燒結(jié)SCR 脫硝不同運(yùn)行溫度的適應(yīng)性分析

林澎山 福建龍凈脫硫脫硝工程有限公司

隨著國家對(duì)環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，針對(duì)鋼鐵行業(yè)，2019 年國家生態(tài)環(huán)境部、發(fā)展改革委等五部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，規(guī)定燒結(jié)機(jī)機(jī)頭、球團(tuán)焙燒煙氣顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度小時(shí)均值分別不高于10 mg/Nm3、35 mg/Nm3、50mg/Nm3，明確了鋼鐵行業(yè)全面推進(jìn)超低排放。隨著超低排放的推進(jìn)，各地都推行了更加嚴(yán)格的地方標(biāo)準(zhǔn)，如山西、唐山等地都推出了35 mg/Nm3、30 mg/Nm3甚至15mg/Nm3排放標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)SCR 脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)及催化劑都提出了很高要求。

燒結(jié)礦在鋼鐵生產(chǎn)高爐原料中占比達(dá)到80%左右，燒結(jié)生產(chǎn)過程中NOX的排放量約占整個(gè)鋼鐵工業(yè)的一半，是鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的重要工序，因此，燒結(jié)環(huán)保是否達(dá)標(biāo)直接關(guān)系到企業(yè)能否正常生產(chǎn)。目前在燒結(jié)煙氣脫硝領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的是中溫SCR 脫硝工藝，反應(yīng)溫度一般為280℃，由于燒結(jié)原始煙氣煙溫較低，需要配套GGH 換熱器和煙氣加熱器對(duì)煙氣進(jìn)行加熱，以達(dá)到適宜的脫硝反應(yīng)溫度。近幾年，低溫SCR 脫硝工藝由于其反應(yīng)溫度低，可節(jié)約煙氣加熱所需的煤氣耗量越來越受到行業(yè)內(nèi)的關(guān)注，但低溫催化劑的活性和運(yùn)行時(shí)生成硫酸氫銨（ABS）堵塞催化劑等問題又限制了其的發(fā)展。

因此，本文從低溫SCR 脫硝工藝原理分析，對(duì)燒結(jié)SCR 脫硝系統(tǒng)不同運(yùn)行溫度的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比，并闡述低溫催化劑可能面臨的潛在風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)低溫催化劑在燒結(jié)SCR 脫硝領(lǐng)域的適應(yīng)性進(jìn)行分析。

1 燒結(jié)SCR 脫硝工作原理

鋼鐵燒結(jié) SCR 脫硝一般都放置在煙氣脫硫之后，煙氣溫度＜100℃，該溫度并不滿足SCR 脫硝溫度點(diǎn)，為將脫硫后煙氣抬升到脫硝工作溫度點(diǎn)，則需要采用“GGH 換熱+加熱爐補(bǔ)熱”的組合方式來實(shí)現(xiàn)的，其工藝流程圖如圖1 所示。經(jīng)前端脫硫后先經(jīng)過GGH 原煙氣側(cè)與脫硝后的熱煙氣進(jìn)行換熱，再利用煙氣加熱裝置加熱至SCR 脫硝所需的反應(yīng)溫度點(diǎn)，然后進(jìn)入SCR 反應(yīng)器，在催化劑作用下進(jìn)行脫硝反應(yīng)，反應(yīng)后的凈煙氣再經(jīng)過GGH 凈煙氣側(cè)換熱降溫，最終由引風(fēng)機(jī)送往煙囪排放。

圖1 典型中溫SCR 脫硝工藝流程圖

燒結(jié)SCR 脫硝工藝升溫是通過GGH 換熱+加熱爐補(bǔ)熱的方式來完成。加熱爐升溫補(bǔ)熱所需的煤氣耗量取決于GGH 的換熱端差（即GGH 原煙氣側(cè)出口與凈煙氣側(cè)進(jìn)口的溫度端差）。同一燒結(jié)機(jī)上，在同等GGH 換熱端差下，SCR 運(yùn)行溫度高的選用的GGH 型號(hào)大，SCR 運(yùn)行溫度低的則小，此時(shí)不同運(yùn)行溫度下的煤氣耗量基本相當(dāng)，并不能夠節(jié)省加熱所需的煤氣耗量。只有當(dāng)選用同等型號(hào)的GGH 時(shí)，由于脫硝低溫運(yùn)行時(shí)GGH 換熱會(huì)比中溫運(yùn)行時(shí)GGH換熱端差小，才能夠節(jié)省煙氣加熱所需的煤氣耗量。即所謂的GGH 按照中溫設(shè)計(jì)280℃設(shè)計(jì)，SCR 脫硝低溫運(yùn)行，才可實(shí)現(xiàn)煤氣耗量的節(jié)省。

