燒結(jié)煙氣脫硫脫硝技術(shù)新趨勢的探討

呼廣輝

北京中航泰達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?/p>

1 引言

2016年以來，無論地方層面還是國家層面的環(huán)保主管部門，均陸續(xù)發(fā)布了若干鋼鐵工序煙氣污染物的超低排放標(biāo)準(zhǔn)。以鋼鐵大省河北省為例，在2018年下半年，發(fā)布了《鋼鐵工業(yè)大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定燒結(jié)煙氣、球團(tuán)煙氣中的粉塵顆粒物、SO2和NOx 排放限值不得超過10、35 和50 毫克/立方米（標(biāo)況、干煙氣，16%的基準(zhǔn)氧含量），并要求河北省現(xiàn)有企業(yè)從2020年10月1日開始執(zhí)行該排放標(biāo)準(zhǔn)[1]。

國家煙氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，使單一污染物的環(huán)保治污難度越來越大，逐漸使鋼鐵行從單純依靠除塵、脫硫和脫硝等終端處理方式轉(zhuǎn)變?yōu)樵谖廴疚锂a(chǎn)生源頭和污染物產(chǎn)生過程進(jìn)行處理轉(zhuǎn)移，并且不再只注重污染物單一處理

2 燒結(jié)煙氣多污染物排放特征分析

燒結(jié)過程所釋放的SO2氣體主要是由含鐵原料和燃料中的硫化物氧化生成，隨燃燒過程進(jìn)行SO2的持續(xù)釋放，隨燒結(jié)溫度、時間、助燃空氣氧含量和燃料顆粒尺寸等因素而變化。燒結(jié)煙氣中的SO2的排放具有自持性規(guī)律，該規(guī)律認(rèn)為當(dāng)燒結(jié)過程中燃料用量，燒結(jié)原料水分、含硫量以及燒結(jié)礦酸堿度在正常范圍內(nèi)無論如何變動時，在接近燒結(jié)煙氣溫度峰值即燒結(jié)終點(diǎn)前，煙氣中SO2濃度都會出現(xiàn)明顯峰值。

燒結(jié)煙氣中釋放的NOx，其中有95%左右的NOx 為NO[2]。在燒結(jié)過程中，燒結(jié)機(jī)各風(fēng)箱煙氣中NO 的濃度比較均衡，且數(shù)值均較高。為降低NO排放濃度，可采取提高燒結(jié)礦堿度或者加厚燒結(jié)料層厚度的方法，創(chuàng)造有利條件生成更多CaO·Fe2O3，從而實(shí)現(xiàn)催化CO還原NOx的效果，減少煙氣中NOx的排放。

在燒結(jié)過程中，氣體燃料、煤及焦炭燃燒過程產(chǎn)生COx，煙氣中呈現(xiàn)出一種COx濃度先快速上升，然后下降后穩(wěn)定，小幅波動的趨勢。當(dāng)達(dá)到燒結(jié)終點(diǎn)時，燒結(jié)煙氣中氧含量恢復(fù)至21%左右，COx濃度接近于零[3]。

3 煙氣多污染物控制技術(shù)

鋼鐵企業(yè)燒結(jié)機(jī)煙氣污染物主要有三種治理思路：減少源頭污染物產(chǎn)生量、減少過程釋放量和減少末端排放量。其中，減少末端排放量是最為常見的思路[4]。

3.1 減少源頭污染物產(chǎn)生量

源頭減排技術(shù)主要包括：燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)治理技術(shù)和厚料層燒結(jié)技術(shù)，二者各有特點(diǎn)。

3.1.1 燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)治理技術(shù)

由于燒結(jié)機(jī)臺車欄板、燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱及支管等位置密封不嚴(yán)，在燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)負(fù)壓作用下，導(dǎo)致有部分空氣自不經(jīng)過燒結(jié)料層進(jìn)入燒結(jié)機(jī)主煙道中，導(dǎo)致燒結(jié)煙氣量增大、燒結(jié)主抽風(fēng)機(jī)功耗增加、有效進(jìn)風(fēng)量減少及燒結(jié)礦燒結(jié)不完全，影響燒結(jié)礦的品質(zhì)和產(chǎn)量。為了減少燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)，可采取改進(jìn)臺車裝備、加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)、精心操作的方式。

3.1.2 厚料層燒結(jié)技術(shù)

保持較高的鋪料厚度進(jìn)行燒結(jié)，延長點(diǎn)火時間和高溫?zé)Y(jié)時間，有利于充分為燒結(jié)料層表層供熱，降低冷卻強(qiáng)度、提高燒結(jié)礦強(qiáng)度，減少返礦率，從而減少污染物排放；降低FeO含量，改善其還原性；節(jié)約固體燃料消耗，從而直接減少了燃料燃燒所造成的污染物排放[5]。

