鏈篦機(jī)—回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)煙氣脫硫脫硝技術(shù)研究

李 鵬，劉昌持，潘響明

（中冶南方都市環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430000）

1 緒論

1.1 鋼鐵行業(yè)環(huán)保形勢(shì)及國(guó)家政策

鋼鐵冶煉是一個(gè)材料與能源高度密集的行業(yè)，既是原料消耗大戶，又是能耗大戶、高排放大戶，尤其是該行業(yè)煙氣中污染物的種類較多、排放量大。在2017年，鋼鐵行業(yè)的SO2、NOX、顆粒物年排放量分別為106萬t、172萬t、281萬t，占全國(guó)排放總量的7%、10%、20%。因此，鋼鐵行業(yè)已成為僅次于電力行業(yè)的第二大高污染、高耗能的行業(yè)。

在2019年4月29日生態(tài)環(huán)境部等五部委聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》（環(huán)大氣[2019]35號(hào)）中指出：到2020年底重點(diǎn)地區(qū)的鋼企超低排放改造至少要達(dá)60%；到2025年底重點(diǎn)區(qū)域基本完成，全國(guó)力爭(zhēng)80%以上完成。而鋼鐵企業(yè)燒結(jié)機(jī)機(jī)頭、球團(tuán)焙燒煙氣顆粒物、SO2、NOX的排放濃度小時(shí)均值不高于10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3。

目前，為了進(jìn)一步加快鋼企超低排放步伐，在2019年12月中旬，生態(tài)部印發(fā)的《關(guān)于做好鋼鐵企業(yè)超低排放評(píng)估監(jiān)測(cè)工作的通知》中強(qiáng)調(diào)：各地區(qū)、各部門要有效開展監(jiān)測(cè)工作，完善管理機(jī)制，從而保證鋼企超低排放工作落到實(shí)處。次年1月，中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)也響應(yīng)號(hào)召，在京召開會(huì)議，著力強(qiáng)調(diào)鋼企大力推進(jìn)實(shí)現(xiàn)超低排放的重要意義。

1.2 球團(tuán)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，隨著鋼鐵企業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)球團(tuán)礦生產(chǎn)邁入了高速發(fā)展階段。球團(tuán)產(chǎn)品具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，如運(yùn)用到高爐冶煉中可以實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)節(jié)能、提高成效比，同時(shí)，在生產(chǎn)過程中的污染物排放量相對(duì)較低，對(duì)環(huán)境影響較小，因此，球團(tuán)礦得到了大力發(fā)展。目前，我國(guó)豎爐球團(tuán)產(chǎn)量占球團(tuán)總產(chǎn)量的35.97%；帶式焙燒機(jī)球團(tuán)產(chǎn)量占球團(tuán)總產(chǎn)量的5.39%；鏈篦機(jī)－回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)產(chǎn)量占球團(tuán)總產(chǎn)量的58.63%。

1.3 球團(tuán)煙氣治理技術(shù)現(xiàn)狀

通常，球團(tuán)煙氣污染物中會(huì)含有SO2、NOX、二噁英以及重金屬等較多復(fù)雜成分，但大多數(shù)球團(tuán)廠的排放標(biāo)準(zhǔn)仍按照《鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 28662－2012）執(zhí)行，基本只進(jìn)行了煙氣脫硫處理，所以，只有氮氧化物的排放滿足相應(yīng)的指標(biāo)要求。而大多數(shù)的球團(tuán)生產(chǎn)線暫時(shí)還沒有配備脫硝裝置，所以還達(dá)不到國(guó)家超低排放的標(biāo)準(zhǔn)[1]。目前，已投產(chǎn)的球團(tuán)煙氣脫硫技術(shù)以濕法和半干法技術(shù)為主，但這兩種脫硫路線所產(chǎn)生的脫硫副產(chǎn)物因品質(zhì)太差，資源化利用難度較大。因此，為了滿足國(guó)家日益提高的環(huán)保要求，研究一種球團(tuán)煙氣脫硫脫硝的工藝技術(shù)具有重要意義。

