球團廠氮氧化物超低排放改造方案討論

黃勁松，黃 雯，王萬平

（武鋼資源集團程潮礦業(yè)有限公司，湖北 鄂州 436050）

當前，鋼鐵行業(yè)大氣污染依然突出，而球團又是鋼鐵行業(yè)大氣污染首要貢獻源之一。隨著鋼鐵行業(yè)對大氣污染貢獻的比重加大，為切實落實“打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”，2019 年生態(tài)環(huán)境部等五部委聯合頒布了《關于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，對球團工序煙氣排放明確提出了最為嚴格的排放要求，其中氮氧化物排放濃度小時均值分別不高于50mg/立方米。根據《關于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》（環(huán)大氣[2019]35 號）,急需對現有回轉窯窯尾煙氣增設脫硝裝置，進行球團煙氣超低排放改造。

1 改造要求及數據收集

1.1 主要技術原則

（1）改造后，氮氧化物最高允許排放濃度≤50mg/Nm3。

（2）對脫硝工藝技術方案進行篩選比較，提出技術成熟，脫除效率穩(wěn)定，有一定應用業(yè)績，既能保證系統(tǒng)可靠運行又確保不影響企業(yè)的正常生產的脫硝改造方案。

（3）選用的工藝（提效）方案應與球團廠生產工藝相適應，工藝布局滿足現場要求，方案具有先進性、可靠性、經濟合理性。

（4）在滿足技術性能要求的前提下，盡量節(jié)約投資[1]。

1.2 改造后排放指標要求

改造完成后，煙氣排放滿足以下指標要求（脫硫裝置入口粉塵含量30mg/Nm3情況下）。

2 NOx超低排放改造技術方案比選、優(yōu)化分析

結合公司的實際情況，現有煙氣處理系統(tǒng)已配置有脫硫處理工藝裝置，但無法滿足超低排放要求；未建設有煙氣脫硝裝置。隨著環(huán)保排放要求的提高，原有除塵脫硫裝置已不能完全勝任，需根據新的排放要求對脫硫系統(tǒng)進行提效改造，新增氮氧化物的凈化裝置，通過比選最終確定合理的工藝技術方案。

脫硝工藝選擇。

2.1 方案一：SCR 脫硝工藝

目前球團煙氣脫硝工藝受溫度窗口選擇的影響，均采用SCR脫硝工藝。由于SCR 催化劑主要由堿金屬組成，而球團煙氣中含水率高、HCL、SO2含量高以及其他影響因素，在不去除HCL、SO2等污染物的情況下，直接與通過催化劑去除煙氣中NOx，極易使SCR 催化劑失去活性。因此，脫硝必須與煙氣溫度相結合。

選擇性催化還原（SCR）法，即在裝有催化劑的反應器內用氨作為還原劑來脫除氮氧化物。煙氣中的氮氧化物一般由體積濃度約95%的NO 和5%的NO2組成。脫硝反應按照下面的基本反應轉化成分子態(tài)的氮氣和水蒸氣。

SCR 主要反應方程式如下：

圖1 SCR 脫硝反應示意圖

選擇性催化還原(SCR)技術是目前應用最多而且最有成效的煙氣脫硝技術。

方案A：脫硫前SNCR+高溫SCR 脫硝

將SCR 脫硝裝置布置于濕法脫硫裝置前，在鏈篦機機頭位置、預熱段根據煙氣溫度、氮氧化物的不同分布和梯度，分別設置SNCR、高溫SCR 裝置，經過以上裝置處理后，煙氣所含氮氧化物濃度可降至50mg/Nm3以下。

該脫硝工藝的主要優(yōu)點：

（1）投資省，造價低：該工藝充分利用球團生產煙氣溫度的不同分布梯度，在不同溫度區(qū)間設置脫硝裝置，不需要額外增加換熱器、熱風爐等設備，節(jié)省投資。

（2）運行費用低：該工藝充分利于球團生產過程中不同位置的煙氣溫度，不需進行升溫加熱，節(jié)省煤氣，減少電耗，總體運行費用大大降低。

（3）占地面積小：該工藝只考慮SCR 脫硝反應器占地及氨區(qū)占地，不需考慮因GGH、熱風爐等占地面積，所需占地面積小，可利用管束除塵器和高溫風機之間場地。

該脫硝工藝的主要缺點：

（1）煙氣中粉塵濃度較高，對催化劑磨損大：SCR 脫硝裝置由于位于管束除塵之后，雖然煙氣中大顆粒粉塵已去除，但粉塵含量仍較高，對催化劑磨損較嚴重。

（2）粉塵中其他金屬物質含量較高，影響催化劑性能：因粉塵為球團生產過程中顆粒，球團顆粒中含有鉻、鎘等重金屬，可能會對催化劑性能影響較大，嚴重時可導致催化劑中毒，失去活性。

