鋼鐵行業燃氣鍋爐煙氣脫硫脫硝除塵技術對比分析

丁澤坤， 杜佳棋， 呂亮， 章洲， 史樹鋒

（1.杭州天明環保工程有限公司，杭州 310018；2.寧波興業盛泰集團有限公司，浙江 寧波 315336；3.寧波愛嘉環境科技有限公司，浙江 寧波 315000)

0 引言

生態環境部等5部委聯合印發的《關于推進實施鋼鐵行業超低排放的意見》指出，推進實施鋼鐵行業超低排放是推動行業高質量發展、促進產業轉型升級、助力打贏藍天保衛戰的重要舉措。鋼鐵行業在我國的工業發展中扮演著重要的角色，也是我國大氣污染的主要來源之一，推動鋼鐵行業加速向低碳轉型符合當前形勢，有著重要意義。

隨著河北省地方標準《鍋爐大氣污染物排放標準》（DB13/5161—2020）的發布，規定自2021年6月1日起，鋼鐵行業燃氣鍋爐的大氣污染物排放限值為：NOx的排放限值為50 mg/m3，SO2的排放限值為10 mg/m3，顆粒物的排放限值為5 mg/m3[1]，而《鍋爐大氣污染物排放標準》（DB13/5161—2021）公開文件對排放要求有了進一步的提升。

鋼鐵行業燃氣鍋爐煙氣實現全面超低排放的計劃迫在眉睫，目前國內脫硫脫硝除塵技術相對較多，但由于原煙氣符合老排放標準，可以直接排放，所以燃煤鍋爐煙氣脫硫脫硝除塵并無先例，沒有任何可以參考的案例，如何選擇一種適合的技術路線，是目前鋼鐵行業普遍面臨的難題。

1 燃煤鍋爐超低改造現狀

1）煙氣條件。燃氣鍋爐的燃料為高爐煤氣、焦爐煤氣和轉爐煤氣，其將前端設備給予的煤氣予以燃燒，然后將燃燒后的煙氣進行排放。鍋爐燃燒后的煙氣特性則與煤氣中的成分息息相關，而煤氣的成分又與礦石有關。根據鋼廠正常生產的情況，鋼廠選取礦石的主要考慮因素是成本，所以礦石的種類不是一成不變的，這就導致鍋爐燃燒后的煙氣成分發生變化，煙氣特性隨之改變，故對脫硫脫硝除塵技術的適應性是一種考驗。根據鋼廠一段時間內的煙氣排放數據及運行記錄可知，在正常情況下，鍋爐的燃料為高爐煤氣，煙氣的NOx、SO2、粉塵數值不高并且很穩定，但是在高爐進行檢修或者是有轉爐、焦爐煤氣時，煙氣中的污染物濃度會大大升高，能達到正常值的2～3倍，這就給全工況超低排放造成了很大的困難。

2）場地條件。由于原煙氣直接排放，所以燃氣鍋爐區域的設備布置比較緊湊，鍋爐房后就是引風機房，隨即進入煙囪進行排放。由于業主當時未考慮增添環保設備，所以廠區內未預留安裝環保設備的空間，現場可利用的場地只有廠房、煙道上空、道路、綠化帶等區域，這對環保設備的占地面積和體積無疑是一種挑戰。

3）煙囪條件。燃氣鍋爐排放煙氣的煙溫為140 ℃左右，煙氣中的含水量約為3%，煙氣腐蝕性小，所以鋼廠未對煙囪進行防腐處理。

4）施工條件。近年來，鋼材的生產效益越來越好，鋼廠一直處于高產狀態，而燃氣鍋爐為副產物煤氣的消耗設備，也一直處于工作狀態，所以對新建環保設備工程而言，可以停爐施工的時間非常短，這不僅增加了施工難度，而且很多環保技術不能滿足如此苛刻的條件。