2 不同運(yùn)行溫度下SCR 脫硝系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

GGH 中溫設(shè)計(jì)，低溫運(yùn)行，可帶來煤氣的節(jié)省，但同時(shí)由于催化劑的運(yùn)行溫度變低，催化劑的活性更低，體積量更大，價(jià)格也將上升，這也帶來投資成本的增加以及后期催化劑更換費(fèi)用的增加。

為了更加直觀的對(duì)比不同脫硝溫度下的煤氣消耗費(fèi)用及催化劑更換費(fèi)用，本文以某臺(tái)265m2燒結(jié)項(xiàng)目為例，煙氣量為100 萬Nm3/h（濕標(biāo)），入口SO2濃度＜35mg/Nm3,粉塵濃度＜5mg/Nm3，入口NOX濃度為400mg/Nm3，出口NOX排放要求為30mg/Nm3，對(duì)180 ～280℃各脫硝設(shè)計(jì)溫度下的綜合運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比分析。

在煤氣消耗方面，按照中溫280℃，換熱端差30℃選型GGH型號(hào)，核算SCR 脫硝不同運(yùn)行溫度下GGH端差及煤氣耗量如圖2 所示，可見隨著運(yùn)行溫度的下降，GGH 換熱端差減小，即煙氣所需的升溫溫差有所減小，煤氣耗量也隨之減少。

圖2 SCR 脫硝不同運(yùn)行溫度下煤氣耗量對(duì)比

在催化劑方面，根據(jù)選型，按照30 孔催化劑，3+1 方案設(shè)計(jì)，催化劑壽命3a，初步選型不同溫度下催化劑裝填量及投資成本如表1 所示。隨著運(yùn)行溫度的降低，催化劑的體積大幅增加，180℃運(yùn)行工況下，催化劑體積將使280℃時(shí)的2 倍之多；且催化劑的單價(jià)也隨著運(yùn)行溫度的降低，價(jià)格上漲，整體投資低溫180℃催化劑相比中溫280℃投資成本增加4.5 倍之多。

表1 不同運(yùn)行溫度下催化劑裝填量及投資成本

以煤氣單價(jià)0.1 元/Nm3，年運(yùn)行8000h，同時(shí)后續(xù)催化劑按照每年需要更換一層考慮，綜合對(duì)比煤氣消耗及催化劑更換成本，如圖3 所示。在250～280℃之間，隨著運(yùn)行溫度每降低10℃，綜合運(yùn)行費(fèi)用可將低50 萬～60 萬元，該溫度區(qū)間，運(yùn)行費(fèi)用降低明顯；此后運(yùn)行費(fèi)用則降低不多，在220～250℃之間，隨著運(yùn)行溫度每降低10℃，運(yùn)行費(fèi)用降低15 萬～20 萬元；而在180～220℃之間，運(yùn)行費(fèi)用反而會(huì)由于催化劑更換費(fèi)用的增加而有所增加。

圖3 不同運(yùn)行溫度下煤氣+催化劑更換綜合運(yùn)行費(fèi)用

3 燒結(jié)SCR 脫硝低溫運(yùn)行下存在的問題

適當(dāng)降低SCR 脫硝運(yùn)行溫度，其可以降低整體SCR 脫硝的運(yùn)行費(fèi)用。但從已有項(xiàng)目考察來看，低溫下，低溫催化劑還是存在一些需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方。

(1) 低溫活性低，穩(wěn)定性不高

從考察來看，很多項(xiàng)目存在運(yùn)行溫度比催化劑選型溫度高20～30℃，有的甚至50℃。這說明低溫催化劑在設(shè)計(jì)溫度下活性仍然偏低，不足以確保排放指標(biāo)達(dá)標(biāo)，只能夠提升運(yùn)行溫度來提高催化劑活性。而提升運(yùn)行溫度，則能夠?qū)崿F(xiàn)的煤氣節(jié)省將更少了。

此外，在測試低溫催化劑活性的實(shí)驗(yàn)中，反饋數(shù)據(jù)體現(xiàn)，其脫硝效率達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間遠(yuǎn)比常規(guī)中溫催化劑長幾倍。且在工程測試中，當(dāng)運(yùn)行溫度從更高溫度向催化劑設(shè)計(jì)溫度降低時(shí)，其他參數(shù)基本不變的情況，會(huì)發(fā)現(xiàn)一段長時(shí)間內(nèi)出口NOX不好控制，脫硝效率臨界的情況。這說明，低溫催化劑達(dá)到反應(yīng)穩(wěn)定的時(shí)間不長，響應(yīng)性較差，穩(wěn)定性不高。

