高氧高氮球團焙燒煙氣SCR超低排放應用實踐

胡延永 段明官 姜 林 孔彩云

(河鋼集團邯鋼公司煉鐵部，河北 邯鄲 056000)

0 引言

為滿足環保對NOx的排放要求，響應國家超低排放號召，實現清潔生產和可持續發展，2019年7月，某企業200 萬t球團生產線配套建成投運一套SCR脫硝系統。該系統投運以來，對高氧、高氮氧化物球團煙氣中的NOx脫除效果顯著，對鏈箅機-回轉窯球團生產線的煙氣特點、煙氣凈化設施以及SCR脫硝的工藝過程、操作控制要點和應用實踐進行了介紹，以期為采用類似工藝的同行提供參考。

1 某企業200萬t鏈箅機-回轉窯球團生產線煙氣特點

某企業鏈箅機-回轉窯球團生產線煙氣量為70萬m3/h左右，隨著磁鐵精礦資源的日益緊缺以及赤鐵礦的不斷開發，球團原料精礦配比變化頻繁，赤鐵礦在球團配料結構中的配比逐漸增加，在目前赤鐵礦比例接近40%的原料條件下，邯鋼球團焙燒煙氣具有以下特點：

1)O2含量高，基本在18%左右。與燒結煙氣約16%的O2含量相比，鏈箅機-回轉窯球團焙燒煙氣O2含量一般在17%～19%之間，高于燒結煙氣。

2)NOx含量高，一般在400～700 mg/m3范圍，均值在530 mg/m3左右。該企業鏈箅機-回轉窯球團工藝主熱源為窯頭燒嘴，使用燃料為焦爐煤氣，熱值～4 000 kcal/Nm3，用量7 500～9 500 m3/h，燒嘴火焰溫度一般在1 250～1 500 ℃，NOx的產生主要源于空氣中氮氣的高溫氧化和燃料中氮的燃燒[1]，以熱力型和燃料型為主。且隨著赤鐵精礦配比的提高，焙燒球抗壓強度下降，需要提高球團的預熱、焙燒溫度，延長預熱、焙燒時間[2]。有資料表明，在煙氣溫度為1 300～1 350 ℃時，溫度每變化10 ℃，NOx的質量濃度變化值高達30 mg/m3，所以隨著赤鐵礦配吃比例逐漸提高，焙燒溫度升高，最終導致煙氣中熱力型NOx產生量增加[3]。

3)硫含量波動大，介于500～3 000 mg/m3之間。球團煙氣中的SO2主要來自于焙燒過程中鐵礦粉、煤氣中的硫化物和硫酸鹽，通過焙燒，原料中90%以上的硫排除進入到煙氣中。由于該企業生產鐵料品種多，變料頻繁，原料中含硫量差別大導致煙氣中硫含量波動大。

4)粉塵顆粒物濃度大，該企業200萬t球團生產線于2005年投產，由于機頭電場除塵器設備老化，除塵效率下降，除塵后顆粒物濃度在40～80 mg/m3左右，對后續煙氣處理設施除塵能力要求高。

2 鏈箅機-回轉窯球團線煙氣凈化設施概況

隨著鋼鐵行業大氣污染物排放標準的不斷提高，2019年4月國家生態環境部等五部委聯合推動實施鋼鐵行業超低排放標準(SO2小于35 mg/m3、NOx小于50 mg/m3、粉塵小于10 mg/m3)。該企業鏈箅機-回轉窯球團線循環流化床干法脫硫除塵系統，可將焙燒煙氣SO2、顆粒物分別脫除至30 mg/m3、10 mg/m3以下，但煙氣中NOx含量不能滿足超低排放要求。為此，決定新建一套SCR脫硝系統，以實現球團焙燒煙氣超低排放。自2019年7月建成投運以來，球團焙燒煙氣 NOx濃度從SCR脫硝系統入口的400～700 mg/m3脫除至出口的小于30 mg/m3，脫除效率穩定達到90%以上，實現預期超低排放目標。該SCR系統構成如下：

1)煙氣系統：脫硝煙氣從布袋除塵器出口引出，經GGH換熱和熱風爐補熱后進入SCR反應器，脫硝后的煙氣再經GGH換熱降溫后經引風機排往煙囪。

2)GGH換熱系統：SCR裝置設置一套GGH系統，該系統主要包括GGH換熱器本體、吹灰器、低泄漏風機等。GGH換熱器主要用來完成將來自脫硫布袋除塵器80～100 ℃原煙氣與SCR脫硝反應器出口約280 ℃凈煙氣之間的換熱，減少燃料消耗量，降低系統能耗。