2 脫硫脫硝除塵技術簡介

根據鋼廠燃氣鍋爐的現場情況，目前有以下幾種技術路線可供選擇：SCR脫硝技術+半干法脫硫+布袋除塵技術，SCR脫硝技術+濕法脫硫+濕電除塵技術，脈沖等離子體脫硫脫硝除塵一體化技術。

SCR脫硝技術+半干法脫硫+布袋除塵技術路線為：燃燒后的煙氣先經過換熱器，到200 ℃左右后進入SCR進行脫硝，再進入半干法脫硫塔進行脫硫反應，然后反應產物與煙氣中的原粉塵顆粒物在布袋除塵器中被收集。

SCR脫硝技術+濕法脫硫+濕電除塵技術路線為：燃燒后的煙氣先經過換熱器，到200 ℃左右后進入SCR進行脫硝，再進入濕法脫硫塔進行脫硫反應，最后進入濕式電除塵器脫除顆粒物。但由于經過濕法脫硫后，煙氣會變成飽和濕煙氣，所以需要對煙囪進行防腐或者是對煙氣進行再熱。

脈沖等離子體脫硫脫硝除塵一體化技術路線為：燃燒后的煙氣經過換熱器換熱至80 ℃左右，進入脈沖等離子體反應裝置進行脫硫、脫硝、除塵的一體化脫除反應，由于需要通過間斷噴淋的方式將收集的污染物排出設備，所以煙氣會有10 ℃左右的溫降，70 ℃左右的煙氣仍高于煙氣的露點溫度20 ℃以上，不會對煙囪造成腐蝕。

1）SCR脫硝技術。SCR即為選擇性催化還原技術，是目前最為成熟的脫硝技術，其原理為：在催化劑作用下，向一定溫度的煙氣中噴入氨或尿素，將NOx還原成N2和H2O。

主要反應式為：

SCR是國際上應用最為廣泛的技術，它的反應產物為N2和H2O，不會構成二次污染，而且凈化效率高，脫硝效率可以高達90%以上；不足的是催化劑容易中毒和失效，脫硝效率會隨著使用時間的增加而逐漸降低，需要定期進行更換，以保證其性能。

2）半干法脫硫技術。半干法脫硫原理為：往塔內噴入石灰漿液，利用煙氣熱量來蒸發漿液中的水分，在干燥脫硫劑的過程中，與煙氣中的SO2發生反應，生成干粉狀的產物。目前脫硫塔的設計主要采用循環流化床的機理，讓石灰漿液在煙氣作用下懸浮在塔內，反復循環，從而與煙氣中的SO2充分接觸、吸收。在合適的Ga/S下，脫硫效率可以達到90%以上[2]，較濕法脫硫略低，但其脫硫劑利用率高，反應迅速，煙氣處理時間長，處理后的煙氣溫度在70～80 ℃左右，不會造成煙囪腐蝕。

3）濕法脫硫技術。濕法脫硫采用液體吸收劑對煙氣進行洗滌，是應用最廣泛、技術最成熟的技術，目前濕法脫硫大多采用石膏法。通常，濕法脫硫的液氣比為5～14 L/m3，液氣比越大，脫硫效率越高，其脫硫效率可高達95%。由于采用噴淋液體的方式，并且液氣比相對較大，則煙氣在經過濕法脫硫塔時，吸收液對煙氣的降溫作用比較明顯，塔出口煙溫在50 ℃左右，煙氣中含水量也會大大增加，成為飽和濕煙氣，對煙囪具有腐蝕性。

4）布袋除塵技術。袋式除塵器是一種高效除塵設備，具有除塵效率高、運行穩定、操作維護簡單等優點，廣泛應用于鋼鐵、有色冶金、建材、化工、食品等行業，在國外也廣泛應用于電廠燃煤鍋爐煙氣的凈化。但其占地面積大，設備運行阻力較大，濾袋受到煙氣的磨損，需要定期進行更換，運行維護成本高；由于濾料的耐溫性能，使其使用條件受到一定限制，并且對煙氣中的氧、氮氧化物等成分有嚴格的要求。