(2) 低溫硫酸氫銨中毒

低溫催化劑硫酸氫銨中毒現(xiàn)象主要是因?yàn)镾O2被催化劑氧化成SO3，然后與NH3和H2O 反應(yīng)生成NH4HSO4，生成的硫酸氫銨冷凝占據(jù)催化劑表面的活性位點(diǎn)，堵塞催化劑孔道，阻止了脫硝反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致催化劑中毒失活。燒結(jié)SCR 脫硝硫酸氫銨的露點(diǎn)溫度在250～260℃，為此低溫催化劑普遍運(yùn)行在硫酸氫銨露點(diǎn)一下，存在中毒問題。目前，低溫催化劑主要通過定期安排熱解析來解決，但實(shí)際如何判定什么時(shí)候需要進(jìn)行熱解析，并未有很好的判定模型，而純粹是靠現(xiàn)場運(yùn)行狀況來判斷，而待運(yùn)行狀況都體現(xiàn)出來了，此時(shí)催化劑中毒已經(jīng)就比較嚴(yán)重了，整體氨逃逸已經(jīng)嚴(yán)重超標(biāo)。

此外，低溫催化劑受前端脫硫、除塵的影響較大，一旦前端脫硫、除塵不夠穩(wěn)定，催化劑中毒將會(huì)非常迅速，屆時(shí)不僅不能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)省煤氣，反而可能帶來環(huán)保超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。為此前端脫硫除塵的優(yōu)劣對(duì)后端低溫SCR 脫硝運(yùn)行有重大影響。

(3) 低溫運(yùn)行氨逃逸高、煙囪冒藍(lán)煙

由于低溫催化劑活性低，穩(wěn)定性不高、硫酸氫銨中毒的問題，也帶來低溫催化劑項(xiàng)目普遍存在氨逃逸高，其氨逃逸基本均超標(biāo)準(zhǔn)值幾倍甚至幾十倍。氨氣作為堿性氣體，其隨煙囪排入大氣，極易與煙氣中的SOX和NOX結(jié)合生成硫酸銨和硝酸銨PM2.5。這些PM2.5將形成藍(lán)色煙羽，煙囪冒藍(lán)煙，拖尾嚴(yán)重，為某項(xiàng)目采用低溫催化劑運(yùn)行時(shí)煙囪冒藍(lán)煙的情況。

隨著大氣污染綜合治理的推進(jìn)，后續(xù)氨逃逸若成為一項(xiàng)與NOX排放相同要求的污染物排放控制指標(biāo)，這將對(duì)低溫SCR 脫硝是不利的。

4 結(jié)語

燒結(jié)SCR 脫硝在GGH 按照中溫選型，低溫運(yùn)行的條件下，運(yùn)行溫度的降低將會(huì)使得GGH 換熱端差降低，所需加熱升溫的煤氣量也將減少，可一定程度上減少煤氣消耗。但同時(shí)也會(huì)帶來催化劑投資及后期更換費(fèi)用的增加。

綜合對(duì)比不同運(yùn)行溫度下煤氣消耗及催化劑更換成本，當(dāng)運(yùn)行溫度從280℃降低至250℃時(shí)，運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省率為50 萬～60 萬元/10℃，運(yùn)行溫度從250℃降低至210℃時(shí)，運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省率下降至15 萬～20 萬元/10℃，運(yùn)行溫度進(jìn)一步降低，反而整體運(yùn)行費(fèi)用會(huì)隨催化劑更換成本的大幅增加而有所增加。

燒結(jié)低溫SCR 脫硝目前普遍存在催化劑活性低、穩(wěn)定性不足的問題，很多項(xiàng)目存在運(yùn)行溫度比設(shè)計(jì)溫度高20～30℃現(xiàn)象，實(shí)際節(jié)省煤氣將會(huì)更低。此外硫酸氫銨中毒也是燒結(jié)低溫SCR 脫硝的共性問題，目前的熱解析措施還不夠完善，難以解決由此帶來氨逃逸高、煙囪冒藍(lán)煙的不利影響。

針對(duì)燒結(jié)SCR 脫硝運(yùn)行溫度，建議需要從脫硝性能、系統(tǒng)響應(yīng)能力以及運(yùn)行費(fèi)用綜合考量來選取。在前端脫硫穩(wěn)定可靠的前提條件下，可考慮將SCR 脫硝運(yùn)行溫度設(shè)置在250℃左右，既能夠有效節(jié)省SCR系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，又能夠減緩催化劑中毒堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。