適宜燒結煙氣SDA脫硫工藝的脫硝技術研究

龔佑發，劉江楠，謝丹丹(.鞍鋼招標有限公司，遼寧鞍山，4043；.營口理工學院，遼寧營口504）

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適宜燒結煙氣SDA脫硫工藝的脫硝技術研究

龔佑發1，劉江楠2，謝丹丹1
(1.鞍鋼招標有限公司，遼寧鞍山，114043；2.營口理工學院，遼寧營口115014）

摘要：針對鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司405 m2燒結機采用的旋轉噴霧干燥法（SDA）煙氣脫硫工藝，重點研究了較為成熟的活性炭吸附法（ACP）、選擇性催化還原法（SCR）以及其他脫硝方法的工藝原理，比較了國內外幾種典型脫硝方法的工程實踐及技術經濟指標，確定適合燒結煙氣SDA脫硫的脫硝技術。

關鍵詞：燒結煙氣；旋轉噴霧干燥法；活性炭吸附法；選擇性催化還原法

龔佑發，工程師，2005年7月畢業于重慶大學環境工程專業。E-mail：gyf32121@163.comAbstract：The principles on such processes as the relatively mature activated carbon adsorption（ACP）,selective catalytic reduction（SCR）and themethods of other removing NOxwere investigated on emphasis with regard to the flue gas desulfurization process with spray dryer absorber applied by 405 m2sintering machine of Bayuquan Iron&Steel Subsidiary Company of Angang Steel Co.,Ltd.,and then both the engineering practice and technical and economic indexes of several typical removing NOxmethods at home and abroad were compared so that the removing NOxtechnology suitable for SDA desulfurization process for sintering flue gaswas determined.

Study on the Removing NOx Technology Suitable for SDA Desulfurization Process for Sintering Flue Gas

Gong Youfa1,Liu Jiangnan2,Xie Dandan1
（1.Ansteel Bidding Company Limited,Anshan 114043,Liaoning,China；2.Yingkou Institute of Technology,Yingkou 115014,Liaoning,China）

Key words：sintering flue gas;rotating spray dryer absorber;activated carbon adsorption;selective catalytic reduction

2013年我國鋼鐵行業氮氧化物排放量為99.7萬t，占工業行業排放總量的6.81%，位居工業行業第三［1］，其中燒結（球團）工序氮氧化物排放量占鋼鐵行業的54.66%，占有相當大的比重，而2013年我國鋼鐵行業氮氧化物去除量僅為5.5萬t，去除率約為5.52%，遠低于重點調查工業企業平均水平［2］。《國家環境保護“十二五”規劃》明確要求：到2015年我國氮氧化物總量要減排10%，新建燒結機要全部配套建設煙氣脫硫脫硝設施。國家環境保護部、國家質量監督檢驗檢疫總局于2012年發布了我國“最嚴新標準”《鋼鐵燒結、球團大氣污染物排放標準》（GB28662-2012），其中規定在2015年以前氮氧化物排放限值為500mg/m3，自2015年1月1日起排放限值提升至300mg/m3。當前我國鋼鐵行業氮氧化物嚴峻的排放形勢已不能滿足國家逐步提升的排放標準、管理要求和公眾的環境需求。為推進節能減排工作，鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司于2011年6月和2012年8月先后建設兩套旋轉噴霧干燥法（SDA）煙氣脫硫系統，由于我國燒結煙氣脫硝技術尚不成熟，大型工業化脫硝工程實踐項目較少，鞍鋼鲅魚圈尚未組織實施燒結煙氣脫硝項目。從鞍鋼鲅魚圈燒結煙氣脫硫系統運行現狀來看，煙氣出口二氧化硫、氮氧化物排放濃度可分別達到國家最新排放標準200、300mg/m3，也能完成政府下達的二氧化硫總量減排任務，但因缺少脫硝措施，氮氧化物總量減排任務難以完成。本文旨在通過比較分析目前市場較為成熟并有工程業績的煙氣脫硝技術，以確定適合燒結煙氣SDA脫硫的脫硝技術。

