zhǔn)《鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB28662-2012），對燒結(jié)煙氣NOx排放提出了嚴(yán)格要求。因此，燒結(jié)煙氣的脫硝已成為鋼鐵企業(yè)環(huán)境治理的重中之重。鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的國家，如日本、美國和德國，已經(jīng)采用脫硝設(shè)備來處理燒結(jié)煙氣。在我國，燒結(jié)煙氣脫硝技術(shù)的工程應(yīng)用剛剛起步。

目前國外的燒結(jié)煙氣脫硝技術(shù)主要有活性炭（焦）吸附法、循環(huán)流化床法、高能輻射-化學(xué)法、半干噴霧法和奧鋼聯(lián)的MEROS煙氣凈化技術(shù)等[2]。目前我國有報道的燒結(jié)煙氣脫硝方面的技術(shù)，一是太鋼從日本引進(jìn)的應(yīng)用于450m2燒結(jié)機上活性焦吸附技術(shù)[4、5]，二是馬鋼引進(jìn)的西門子—奧鋼聯(lián)MEROS煙氣凈化技術(shù)[6、7]。這兩種技術(shù)都屬于燒結(jié)煙氣綜合治理工藝，可同時脫除SO2、NOx和二英/呋喃等多種污染物。太鋼引進(jìn)的活性焦吸附技術(shù)工程投資巨大，而MEROS煙氣凈化技術(shù)的缺陷是存在二次污染[8]，即含有脫SO2產(chǎn)生的吸附了二英/呋喃的褐煤炭或活性焦的灰塵，經(jīng)過多次循環(huán)使用后要作廢棄處理。

選擇性催化還原（SCR）煙氣脫硝技術(shù)成熟可靠，運行穩(wěn)定，脫硝效率高，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于燃煤鍋爐煙氣脫硝。由于燒結(jié)煙氣與鍋爐煙氣存在較大差異，國內(nèi)尚未有燒結(jié)煙氣采用選擇性催化還原（SCR）脫硝的工程應(yīng)用實例。但據(jù)報道，采用SCR技術(shù)進(jìn)行燒結(jié)脫硝的設(shè)施在日本有7套，在美國有3套，在我國臺灣地區(qū)有3套[9]。本文旨在探討我國鋼鐵廠燒結(jié)煙氣采用SCR煙氣脫硝技術(shù)的特點及其工程適應(yīng)性。

2 燒結(jié)煙氣特點

燒結(jié)是將鐵礦粉、煤粉（無煙煤）和石灰、高爐爐塵、軋鋼皮、鋼渣等按一定配比混勻，經(jīng)燒結(jié)而成的有一定強度和粒度的燒結(jié)礦可作為煉鐵的熟料。燒結(jié)煙氣與燃煤鍋爐煙氣相比，具有以下特點：

（1）由于漏風(fēng)率高（40%～50%）和固體料循環(huán)率高，有相當(dāng)一部分空氣沒有通過燒結(jié)料層，使燒結(jié)煙氣量大大增加，每產(chǎn)生1噸燒結(jié)礦產(chǎn)生4000～6000m3煙氣。

（2）煙氣溫度隨工藝操作狀況的變化較大，煙氣溫度在80℃～185℃，瞬間最高達(dá)200℃。

（3）煙氣攜帶粉塵多。粒徑大于50μm的占30%以上，平均粒徑為0.1～35μm。且琢磨性較強。粉塵主要由金屬、金屬氧化物或不完全燃燒物質(zhì)等組成，一般濃度達(dá)80～200mg/Nm3。

（4）含濕量大，露點溫度較高。為了提高燒結(jié)混合料的透氣性，混合料在燒結(jié)前必須加適量的水制成小球，所以含塵煙氣的含濕量較大，按體積比計算，水分含量在10%～12%。露點溫度在65℃～80℃之間。

（5）含有腐蝕性氣體。高爐煤氣點火及混合料的燒結(jié)成型過程，均產(chǎn)生一定量的氯化氫（HCl）、硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）、氟化氫（HF）等。

（6）CO含量較高，容易對人體造成傷害。

（8）燒結(jié)煙氣含氧量高，達(dá)14%～18%，大大高于鍋爐煙氣的含氧量。

（9）SO2和NOx濃度隨鐵礦原料和燃料的不同而不同，SO2濃度一般在300～800mg/m3范圍，高的可以達(dá)到2000～4000mg/m3。NOx濃度一般在150～300mg/m3，最高可達(dá)500mg/m3左右，也有報道[10]說其濃度達(dá)到700mg/m3。

由于燒結(jié)工藝及原料成分和配比的不穩(wěn)定性，致使煙氣流量大，成分復(fù)雜，溫度較低而且變化范圍大，同時在高溫?zé)Y(jié)過程還會產(chǎn)生多種污染物，燒結(jié)煙氣中NOx的濃度較低，這些特點在一定程度上增加了燒結(jié)煙氣的處理難度。