3.2 減少過程釋放量

3.2.1 燒結(jié)料面噴吹蒸汽技術(shù)

該技術(shù)利用蒸汽引射空氣，實(shí)現(xiàn)以下益處：增加燒結(jié)料面進(jìn)風(fēng)量，強(qiáng)化燒結(jié)過程，使燃燒充分，減少一氧化碳的產(chǎn)生；改變燒結(jié)料層中含氯產(chǎn)物形態(tài)，減少二噁英的產(chǎn)生；改善燒結(jié)過程，提高產(chǎn)量和質(zhì)量[6]。

3.2.2 選擇性燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)

由于燒結(jié)機(jī)各風(fēng)箱煙氣溫度、壓力、流量及污染物排放不同，因此，可優(yōu)選并匯總?cè)舾娠L(fēng)箱煙氣返回到燒結(jié)機(jī)料面，用于熱風(fēng)燒結(jié)等[7]。循環(huán)煙氣由燒結(jié)機(jī)風(fēng)箱引出，經(jīng)除塵系統(tǒng)、循環(huán)主抽風(fēng)機(jī)、煙氣混合器后通過密封罩，返回到燒結(jié)機(jī)料面，在負(fù)壓作用下，進(jìn)入燒結(jié)料層。經(jīng)過一系列的物理、化學(xué)過程，包括高溫循環(huán)煙氣與燒結(jié)料層的熱交換、CO 的二次燃燒放熱、二噁英的高溫分解以及NOx的催化還原，實(shí)現(xiàn)減少污染物排放、釋放煙氣熱量，減少燃料使用量，改善燒結(jié)過程，提高燒結(jié)礦料層溫度均勻性和破碎強(qiáng)度等理化指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減排、提產(chǎn)多功能耦合。

3.3 減少末端排放量

目前，主要通過脫硫、除塵和脫硝技術(shù)來減少末端排放量。鋼鐵行業(yè)實(shí)施超低排放后，傳統(tǒng)除塵技術(shù)難以滿足排放要求。目前主要采用濕法脫硫配置濕式電除塵工藝，或者半干/干法脫硫配布袋式除塵器以滿足粉塵超低排放。

脫硫技術(shù)有濕法、干法和半干法等。濕法脫硫技術(shù)成熟，投資和運(yùn)維成本低，但廢水和白煙問題嚴(yán)重；干法/半干法技術(shù)可脫除多種非常規(guī)污染物，但副產(chǎn)物處理困難；活性炭法可同時脫除多種污染物，但對企業(yè)資金壓力較大。因此，燒結(jié)機(jī)煙氣處理建議選擇干法/半干法技術(shù)。

鋼鐵燒結(jié)煙氣脫硝工藝路線主要有低溫氧化-吸收法、低溫SCR還原法和活性焦脫硫脫硝一體化法。

臭氧低溫氧化吸收法[8]裝置占地面積小、建設(shè)成本低、但是運(yùn)行成本相對較高。并且由于臭氧氧化反應(yīng)最適宜在90℃～130℃發(fā)生[9]，低于燒結(jié)煙氣普遍溫度120℃～180℃，因此會導(dǎo)致部分臭氧自動分解為氧氣，從而降低臭氧濃度，減弱臭氧氧化效果。

由于燒結(jié)煙氣溫度低、粉塵濃度大、黏性大，含有重金屬等其他特點(diǎn)，在SCR 脫硝技術(shù)應(yīng)用過程中，如處理不當(dāng)，極易引起催化劑中毒[10]，因此工程應(yīng)用中一般把SCR脫硝放在脫硫后，且在SCR 反應(yīng)器之前，增設(shè)補(bǔ)熱裝置，將煙氣加熱至220℃以上。該技術(shù)煤氣消耗量大，成本高。

活性焦脫硫脫硝一體化法，利用活性焦的變溫吸附能力，在低溫時通過物理和化學(xué)吸附作用，吸附煙氣中的NOx，然后催化NH3與NOx發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成無害物質(zhì)，并且實(shí)現(xiàn)脫除污染物的目的，但是該方法投資高，運(yùn)行費(fèi)用較大。

4 煙氣多污染物協(xié)同控制技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐及理論探索

近幾年，隨著國家對煙氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)加嚴(yán)，使人們對煙氣多污染物協(xié)同控制技術(shù)越來越重視，從工程實(shí)踐和理論探索方面均做了大量工作，目前主要有兩種技術(shù)路徑：第一種路徑為燒結(jié)煙氣循環(huán)聯(lián)合末端活性焦多污染物協(xié)同控制技術(shù)、第二種路徑為燒結(jié)煙氣循環(huán)聯(lián)合循環(huán)流化床脫硫及臭氧預(yù)氧化脫硝協(xié)同控制技術(shù)。

