燒結煙氣脫硫脫硝技術新趨勢的探討

呼廣輝

北京中航泰達環保科技股份有限公司

1 引言

2016年以來，無論地方層面還是國家層面的環保主管部門，均陸續發布了若干鋼鐵工序煙氣污染物的超低排放標準。以鋼鐵大省河北省為例，在2018年下半年，發布了《鋼鐵工業大氣污染物超低排放標準》，該標準規定燒結煙氣、球團煙氣中的粉塵顆粒物、SO2和NOx 排放限值不得超過10、35 和50 毫克/立方米（標況、干煙氣，16%的基準氧含量），并要求河北省現有企業從2020年10月1日開始執行該排放標準[1]。

國家煙氣污染物排放標準越來越嚴格，使單一污染物的環保治污難度越來越大，逐漸使鋼鐵行從單純依靠除塵、脫硫和脫硝等終端處理方式轉變為在污染物產生源頭和污染物產生過程進行處理轉移，并且不再只注重污染物單一處理

2 燒結煙氣多污染物排放特征分析

燒結過程所釋放的SO2氣體主要是由含鐵原料和燃料中的硫化物氧化生成，隨燃燒過程進行SO2的持續釋放，隨燒結溫度、時間、助燃空氣氧含量和燃料顆粒尺寸等因素而變化。燒結煙氣中的SO2的排放具有自持性規律，該規律認為當燒結過程中燃料用量，燒結原料水分、含硫量以及燒結礦酸堿度在正常范圍內無論如何變動時，在接近燒結煙氣溫度峰值即燒結終點前，煙氣中SO2濃度都會出現明顯峰值。

燒結煙氣中釋放的NOx，其中有95%左右的NOx 為NO[2]。在燒結過程中，燒結機各風箱煙氣中NO 的濃度比較均衡，且數值均較高。為降低NO排放濃度，可采取提高燒結礦堿度或者加厚燒結料層厚度的方法，創造有利條件生成更多CaO·Fe2O3，從而實現催化CO還原NOx的效果，減少煙氣中NOx的排放。

在燒結過程中，氣體燃料、煤及焦炭燃燒過程產生COx，煙氣中呈現出一種COx濃度先快速上升，然后下降后穩定，小幅波動的趨勢。當達到燒結終點時，燒結煙氣中氧含量恢復至21%左右，COx濃度接近于零[3]。

3 煙氣多污染物控制技術

鋼鐵企業燒結機煙氣污染物主要有三種治理思路：減少源頭污染物產生量、減少過程釋放量和減少末端排放量。其中，減少末端排放量是最為常見的思路[4]。

3.1 減少源頭污染物產生量

源頭減排技術主要包括：燒結機漏風治理技術和厚料層燒結技術，二者各有特點。

3.1.1 燒結機漏風治理技術

由于燒結機臺車欄板、燒結機風箱及支管等位置密封不嚴，在燒結主抽風機負壓作用下，導致有部分空氣自不經過燒結料層進入燒結機主煙道中，導致燒結煙氣量增大、燒結主抽風機功耗增加、有效進風量減少及燒結礦燒結不完全，影響燒結礦的品質和產量。為了減少燒結機漏風，可采取改進臺車裝備、加強設備維護、精心操作的方式。

3.1.2 厚料層燒結技術

保持較高的鋪料厚度進行燒結，延長點火時間和高溫燒結時間，有利于充分為燒結料層表層供熱，降低冷卻強度、提高燒結礦強度，減少返礦率，從而減少污染物排放；降低FeO含量，改善其還原性；節約固體燃料消耗，從而直接減少了燃料燃燒所造成的污染物排放[5]。

3.2 減少過程釋放量

3.2.1 燒結料面噴吹蒸汽技術

該技術利用蒸汽引射空氣，實現以下益處：增加燒結料面進風量，強化燒結過程，使燃燒充分，減少一氧化碳的產生；改變燒結料層中含氯產物形態，減少二噁英的產生；改善燒結過程，提高產量和質量[6]。

3.2.2 選擇性燒結煙氣循環技術

由于燒結機各風箱煙氣溫度、壓力、流量及污染物排放不同，因此，可優選并匯總若干風箱煙氣返回到燒結機料面，用于熱風燒結等[7]。循環煙氣由燒結機風箱引出，經除塵系統、循環主抽風機、煙氣混合器后通過密封罩，返回到燒結機料面，在負壓作用下，進入燒結料層。經過一系列的物理、化學過程，包括高溫循環煙氣與燒結料層的熱交換、CO 的二次燃燒放熱、二噁英的高溫分解以及NOx的催化還原，實現減少污染物排放、釋放煙氣熱量，減少燃料使用量，改善燒結過程，提高燒結礦料層溫度均勻性和破碎強度等理化指標，實現節能、減排、提產多功能耦合。

3.3 減少末端排放量

目前，主要通過脫硫、除塵和脫硝技術來減少末端排放量。鋼鐵行業實施超低排放后，傳統除塵技術難以滿足排放要求。目前主要采用濕法脫硫配置濕式電除塵工藝，或者半干/干法脫硫配布袋式除塵器以滿足粉塵超低排放。

