淺談燒結(jié)煙氣超低排放技術(shù)

呂 平，雷國鵬

（西安西礦環(huán)?？萍加邢薰?，陜西 西安 710075）

1 概述

2018-01，環(huán)保部發(fā)布《關(guān)于京津冀大氣污染傳輸通道城市執(zhí)行大氣污染物特別排放限值的公告》，要求 “2+26”城市自2018-10-01起全面執(zhí)行大氣污染物排放標準特別排放限值。2018-05，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《鋼鐵企業(yè)超低排放改造工作方案》（征求意見稿），再次刷新了對燒結(jié)煙氣污染物的排放限制規(guī)定，將燒結(jié)機頭煙氣、球團焙燒煙氣顆粒物、二氧化硫、氮氧化物的排放限值由特別排放限制20 mg/m3、50 mg/m3、100 mg/m3修改為 10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3，并規(guī)定所有具備條件的鋼鐵企業(yè)按區(qū)域分別于2020年、2022年、2025年完成超低排放改造。2018年，我國將全面啟動鋼鐵行業(yè)超低排放改造。隨著電力行業(yè)超低排放的成功應(yīng)用和全面普及，對包括鋼鐵燒結(jié)在內(nèi)的非電領(lǐng)域?qū)嵤俺团欧拧敝卫韺⑹谴髣菟叀?/p>

2 國內(nèi)燒結(jié)煙氣治理現(xiàn)狀

燒結(jié)是鋼鐵生產(chǎn)的重要工序，一方面，高質(zhì)量的燒結(jié)礦能夠提高高爐的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本；另一方面，燒結(jié)是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的固體廢物處理中心，鐵、磷、除塵污泥、除塵灰等生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的絕大多數(shù)含鐵廢物都能作為燒結(jié)生產(chǎn)原料重新回到生產(chǎn)流程中。由于燒結(jié)過程中使用多種原燃料，因此，燒結(jié)煙氣成分比燃煤鍋爐煙氣復(fù)雜，燒結(jié)機頭煙氣污染物排放量占比大，顆粒物、SO2、NOx排放量分別占鋼鐵廠排放總量的40%，70%，50%以上；同時，燒結(jié)煙氣中含有SO2、NOx、HF、重金屬、二英等多種有害氣態(tài)污染物及含鐵粉塵、重金屬等固態(tài)污染物，對環(huán)境危害極大。因此，全面控制燒結(jié)煙氣中的顆粒物、SO2、NOx等多污染物排放已經(jīng)成為鋼鐵企業(yè)控制污染的重點工作。

在治理初期，我國燒結(jié)廠采取的廢氣治理措施很少，只是為了保護風(fēng)機，才在燒結(jié)機機頭煙氣系統(tǒng)中設(shè)置了旋風(fēng)或多管除塵器。隨著安全防塵和環(huán)境保護要求的提高，從治理主要塵源逐步發(fā)展到治理生產(chǎn)流程中的各個塵源，鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有環(huán)保水平與新標準排放限值相比，還存在較大差距。在燒結(jié)粉塵治理方面，目前，國內(nèi)大多數(shù)燒結(jié)廠家仍然采用3～5電場電除塵器，而采用濕法脫硫的燒結(jié)煙氣處理工藝，幾乎都沒有加裝濕式電除塵器；再加上燒結(jié)煙氣粉塵具有高比電阻和粉塵粒徑細的特點，對粉塵的捕集十分不利，且易造成二次飛揚，致使除塵效率下降?，F(xiàn)階段，多數(shù)燒結(jié)廠顆粒物排放濃度一般在50～80 mg/m3之間，有些甚至大于100 mg/m3，遠遠超過超低排放值規(guī)定的10 mg/m3的要求。在二氧化硫治理方面，燒結(jié)煙氣二氧化硫超低排放限值為35 mg/m3，而目前未配套脫硫設(shè)施的企業(yè)排放濃度通常在600 mg/m3以上，即使已經(jīng)配套了脫硫設(shè)施，根據(jù)環(huán)保部的減排核查結(jié)果，燒結(jié)脫硫設(shè)施平均綜合脫硫效率不足50%，與新標準要求相距甚遠。在氮氧化物治理方面，燒結(jié)過程中產(chǎn)生的氮氧化物80%～90%來源于燃料中的氮，且90%以上為一氧化氮，5%～10%為二氧化氮和微量一氧化二氮，產(chǎn)生量為0.4～0.7 kg/t，排放量占鋼鐵廠NO總量的50%左右，排放濃度一般為200～350 mg/m3，與氮氧化物50 mg/m3的超低排放限相距甚遠。燒結(jié)所使用的燃料中氮的含量不同、燒結(jié)過程溫度的波動、燒結(jié)礦產(chǎn)量的變化等都會直接影響到氮氧化物的產(chǎn)生，由此造成燒結(jié)機排放煙氣中氮氧化物濃度的不同與變化。與燃煤電廠相比，包括鋼鐵在內(nèi)的非電行業(yè)對我國污染排放貢獻越來越大，鋼鐵企業(yè)的環(huán)保治理相對比較落后，排放標準相比燃煤電廠也較為寬松。鋼鐵企業(yè)要在短時間內(nèi)實現(xiàn)全面提效改造，實現(xiàn)超低排放，改造任務(wù)十分艱巨。