3 燒結(jié)煙氣采用SCR脫硝工藝存在的主要問題

選擇性催化還原法（SCR）由于具有較高的脫硝效率（最高可達(dá)90%），目前在日本、德國、北歐等國家和地區(qū)的燃煤電廠得到廣泛應(yīng)用。目前在我國，也已廣泛地應(yīng)用于燃煤電廠。考慮到鋼廠燒結(jié)煙氣的實際狀況（煙氣量波動大、含濕量高、粉塵成分復(fù)雜）與燃煤鍋爐煙氣不同，雖然在燃煤電廠中使用已經(jīng)成熟，但仍需結(jié)合鋼廠的實際狀況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，才有可能在鋼廠燒結(jié)煙氣的處理中成功應(yīng)用。

從燒結(jié)煙氣的特點可以看出，采用SCR脫硝技術(shù)處理燒結(jié)煙氣關(guān)注的焦點問題主要有以下幾方面：

（1）燒結(jié)煙氣的溫度較低（＜200℃），難以達(dá)到SCR方法催化劑活性溫度，燒結(jié)煙氣很難直接采用SCR技術(shù)，需要對煙氣加熱，使煙氣溫度達(dá)到催化劑最佳活性溫度。

SCR技術(shù)需要的反應(yīng)溫度窗口為320℃～450℃。在反應(yīng)溫度較高時，催化劑會產(chǎn)生燒結(jié)或結(jié)晶現(xiàn)象；在反應(yīng)溫度較低時，催化劑的活性會因為硫酸銨在催化劑表面凝結(jié)堵塞催化劑的微孔而降低。

（2）燒結(jié)煙氣不僅流量大，流量變化范圍也大，NOx濃度較低，當(dāng)采用SCR方法處理時，設(shè)計參數(shù)的選擇一定要滿足實際工況要求，同時又要充分考慮投資及運行成本。

（3）燒結(jié)煙氣攜帶粉塵多，且琢磨性較強。因此，脫硝系統(tǒng)宜布置在除塵器后面，減少粉塵對催化劑的沖刷磨損。

（4）SCR裝置布置位置，要充分考慮對前后系統(tǒng)的影響。

（5）脫硝效率的確定。SCR的一次性投資較高，根據(jù)脫硝效率的不同要求，投資費用存在一定的差別。一般來說，在脫硝效率為75%時，SCR催化劑需要布置兩層；當(dāng)脫硝效率要求在50%以下時，一層催化劑即可滿足脫硝要求。催化劑占整個SCR脫硝系統(tǒng)的投資比例達(dá)到30%～40%。鋼廠可依據(jù)燒結(jié)煙氣的實際狀況，確定最終的脫硝效率，以便設(shè)計和布置相應(yīng)的催化劑層數(shù)，最大地節(jié)省投資和運行成本。

脫硝反應(yīng)的產(chǎn)物是氮氣和水。為了使脫硝反應(yīng)得以進(jìn)行，需要持續(xù)不斷地供應(yīng)氧氣，而燒結(jié)煙氣本身氧含量非常高，這一特點有利于選擇性催化還原反應(yīng)進(jìn)行。SCR系統(tǒng)的最大優(yōu)點是脫硝效率高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可以滿足嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

4 燒結(jié)煙氣SCR脫硝工藝系統(tǒng)

針對以上焦點問題，結(jié)合燃煤鍋爐選擇性催化還原（SCR）煙氣脫硝技術(shù)，通過工藝優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新，設(shè)置如圖1所示的燒結(jié)煙氣選擇性催化還原（SCR）脫硝工藝系統(tǒng)。

圖1 燒結(jié)煙氣選擇性催化還原（SCR）脫硝工藝系統(tǒng)

工藝過程為：燒結(jié)煙氣經(jīng)電除塵后，由引風(fēng)機引至SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)，燒結(jié)煙氣進(jìn)入脫硝反應(yīng)器之前，經(jīng)過空氣預(yù)熱器預(yù)熱和煙道燃燒器加熱。在空氣預(yù)熱器內(nèi)，利用反應(yīng)器出口煙道高溫?zé)煔鈱θ紵髦斑M(jìn)口煙道內(nèi)的低溫?zé)Y(jié)煙氣進(jìn)行預(yù)熱，以提高系統(tǒng)熱效率。空氣預(yù)熱器設(shè)置蒸汽吹灰器和循環(huán)水沖洗裝置，以保證空氣預(yù)熱器正常穩(wěn)定運行。燒結(jié)煙氣經(jīng)預(yù)熱后，進(jìn)入煙道燃燒器，在燃燒器內(nèi)，利用鋼鐵廠焦?fàn)t煤氣作為燃料，對燒結(jié)煙氣進(jìn)一步加熱，使燒結(jié)煙氣溫度達(dá)到催化劑最佳活性溫度（320℃～450℃）。加熱后的燒結(jié)煙氣流經(jīng)氨噴射格柵，在氨噴射格柵內(nèi)，經(jīng)氨氣/空氣混合器按一定比例混合后的氨氣噴入燒結(jié)煙氣中，隨燒結(jié)煙氣進(jìn)入頂部煙道，頂部煙道設(shè)有導(dǎo)流分配裝置，使煙氣均勻平穩(wěn)地通過反應(yīng)器催化劑層。在催化劑的作用下，NH3與煙氣中的NOx進(jìn)行反應(yīng)，變成N2和H2O，達(dá)到脫硝的目的。脫除NOx后煙氣經(jīng)出口煙道進(jìn)入空氣預(yù)熱器，換熱后進(jìn)入煙囪排放。