1.4 本文的研究思路及技術(shù)路線

本文針對(duì)鏈篦機(jī)－回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)工藝特點(diǎn)，再結(jié)合國(guó)家對(duì)球團(tuán)煙氣超低排放的要求，同時(shí)綜合考慮投資和運(yùn)行成本，對(duì)鏈篦機(jī)－回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)煙氣治理采用的技術(shù)路線是：通過前置SNCRSCR脫硝+活性焦干法脫硫，且根據(jù)球團(tuán)熱工制度的特殊情況及有利溫度條件，利用球團(tuán)鏈篦機(jī)預(yù)熱段煙罩約850～1100 ℃的高溫條件，設(shè)置SNCR脫硝系統(tǒng)；再利用預(yù)熱段風(fēng)箱出口經(jīng)多管除塵器后的溫度320～400 ℃，設(shè)置SCR脫硝系統(tǒng)；而過渡段和抽風(fēng)干燥段出口的煙氣匯合后會(huì)進(jìn)入電除塵器，出口煙氣經(jīng)主抽風(fēng)機(jī)增壓，煙氣降溫后，進(jìn)入吸附塔，此時(shí)煙氣中的SO2和粉塵在吸附塔內(nèi)被除去，該工藝實(shí)現(xiàn)了對(duì)球團(tuán)煙氣中的SO2、NOX、粉塵、重金屬等協(xié)同處理，最終達(dá)標(biāo)排放。

2 SNCR/SCR+活性焦干法脫硫技術(shù)及應(yīng)用

2.1 球團(tuán)煙氣SNCR/SCR脫硝系統(tǒng)

2.1.1 SNCR技術(shù)原理

選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR）是將含有NHx基地還原劑，噴入溫度為850～1 100 ℃的高溫區(qū)域，該還原劑能迅速熱分解成NH3，并與煙氣中的NOx進(jìn)行反應(yīng)生成N2。而NH3的反應(yīng)最佳溫度為850～1 100 ℃，當(dāng)反應(yīng)溫度過高時(shí)，由于氨的氧化會(huì)使NOx脫除效率降低；而當(dāng)反應(yīng)溫度過低時(shí)，氨的逃逸增加。

SNCR過程的主要化學(xué)反應(yīng)為：

NH3為還原劑：

尿素為還原劑：

SNCR（噴氨）系統(tǒng)主要由卸氨系統(tǒng)、氨水罐區(qū)、氨水輸送泵及其控制系統(tǒng)、混合系統(tǒng)、分配與調(diào)節(jié)系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)等組成。

2.1.2 SNCR工藝流程

球團(tuán)鏈篦機(jī)存在適于SNCR脫硝的高溫段，即鏈篦機(jī)預(yù)熱段的高溫區(qū)（850～1 100 ℃），根據(jù)計(jì)算機(jī)流場(chǎng)模擬在鏈篦機(jī)預(yù)熱段的高溫區(qū)合適位置設(shè)置SNCR脫硝系統(tǒng)；在SNCR反應(yīng)區(qū)，氨水經(jīng)與稀釋水混合稀釋、計(jì)量分配后送入SNCR噴槍，經(jīng)噴槍霧化后，噴入預(yù)熱段（850～1 100 ℃），在高溫條件下完成SNCR脫硝反應(yīng)[2]。

在采用SNCR工藝前要提前增加一道脫硝工藝，是基于鏈篦機(jī)特有的工藝參數(shù)，即具有預(yù)熱段的高溫區(qū)（溫度為850～1 100 ℃），此高溫段的溫度非常有利于SNCR脫硝。SNCR脫硝的優(yōu)勢(shì)為：（1）還原劑使用便捷，便于施工，利于維護(hù)；（2）因不需要催化劑，不用建反應(yīng)塔，節(jié)約用地，工程造價(jià)低；（3）無需升溫，無需載體，氨還原劑直接反應(yīng)，運(yùn)行費(fèi)用低。

2.1.3 SCR技術(shù)原理

選擇性催化還原法（SCR）脫硝技術(shù)是指，在催化劑和氧氣存在的條件下，且一定的溫度范圍（300～500 ℃）內(nèi)，還原劑有選擇地將煙氣中的NOx還原成為N2和H2O，以此減少NOx的排放。SCR工作原理圖如圖1所示。