3 燒結(jié)煙氣超低排放技術(shù)路線

隨著國家標準對燒結(jié)煙氣污染物排放限值的不斷修訂和環(huán)保要求的不斷提高，以往對燒結(jié)煙氣“頭疼醫(yī)頭，腳疼醫(yī)腳”的單一治理方式已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)今環(huán)保形勢的要求。與火電廠燃煤鍋爐不同的是，鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)工序復(fù)雜，污染源數(shù)量多。針對燒結(jié)煙氣的特殊性，要想實現(xiàn)燒結(jié)煙氣超低排放，必須結(jié)合鋼鐵企業(yè)的實際情況，采用最優(yōu)的治理方案對塵—硫—硝進行綜合治理，實現(xiàn)多污染物的協(xié)同處理，才能從根本上解決燒結(jié)煙氣的超低排放問題。從目前各種大氣污染治理技術(shù)來看，實現(xiàn)鋼鐵燒結(jié)機頭煙氣超低排放，主要有以下4種技術(shù)路線：①高效靜電除塵器+活性炭脫硫脫硝一體化裝置+布袋除塵器工藝；②高效靜電除塵器+煙氣加熱裝置+中高溫SCR脫硝裝置+煙氣換熱裝置+石灰石石膏法脫硫裝置+濕式靜電除塵器+選裝脫白裝置；③高效靜電除塵器+煙氣加熱裝置+中高溫SCR脫硝裝置+煙氣換熱裝置+高效脫硫除塵除霧裝置（塵硫一體化裝置）；④高效靜電除塵器+煙氣加熱裝置+中高溫SCR脫硝裝置+煙氣換熱裝置+MEROS干法脫硫裝置+布袋除塵器工藝。

對于燒結(jié)煙氣來說，無論是除塵技術(shù)，還是脫硫工藝，都已十分成熟，也形成了一整套的技術(shù)路線，只要技術(shù)選用合理、設(shè)計規(guī)范、工程質(zhì)量過關(guān)，完全可以實現(xiàn)鋼鐵燒結(jié)煙氣的超低排放，顯著削減鋼鐵企業(yè)大氣污染物排放量。

3.1 高效除塵技術(shù)

