淺談燒結煙氣超低排放技術的應用

王賀建，甄 眾，孫彥廣，李智勇，董云江，鄒宗來

（天津市新天鋼聯合特鋼有限公司，天津 301500）

0 引言

鋼鐵行業生產過程中產生的煙氣含有大量的污染物，其中燒結工序產生的煙氣污染物總量最大。天津市新天鋼聯合特鋼有限公司（后稱天鋼聯合特鋼）有兩臺230 m2燒結機，正常生產時單臺燒結煙氣流量在70萬Nm3/h左右，其污染物排放量占公司總排放量的50%以上。2018年5月，生態環境部發布了《鋼鐵企業超低排放改造工作方案》，將燒結煙氣顆粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放限值分別修改為10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3，在超低排放治理工作中，燒結煙氣超低排放技術的應用起到重要意義。

本文分析了天鋼聯合特鋼燒結煙氣污染物的種類，介紹了燒結機配套的煙氣處理設施，重點論述了機頭電除塵、濕法脫硫、煙氣消白、SCR脫硝等燒結煙氣超低排放技術應用中存在的問題和影響因素，并給出了相應的解決辦法。

1 燒結煙氣污染物的種類及超低排放設施

1.1 燒結煙氣污染物種類

燒結工序主要是將各種含鐵粉料，配入適量的燃料和溶劑，經混合后在燒結機中燒結成塊的過程，其中含鐵原料種類豐富。燒結也是鋼鐵企業固體廢物再利用的重要環節，大部分含鐵廢物，如除塵灰、鋼泥等都可以按一定比例混入原料中重新利用，因此燒結煙氣成分復雜，除含有顆粒物、SO2、NOx外，還含有多環芳烴和容易引起脫硝催化劑中毒的堿金屬等多種污染物。

1.2 燒結煙氣超低排放設施

天鋼聯合特鋼燒結煙氣超低排放采取的工藝路線為：燒結煙氣先經電除塵脫除顆粒物，后通過主抽風機進入SCR脫硝系統脫除氮氧化物，經增壓風機將脫除氮氧化物后的煙氣送入濕法脫硫塔中脫除SO2，最終煙氣經過消白處理后排出煙筒，實現超低排放。天鋼聯合特鋼燒結煙氣超低排放工藝流程如圖1所示。

圖1 天鋼聯合特鋼超低排放設施流程圖

2 超低排放技術的應用

2.1 機頭電除塵

機頭電除塵的主要作用是脫除燒結煙氣中的顆粒物，使其達到排放標準。目前電除塵器電源分有高頻電源和工頻電源兩種：高頻電源相對工頻電源具有更好的節能效果、更高的電暈功率、更好的電源適應性、除塵效率高等優勢，高頻電源電除塵器電場為一直流，只要投入運行其電場電壓就接近于擊穿電壓，平均電壓處于高位；工頻電源電除塵器電壓處于長期波動的狀態，平均電壓比高頻電源低很多。

由于高頻電源平均電壓高，提高了粉塵的荷電，強化了電場粉塵吸附效果，最終可實現除塵效率的提高。天鋼聯合特鋼230 m2燒結機頭電除塵器共有6個電場，全部升級改造為高頻電源，當前除塵器運行情況良好，外排煙氣顆粒物穩定控制在≤10 mg/m3的范圍內。

2.2 濕法脫硫

鋼鐵企業在SO2減排方面，基本都已完成燒結煙氣脫硫工程化應用，大多數采用濕法或半干法脫硫工藝，濕法脫硫約占80%，半干法脫硫約占15%[1]。部分地區對濕法脫硫后的“白煙羽”提出了“消白減白”的要求。

天鋼聯合特鋼燒結脫硫工藝采用濕法脫硫，脫硫劑選用CaO（石灰石），副產品為CaSO4（石膏）。濕法脫硫主要原理是：將CaO配成脫硫需要使用的吸收劑（氫氧化鈣溶液），通過噴淋系統噴入吸收塔中（塔內布置了三層吸收劑噴淋裝置），煙氣中的硫化物與吸收劑接觸后生成CaSO3，在氧化風機的作用下，大量的空氣進入吸收塔中，使CaSO3氧化生成可被利用的CaSO4。當前采用CaO為脫硫劑的濕法脫硫裝置還是比較多的，其優勢主要體現在工藝非常成熟可靠、原材料價格低廉、副產品易于處理、適用工況較為寬泛、脫硫效率較高。天鋼聯合特鋼燒結脫硫鈣、硫比略大于1時，脫硫率可達95%以上。

2.3 濕法脫硫后煙氣的消白

消白技術不完全針對白色煙羽的治理，主要應用目的是收水和節能，收集的冷凝水進行加堿等處理后，可重復利用。當前天鋼聯合特鋼正常生產情況下，兩條消白裝置每天可回收950噸冷凝水供脫硫生產使用。