脫硫技術有濕法、干法和半干法等。濕法脫硫技術成熟，投資和運維成本低，但廢水和白煙問題嚴重；干法/半干法技術可脫除多種非常規污染物，但副產物處理困難；活性炭法可同時脫除多種污染物，但對企業資金壓力較大。因此，燒結機煙氣處理建議選擇干法/半干法技術。

鋼鐵燒結煙氣脫硝工藝路線主要有低溫氧化-吸收法、低溫SCR還原法和活性焦脫硫脫硝一體化法。

臭氧低溫氧化吸收法[8]裝置占地面積小、建設成本低、但是運行成本相對較高。并且由于臭氧氧化反應最適宜在90℃～130℃發生[9]，低于燒結煙氣普遍溫度120℃～180℃，因此會導致部分臭氧自動分解為氧氣，從而降低臭氧濃度，減弱臭氧氧化效果。

由于燒結煙氣溫度低、粉塵濃度大、黏性大，含有重金屬等其他特點，在SCR 脫硝技術應用過程中，如處理不當，極易引起催化劑中毒[10]，因此工程應用中一般把SCR脫硝放在脫硫后，且在SCR 反應器之前，增設補熱裝置，將煙氣加熱至220℃以上。該技術煤氣消耗量大，成本高。

活性焦脫硫脫硝一體化法，利用活性焦的變溫吸附能力，在低溫時通過物理和化學吸附作用，吸附煙氣中的NOx，然后催化NH3與NOx發生氧化還原反應，生成無害物質，并且實現脫除污染物的目的，但是該方法投資高，運行費用較大。

4 煙氣多污染物協同控制技術應用實踐及理論探索

近幾年，隨著國家對煙氣污染物排放標準的持續加嚴，使人們對煙氣多污染物協同控制技術越來越重視，從工程實踐和理論探索方面均做了大量工作，目前主要有兩種技術路徑：第一種路徑為燒結煙氣循環聯合末端活性焦多污染物協同控制技術、第二種路徑為燒結煙氣循環聯合循環流化床脫硫及臭氧預氧化脫硝協同控制技術。

第一種路徑，脫硫脫硝技術可實現多種污染物協同脫除，但是實施該技術的成本，與煙氣量成正相關關系，且影響很大，煙氣循環技術恰好能解決這個問題。如圖1所示為河鋼集團邯鄲鋼鐵廠360m2燒結機利用該一體化技術工藝流程圖。經過測算，該協同控制技術可減排煙氣量約26%，CO 和NOx 減少20%以上。且運行期間粉塵、SO2和NOx 的排放濃度，分別為3mg/m3～7mg/m3、2.5mg/m3～7.5mg/m3、30mg/m3～45mg/m3，達到超低排放，無設備檢修，技術成熟可靠。應用該技術后，減少排污費760萬元/年，減少固體燃料消耗約3kg/t礦，每年創造1.3億元效益。副產物濃H2SO4可達18000t/年，年創造效益約2600 萬元。燒結礦產量提高百分比＞1%，產生效益約2500 萬元/年。秋冬季可避免限產，產量約140萬噸/年，每年創造效益約2億元，合計創造經濟效益約4億元/年[11]。

圖1 技術路徑1

燒結煙氣循環聯合循環流化床脫硫及臭氧預氧化脫硝協同控制技術為技術路線2，如圖2 所示，是綜合利用了燒結煙氣循環技術減排煙氣量，循環流化床脫硫技術無廢水產生且投資運行成本低，臭氧預氧化SCR脫硝技術脫硝效率高的特點，組合而成的協同脫除技術路線。

該路線中，燒結煙氣循環采用純氧補充循環煙氣中氧含量，相比于常規技術，可減少30%以上的外排煙氣總量，可更大程度降低后續煙氣凈化系統工作負荷，降低脫硫脫硝裝置的投資和運行成本。

臭氧預氧化脫硝技術，臭氧發生裝置產生臭氧并噴入燒結煙氣中，利用臭氧的強氧化性將NO 部分氧化為NO2，通過調節O3/NO 摩爾比，調節煙氣中NO/NO2的摩爾比例到0.95～1.05 左右[12]。當該比例≈1 時，NO 和NO2會在脫硝催化劑中發生快速SCR 反應，為標準SCR 反應活性的1.4 倍，催化劑用量為原用量的70%左右，經過計算，快速SCR反應可以延長現有催化劑壽命約23000h，延長催化劑的更換周期941d[13-15]。顯著減小SCR 反應器規模和催化劑體積，大大降低脫硝系統的投資和運行成本。

圖2 技術路徑2

5 結論與展望

本文章所列舉的煙氣污染物排放技術，均能達到超低排放效果，但又各有各的特點，針對以上技術，提出以下意見和建議：（1）本著污染物協同脫除原則，建議對于新建燒結機，建設環保設施時，考慮第一種或第二種技術路徑。（2）對于已建燒結機，如果現有濕法脫硫裝置，為更好地實現脫硫脫硝效果，應選擇臭氧低溫氧化脫硝與之配合。（3）對于已建燒結機，如果現有半干法脫硫裝置，應選擇臭氧低溫氧化脫硝技術或者后置SCR 技術。（4）考慮到后續環保標準會愈發嚴格，因此應盡可能地把源頭、過程與末端治理結合起來。