圖1 SCR工作原理圖

脫硝反應(yīng)方程式：

2.1.4 SCR工藝流程

在采用SCR脫硝工藝技術(shù)時(shí)，脫硝還原劑為氨水（～20%濃度），并設(shè)有一座SCR反應(yīng)器。其工藝流程是：先將SCR反應(yīng)器設(shè)置于預(yù)熱段耐熱風(fēng)機(jī)前（SCR系統(tǒng)的阻力由球團(tuán)耐熱風(fēng)機(jī)克服），使球團(tuán)多管除塵器出口煙氣接入SCR反應(yīng)器入口煙道，而煙道內(nèi)的煙氣與噴氨格柵噴入的氨氣混合后進(jìn)入SCR反應(yīng)器；再經(jīng)整流格柵整流后，煙氣流經(jīng)SCR催化劑，在催化劑作用下，NH3將煙氣中的NOX還原成為N2和H2O；最后脫硝后的煙氣返回抽風(fēng)干燥段繼續(xù)利用余熱。SCR工藝流程如圖2所示。

圖2 SCR工藝流程圖

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)鏈篦機(jī)－回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)工藝特點(diǎn)和熱工制度，回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)生的大量NOX先進(jìn)入鏈篦機(jī)預(yù)熱段，自鏈篦機(jī)預(yù)熱段煙箱抽出的熱煙氣經(jīng)高效多管除塵器除塵后，進(jìn)入SCR反應(yīng)器進(jìn)行脫硝反應(yīng)，而脫硝后的高溫?zé)煔饨?jīng)預(yù)熱段耐熱風(fēng)機(jī)送回至鏈篦機(jī)抽風(fēng)干燥段循環(huán)利用。

2.2 球團(tuán)煙氣活性焦脫硫的工藝原理及流程

2.2.1 活性焦脫硫原理

活性焦脫硫是利用活性焦特有的吸附性對(duì)煙氣中的SO2進(jìn)行選擇性吸附。研究表明，當(dāng)煙氣中有足量的水汽和O2時(shí)，活性焦煙氣脫硫首先發(fā)生的是物理吸附，然后焦細(xì)孔表面的某些含氧絡(luò)合物基團(tuán)是SO2吸附及催化氧化的活性中心，最后在有水和氧氣存在的條件下將吸附到活性焦表面的SO2催化氧化為H2SO4。反應(yīng)機(jī)理如下：

2.2.2 工藝流程

活性焦脫硫主要是由脫硫系統(tǒng)，活性焦再生系統(tǒng)，物料輸送系統(tǒng)，煙氣系統(tǒng)組成。其工藝流程是：鏈篦機(jī)抽風(fēng)干燥段及過渡段的煙氣經(jīng)主抽風(fēng)機(jī)抽至電除塵器除塵后，經(jīng)降溫措施使煙氣溫度降低至120～135 ℃后進(jìn)入活性焦吸附塔，此時(shí)煙氣中的SO2等會(huì)被吸附在活性焦細(xì)孔上，而脫硫后的煙氣由煙囪排放。其中，活性焦在吸附塔自上而下緩慢運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向與煙氣方向垂直，而吸附SO2的活性焦由吸附塔底部排出，并通過鏈斗機(jī)被送入再生塔升溫加熱，進(jìn)行再生處理；當(dāng)加熱到400～450 ℃時(shí)，釋放出SO2和H2O等，這時(shí)重新具有了新孔隙；再生后活性焦與補(bǔ)充的新活性焦再通過鏈斗機(jī)輸送至脫硫塔循環(huán)使用，SO2氣送入硫酸生產(chǎn)裝置制備濃硫酸。

2.3 球團(tuán)煙氣SNCR/SCR脫硝+活性焦脫硫工藝的優(yōu)勢(shì)

鏈篦機(jī)－回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)前置SNCR/SCR脫硝技術(shù)，主要是針對(duì)鏈篦機(jī)－回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)生產(chǎn)的工藝特點(diǎn)，在鏈篦機(jī)預(yù)熱段850～1 100 ℃的煙氣中直接噴射氨水實(shí)現(xiàn)SNCR預(yù)脫硝，然后再將SCR脫硝反應(yīng)裝置與球團(tuán)生產(chǎn)工藝相結(jié)合，使脫硝裝置嵌入到常規(guī)鏈篦機(jī)－回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)工藝的多管除塵器與耐熱風(fēng)機(jī)之間，并充分利用溫度熱性進(jìn)行SCR脫硝。由以上內(nèi)容可以看，主要具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）脫硝處理煙氣量?jī)H為鏈篦機(jī)預(yù)熱二段風(fēng)箱煙氣，約占球團(tuán)排放總煙氣量的60%，降低了脫硝裝置的投資成本和運(yùn)行費(fèi)用；

