燒結(jié)機(jī)煙氣SCR脫硝系統(tǒng)前置和后置之技術(shù)分析

趙 博

（浙江德創(chuàng)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，浙江 紹興 312000）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)鋼鐵需求量的日益增加，鋼鐵工業(yè)已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。據(jù)中鋼協(xié)統(tǒng)計(jì)，2016年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量達(dá)8.08億t，占全球粗鋼產(chǎn)量的49.7%。隨著產(chǎn)量的不斷攀升，鋼鐵企業(yè)的大氣污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。鋼鐵工業(yè)是我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域主要排污大戶之一，根據(jù)2016年中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒，二氧化硫、氮氧化物、煙粉塵排放量分別為203.8萬(wàn)t、267.1萬(wàn)t、240.3萬(wàn)t、占工業(yè)企業(yè)排放總量的比例分別為14.5%、24.5%、21.7%[1]。燒結(jié)作為鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中污染最嚴(yán)重的工藝環(huán)節(jié)之一，其煙氣中的顆粒物、SO2、NOx排放量分別約占鋼鐵生產(chǎn)總排放量的20%、60%、50%，燒結(jié)煙氣的治理已經(jīng)成為鋼鐵企業(yè)環(huán)保達(dá)標(biāo)的重中之重。

2017年6月，原環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了《鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（修改單（征求意見(jiàn)稿）），將燒結(jié)機(jī)和球團(tuán)焙燒設(shè)備特別排放限值的顆粒物限值調(diào)整為20 mg/Nm3、二氧化硫限值調(diào)整為 50 mg/Nm3、氮氧化物限值調(diào)整為100 mg/Nm3[2]。

2018年9月，河北省印發(fā)《鋼鐵工業(yè)大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB13/2169-2018），提出燒結(jié)機(jī)頭（球團(tuán)焙燒）煙氣在基準(zhǔn)含氧量16%條件下，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放限值分別為10 mg/Nm3、 35 mg/Nm3、50 mg/Nm3，其他工序顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放限值分別為10 mg/Nm3、50 mg/Nm3、150 mg/Nm3[3]?，F(xiàn)有企業(yè)要求自2020年10月1日起執(zhí)行，新建企業(yè)要求自2019年1月1日實(shí)施之日起執(zhí)行。鋼鐵行業(yè)邁入超低排放時(shí)代。

我國(guó)燒結(jié)煙氣脫硫早在2004年由廣州鋼鐵廠在 24 m2燒結(jié)廠初步實(shí)施，于2007年全面實(shí)施。據(jù)原環(huán)境保護(hù)部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，至2014年，全國(guó)燒結(jié)機(jī)脫硫設(shè)施共有526臺(tái)，已有脫硫設(shè)施的燒結(jié)機(jī)面積達(dá)8.7萬(wàn)m2， 占燒結(jié)機(jī)面積的63%。從公布的清單分析，干法、半干法占17%，濕法占87%。除部分已建的干法（活性炭法）燒結(jié)脫硫脫硝一體化處理設(shè)施外，燒結(jié)機(jī)煙氣脫硫脫硝的實(shí)例較少，因此結(jié)合現(xiàn)有燒結(jié)脫硫裝置，改造加裝SCR脫硝系統(tǒng)是接下來(lái)的存量燒結(jié)裝置環(huán)保改造的主流方向。

在現(xiàn)在半干法、濕法脫硫裝置基礎(chǔ)上加裝SCR系統(tǒng)有脫硝前置和脫硝后置兩種工藝路線，即SCR系統(tǒng)設(shè)于脫硫裝置之前或脫硫裝置之后，兩種工藝路線在技術(shù)上各有優(yōu)劣，運(yùn)行成本上亦有所差異，現(xiàn)以濕法脫硫+SCR組合脫硫脫硝為基準(zhǔn)，對(duì)兩種工藝進(jìn)行簡(jiǎn)要技術(shù)、經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析。

1 脫硝前置工藝

圖1 前置SCR脫硝裝置流程

主抽風(fēng)機(jī)出口煙氣進(jìn)入GGH加熱至約300℃，并經(jīng)高爐煤氣燃燒加達(dá)到320℃或更高溫度后進(jìn)入SCR反應(yīng)器進(jìn)行脫硝反應(yīng)，脫硝后的煙氣經(jīng)GGH回收部分熱量后經(jīng)增壓風(fēng)機(jī)加壓，進(jìn)入FGD系統(tǒng)進(jìn)行脫硫處理，脫硫凈煙氣進(jìn)入煙囪外排。

1.1 前置SCR脫硝的優(yōu)勢(shì)

采用前置脫硝工藝，由于煙氣未經(jīng)脫硫處理，SO2濃度較高，考慮到脫硝催化劑的特性，宜選用反應(yīng)溫度320℃以上的高溫催化劑。高溫催化劑在電力行業(yè)SCR脫硝系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟可靠，成本較低。

由于原始燒結(jié)煙氣煙溫較高，采用圖1所示熱平衡計(jì)算設(shè)計(jì)，經(jīng)GGH加熱后的原煙氣僅需加熱約20℃即可達(dá)到高溫催化劑反應(yīng)溫度要求。由于煙氣未經(jīng)脫硫，含水量低，煙氣加熱所需要的能耗（高爐煤氣）較少，運(yùn)行成本相對(duì)較低。

1.2 前置SCR脫硝的劣勢(shì)