3)SCR反應器系統：主要包括反應器本體、催化劑及用于清除催化劑表面積灰的聲波吹灰器。反應器內煙氣豎直向下流動，反應器入口設氣流均布裝置及導流板，以保證進入反應器的氣流均勻。催化劑是SCR系統的“心臟”，SCR催化劑按照“3+1”布置，即初裝3層，并在反應器頂部預留1層備用。選用催化劑為中溫脫硝催化劑，適用溫度范圍在270～290 ℃，一般運行在280 ℃左右。催化劑參數見表1。

表1 催化劑參數

4)煙氣加熱系統：煙氣補熱系統設置了一套煙氣加熱爐，其功能為補充換熱溫差及散熱損失。加熱爐使用高爐煤氣作為燃料，從加熱爐出來的煙氣，和原有煙氣在煙道內進行混合加熱，使煙氣溫度升高至～280 ℃，確保SCR脫硝處于最佳反應溫度區。

5)噴氨系統：噴氨系統主要包括氨水存儲輸送、稀釋風機、氨水溶液噴射器、氨水蒸發器等。氨水通過罐車輸送至氨水站，由氨水卸料泵卸載到氨水儲罐中存儲備用，系統運行時，氨水由輸送泵輸送至氨水溶液噴射器，噴入氨水蒸發器，由熱煙氣蒸發成氨氣，最后經格柵噴入反應器入口煙道。

3 SCR脫硝的工藝過程及原理

1)建設脫硝系統為中溫SCR脫硝工藝，工藝流程為：脫硫布袋除塵器→GGH(原煙氣段)→SCR中溫脫硝反應器→GGH(凈煙氣段)→引風機→煙囪排放，工藝流程簡單，易操作。

2)對煙氣中高濃度NOx脫除效率高，可以將煙氣中濃度為400～700 mg/m3的NOx穩定脫除至30 mg/m3以下，脫除效率穩定在90%以上。

3)采用中低溫SCR脫硝，脫硝反應溫度在280 ℃左右。

4)反應副產物為水和氮氣，環保無污染，直接隨煙氣排放至大氣，反應機理如下：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

(1)

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

(2)

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

(3)

4 SCR脫硝系統操作控制要點

4.1 SCR脫硝系統運行控制內容

4.1.1 煙氣溫度控制

SCR入口煙氣溫度是影響脫硝率的重要因素。脫硝催化劑適用溫度在270～290 ℃范圍，在此溫度范圍內具有較好的活性，通過反應器的煙氣溫度正常運行時嚴格控制在280 ℃左右。一方面，當煙氣溫度低于270 ℃時，不僅會因催化劑活性降低而降低脫硝率，而且噴入的氨水還會與煙氣中的SOx反應生成硫酸氫銨或硫酸銨附著在催化劑的表面；另一方面，當煙氣溫度太高時，NH3會與O2發生反應，導致煙氣中的NOx增加，并且容易造成催化劑燒毀。

要保證煙氣適宜的溫度，需及時根據煙氣的溫度調整熱風爐煤氣流量和摻風量，防止因為煤氣質量、煙氣流量變化等因素導致的煙溫波動。日常操作過程中強化對GGH換熱器中煙氣溫度的調控；同時，設定合理的吹灰頻率，防止GGH積灰過多導致阻力增大，換熱效率降低。

4.1.2 氨逃逸監控

SCR脫硝氨逃逸一般要求控制在3 ppm以內。若控制不好，不僅會增加成本，而且可能導致下游設備腐蝕堵塞。多余的氨還會與煙氣中的SO3反應生成硫酸氫銨或硫酸銨，當后續煙道煙溫降低時，硫酸氫銨或硫酸銨就會附著在GGH表面和飛灰顆粒物表面，腐蝕堵塞GGH換熱通道。

4.1.3 噴氨濃度控制

SCR脫硝系統采用的還原劑為氨水(NH3)，其爆炸極限為(在空氣中體積%)15.7%～27.4%，為保證氨(NH3)注入煙道的絕對安全以及均勻混合，噴氨系統引入稀釋風，將氨濃度降低到爆炸極限以下，控制在5%以內。