靜電除塵器技術(shù)以其安全、可靠、除塵效率高的特點仍作為各行業(yè)煙氣治理技術(shù)的首選。目前，國內(nèi)大多數(shù)燒結(jié)煙氣除塵仍采用電除塵器，隨著時間的推移，高效除塵器數(shù)量逐漸增加，而低效除塵器逐漸減少。除塵器的形式也發(fā)生了變化，由電除塵器替代了效率較為低下的旋風(fēng)除塵器和多管除塵器，電除塵器的選型也由原來3電場改為4～5電場。針對燒結(jié)煙氣高比電阻的特點，在實際工作中，著重考慮電場風(fēng)速、比集塵面積、電源形式和結(jié)構(gòu)形式等，確保電除塵器的高效、可靠運行。隨著環(huán)保排放標準的不斷提升和各地非電行業(yè)超低排放政策的相繼出臺，電除塵技術(shù)，特別是提效改造技術(shù)仍有較大的發(fā)展空間，電除塵器技術(shù)將在包括鋼鐵燒結(jié)在內(nèi)的非電行業(yè)，實現(xiàn)技術(shù)全面提升和市場全面拓展。眾所周知，布袋除塵器以其除塵效率高、不受工況波動影響等諸多優(yōu)點在各行業(yè)煙塵治理領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。在燒結(jié)煙氣超低排放處理路線中，布袋除塵器布置在活性炭脫硫脫硝裝置和半干法脫硫裝置后，其功能有2個：①進一步將煙氣中的粉塵和固體顆粒物分離出來，在出口處產(chǎn)生清潔無塵煙氣，起到精除塵的作用；②在布袋外側(cè)不斷累積粉塵層，包括消石灰干粉和活性炭，這樣煙氣中的污染物在半干法脫酸塔后可以與煙氣中的有害酸性氣體繼續(xù)反應(yīng)，提高去除效率，同時，吸附重金屬和有機物等。

濕式電除塵器（WESP）作為煙氣治理工藝的終端設(shè)備布置在濕法脫硫裝置后，它可以有效收集微細顆粒物（PM2.5、SO3酸霧、氣溶膠）、重金屬（Hg、As、Se、Pb、Cr）、有機污染物（多環(huán)芳烴、二英等），除塵效率可達70%～85%，有效控制脫硫塔后細顆粒物、硫酸霧滴和石膏漿液等污染物的排放，同時，解決WFGD帶來的“石膏雨”、藍煙的問題，緩解下游煙道煙囪腐蝕的情況，節(jié)約防腐成本。目前，國內(nèi)采用的濕法脫硫幾乎都沒有加裝WESP，顆粒物排放濃度一般只能達到50～80 mg/m3，在這種情況下實現(xiàn)超低排放是不可能的。在濕法脫硫后建設(shè)濕式電除塵器，完全可以作為煙囪前的最后一道技術(shù)把關(guān)措施，在實現(xiàn)超低排放，全面解決煙塵、PM2.5、石膏雨、SO3、汞、多種重金屬、二英和多環(huán)芳烴（PAHs）等多種污染物問題方面發(fā)揮重要作用，為治理霧霾作出貢獻。因此，鋼鐵企業(yè)濕法脫硫系統(tǒng)后加裝WESP是達到環(huán)保超低排放的必要措施，應(yīng)用前景廣闊。

3.2 高效脫硫技術(shù)

3.2.1 石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)

石灰石—石膏濕法是目前國內(nèi)外應(yīng)用范圍最廣、技術(shù)最成熟的脫硫技術(shù)。濕法脫硫工藝的高效性、可靠性在火電燃煤鍋爐煙氣治理中已經(jīng)得到充分證明。目前，在我國已有燒結(jié)煙氣脫硫裝置中，約有80%是濕法，有60%是石灰石膏法。石灰石—石膏法工藝系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，效率高，一般可達90%以上，工業(yè)化應(yīng)用廣泛，煙氣處理量大，系統(tǒng)適應(yīng)負荷變化能力強，吸收劑價格便宜，易得且利用率高，副產(chǎn)品為二水石膏，可回收再利用。

3.2.2 高效脫硫除塵除霧（塵硫一體化）技術(shù)