由于燒結(jié)煙氣未經(jīng)脫硫，進(jìn)入SCR系統(tǒng)的煙氣SO2濃度較高，以高溫催化劑SO2/SO3轉(zhuǎn)化率1%為基準(zhǔn)，以一臺(tái)265 m2燒結(jié)機(jī)為例，前置脫硝每小時(shí)NH4HSO4生成量＞100 kg，NH4HSO4在146～207℃（低灰條件）溫度區(qū)間范圍內(nèi)會(huì)凝結(jié)成液態(tài)，而恰恰GGH換熱元件在運(yùn)行中部分區(qū)域處于這一溫度區(qū)間范圍內(nèi)，凝結(jié)于換熱元件上的液態(tài)NH4HSO4捕捉飛灰能力極強(qiáng)，會(huì)與煙氣中的飛灰粒子相結(jié)合，附著于換熱元件上形成融鹽狀的積灰，造成預(yù)熱器的腐蝕、堵灰等，進(jìn)而降低預(yù)熱器的換熱效率，增大煙氣阻力，增大系統(tǒng)運(yùn)行及維護(hù)成本。

對(duì)于大量采用濕法脫硫裝置的現(xiàn)有燒結(jié)機(jī)，由于濕法脫硫后的煙氣為40～50℃飽和濕煙氣，擴(kuò)散條件不佳且水氣易凝結(jié)，普遍存在“煙囪雨”及白色煙羽現(xiàn)象，如考慮到進(jìn)一步的煙氣脫白要求，需要另外加裝MGGH等煙氣再熱裝置，投資成本和運(yùn)行成本會(huì)有所增加。

2 脫硝后置工藝

主抽風(fēng)機(jī)出口煙氣進(jìn)入FGD系統(tǒng)進(jìn)行脫硫處理，脫硫后煙氣進(jìn)入GGH加熱至約240℃，并經(jīng)高爐煤氣燃燒加達(dá)到280℃后進(jìn)入SCR反應(yīng)器進(jìn)行脫硝反應(yīng)，脫硝后的煙氣經(jīng)GGH回收部分熱量后經(jīng)增壓風(fēng)機(jī)加壓進(jìn)入煙囪外排。

2.1 后置SCR脫硝的優(yōu)勢(shì)

采用后置脫硝工藝，由于煙氣已經(jīng)過(guò)脫硫處理，SO2濃度降至50 mg/Nm3以?xún)?nèi)，可以選用寬溫催化劑或低溫催化劑，且由催化劑副作用所導(dǎo)致的SO3生成會(huì)大幅度降低，從而減少NH4HSO4生成。以一臺(tái)265 m2燒結(jié)機(jī)為例，后置脫硝每小時(shí)NH4HSO4生成量＜10 kg， 大大減輕后續(xù)GGH換熱元件的腐蝕，少量NH4HSO4可通過(guò)GGH的吹掃系統(tǒng)進(jìn)行清除，保證GGH的換熱效率和整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖2 后置SCR脫硝裝置流程

GGH（煙氣-煙氣換熱器）作為熱量回收裝置，其作用主要是以脫硝反應(yīng)后的高溫?zé)煔饧訜酳CR入口的低溫?zé)煔?，回收外排煙氣中的熱量以降低系統(tǒng)加熱能耗。在不考慮系統(tǒng)散熱損失的情況下，需要輸入系統(tǒng)的能量主要取決于GGH凈煙氣側(cè)排煙與原煙氣側(cè)進(jìn)煙的溫度差，溫差越小，能耗越低，但兼顧到GGH的換熱效率和投資成本，最終排煙溫度不宜設(shè)置過(guò)低，通常選取70～90℃，大大高于濕法脫硫出口50℃的煙溫，有利于煙囟排煙擴(kuò)散，減少濕煙氣白色煙羽的產(chǎn)生量。

2.2 后置SCR脫硝的劣勢(shì)

由于脫硫后煙氣溫度較低（40～50℃），在參與脫硝反應(yīng)前，需與脫硝后煙氣在GGH換熱器中進(jìn)行換熱及熱量回收，受GGH技術(shù)和選型限制，宜采用寬溫催化劑，設(shè)計(jì)反應(yīng)溫度280℃為例，換熱后的煙氣仍需加熱約40℃才能滿足脫硝反應(yīng)要求。由于煙氣經(jīng)過(guò)濕法脫硫后含水量增加，加熱所用高爐煤氣量較大，能耗成本較高。

3 技術(shù)綜合對(duì)比

技術(shù)綜合對(duì)比如表1所示。

表1 技術(shù)綜合對(duì)比

4 結(jié)論

兩條工藝路線均可以滿足脫硫、脫硝系統(tǒng)的協(xié)同處理要求：前置SCR脫硝工藝在運(yùn)行成本上具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是存在一定的硫銨鹽腐蝕堵塞風(fēng)險(xiǎn)，在燒結(jié)煙氣SO2濃度較低時(shí)具備一定的工藝優(yōu)勢(shì)；后置SCR脫硝工藝運(yùn)行穩(wěn)定可靠性高，但運(yùn)行成本相對(duì)于前置脫硝更高，在燒結(jié)煙氣SO2濃度較高時(shí)是一個(gè)好的選擇。因此，人們需要綜合考慮燒結(jié)機(jī)運(yùn)行工況、煙氣條件、指標(biāo)要求以及場(chǎng)地條件等因素，選擇和確定工藝路線。