（3）預熱段煙氣溫度范圍較大，常規(guī)催化劑不適用：由于預熱段煙氣漸度從300℃-450℃的區(qū)間范圍，常規(guī)中高溫催化劑在300℃-400℃范圍，需考慮高溫時，催化劑的耐受能力和性能。

方案B：脫硫后中高溫SCR 脫硝

脫硝裝置布置于濕法脫硫裝置后，采用GGH 換熱器，利用脫硝后的270℃～280℃的凈煙氣將煙氣溫度升至220℃～250℃，再利用熱風爐將煙氣溫度升溫至280℃左右，進入SCR 脫硝反應器進行反應。反應后的煙氣再對濕法脫硫出口的煙氣升溫加熱，將溫度降至100℃左右后，通過引風機排放至煙囪。

該脫硝工藝的主要優(yōu)點：

（1）SO2、粉塵對催化劑影響小：該工藝布置于濕法脫硫后，煙氣經脫硫、除塵后升溫后，進行SCR 反應器進行脫硝，煙氣中SO2、粉塵含量已在超低排放范圍內，對催化劑影響最小。

（2）催化劑生產廠家多：280℃中高溫催化劑目前在燒結、球團脫硝裝置中運行較多，可選擇的生產較廣，采購易。

（3）滿足不同工況后置煙氣脫硝要求：對于球團主工藝附近廠地緊張，無適用溫度范圍的廠區(qū)，更適宜采用后置SCR 脫硝。且不僅適用于濕法脫硫，也適用于干法、半干法脫硫之后。

該脫硝工藝的主要缺點：

（1）投資高，占地面積大：由于采用GGH 換熱，并采用熱風爐升溫工藝，占地面積，設備造價都較大。且因脫硫場地已建設或其他建筑物已將場地占據，可能需要引至他處另建，煙道、建構筑投資較大。

（2）運行費用高：該工藝因采用熱風爐進行升溫加熱，將需要耗費大量的煤氣來補充熱量，運行費用較高，可占總的運行費用約1/3，同時由于GGH 阻力較高，系統(tǒng)總的阻力增加，引風機電耗升高，運行費用總體偏高。

（3）受濕法脫硫影響，GGH 易結垢：由于濕法脫硫后，煙氣含有水汽及少量粉塵，在干濕交界的地方易結垢，易造成換熱效果較差等問題。

2.2 方案二：活性焦脫硝工藝

活性焦脫硝是利用活性焦具有催化性能，當向煙氣中注入合適量的氨，在活性焦催化還原作用下，煙氣中的 NOx被還原成 N2，其脫硝反應及脫硝反應式為：

吸附工藝：

活性焦工藝技術可將溫度為 110～150℃的煙氣中的 NOx還原成無污染的 N2，此溫度恰好在工業(yè)窖爐范圍內，無需進行加熱，其脫除效率可達 70%左右，另活性焦經解析后還可重復利用。

活性焦脫硝技術優(yōu)點：

（1）煙氣脫除溫度低，特別是脫硝處理溫度，一般工業(yè)窖爐煙氣溫度均符合要求，無需設置加熱升溫裝置。

（2）一體化脫除煙氣中的污染物，除氮氧化物外，還可吸附煙氣中的SO2、汞、二惡英等有毒有機物。

（3）活性焦可循環(huán)重復利用，節(jié)約資源。

（4）工藝流程簡單，運行操作容易，負荷適應性強。

活性焦工藝技術缺點：

（1）脫除效率略低，該工藝、脫硝效率達70%，雖脫除率相對不錯，但按照目前環(huán)保要求的污染物超凈排放，略顯不足，且目前的技術尚無大的改進手段。

（2）反應裝置龐大，占地面積大，所需場地要求較大。

（3）控制難度大，對運行人員要求高。

（4）運行成本高，脫除劑來源性能不穩(wěn)定。

（5）脫附煙溫要求達到400～450℃，本項目不具備要求，需增加升溫裝置。

2.3 脫硝還原劑方案比選

目前，常用的還原劑有液氨、尿素和氨水三種。

（1）液氨：液氨由專用密閉液氨槽車運送到液氨儲罐，液氨儲罐輸出的液氨在液氨蒸發(fā)器蒸發(fā)成氨氣，并將氨氣加熱至常溫后，送到氨氣緩沖罐備用。緩沖罐的氨氣經調壓閥減壓后，送入各機組的氨氣/空氣混合器中，與來自風機的空氣充分混合后，通過噴氨格柵（AIG）噴入煙氣中，與煙氣混合后進入SCR 催化反應器。