采用雙氣旋脫硫增效器+多級氣旋除塵除霧器相結(jié)合技術(shù)，在空塔噴淋吸收塔內(nèi)加裝雙氣旋脫硫增效氣液耦合器，使?jié){液液滴與煙氣充分混合碰撞，煙氣迅速降溫，為上層噴淋層漿液吸收二氧化硫提供最佳反應(yīng)溫度，從而擴大了有效的吸收空間，有效降低液氣比，減少噴淋層加裝量，降低改造投入費用和運行成本，有效解決了煙氣偏流和煙氣降溫的問題，使得整個吸收系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定、可靠，避免液滴二次破碎霧化產(chǎn)生氣液夾帶造成漿液二次污染的問題。

經(jīng)噴淋處理后的脫硫凈煙氣含有大量的霧滴，霧滴由漿液液滴、凝結(jié)液滴和塵顆粒組成，當(dāng)這部分煙氣進入多級氣旋高效除塵除霧器時，氣旋板使脫硫凈煙氣在氣旋筒內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，在氣旋器上方形成氣液兩相的劇烈旋轉(zhuǎn)和擾動，從而使得凈煙氣中的細小液滴、細微粉塵顆粒、氣溶膠等微小顆粒物互相碰撞團聚成大液滴。在氣旋板的作用下，脫硫凈煙氣向外做離心運動，聚合形成的大液滴與氣旋筒壁碰撞，被氣旋筒壁表面液膜捕獲，從而達到去除微小顆粒物和高效除塵除霧的目的。該技術(shù)對煙氣污染物含量和負荷波動適應(yīng)性強，負荷30%～100%均可穩(wěn)定運行。系統(tǒng)整體工程量小、簡單易行、可靠性高。到目前為止，采用該技術(shù)運行的脫硫裝置可實現(xiàn)穩(wěn)定脫硫效率99%以上，除塵效率超過70%，完全實現(xiàn)了煙塵和SO2超凈排放，徹底消除了“石膏雨”“酸雨”現(xiàn)象，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠性高。

3.2.3 MEROS改進型干法燒結(jié)廢氣處理工藝

MEROS是一種高效的干法煙氣脫硫工藝，是由西門子奧鋼聯(lián)針對燒結(jié)廠和球團廠廢氣處理而開發(fā)的。該工藝技術(shù)主要分3步進行：①將脫硫劑（消石灰）和碳基吸附劑（活性碳或活性褐煤）逆向噴吹到燒結(jié)廢氣管道中，以吸附酸性氣體，去除重金屬和有機物成分；②廢氣通過調(diào)節(jié)反應(yīng)器并用雙流（水／壓縮空氣）噴嘴進行冷卻和加濕，以促進廢氣中SO2和其他酸性氣體成分的反應(yīng)，加快脫除速度；③經(jīng)過調(diào)節(jié)反應(yīng)器的廢氣高效布袋除塵器分離粉塵。

MEROS技術(shù)投入工業(yè)應(yīng)用后，燒結(jié)廢氣的凈化效果完全達到了預(yù)期指標，在高效脫除SO2的同時（脫硫效率可達90%以上），粉塵排放量減少了99%以上，降到5 mg/Nm3以下；汞和鉛的排放分別減少了97%和99%；有機物，比如二英和呋哺（PCDD/F）以及有機揮發(fā)分去除了99%以上。該技術(shù)與其他煙氣脫硫技術(shù)相比的優(yōu)勢在于，可以選擇多種脫硫劑，末尾采用高效的布袋除塵器來把關(guān)出口煙氣，可完全達到業(yè)主和環(huán)保標準要求的污染物排放濃度。同時，該技術(shù)采用廢氣循環(huán)系統(tǒng)，將部分燒結(jié)煙氣循環(huán)使用，以減少廢氣量，提高凈化效率，大幅度降低添加劑的成本。該技術(shù)不僅可以高效脫除煙氣中的SO2，還可以有效去除HCl、HF、Hg以及各種有機廢氣，實現(xiàn)多種污染物協(xié)同處理，符合未來煙氣治理的大方向，可深度有效地凈化燒結(jié)廢氣，有著廣闊的發(fā)展空間。