1　SDA脫硫煙氣特點

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司兩套405 m2燒結機，每套燒結機配套建設一套煙氣脫硫系統，單套脫硫系統設計處理煙氣量為195萬m3/h，系統運行初期未達到設計處理效果，通過優化脫硫設施運行及改造在線監測設施等措施，脫硫出口二氧化硫、顆粒物平均排放濃度分別達到59.25、19.81 mg/m3，均優于國家《鋼鐵燒結、球團工業大氣污染物排放標準》（GB 28662-2012）規定的100、20mg/m3標準，2015年上半年脫硫系統運行主要技術參數［3］見表1。

表1　2015年上半年脫硫系統運行主要技術參數

對比火電廠煙氣參數，通過表1及燒結煙氣脫硫系統的日常運行管理可發現，燒結脫硫煙氣存在以下特點：

（1）煙氣成分復雜，處理難度大。燒結煙氣是將燒結機車上的鐵料、燃料和溶劑點火燃燒，產生的煙氣含有煙粉塵、二氧化硫、氮氧化物、氟化物、二噁英等多種污染成分，與火電廠煙氣相比成分復雜、波動大、處理困難。

（2）煙溫低。燒結脫硫入口煙溫約為110～ 135℃，脫硫過程存在一定溫降，出口煙溫為85～105℃，遠低于火電廠煙溫（350～400℃），而一般的煙氣脫硫脫硝技術均建立在物理化學反應基礎上，要求較高的煙氣溫度，燒結煙氣低煙溫的特點不利于凈化反應的發生。

（3）氧含量高。燒結脫硫入口氧含量約為7%～14%，因系統漏風等原因，出口氧含量比入口略高，遠遠高于火電廠煙氣氧含量，對于采用氧化法處理SO2、NOX等污染物的工藝而言，燒結煙氣比火電廠煙氣更為有利。

（4）煙氣量大，煙氣波動也大。燒結煙氣量受生產工況影響更大，且氮氧化物等污染物濃度波動也較大，處理難度更大。

2　脫硝原理及工程實績

目前主要的煙氣脫硝技術包括活性炭吸附法（ACP）、選擇性催化還原法（SCR）、強制氧化法、催化氧化法、低溫選擇性催化還原法及選擇性非催化還原法（SNCR）等，在國內外燒結煙氣脫硝領域有大型工程業績的主要包括選擇性催化還原法和活性炭吸附法。本文重點比較分析活性炭吸附法（ACP）、選擇性催化還原法（SCR）和其他煙氣脫硝技術的工藝原理及工程實績，同時簡要介紹其他脫硝方法如：強制氧化法、低溫選擇性催化還原法、選擇性非催化還原法及催化氧化法等脫硝工藝的發展狀況。

2.1活性炭吸附法（ACP）

活性炭吸附法（ACP）由德國、日本在20世紀先后開始研發，目前已逐漸形成了以日本住友、日本J-POWER(MET-Mitsui-BF)和德國WKV為主的幾種主流工藝［4］。該工藝主要以活性炭物理-化學吸附和催化反應原理為基礎，集除塵、脫硫、脫硝、脫二噁英等于一體的煙氣協同凈化技術，主要脫硝原理包括與SCR同樣的催化還原反應以及活性炭特有的還原反應。

SCR反應：

活性炭在燒結煙氣凈化過程中具有常用金屬催化劑的催化作用，煙氣中的NO被還原為N2，反應方程式為：

Non-SCR反應：

煙氣中的SO2與NH3反應生成酸性硫氨，即堿性化合物或還原性物質（表示為C…Red），堿性化合物與NO反應還原為N2，反應方程式為：

在我國，太鋼不銹鋼有2套應用業績，寶鋼湛江鋼鐵項目也將配套建設活性炭脫硫脫硝系統，太鋼于2010年8月在3號450 m2燒結機投資約3.35億元配套建設活性炭煙氣凈化設施，引進日本住友重機械工業株式會社的活性炭移動層方式的干式脫硫脫硝技術，投入運行后脫硝效率約為33%，運行成本約為9.75元/t，燒結煙氣活性炭吸附法（ACP）工藝流程［5-7］見圖1。