5）濕電除塵技術。濕式電除塵器是環保設備的終端處理設備，利用靜電力將氣體中粉塵分離，在高電場強度的作用下，電暈極周圍小范圍內氣體電離，產生大量自由電子及正離子，當含塵氣體通過存在大量負離子及電子的空間時，負離子及電子會附著在粉塵上，在電場力作用下，荷電粉塵向其極性反方向運動，在負電暈電場中，大量荷負電粉塵移向接地的集塵極，最終吸附在收塵極上，采用噴水的方式，將收集的粉塵帶出設備，完成煙氣凈化的過程。濕式電除塵器沒有二次揚塵，具有很高的除塵效率，用水來代替振打清灰，設備的可靠性大大提升，但由于采用連續噴水的方式清灰，且煙氣濕度較大，需要有良好防腐措施。

6）脈沖放電等離子體脫硫脫硝除塵一體化技術。脈沖放電等離子體煙氣一體化凈化技術是以氣體高壓放電為基礎，激發煙氣中的H2O、O2等分子，生成OH*、H*和水合分子等活性自由基[3]，這些自由基與煙氣中的SO2、NO等污染物結合，生成相應的H2SO4、HNO3等霧滴，與粉塵顆粒一樣，在靜電場的作用下荷電并被收集，具體反應機理如下：脈沖放電等離子體煙氣一體化凈化技術可以同時脫除多種污染物，無二次污染，空間占用小，可以有效地避免出現“白煙”現象，但其適合中低濃度煙氣治理，如果在高濃度煙氣條件下使用，經濟性很差。

3 脫硫脫硝除塵技術路線對比分析

從上述技術簡要介紹可知，SCR脫硝技術+半干法脫硫+布袋除塵技術、SCR脫硝技術+濕法脫硫+濕電除塵技術、脈沖等離子體脫硫脫硝除塵一體化技術等3種技術路線都能實現鋼廠燃氣鍋爐超低排放的功能，但三者在占地面積、投資成本及運行維護費用上存在一定的差異。

如表1所示，SCR脫硝技術+半干法脫硫+布袋除塵技術路線和SCR脫硝技術+濕法脫硫+濕電除塵技術路線的占地面積為脈沖放電等離子體煙氣一體化凈化技術路線設備的6倍，運行費用為其10倍左右，三者的投資成本比較接近。

表1 技術路線對比表

從三者的反應溫度看，脈沖放電等離子體煙氣一體化凈化技術的反應溫度為80 ℃左右，而SCR脫硝技術+半干法脫硫+布袋除塵技術和SCR脫硝技術+濕法脫硫+濕電除塵技術的反應溫度都在200 ℃左右，這對煙氣熱量也是一種浪費。

4 結論

綜上所述，從成本上考慮，脈沖放電等離子體煙氣一體化凈化技術路線明顯優于另外兩種技術路線，占地面積也要小得多，并且脈沖放電等離子體煙氣一體化凈化設備可以架空布置，放置在煙道、房屋、馬路等設施的上空，不會占用地面空間，也不會影響其他設施設備的正常工作，整體改造工程量要小得多。

脈沖放電等離子體煙氣一體化凈化技術設備可完成多種污染物的脫除，設備比較簡單，設備數量少，附屬系統也少；設備操作簡單，故障率低，運行維護人員上手快，人員需求少，大大減小了設備的運行維護工作量。

鋼鐵行業燃氣鍋爐煙氣的脫硫脫硝除塵技術處于起步和探索階段，需要結合燃氣鍋爐煙氣的特點，不斷創新和改進脫硫脫硝除塵技術，集各家之所長，在保證性能的同時降低投資和運行成本，同時減少對環境的二次污染，促進鋼鐵行業健康快速地發展。