3.3 SCR脫硝和活性炭吸附技術(shù)

燒結(jié)機頭煙氣除塵、脫硫工藝都已經(jīng)十分成熟，形成了一整套的技術(shù)路線，但脫硝應(yīng)用的實例還比較少。目前，燒結(jié)機頭煙氣脫硝工藝有以下幾種：氧化法脫硝、中低溫SCR脫硝、中高溫SCR脫硝和活性炭脫硝。根據(jù)燒結(jié)煙氣的特點，建議把中高溫SCR脫硝和活性炭脫硝作為燒結(jié)煙氣脫硝的可行技術(shù)。

3.3.1 中高溫SCR脫硝技術(shù)

氧化法脫硝和中低溫SCR脫硝技術(shù)都存在著一些弊端，使其應(yīng)用受到一定的影響。長期連續(xù)大量采用氧化脫硝工藝進行煙氣脫硝，會導(dǎo)致脫硫脫硝副產(chǎn)物中產(chǎn)生大量的硝酸鈣，對副產(chǎn)物的綜合利用會產(chǎn)生一定的影響，其影響程度以及相應(yīng)的對策途徑還需作進一步的研究。中低溫SCR脫硝，其反應(yīng)溫度區(qū)間在200℃以下，與中高溫SCR脫硝相比更接近鋼鐵燒結(jié)煙氣溫度。但是，目前中低溫SCR脫硝應(yīng)用于燒結(jié)煙氣，仍有4個關(guān)鍵問題需要解決：①中低溫SCR脫硝催化劑抗毒性比較差，易受到煙氣中硫氧化物、水、重金屬等物質(zhì)的影響，因此，中低溫SCR脫硝裝置只能布置在除塵、脫硫塔后部；②燒結(jié)煙氣溫度，特別是脫硫后的煙氣溫度，無法達到中低溫SCR脫硝反應(yīng)溫度區(qū)間，仍然需要進行煙氣再加熱；③與中高溫SCR脫硝催化劑相比，中低溫SCR脫硝催化劑的造價和運行費用比較高；④中低溫SCR催化劑對燒結(jié)煙氣中的二英沒有去除作用。

中高溫SCR脫硝，即在催化劑的作用下，向溫度320～450℃的煙氣中噴入NH3，利用NH3將NO和NO2還原成N2和H2O的工藝過程，是迄今為止比較成熟、應(yīng)用最廣的脫硝技術(shù)，具有較高的脫硝效率，其脫硝效率可達80%～90%.中高溫SCR脫硝是在火電燃煤鍋爐煙氣脫硝中應(yīng)用十分成熟的脫硝工藝，完全可以將其移植至燒結(jié)煙氣上，關(guān)鍵是SCR脫硝裝置前的煙氣加熱系統(tǒng)和SCR脫硝裝置后的煙氣換熱系統(tǒng)的設(shè)計。在實際應(yīng)用過程中，將煙氣換熱回收的熱量再用于前端加熱煙氣，可以降低能耗，即啟動中高溫SCR脫硝裝置時需要將150℃左右的煙氣加熱至280℃以上，消耗的熱源比較大；在設(shè)備正常運行過程中，通過換熱器回收熱量再利用，只需要額外再補充30～50℃升溫即可。另外，中高溫SCR脫硝還需將反應(yīng)溫度區(qū)間控制在300℃以下，避免二英在分解后再次合成。

3.3.2 活性炭吸附技術(shù)

活性炭吸附技術(shù)是目前公認的、最適用于鋼鐵燒結(jié)煙氣多污染物的協(xié)同治理技術(shù)?；钚蕴繜煔鈨艋夹g(shù)以物理-化學(xué)吸附和催化反應(yīng)原理為基礎(chǔ)，以活性炭為吸附劑，吸附煙氣中的S02，完成吸附后的活性炭再通過加熱的方式再生，解吸出高濃度S02混合氣體可用來制取98%商品硫酸，脫硫率可達95%.由于活性炭的催化作用，加入適量的氨可將煙氣中的NOx還原成N2和H2O，脫硝效率可達到50%.除了脫硫和脫硝，該技術(shù)可同步脫除碳氫化合物，比如二英，重金屬，比如水銀及其他有毒物質(zhì)，整個反應(yīng)過程無廢水、廢渣排放，無需煙氣再熱，無二次污染，技術(shù)先進成熟，在實現(xiàn)煙氣綜合治理的同時使廢物得到資源化利用。