（2）氨水：通常是用25%的氨水溶液，將其置于存儲罐中，然后通過加熱裝置使其蒸發(fā)，形成氨氣和水蒸汽。可以采用接觸式蒸發(fā)器或采用噴淋式蒸發(fā)器。但對于20%以下氨水，目前不作為危險化學品進行要求，故在工程所在地100km 范圍內如有氨水，運行費用較少。

（3）尿素法：尿素制氨分為水解技術與熱解技術。尿素熱解技術的工藝流程如下：尿素顆粒儲存于儲庫，由機械或人工機輸送到溶解罐里，用除鹽水將固體尿素溶解成40%～55%質量濃度的尿素溶液，通過尿素溶液循環(huán)泵輸送到尿素溶液儲罐；尿素溶液經由供液泵、計量與分配裝置、霧化噴嘴等進入絕熱分解室，稀釋空氣經加熱后也進入分解室。

尿素溶液可直接用作SNCR 脫硝工藝還原劑。

使用氨水作為脫硝還原劑，對存儲、卸車、制備區(qū)域以及采購、運輸路線等國家沒有嚴格規(guī)定，但氨水運輸量大，運輸費用高，制氨區(qū)占地面積大，而且在制氨過程中需要利于蒸汽進行氣化，消耗大量的熱能，運行成本較高。由于液氨來源廣泛、價格便宜、投資及運行費用均較其他兩種物料節(jié)省，因而目前國內大多數SCR裝置都采用液氨作為SCR脫硝還原劑；但同時液氨屬于危險品，對于存儲、卸車、制備、采購及運輸路線國家均有較為嚴格的規(guī)定。

尿素熱解制氨工藝安全成熟可靠，占地面積小，而且國家目前對尿素作為脫硝還原劑在存儲、卸車、制備、采購及運輸路線方面尚無要求，但由于尿素熱解需要使用專用設備，投資成本高，而且尿素價格高，制氨過程中需要消耗大量的熱量，運行成本高，所以在國內只有城市電廠因安全和占地等因素使用尿素作為脫硝劑。本項目遠離城市邊緣，且廠區(qū)內沒有建設液氨站的場地，如在廠區(qū)外建設氨站一方面氨氣輸送距離長，另一方面不便于安全和生產管理，存在事故隱患，因此不宜采用液氨作為還原劑。

廠區(qū)附近有氨水供應，氨水受運輸距離限制，且制備氣氨簡單、投次較省，適宜作為本項目脫硝還原劑。

因此，本可研脫硝還原劑按照20%氨水進行設置。

3 結論

對比上述兩個脫硝工藝方案，均可滿足NOx超低排放要求。方案二目前脫硝效率不穩(wěn)定，在低NOx時可以滿足要求，但當煙氣中NOx超過200mg/Nm3時，無法保證超低排放效果；同時活性焦脫硝常與活性焦脫硫配套建設，投資高，占地大，脫除劑需要再生等，對比方案一SCR 脫硝，方案一更符合球團脫硝要求。因此，本項目脫硝工藝采用方案一：SCR 脫硝工藝，采用20%氨水做為還原劑。

對比方案一中A、B 方案，方案A 改造量較小，煙氣阻力增加較少，占地面積小，投資少，運行費用低，但目前成功案例不多，催化劑生產廠家少，不普遍。方案B 相對改造量大，煙氣阻力增加較多，占地大，投資大，運行費用高。從投資及工程量來說，方案A 比方案B 投資少、運行費用，且阻力低、占地較小，雖然目前成功案例較少，但仍是日前球團脫硝大趨勢。

綜合考慮推薦方案一中方案A 為本次脫硝工藝方案，后續(xù)超低排放工藝路線中將以方案A：脫硫前SNCR+高溫SCR 脫硝進行改造。