第一種路徑，脫硫脫硝技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多種污染物協(xié)同脫除，但是實(shí)施該技術(shù)的成本，與煙氣量成正相關(guān)關(guān)系，且影響很大，煙氣循環(huán)技術(shù)恰好能解決這個問題。如圖1所示為河鋼集團(tuán)邯鄲鋼鐵廠360m2燒結(jié)機(jī)利用該一體化技術(shù)工藝流程圖。經(jīng)過測算，該協(xié)同控制技術(shù)可減排煙氣量約26%，CO 和NOx 減少20%以上。且運(yùn)行期間粉塵、SO2和NOx 的排放濃度，分別為3mg/m3～7mg/m3、2.5mg/m3～7.5mg/m3、30mg/m3～45mg/m3，達(dá)到超低排放，無設(shè)備檢修，技術(shù)成熟可靠。應(yīng)用該技術(shù)后，減少排污費(fèi)760萬元/年，減少固體燃料消耗約3kg/t礦，每年創(chuàng)造1.3億元效益。副產(chǎn)物濃H2SO4可達(dá)18000t/年，年創(chuàng)造效益約2600 萬元。燒結(jié)礦產(chǎn)量提高百分比＞1%，產(chǎn)生效益約2500 萬元/年。秋冬季可避免限產(chǎn)，產(chǎn)量約140萬噸/年，每年創(chuàng)造效益約2億元，合計創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益約4億元/年[11]。

圖1 技術(shù)路徑1

燒結(jié)煙氣循環(huán)聯(lián)合循環(huán)流化床脫硫及臭氧預(yù)氧化脫硝協(xié)同控制技術(shù)為技術(shù)路線2，如圖2 所示，是綜合利用了燒結(jié)煙氣循環(huán)技術(shù)減排煙氣量，循環(huán)流化床脫硫技術(shù)無廢水產(chǎn)生且投資運(yùn)行成本低，臭氧預(yù)氧化SCR脫硝技術(shù)脫硝效率高的特點(diǎn)，組合而成的協(xié)同脫除技術(shù)路線。

該路線中，燒結(jié)煙氣循環(huán)采用純氧補(bǔ)充循環(huán)煙氣中氧含量，相比于常規(guī)技術(shù)，可減少30%以上的外排煙氣總量，可更大程度降低后續(xù)煙氣凈化系統(tǒng)工作負(fù)荷，降低脫硫脫硝裝置的投資和運(yùn)行成本。

臭氧預(yù)氧化脫硝技術(shù)，臭氧發(fā)生裝置產(chǎn)生臭氧并噴入燒結(jié)煙氣中，利用臭氧的強(qiáng)氧化性將NO 部分氧化為NO2，通過調(diào)節(jié)O3/NO 摩爾比，調(diào)節(jié)煙氣中NO/NO2的摩爾比例到0.95～1.05 左右[12]。當(dāng)該比例≈1 時，NO 和NO2會在脫硝催化劑中發(fā)生快速SCR 反應(yīng)，為標(biāo)準(zhǔn)SCR 反應(yīng)活性的1.4 倍，催化劑用量為原用量的70%左右，經(jīng)過計算，快速SCR反應(yīng)可以延長現(xiàn)有催化劑壽命約23000h，延長催化劑的更換周期941d[13-15]。顯著減小SCR 反應(yīng)器規(guī)模和催化劑體積，大大降低脫硝系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本。

圖2 技術(shù)路徑2

5 結(jié)論與展望

本文章所列舉的煙氣污染物排放技術(shù)，均能達(dá)到超低排放效果，但又各有各的特點(diǎn)，針對以上技術(shù)，提出以下意見和建議：（1）本著污染物協(xié)同脫除原則，建議對于新建燒結(jié)機(jī)，建設(shè)環(huán)保設(shè)施時，考慮第一種或第二種技術(shù)路徑。（2）對于已建燒結(jié)機(jī)，如果現(xiàn)有濕法脫硫裝置，為更好地實(shí)現(xiàn)脫硫脫硝效果，應(yīng)選擇臭氧低溫氧化脫硝與之配合。（3）對于已建燒結(jié)機(jī)，如果現(xiàn)有半干法脫硫裝置，應(yīng)選擇臭氧低溫氧化脫硝技術(shù)或者后置SCR 技術(shù)。（4）考慮到后續(xù)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)會愈發(fā)嚴(yán)格，因此應(yīng)盡可能地把源頭、過程與末端治理結(jié)合起來。