活性炭脫硝工藝在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)采用兩段式設(shè)計，在前端脫硫反應(yīng)結(jié)束后再噴氨進行脫硝，以提升脫硝效率，同時，有必要在活性炭裝置后增設(shè)高效袋式除塵器，以確保實現(xiàn)氮氧化物的超低排放。

一直以來，活性炭工藝被認為是最適用于鋼鐵燒結(jié)煙氣的多污染物協(xié)同治理技術(shù)，但由于活性炭工藝對系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備配置和運行管理的要求比其他治理工藝更加嚴格，活性炭生產(chǎn)過程產(chǎn)生的廢氣、廢水污染嚴重，治理難度大，隨著活性炭使用量的增加，不僅會大幅增加上游產(chǎn)業(yè)鏈的污染物排放量，還會讓活性炭的價格飛漲，進一步增加活性炭裝置的運行成本。同時，由于活性炭裝置的副產(chǎn)物硫酸的利用途徑有限，且屬于危險化學(xué)品，活性炭工藝大面積推廣后，活性炭使用量和硫酸副產(chǎn)物產(chǎn)生量將大幅增加，在硫酸的貯存、運輸和利用方面還存在一系列問題，因此，活性炭工藝的大面積推廣會受到一定程度的制約。

由于燒結(jié)所使用的原料中硫、氮的含量不同，燒結(jié)過程溫度的波動、燒結(jié)礦產(chǎn)量的變化和不同的生產(chǎn)工藝等因素都會影響到燒結(jié)煙氣污染物的產(chǎn)生量，對燒結(jié)煙氣的治理路線也各不相同。在上述鋼鐵燒結(jié)煙氣超低排放技術(shù)路線的基礎(chǔ)上，鋼鐵企業(yè)還可以實施煙氣循環(huán)改造，將部分燒結(jié)機頭煙氣再次引至燒結(jié)料層表面，循環(huán)再利用，使廢氣外排總量減少20%～40%，從而進一步減少顆粒物、SO2、NOx的排放量，同時，還可以減少后續(xù)除塵、脫硫、脫硝裝置投資和運行費用。除此之外，煙氣循環(huán)還可將廢氣中的CO及其他可燃有機物通過燒結(jié)燃燒帶時重新燃燒，有效減少燒結(jié)廢氣中CO的排放量，實現(xiàn)燒結(jié)煙氣的超低排放。

4 結(jié)束語

隨著包括鋼鐵燒結(jié)在內(nèi)的非電領(lǐng)域煙氣超凈治理時代的全面到來，2025年底前，我國將完成鋼鐵產(chǎn)能改造近20億噸，鋼鐵行業(yè)整體超低排放改造市場空間超過800億元，市場空間將穩(wěn)步釋放，市場前景廣闊。燒結(jié)煙氣作為鋼鐵企業(yè)大氣污染的主要來源，現(xiàn)在乃至今后都將是鋼鐵企業(yè)環(huán)保治理的重點，多污染物協(xié)同治理技術(shù)的開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用也是未來燒結(jié)煙氣綜合治理的發(fā)展方向。排污治理將會向塵—硫—硝多污染物綜合治理的方向發(fā)展，因此，應(yīng)當(dāng)根據(jù)各鋼鐵企業(yè)的具體情況，選擇最適合的煙氣凈化工藝，在粉塵治理的基礎(chǔ)上兼顧SO2、NOx、二英等多污染物的治理，逐步消除燒結(jié)煙氣污染給經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境帶來的消極影響，促進鋼鐵企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。