在標準大氣壓下，100%的水蒸氣飽和煙氣溫度與含濕量關系關系曲線如圖2所示。

圖2 100%的水蒸氣飽和煙氣溫度與含濕量關系

曲線的上方為水蒸氣過飽和區，水蒸氣將發生相變冷凝成液態，煙氣排出煙囪后經歷了O-A-B-C的過程，由于環境溫度低于煙氣溫度，在這個過程中，煙氣中的水蒸氣冷凝為液態，產生白色煙羽[2]。

為了能夠消除白色煙羽，需要提高排煙溫度，煙氣排出煙囪后必須經歷O-D-F-C的過程才能實現。天鋼聯合特鋼在燒結脫硫塔出口安裝了氟塑料材質的冷凝器，換熱量為10 MW，能夠脫除煙氣中80%以上的水分；煙氣經過板式除霧器后到達再熱器，再熱器材質也采用氟塑料材質，換熱量達到8 MW，可以將煙氣溫度升高至71℃以上，最終實現“消白”效果。消白工藝流程圖如圖3所示。

圖3 消白工藝流程圖

2.4 氮氧化物超低排放技術

2.4.1 源頭治理措施

氮氧化物（NOx）會引起酸雨、光化學煙霧、溫室效應、臭氧層破壞等自然災害現象，對地球整個生態環境造成嚴重的影響，在氮氧化物減排技術中，源頭治理顯得非常關鍵。

源頭治理就是希望通過改進燃燒過程，實現對煤燃燒過程中氮氧化物生成量的有效控制[3]。研究表明相同燃燒溫度、氧含量與氮氧化物的生成成正比，不同燃料因為成分不盡相同，氮氧化物的生成量也會有很大的區別。

（1）天鋼聯合特鋼在燒結生產中用焦粉替代洗精煤，氮氧化物生成量降低了20%以上。

（2）在脫硝系統中，對補燃設備進行了改造，將原有熱風助燃改造成直燃，煤氣燃燒溫度由原來的1 000℃降低到720℃，并將助燃風由空氣切換成煙氣，降低氧含量，實現低氮燃燒。

2.4.2 SCR脫硝工藝

SCR脫硝工藝主要反應機理為，在反應器中布置好一定規格的催化劑，在一定煙氣溫度和催化劑的作用下NH3與煙氣中的NOx反應生成對環境無污染的N2和H2O。反應原理圖如圖4所示。

圖4 反應原理圖

天鋼聯合特鋼使用的催化劑為蜂窩式，2+1分層布局，所用還原劑NH3采用尿素水解制氨工藝生成，通過氨稀釋風機稀釋后注入反應器中。天鋼聯合特鋼燒結煙氣脫硝裝置工藝流程如圖5所示。

圖5 天鋼聯合特鋼燒結煙氣脫硝裝置工藝流程圖

2.4.3 影響SCR脫硝穩定運行的因素

2018年脫硝系統建設時，國內鋼鐵行業脫硝裝置投運率非常低，真正實施燒結煙氣末端脫硝的燒結機不足總臺數的2%[4]，燒結煙氣脫硝成功案例可借鑒的相對較少。天鋼聯合特鋼燒結煙氣最終選擇了SCR脫硝置前，濕法脫硫置后的工藝流程。脫硝設施投運后，催化劑堵塞成為了影響脫硝系統穩定運行的重要因素，連續生產運行周期只能維持在7～10天。

通過對催化劑堵塞物的取樣化驗，發現除硫酸氫氨外主要成分和機頭除塵灰成分一致，經過數據對比分析最終確定了催化劑堵塞原因。燒結煙氣中含有部分SO3，同時脫硝催化劑也能促進SO2向SO3的轉換，其規律為溫度越高轉換率也越高，SCR煙氣脫硝過程氨逃逸是難免的，最終導致硫酸氫氨的生成。硫酸氫氨具有很強的粘結性，能吸附煙氣中的飛灰，由于粘性很強，吹灰器不能將其正常的清掃掉，而且燒結煙氣的飛灰中含有多種堿金屬，可引發催化劑中毒，導致催化劑活性降低、脫硝效率變差，最終飛灰堆積導致催化劑堵塞。

根據CaO+SO3→CaSO4的原理，天鋼聯合特鋼發明了脫硝系統噴入脫硫劑粉末裝置，脫硫劑（CaO）可以顯著降低煙氣中的SO3含量，從而防止NH3與SO3合成粘性物質。該成分的脫硫劑在解決催化劑堵塞的同時，未反應的脫硫劑可以用于后續濕法脫硫工序，生成的極少量的CaSO4在高溫下處于干燥粉末狀，吹灰器可以將其徹底清掃干凈，最終解決了催化劑堵塞的問題。

3 結語

天鋼聯合特鋼在燒結煙氣超低排放設施運行過程中，積累了豐富的經驗，改進了靜電除塵器的高壓電源頻率，解決了SCR脫硝裝置堵塞問題，提高了燒結煙氣除塵、脫硫和脫硝設施的運行效率，消除了燒結尾氣白色煙羽。目前天鋼聯合特鋼燒結煙氣顆粒物、二氧化硫、氮氧化物的含量可以穩定控制在10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3的超低排放限值范圍內。隨著國家環保排放標準的不斷提高，燒結煙氣超低排放技術必將獲得更加廣泛的推廣和應用。