同時，針對燒結(jié)煙氣漏風(fēng)率大的問題，采用燒結(jié)煙氣再循環(huán)技術(shù)（如圖2所示），可減少燒結(jié)煙氣體積40%，并使燒結(jié)煙氣流量更加穩(wěn)定，減少SCR裝置規(guī)模。

圖2 燒結(jié)煙氣再循環(huán)示意

5 燒結(jié)煙氣SCR脫硝系統(tǒng)布置

燒結(jié)煙氣SCR脫硝系統(tǒng)布置時，需要考慮對前后系統(tǒng)的影響。當(dāng)鋼廠燒結(jié)機采用半干法煙氣脫硫工藝時，如循環(huán)流化床脫硫工藝或NID半干法脫硫工藝等，在噴入CaO或熟石灰的同時也噴入相應(yīng)的活性炭（焦）或褐煤等脫硝劑。該工藝可達(dá)到一定的脫硝效率。但脫硝效率較低，面對NOx量較高的煙氣處理效果不明顯。當(dāng)鋼廠燒結(jié)機采用濕法煙氣脫硫工藝時，如石灰（石）-石膏法脫硫工藝或氨法脫硫工藝等?？梢圆捎靡韵聝煞N布置方式：

（1）將SCR系統(tǒng)布置在靜電除塵器之后，脫硫裝置之前

燒結(jié)煙氣經(jīng)靜電除塵后進(jìn)入SCR系統(tǒng)，經(jīng)加熱裝置升溫后，經(jīng)過SRC反應(yīng)器催化劑層，出來的煙氣與SCR進(jìn)口煙道內(nèi)的低溫?zé)煔鈸Q熱降溫，然后進(jìn)入脫硫裝置凈化，最后從煙囪排出。應(yīng)于燒結(jié)機機頭主抽風(fēng)機后對煙氣升溫（350℃左右），接著采用SCR工藝對煙氣進(jìn)行脫硝，脫硝后的煙氣采用換熱利用技術(shù)降溫后，進(jìn)行濕法煙氣脫硫。該方案一次性投資較大，運行成本高，但是其工藝成熟、脫硫脫硝效率明顯。

（2）將SCR系統(tǒng)布置在除塵器和脫硫裝置之后

燒結(jié)煙氣先經(jīng)靜電除塵后進(jìn)入脫硫裝置，燒結(jié)煙氣經(jīng)脫硫后進(jìn)入SCR系統(tǒng)。在SCR系統(tǒng)內(nèi)，通過加熱裝置煙氣溫度升至350℃左右進(jìn)入SCR反應(yīng)器催化劑層進(jìn)行脫硝，出來的煙氣與SCR進(jìn)口煙道內(nèi)的低溫?zé)煔鈸Q熱降溫，經(jīng)煙囪排出。

以上兩種布置方式：第一種方式，SCR系統(tǒng)對后續(xù)的脫硫工藝沒有任何影響；而第二種方式，由于先進(jìn)行脫硫，則煙氣溫度大幅度降低。進(jìn)入SCR系統(tǒng)加熱裝置升溫達(dá)350℃左右后，方能進(jìn)行脫硝處理，因此能耗更大，增加系統(tǒng)運行成本。

6 結(jié)語

從以上分析可以看出，針對燒結(jié)煙氣的特點，經(jīng)過工藝優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新，把SCR煙氣脫硝技術(shù)應(yīng)用于鋼鐵廠燒結(jié)煙氣處理，技術(shù)上是完全可行的，而且國外也有成功的案例。鋼鐵廠燒結(jié)煙氣SCR脫硝系統(tǒng)主要特點如下：

（1）采用燒結(jié)煙氣再循環(huán)技術(shù)，減少燒結(jié)煙氣流量并使其流量趨于穩(wěn)定。大大減少了SCR裝置規(guī)模，節(jié)省投資及運行費用。

（2）設(shè)置煙道燃燒器，利用鋼鐵廠焦?fàn)t煤氣作為加熱介質(zhì)，對燒結(jié)煙氣進(jìn)行升溫，使其溫度達(dá)到SCR催化劑最佳活性溫度。

（3）利用SCR反應(yīng)器出口煙道高溫?zé)煔鈱Ψ磻?yīng)器進(jìn)口煙道低溫?zé)Y(jié)煙氣進(jìn)行預(yù)熱，提高系統(tǒng)熱效率，減少系統(tǒng)能耗和運行成本。

（4）將SCR脫硝裝置布置在靜電除塵器和煙氣脫硫裝置之間，減少對前后系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定性。

通過以上幾方面的工藝優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新，使SCR脫硝裝置規(guī)模大大減少，系統(tǒng)熱效率提高，能耗降低，節(jié)省建設(shè)投資費用及系統(tǒng)運行維護(hù)費用。使得成熟可靠的SCR脫硝技術(shù)應(yīng)用于燒結(jié)煙氣具有很好的前景。

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