圖1　燒結煙氣活性炭吸附法（ACP）工藝流程

2.2選擇性催化還原法（SCR）

選擇性催化還原法是一種最為成熟的煙氣脫硝技術，已廣泛應用于燃煤電廠煙氣處理，脫硝效率可達95%以上，出口NOx可控制在50mg/m3以內，工藝原理是把還原劑氨氣噴入300～400℃的煙道內，在催化劑作用下將煙氣中NOx還原成N2和H2O，反應方程式為：

但該工藝要求的催化反應活性溫度在300～ 400℃范圍，高于燒結煙溫（100～160℃），目前尚未在燒結煙氣凈化領域推廣應用。國內外主要工程業績包括臺灣中鋼、韓國POSCO光陽廠和奧鋼聯林茨廠共有約10套［8］。

在我國，臺灣中鋼集團中龍鋼鐵有3套應用業績，使用焦爐煤氣（COG）燃燒器將燒結煙氣溫度提高至催化反應活性溫度，采用V2O5/WO3/TiO2催化劑，實現脫硝效率達80%以上，NOX排放濃度小于82mg/m3，燒結煙氣選擇性催化還原法（SCR）工藝流程［9］見圖2。

2.3其他脫硝方法

常見的脫硝方法還有強制氧化法、催化氧化法、低溫選擇性催化還原法及選擇性非催化還原法（SNCR）等。本文主要介紹在燒結煙氣凈化領域有階段性試驗成果或相關行業小型工程業績的幾種脫硝方法。

圖2　燒結煙氣選擇性催化還原法（SCR）工藝流程

2.3.1強制氧化法

強制氧化法是通過使用強氧化劑將一氧化氮氧化為化學性質活潑的二氧化氮，然后通過堿性吸收劑進行脫除，但能夠氧化一氧化氮的強化劑種類相對較少，且強氧化劑一般具有強腐蝕性，遇高溫容易發生爆炸，安全性較差，市場應用較少［10］。天津榮程聯合鋼鐵集團有限公司150萬t鏈篦機-回轉窯球團煙氣采用FOSS?脫硫脫硝一體化技術，將氧化鎂粉、金屬氧化物、增稠劑按一定比例與一般工業水混合制漿，強制氧化物和水相互作用，在反應塔系統內營造出強氧化環境，將NO氧化成NO2，通過加入的Mg（OH）2與NO2進行化學反應，生成硝酸鎂進行煙氣脫硝，脫硫脫硝系統總投資約為3 000萬元，設計處理煙氣量為78萬m3/h，脫硝效率可達85%，反應煙氣溫度為110～160℃，運行成本為9.4元/t礦［11］。

2.3.2低溫選擇性催化還原法

低溫SCR與SCR工作原理相同，但低溫SCR催化反應活性溫度低，一般可在80～180℃之間進行有效還原反應。目前該技術基本都處于試驗或小試階段，如攀鋼西昌鋼釩燒結煙氣低溫SCR脫硝試驗、北京科技大學半干法脫硫后燒結煙氣低溫SCR脫硝催化劑的研究等［12］，目前還未研發出成熟的低溫催化劑，缺乏大型工業化工程業績。

2.3.3選擇性非催化還原法（SNCR）

選擇性非催化還原法（SNCR）是利用機械式噴槍將氨基還原劑（如氨氣、氨水、尿素）溶液霧化成液滴噴入爐膛，熱解成氣態NH3，在950～1 050℃溫度區域和沒有催化劑的條件下，NH3與NOX進行選擇性非催化還原反應，將NOX還原成N2。燒結機缺少高溫反應的爐膛，本質上并不具備SNCR脫硝條件，但可利用尿素的熱解原理和SNCR法脫硝的溫度反應區間，通過在燒結原料中加入微量添加劑(尿素、高錳酸鉀等)，在不影響成品燒結礦性能的情況下，利用燒結機臺車上鐵料、燃料和溶劑燃燒過程中的高溫將尿素熱解成NH3，在臺車高溫環境下發生NH3還原NO的化學反應，從而達到脫硝的目的［13］。