（2）同后置SCR脫硝相比，無需增加GGH、加熱爐等換熱補(bǔ)熱設(shè)施，可減少投資和運(yùn)行成本，同時(shí)可減少補(bǔ)熱燃料燃燒產(chǎn)生的碳排放；

（3）脫硝裝置可作為一個(gè)設(shè)備嵌入到球團(tuán)生產(chǎn)工藝中，可與球團(tuán)工藝設(shè)置綜合考慮，節(jié)約占地面積，較少投資。

另外，預(yù)熱段煙氣經(jīng)前置脫硝裝置處理后，在通過耐熱風(fēng)機(jī)返回鏈篦機(jī)過渡段利用余熱。而鏈篦機(jī)抽風(fēng)干燥段及過渡段的煙氣采用活性焦吸附塔進(jìn)行脫硫，主要具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）球團(tuán)煙氣成分復(fù)雜，活性焦干法脫硫不僅可以脫除煙氣中的SO2，同時(shí)還可以利用活性焦的吸附特性脫除煙氣中的NOx、二噁英和汞等污染物，具有一套裝置脫除多種污染物的功能；

（2）活性焦脫硫幾乎不消耗水，而且不產(chǎn)生廢水，另外，活性焦脫硫后的再生氣可通過濃硫酸制備工藝生產(chǎn)高純濃硫酸，可以為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。由此，在實(shí)現(xiàn)了污染物超低排放的同時(shí)，產(chǎn)出的副產(chǎn)物也可以資源化利用。

2.4 球團(tuán)煙氣SNCR/SCR脫硝+活性焦脫硫注意事項(xiàng)

目前，SCR脫硝是工業(yè)中煙氣脫硝采用最多的技術(shù)路線，在國(guó)內(nèi)的SCR脫硝應(yīng)用中十分廣泛，且多用于發(fā)電行業(yè)。但球團(tuán)煙氣采用SCR脫硝時(shí)，要注意以下事項(xiàng)：

（1）在進(jìn)行高溫SCR反應(yīng)時(shí)，會(huì)發(fā)生副反應(yīng)，即SO2氧化成SO3，同時(shí)有銨鹽生成，且副反應(yīng)生成的銨鹽會(huì)吸附在催化劑表面，造成催化劑失活中毒，同時(shí)，還會(huì)影響脫硝裝置下游設(shè)備發(fā)生腐蝕；

（2）在脫硝后，煙氣經(jīng)耐熱風(fēng)機(jī)送回至鏈篦機(jī)內(nèi)利用煙氣余熱的同時(shí)，因鏈篦機(jī)不同溫度段之間是采用物理隔煙墻隔開，會(huì)存在串煙的問題，所以，隔煙墻的形式及密封是前置脫硝需要克服的一項(xiàng)重要難題；

（3）在SCR脫硝過程中，NOx脫除率會(huì)隨著氨逃逸率的增加而增加，而在實(shí)際生產(chǎn)中，既要保證脫除效果，又要降低氨逃逸率，因此，必須要控制好氨的噴射量。

3 結(jié)語

環(huán)境是人類賴以生存和發(fā)展的空間和物質(zhì)條件，因此，必須要加強(qiáng)環(huán)境治理、改善大氣環(huán)境，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)和諧發(fā)展的局面。而煙氣脫硫脫硝技術(shù)在一定程度上能實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣污染的治理和對(duì)大氣質(zhì)量的有效監(jiān)控，因此，該技術(shù)具有實(shí)際的發(fā)展意義。在未來，我國(guó)應(yīng)不斷探索新的技術(shù)，更好地實(shí)現(xiàn)脫硫脫硝，從而將鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的不利影響降到最低，這樣既可以有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境，又促進(jìn)了該行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。