4.1.4 顆粒物排放控制

由于SCR系統本身不具備除塵作用，所以日常操作過程中一是嚴格控制CFB脫硫系統進入SCR系統煙氣的含塵量，不僅對CFB系統布袋除塵器布袋壓差進行控制，以使布袋保持一定的掛灰量，提高除塵效率，而且定期對布袋進行檢查更換。目前，該企業CFB系統除塵布袋壓差控制在1 200 Pa左右，除塵后煙氣含塵量控制在6 mg/m3左右。二是對SCR系統GGH換熱器、催化劑的吹灰操作加強監控，對催化劑層聲波吹灰器及GGH耙式吹灰器高標準維護，根據催化劑層及GGH進出口端的的壓降情況及時調整聲波吹灰器吹灰時間，同時避免因SCR系統內積灰過多吹灰操作時導致顆粒物排放濃度瞬時增加。

4.1.5 NOx排放控制

在保證排放煙氣NOx濃度小于50 mg/Nm3和氨逃逸小于3 ppm的前提下，根據入口NOx濃度合理控制噴氨量，控制原則氨氮比小于1。

4.2 SCR系統啟停操作注意事項

1)SCR系統啟動時，系統引入煙氣的同時投入SCR脫硝聲波吹灰器，開始吹灰。

2)啟動過程中原煙氣進入GGH換熱器后，開啟加熱爐逐步提升進入煙氣換熱器的凈煙氣溫度，以避免GGH轉子發生卡澀。溫升速度控制在60 ℃/h以內，以防止轉子的異常變形。嚴禁在沒有通入煙氣的情況下單獨啟動加熱爐進行加熱操作，以免溫度過高引起GGH的密封變形。

3)SCR的停運時，要密切關注GGH換熱器入口煙溫和驅動電機電流波動，煙溫變化速度嚴控在60 ℃/h以內，杜絕過快升降溫，以防轉子發生異常變形卡澀，而影響煙氣換熱器安全運行。凈煙氣入口溫度降低至125 ℃以下，方可停止GGH換熱器。

4)SCR反應器嚴格杜絕高于300 ℃以上運行，避免催化劑被燒毀永久失去活性。同樣避免低煙氣溫度下噴氨，防止在催化劑層上生成硫酸氫銨或硫酸銨，進而導致催化劑的微孔結構堵塞，性能下降。

4.3 SCR系統的運行參數控制

嚴格按照運行參數進行操作控制SCR系統是保證系統穩定運行及降低事故率的有效措施，SCR系統日常執行的運行參數如表2。

表2 SCR系統的運行參數表

5 SCR煙氣脫硝系統應用實踐

5.1 SCR系統煙溫、煤氣消耗、催化劑層壓降

SCR系統不同位置實測溫度以及2020年1至10月份高爐煤氣消耗和催化劑層壓降如表3、表4、表5。熱風爐高爐煤氣消耗量約50 m3·t-1·礦-1。

表3 SCR系統煙氣溫度 ℃

表4 SCR系統高爐煤氣消耗 (m3·t-1·礦-1)

表5 SCR系統催化劑層壓降 Pa

5.2煙氣NOX脫除實效

2020年，基準氧含量18%條件下，該企業煙氣NOx排放數據如表6。在球團煙氣入口NOx濃度均值538 mg/m3左右的情況下，噴氨量400 L/h左右，凈化后煙氣NOx濃度均能降到30 mg/m3以下，排放指標滿足超低排放要求。

表6 2020年NOx處理效果實績

6 結語

1)目前，某企業生產原料結構中赤鐵精礦占比約40%，磁鐵礦占比約60%，球團預熱焙燒燃料采用熱值為～4 000 kcal/Nm3的焦爐煤氣，該工況條件下，球團焙燒煙氣中NOx濃度居高，全年小時均值在538 mg/m3左右。

2)在原煙氣含氧量18%左右、NOx平均濃度538 mg/m3左右、噴氨量約400 L/h條件下，SCR脫硝系統可以穩定脫除焙燒煙氣中的高濃度NOx。以基準含氧量18%計算，凈化后的凈煙氣NOx濃度均值為22.92 mg/m3。以基準含氧量16%計算，凈化后的凈煙氣NOx濃度均值為38.2 mg/m3，均滿足超低排放(小于50 mg/m3)要求，優于超低排放標準。

3)GGH換熱器、催化劑性能對SCR系統的煙氣凈化效果、能源介質消耗至關重要，選擇合適的GGH換熱器和催化劑是SCR系統成功運行的關鍵。

4)現場操作中嚴格執行吹灰操作、嚴控煙氣溫度控制(270～290 ℃)，減少積灰和副產物的產生，有利于SCR脫硝系統實現長期穩定運行。

5)對工況條件相近的鏈箅機-回轉窯球團線生產工藝，SCR脫硝技術具有一定的借鑒意義。