2.4技術經濟比較

ACP法、SCR法和其他脫硝方法各有利弊，均未在我國燒結煙氣凈化市場大范圍推廣應用，為研究適合于燒結煙氣SDA脫硫工藝的脫硝技術，現將主要脫硝工藝的項目業績、技術經濟指標及優缺點比較見表2。表2中臺灣中鋼SCR法中因缺少“煙氣量、總投資”等資料，采用某火電廠煙氣SCR脫硝經濟技術指標；“運行成本”采用鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司SDA脫硫運行成本+某火電廠SCR脫硝同比運行成本+燒結煙氣升溫成本，其中SDA脫硫運行成本為5.92元/t，某火電廠SCR脫硝運行成本折算為噸燒結礦約為5.25元/t；采取GGH換熱器等措施后還需額外使用焦爐煤氣燃燒加熱升溫，焦爐煤氣升溫成本約為1.94元/t。

表2　主要脫硝工藝的項目業績、技術經濟指標及優缺點比較等統計表

通過上述分析及對比，各種脫硝方法優缺點對比總結如下：

（1）ACP法多污染物協同處理優勢明顯，一次投入可實現多種污染物的同時處理，無固廢、廢水等二次污染，但脫硝效率較低，一級吸附脫硝效率約為33%，若需增大脫硝效率，則需采用多級吸附工藝，投資、運行成本過高，每立方米煙氣量投資成本約為232元，大多數鋼鐵企業無力負擔，比較適用于新建燒結機的配套環保設施建設，如寶鋼湛江鋼鐵基地的燒結煙氣凈化即采用高效電除塵器+活性炭脫硫脫硝系統。

（2）SCR法技術成熟，已廣泛應用于火電廠煙氣脫硝，脫硝效率高，可達80%以上，出口NOX濃度低，無二次污染，能適應嚴峻的環保形勢要求，與SDA煙氣脫硫系統共同組成兩個獨立的煙氣處理模塊，處理效率高，更適合已有燒結煙氣凈化系統的改造升級，但需要煙氣二次升溫，運行成本相對較高，在系統設計時可通過優化SCR裝置布置位置，將SCR布置在SDA煙氣脫硫設施前、靜電除塵器后的方式適當減少溫差，并利用廠區內焦爐煤氣燃燒來實現升溫，同時還可研究利用焦爐副產產生的剩余氨水作為還原劑，從而降低運行成本，且SDA法煙氣脫硫和SCR法煙氣脫硝兩個工藝模塊均有成熟的大型工程業績，通過技術消化可實現將SCR法煙氣脫硝從火電廠向燒結機的跨越。

（3）強制氧化法脫硝效率高、投資省，但安全性相對較差，缺乏大型工程項目業績；低溫SCR法尚無工程應用業績，尚需進一步開展工程試驗；SNCR法只可作為燒結氮氧化物減排的過程控制手段，減少氮氧化物產生及排放，提高清潔生產水平。

3　結語

從我國當前嚴峻的環保形勢和環境管理的發展趨勢來看，燒結煙氣脫硝必將成為鋼鐵行業不可回避的技術問題，通過比較分析國內外脫硝技術應用現狀，可看出SCR法技術成熟，已在火電廠廣泛應用，且有大型鋼鐵行業燒結煙氣工程業績，脫硝效率能滿足國家減排要求，投資、運行成本相對合理，無二次污染，可作為燒結煙氣SDA脫硫工藝配套脫硝技術的主攻方向，應抓緊組織實地調研和試驗研究，以在燒結煙氣凈化領域做好技術儲備，搶占技術領先優勢。

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（編輯賀英群）

修回日期：2015-12-24

中圖分類號：TF124

文獻標識碼：A

文章編號：1006-4613（2016）02-0015-05